KR20070009471A

KR20070009471A - 디지털 시그널링하는 무선 위치 변환기

Info

Publication number: KR20070009471A
Application number: KR1020060066404A
Authority: KR
Inventors: 안드레스 클라우디오 알트만; 아사프 고바리; 야론 에프라드
Original assignee: 바이오센스 웹스터 인코포레이티드
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2007-01-18
Also published as: CN1911171A; CA2552178A1; EP3376263A1; EP1744184A2; EP1744184B1; US8730011B2; BRPI0602801A; CA2552178C; EP1744184A3; EP3379298A1; EP3376264A1; JP5649764B2; MXPA06008073A; JP2007024892A; AU2006202954A1; IL176789A; US20070013540A1; IL176789A0; CN1911171B

Abstract

물체에 고정되도록 구성된 위치 변환기를 포함하는 물체를 추적하는 장치가 개시된다. 위치 변환기는 디지털 마이크로콘트롤러를 포함하고, 마이크로콘트롤러는 복수의 출력 핀들을 포함하고, 상기 출력 핀들 중 적어도 하나에서 선택된 주파수의 교류 디지털 출력을 생성하도록 동작할 수 있다. 적어도 하나의 전송 안테나는 출력 핀들 중 적어도 하나에 직접 연결되어, 적어도 하나의 안테나는 교류 디지털 출력에 응답하여 선택된 주파수에서 자기장을 전송한다. 자기장 센서는 자기장을 감지하고 그에 응답하여 신호를 발생시킨다. 프로세서는 위치 변환기의 좌표들을 결정하기 위해 상기 신호를 수신하고 처리한다.

위치 변환기, 마이크로콘트롤러, 안테나, 기준 주파수, 자기장

Description

디지털 시그널링하는 무선 위치 변환기{Wireless position transducer with digital signaling}

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 위치 감지를 위한 시스템의 개략도.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 위치 변환기의 상세한 사항을 도시하는 개략도.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 위치 감지 시스템의 기능적 요소를 도시하는 블록도.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 위치 변환기의 마이크로콘트롤러에 의해 발생된 구동 신호를 도시하는 구성도.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 위치 변환기에 전송된 진폭-변조 다운링크(downlink) 신호를 도시하는 개략도.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로콘트롤러에 연결된 복조기 회로를 개략적으로 도시하는 전기 회로도.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 위치 변환기에서의 전력 입력과 제어 회로의 프로그래밍을 개략적으로 도시하는 블록도.

<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>

20 : 추적 시스템 23 : 환자

26 : 임플란트 34 : 위치 패드

50 : 위치 변환기 60 : 통신 코일

62 : 전력 코일 74 : 안테나

76 : 감지 코일 90,92 : 신호

기술 분야

본 발명은 일반적으로 위치 감지 시스템에 관한 것이며, 특히 무선 위치 변환기들의 동작에 관한 것이다.

종래 기술

종래에 의학적 치료 과정에 포함된 물체의 좌표를 추적하기 위한 다양한 방법과 시스템이 공지되었다. 이들 시스템 중의 일부는 자기장의 전송 및 수신에 기초하고 있다. 일부 경우에, 자기장은 체외의 라디에이터에 의해 전송되고 체내의 물체에 고정된 센서에 의해 수신되는 반면에, 다른 경우는, 체내의 물체 상의 라디에이터가 자기장을 체외의 수신기로 전송한다. 감지된 자기장에 기초하여 물체의 좌표를 계산하기 위한 기본적인 기술은 두 경우 비슷하다.

예를 들면, 그 개시된 내용이 본원에 참조로서 포함된, Ben-Haim에게 허여된 미국 특허 제 5,391,199 호 및 제 5,443,489호는 체강 프로브(intrabody probe)의 좌표가 홀 이펙트(Hall effect) 장치, 코일 또는 다른 안테나와 같은 하나 이상의 자기장 변환기를 이용하여 결정되는 시스템을 개시하고 있다. 그러한 시스템들은 의료용 프로브 또는 카테타(catheter)에 관한 위치 정보를 생성하는데 사용된다. 코일과 같은 센서는 프로브에 위치되고, 외부에서 인가된 자기장에 응답하여 신호를 발생시킨다. 자기장은, 공지된 외부 기준 프레임에 상호 이격된 위치에 고정된 라디에이터 코일과 같은 자기장 변환기에 의해 발생된다. 또한, 프로브의 전송 안테나는 자기장을 발생시킬 수 있는데, 그것은 그 후에 체외의 수신에 의해 감지된다.

본원에 참조로서 포함되고 Ben-Haim 등에게 허여된, PCT 특허 공개 WO 96/05768호, 미국 특허 제 6,690,963호 및 미국 특허 출원 제 2002/0065455호는 카테타 팁에 관한 6-차원 위치 및 방향 정보를 발생시키는 시스템을 개시하고 있다. 이 시스템은 카테타의 찾을 수 있는 부분, 예를 들면 그것의 말단에 인접하여 복수의 센서 코일과, 외부 기준 프레임에 고정된 복수의 라디에이터 코일을 사용한다. 센서 코일은 라디에이터 코일에 의해 발생된 자기장에 응답하여 신호를 발생시키는데, 그 신호는 6-차원 위치 및 방향 좌표를 계산하도록 한다.

본원에 참조로서 포함되고 Doron등에게 허여된, 미국 특허 제 6,239,724호는 체강 물체의 좌표를 제공하기 위한 무선의 텔레미트리(telemetry) 시스템을 개시하고 있다. 그 시스템은 (a) 텔레미트리 장치에 전력을 공급하기 위해서 체외로부터 수신된 전력신호를 전기적 신호를 변환하기 위한 제 1 변환기와, (b) 체외로부터 수신되는 위치결정 자기장 신호를 수신하기 위한 제 2 변환기와, (c) 상기 위치 자 기장 신호에 응답하여 체외 사이트에 위치 신호를 전송하기 위한 제 3 변환기를 갖는 피하삽입이 가능한 텔레미트리 장치를 개시하고 있다.

본원에 참조로서 포함되고, Govari가 출원한 미국 특허 출원 제 2003/0120150호는 무선 자동 응답기가 물체에 고정되는 시스템을 개시하고 있다. 그 자동 응답기는, 신호 전류가 고정된 라디에이터에 의해 발생한 전자기장에 응답하여 흐르는 적어도 하나의 센서 코일과, 라디오 주파수(RF) 구동 자기장을 수신하여 자동 응답기에 전력을 공급하도록 그 구동 자기장으로부터 전기적 에너지를 전달하는 전력 코일을 포함한다. 그 전력 코일은 또한 신호 전류에 응답하여 출력 신호를 신호 수신기에 전송하는데, 그 수신기는 그 신호를 물체의 좌표를 결정하도록 처리한다.

본원에 참조로서 포함되고, Besz등에게 허여된 미국 특허 제 5,099,845호는 의료용 위치 결정 장치를 개시하는데, 그 장치는 (인간 몸체와 같은) 물체에 삽입되는 기구의 일부를 형성하는 라디에이팅 요소를 갖는다. 그 요소는 신호를 발산하는데, 그 신호는 적어도 하나의 수신 요소에 의해 탐지된다. 수신된 신호 에너지 수준은 수신 요소로부터 라디에이팅 요소의 거리 측정에 사용되고, 이어서 그것은 기구 동작자에 의해 인식되어 그가 기구를 물체 내에 위치시킬 수 있다.

본원에 참조로서 포함되고, Polvani에게 허여된 미국 특허 제 5,762,064호는 체내의 자기 프로브의 위치를 결정하기 위한 의료용 자기 위치결정 시스템 및 방법을 개시하고 있다. 적어도 두 개의 이격된 자력계(magnetometer)가 체내부의 프로부의 원하는 위치와 인접한 몸체 외부의 한 영역에 고정된다. 프로브의 3 차원 자 기장이 자력계에서 탐지되고, 프로브의 위치는 탐지된 3 차원 자기장의 위치에 따라서 결정된다.

본 발명은 보다 개선된 물체 추적 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

이하에 기술되는 본 발명의 실시예에서, 소형 무선 위치 변환기가 환자 체내에 삽입되는 물체에 고정된다. 그 변환기는 예를 들면, 임플란트에 포함되거나 또는 환자에게 수행되는 외과 수술에서 사용되는 기구에 부착될 수 있다. 위치 변환기는 일반적으로, 환자 체외인(비록 꼭 그럴 필요는 없지만) 고정된 위치에서 수신기에 의해 탐지되는 자기장을 발생시킨다. 탐지된 자기장에 응답하여, 수신기는 변환기의 좌표, 즉 체내의 물체의 좌표를 결정하기 위해 분석되는 위치 신호를 출력한다.

본 발명의 일부 실시예에서, 위치 변환기는 변환기의 동작을 제어하는 디지털 마이크로콘트롤러를 포함한다. 그 마이크로콘트롤러는 자기장을 발생시키기 위해 코일 안테나와 같은 하나 이상의 전송 안테나에 연결된다. 변환기를 가능한 한 작고 단순하게 제조하기 위해서, 마이크로콘트롤러 및 코일 사이에 간섭하는 추가적인 아날로그 증폭기 없이 안테나는 직접 마이크로콘트롤러의 출력 핀에 연결된다. 마이크로콘트롤러는 프로그램되어 원하는 구동 주파수로 이들 핀 사이에서 구형파와 같은 교류 디지털 출력을 출력한다. 그 결과, 안테나는 구동 주파수에서 자기장을 발생시키고, 수신기는 이 주파수의 자기장을 탐지하기 위해 튜닝된다. 한 실시예에서, 상이한 방향으로 권선된 세 개의 코일이, 이들 세 개의 상이한 구분되 는 자기장을 전송하기 위해 마이크로콘트롤러의 상이한 핀에 의해 피동된다.

본 발명의 일부 실시예에서, 마이크로콘트롤러는 무선 다운링크를 통해 디지털 데이터를 수신하도록 구성되어, 변환기가 체내에 있는 동안에, 외부 제어 및 재프로그래밍을 허용한다. 이 목적을 위해서, 라디오-주파수(RF) 캐리어가 체외의 안테나로부터 변환기를 향해 전송된다. 캐리어는 데이터를 센서에 전달하기 위해 진폭 변조된다. 캐리어는 동조 회로에서 코일과 같은 안테나에 의해 수신되는데, 그것은 정류기를 통해 마이크로콘트롤러의 입력 핀에 직접 연결된다. 이 수신기 회로에서는 어떤 증폭기 또는 아날로그/디지털 (A/D) 변환기도 요구되지 않는다. 또한, 마이크로콘트롤러는 단순히 정류기에 의해 제공된 엔빌로프(envelop) 수준을 감지한다.

한 실시예에서, 무선 다운링크가, 변환기에 의해 발생된 자기장의 원하는 구동 주파수에서 고주파 캐리어 신호를 변조시킴으로써 위치 변환기에 주파수 동기 신호를 전송하는데 사용된다. 마이크로콘트롤러는 변조된 캐리어 신호와 정확하게 동기화된 전송 안테나를 구동시킨다. 체외의 수신기는 동기화 신호의 주파수(그리고 가능하게 위상)로 튜닝되고, 따라서 위치 변환기에 의해 전송된 약한(weak) 자기장을 백그라운드(background) 노이즈가 존재하는 경우라도 신뢰성 있게 탐지할 수 있다. 디지털적으로 제어된 변환기는 따라서 변환기에서 최소의 추가적인 회로를 가지고 비용이 드는 주파수-제어 부품없이도 정확하게 주파수 및 위상 제어를 달성할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에서, 디지털 마이크로콘트롤러의 전력은 체외의 라디 오 주파수(RF) 라디에이터로부터 유도적으로 공급된다. RF 전력은 전류가 변환기 장치의 하나 이상의 전력 코일에 흐르도록 한다. 전류는 정류되고, 정류된 전류는 레귤레이터에 입력되는데, 레귤레이터는 적절한 DC 전압을 마이크로콘트롤러에 공급한다.

한 실시예에서, 마이크로콘트롤러는 플래시 메모리와 같은 프로그램가능한 비-휘발성 메모리를 포함한다. 변환기가 체내에 있는 동안에 메모리를 재프로그래밍하기 위해서, 마이크로콘트롤러에의 입력 전압 수준은 정상 동작 전압에서 프로그래밍을 위한 높은 전압 수준으로 스위칭된다. 전압 수준 스위칭은 단순한 고정-출력 레귤레이터를 사용하여 이루어지는데, 그 레귤레이터는 마이크로콘트롤러의 스위칭가능한 입력 핀에 연결된다. 마이크로콘트롤러는 내부적으로 이 입력 핀을 스위칭하여, 레귤레이터의 접지 출력 핀이 교번으로 접지되거나 또는 선택된 전압에 의해 접지 위에서 플로팅(floating)될 수 있다. 레귤레이터 접지 핀을 플로팅시키는 것은 마이크로콘트롤러의 전압 입력 수준을 증가시키고, 따라서 메모리가 무선 링크를 통해 변환기로 전송된 디지털 데이터로 재프로그램되도록 한다. 유도된 RF 전력 대신에 변환기가 전력원으로서 배터리를 포함하는 때에, 유사한 기술이 원격 프로그래밍을 위해 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 한 실시예에 따른 물체 추적 장치가 제공되는데, 그 장치는,

출력 핀 중의 적어도 하나에서 선택된 주파수의 교류 디지털 출력을 발생시키도록 동작하는 복수의 출력 핀을 포함하는 디지털 마이크로콘트롤러와, 출력 핀 중의 적어도 하나에 직접 연결되어, 적어도 하나의 안테나가 교류 디지털 출력에 응답하여 선택된 주파수에서 자기장을 전송하는 적어도 하나의 안테나를 포함하는 물체에 고정되게 구성된 위치 변환기;

자기장을 감지하여 그것에 응답하여 신호를 발생시키도록 구성된 자기장 센서; 및

위치 변환기 좌표를 결정하기 위해 신호를 수신하고 처리하도록 연결된 프로세서를 포함한다.

개시된 실시예에서, 적어도 하나의 전송 안테나는 선택된 주파수 부근에서 공명 주파수를 갖는 코일을 포함한다. 일반적으로, 디지털 마이크로콘트롤러의 복수의 출력 핀은 적어도 하나의 제 1 및 제 2 출력 핀과 제 1 및 제 2 출력 핀 사이에 연결된 코일을 포함한다. 디지털 마이크로콘트롤러는 제 1 및 제 2 출력 핀 상의 선택된 주파수에서 반대 위상의 제 1 및 제 2 교류 디지털 출력을 발생시키도록 동작된다.

개시된 실시예에서, 교류 디지털 출력은 구형파를 포함한다.

일부 실시예에서, 복수의 출력 핀은 적어도 제 1 및 제 2 출력 핀을 포함하고, 적어도 하나의 전송 안테나는 제 1 및 제 2 출력 핀에 각각 직접 연결된 적어도 제 1 및 제 2안테나 코일을 포함하고, 디지털 마이크로콘트롤러는, 제 1 및 제 2 안테나 코일을 교번으로 구동시키기 위해 제 1 및 제 2 출력 핀 상에서 교류 출력을 발생시키도록 동작된다. 한 실시예에서, 복수의 출력 핀은 추가적인 출력 핀을 포함하고, 제 1 및 제 2 안테나 코일은 추가적인 출력 핀과 제 1 및 제 2 출력 핀 사이에 각각 직접 연결된다. 일반적으로, 적어도 제 1 및 제 2 안테나 코일은 상호 직교 축상에 권선된다.

일부 실시예에서, 물체 추적 장치는, 라디오 주파수(RF) 신호를 전송하도록 동작하고, 위치 변환기에 바이너리 데이터를 전송하도록 변조되는 기준 변환기를 포함하고, 위치 변환기는, 신호를 수신하도록 구성된 수신 안테나와, 수신 안테나에 연결되어 바이너리 데이터를 복조하고 디지털 마이크로콘트롤러에 전달하는 복조기 회로를 포함하고, 그리고 디지털 마이크로콘트롤러는 바이너리 데이터에 응답하여 교류 디지털 출력을 발생시키도록 구성된다. 개시된 실시예에서, RF 신호는 미리 결정된 데이터 레이트로 바이너리 데이터에 응답하여 진폭 변조되고, 디지털 마이크로콘트롤러는 디지털 입력 핀을 포함하고, 복조기 회로는, RF 신호를 정류하고 정류된 RF 신호를 디지털 입력 핀에 연결하도록 수신 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 직접 연결되는 정류기를 포함한다. 일반적으로, 바이너리 데이터는 동기화 신호를 포함한다.

일부 실시예에서, 물체 추적 장치는, 라디오 주파수(RF) 에너지를 위치 변환기에 전송하도록 동작되는 전력 전송기를 포함하고, 위치 변환기는 전송된 RF 에너지를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 수신 안테나와, 직류(DC)를 디지털 마이크로콘트롤러에 제공하기 위해 RF 에너지를 정류하도록 연결된 정류기를 포함한다.

개시된 실시예에서, 위치 변환기는 피검자체 내로의 삽입을 위해 캡슐화된 무선 장치이다. 선택적으로, 위치 변환기는 체내의 생리학적 파라미터를 감지하기 위한 적어도 하나의 추가적인 센서를 포함하고, 적어도 하나의 추가적인 센서는 적 어도 하나의 전송 안테나를 통해 센서 판독 자료를 전송하기 위하여 마이크로콘트롤러에 연결된다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 물체 추적 장치가 제공되는데, 그 장치는,

기준 주파수에서 변조된 라디오 주파수(RF) 에너지를 전송하도록 동작하는 기준 전송기;

RF 신호를 수신하고 자기장을 전송하기 위한 적어도 하나의 안테나와, 적어도 하나의 안테나에 연결되어 RF 신호로부터 기준 주파수를 수신하고 기준 주파수의 자기장을 발생시키도록 적어도 하나의 안테나를 구동시키는 디지털 마이크로콘트롤러를 포함하는 물체에 고정되게 구성된 위치 변환기;

기준 주파수에서 자기장을 감지하도록 튜닝되고, 그것에 응답하여 신호를 발생시키도록 구성된 자기장 센서; 및

위치 변환기의 좌표를 결정하기 위해 신호를 수신하고 처리하도록 연결된 프로세서를 포함한다.

개시된 실시예에서, 디지털 마이크로콘트롤러는 디지털 입력 핀을 포함하고, 위치 변환기는 적어도 하나의 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 직접 연결되어 RF 신호를 정류하고 정류된 RF 신호를 디지털 입력 핀에 연결하는 정류기를 포함한다. 추가적으로 또는 선택적으로, 디지털 마이크로콘트롤러는 변조된 RF 신호에 관련하여 소정의 위상으로 자기장을 발생시키기 위해 적어도 하나의 안테나를 구동시키도록 동작하고, 자기장 센서는 그 위상 관계에 응답하여 자기장을 감지하도록 구성된다.

개시된 실시예에서, 디지털 마이크로콘트롤러는 입력 및 출력 핀을 포함하고, 적어도 하나의 안테나는 입력 핀의 적어도 하나에 연결된 수신 안테나와, 출력 핀들 중 적어도 하나에 연결된 전송 안테나를 포함한다. 일반적으로, 디지털 마이크로콘트롤러는 출력 핀들 중 적어도 하나 상에 기준 주파수로 구형파를 발생시킴으로써 전송 안테나를 구동시키도록 동작된다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 장치가 제공되는데, 그 장치는,

바이너리 데이터를 수신하도록 구성된 디지털 입력 핀을 포함하는 디지털 마이크로콘트롤러;

바이너리 데이터를 무선 장치에 전달하기 위해 미리 결정된 변조율로 진폭 변조된 라디오 주파수(RF) 신호를 수신하도록 구성된 수신 안테나; 및

수신 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 직접 연결되어 RF 신호를 정류하고 정류된 RF 신호를 디지털 입력 핀에 연결시키는 정류기를 포함한다.

개시된 실시예에서, 정류기는 수신 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 직렬로 연결된 하나의 다이오드를 포함한다.

일반적으로, RF 신호는 캐리어 주파수를 갖고, 수신 안테나가 캐리어 주파수 부근에서 공명 주파수를 갖는 코일을 포함한다.

한 실시예에서, 디지털 마이크로콘트롤러는, 디지털 입력 핀 상에서의 정류된 RF 신호의 출현이 디지털 마이크로콘트롤러에 인터럽트를 트리거하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 무선 장치는, 전송 안테나를 포함하고, 디지털 마이크로콘 트롤러가 바이너리 데이터에 응답하여 자기장을 전송하기 위해 전송 안테나를 구동하도록 연결된 디지털 출력 핀을 포함한다. 일반적으로, 디지털 마이크로콘트롤러는 바이너리 데이터의 변조율에 동기화되는 디지털 출력 핀 상에 구형파를 발생시키도록 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 장치가 제공되는데, 그 무선 장치는,

직류(DC) 전압을 발생시키도록 구성된 전원;

전원에 연결된 전력 입력부, 전력 출력부 및 접지 출력부를 포함하고, DC 전압에 응답하여 전력 및 접지 출력부 사이에 제 1 전압을 발생시키도록 동작하는 레귤레이터;

레귤레이터의 접지 출력부에 연결된 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 다이오드;

제 1 전압에서 동작될 때에 판독 전용 모드에서 접근가능하고, 제 1 전압 보다 높은 제 2 전압에서 동작될 때에 프로그램될 수 있는 비-휘발성 메모리와. 레귤레이터의 전력 출력부에 연결된 전력 입력부와, 다이오드의 제 2 단자에 연결된 접지 핀과, 입력 핀이 접지 핀에 연결되는 제 1 구성과 입력 핀이 플로트되는 제 2 구성 사이에서 마이크로콘트롤러에 의해 스위칭될 수 있는 입력 핀과, 그리고, 프로그래밍 명령과 데이터를 포함하는, 공중을 통해 전송된 데이터 신호를 수신하도록 연결된 데이터 입력부를 포함하는 디지털 마이크로콘트롤러를 포함하고,

그 마이크로콘트롤러는 프로그래밍 명령에 응답하여, 제 1 구성으로부터 제 2 구성으로 입력 핀을 스위칭하도록 구성되어 전력 입력부 및 접지 핀 사이의 전압 이 제 2 전압까지 증가하도록 하고, 입력 핀이 제 2 구성에 있는 동안에 데이터를 비-휘발성 메모리에 기록되도록 한다.

개시된 실시예에서, 마이크로콘트롤러는, 무선 장치의 좌표를 결정하는데 사용하기 위해 데이터에 응답하여 신호를 전송하도록 구성된다.

한 실시예에서, 비-휘발성 메모리는 플래시 메모리를 포함한다.

일반적으로, 데이터 신호는 바이너리 데이터를 장치에 전달하기 위해 변조된 라디오-주파수(RF) 신호를 포함하고, 장치는 RF 신호를 수신하도록 구성된 수신 안테나와, 수신 안테나에 연결되어 바이너리 데이터를 복조하여 디지털 마이크로콘트롤러의 데이터 입력부에 전달하는 복조 회로를 포함한다. 개시된 실시예에서, RF 신호는 바이너리 데이터에 응답하여 진폭 변조된 RF 캐리어를 포함하고, 복조 회로가 수신 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 직접 연결되어 RF 신호를 정류하는 정류기를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 물체 추적 방법이 제공되는데, 그 방법은,

복수의 출력 핀을 포함하는 디지털 마이크로콘트롤러를 포함하는 위치 변환기를 물체에 고정시키는 단계;

적어도 하나의 전송 안테나를 직접 출력 핀들 중 적어도 하나에 연결시키는 단계;

디지털 마이크로콘트롤러의 적어도 하나의 출력 핀 상에 선택된 주파수의 교류 디지털 출력을 발생시키어 적어도 하나의 안테나가 선택된 주파수의 자기장을 전송하도록 하는 단계; 및

위치 변환기의 좌표를 결정하기 위해 자기장을 감지하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 물체 추적 방법이 또한 제공되는데, 그 방법은,

기준 주파수에서 변조된 라디오 주파수(RF) 신호를 기준 전송기로부터 전송하는 단계;

RF 신호를 수신하고 자기장을 전송하기 위한 적어도 하나의 안테나와, 적어도 하나의 안테나에 연결되어 RF 신호로부터 기준 주파수를 수신하고 기준 주파수의 자기장을 발생시키도록 적어도 하나의 안테나를 구동시키는 디지털 마이크로콘트롤러를 포함하는 위치 변환기를 물체에 고정시키는 단계; 및

위치 변환기의 좌표를 결정하기 위해 기준 주파수에서 자기장을 감지하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 무선 장치 동작 방법이 제공되는데, 그 방법은, 바이너리 데이터를 무선 장치에 전달하도록 미리 결정된 변조율로 진폭 변조된 라디오 주파수(RF) 신호를 전송하는 단계; 및

수신 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 정류기를 직접 연결하여 RF 신호를 정류하고 정류된 RF 신호를 디지털 입력 핀에 연결시킴으로써 수신 안테나를 디지털 마이크로콘트롤러에 연결시키는 단계를 포함한다.

본 발명이 다음의 도면과 함께 다음의 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 외과 수술에 사용된 자기적 추적 시스템(20)에 대한 개략도이다. 의사(22)는 기구(24)를 사용하여 환자(23)에게 치료를 수행한다. 임플란트(26)가 치료 사이트의 환자 체내로 도입되는데, 그것은 이 예에서는 환자의 다리(30)에 위치된다. 추적 시스템은 임플란트(26) 및 기구(24)의 위치를 측정하고 제공하여 의사가 치료 과정, 이 예에서는 무릎-접합 수술을 수행하는 것을 안내한다. 이 시스템은 수술 사이트를 포함하는 수술 공간을 거쳐 좌표의 위치와 방향을 측정한다.

임플란트(26) 및 기구(24)는 이하에 상술되는 소형 무선 위치 변환기를 포함한다. 각 위치 변환기는 자기장을 발생시키도록 피동되는 일반적으로 코일인 하나 이상의 전송 안테나를 포함한다. 기구(24) 및 임플란트(26)의 좌표는 위치패트(34)와 같은 자기장 센서에 대해 상대적으로 결정되는데, 그 센서는 환자 몸에 고정되고 위치 변환기에 의해 발생된 자기장을 감지한다. 도 1에 도시된 예에서, 패드는 임플란트(26)에 인접한 환자의 종아리 및 대퇴부에 위치된다. 위치 패드는 도 2에 도시된 바와 같이 코일과 같은 감지 안테나를 포함한다. 선택적으로 또는 추가적으로, 자기장 센서는 수술 테이블 또는 환자(23)에 인접한 다른 구조물에 고정될 수 있다.

기구(24) 및 임플란트(26)의 위치 변환기에 의해 발생된 자기장은 위치 패드(34)에 전류를 유도하는데, 그것은 감지 안테나에 대한 위치 변환기의 위치 및 방향을 나타내는 것이다. 유도된 전류(또는 대응하는 전압)에 응답하여, 위치 패드는 위치 신호를 신호 처리 콘솔(38)로 전송한다. 그 콘솔은 수신된 신호를 처리하여 기구(24) 및 임플란트(26) 좌표의 위치 및 방향을 결정한다. 컴퓨터(41, 콘솔(38) 기능을 또한 수행할 수 있음)가 위치 정보를 의사에게 디스플레이(42) 상에 도식적으로 제공한다. 예를 들면, 의사(22)가 외과 수술 동안에 기구를 조작하는 경우에, 디스플레이는 임플란트(26)에 대한 기구(24)의 위치 및 방향을 보여줄 수 있다.

도시의 목적을 위해, 시스템(20)이 정형외과 수술에서의 사용이 도시되었지만, 본 발명의 원리는 유사하게 다른 무선 위치 감지 시스템 및 응용에 적용될 수 있다. 예를 들면, 이곳에 기술된 형태의 무선 위치 변환기는 심장 혈관 실시를 위한 카테타와 같은 의료 임플란트 및 기구의 다른 형태에 포함될 수 있고, 비슷하게 비-의료용 실시에 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따라, 임플란트(26)에 둘러싸인 위치 변환기(50)의 개략도이다. 또한, 변환기(50)는 임플란트, 기구 및 다른 침입 장치의 다른 형태에 포함되거나 다른 경우에는 부착될 수 있다. 이 예시적인 실시예에서 변환기(50)는 하나 이상의 전송기 코일(52)을 포함하는데, 그것은 자기 코어에 권선된 코일선을 포함한다. 변환기(50)는 하나 이상의 전력 코일(62) 및 무선 통신 코일(60)을 또한 포함한다. 코일들은 신축성 프린트 회로 기판(PCB)과 같은 적절한 기판(56) 상에 장착되고, 비슷하게 기판에 장착될 수 있는 마이크로콘트롤러(58) 및 주변 회로 요소(59)에 연결된다. 마이크로콘트롤러(58)는 예를 들면, Texas Instruments(델라스, 텍사스 소재)사가 제조한 초-저전력 16-비트 RISC 혼합-신호 처리기의 MSP430계 중의 하나를 포함할 수 있다. 변환기(50)는 일반적으로 임플란트내에 캡슐화되어 변환기 요소와 환자의 조직 및 체액과의 접촉을 방지한다.

마이크로콘트롤러(58)는 전송기 코일(52)을 구동하여 아래에 기술하는 위치 패드(34)에 의해 감지되는 자기장을 발생시킨다. 마이크로콘트롤러는 전력 코일(62)에 의해 수신된 라이오 주파수(RF)에 의해 전력이 공급되고, 통신 코일(60)에 의해 수신된 제어 신호를 사용하여 제어된다. 일반적으로, RF에너지 및 제어 신호는 위치 패드(34)에 의해 전송되고, 위치 패드는 전송 코일(52)에 의해 발생된 자기장을 감지하는 기능이 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, RF 전력 및 통신 신호는 다른 소스로부터 변환기(50)로 전송된다. 또한 선택적으로 또는 추가적으로, 변환기(50)는 마이크로콘트롤러에 전력을 공급하기 위한 배터리(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 다른 선택으로서, 마이크로콘트롤러는 어떤 다른 통신 입력 없이도, 변환기 메모리에 저장된 마이크로코드에 근거하여 독립적으로 동작될 수 있다.

단순화를 위해 도 2에는 전송기 및 전력 코일 조립체 각각에 하나의 코일만도시되었지만, 실제에서는, 각 조립체는 일반적으로 멀티 코일, 즉, 세 개의 전송 코일 및 세 개의 전력 코일을 포함할 수 있다. 전송 코일은 서로 직교하는 방향으로 하나의 코어에 함께 권선되고, 반면에 전력 코일은 서로 직교하는 방향으로 다른 코어에 권선된다. 선택적으로, 전송 및 전력 코일은 동일한 코어에 중첩될 수 있는데, 그것은 본원에 참조로서 포함된 2004년, 1월 9일 출원된 미국 특허 출원 제 10/754,751호에 기재되어 있다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 위치 패드(34) 및 위치 변환기(50)의 기능적 요소를 개략적으로 도시하는 블록도이다. 위치 패드(34)는 콘솔(38)과 통신하 는 처리 장치(70)를 포함한다. 처리 장치(70)는 전력 전송 안테나(72)를 구동하여 RF 전력을 전력 코일(62)에 전송하고, 또한 통신 안테나(74)를 구동하여 동기화 및 제어 신호를 통신 코일(60)에 전송한다. 또한, 전술한 것에서 알 수 있는 바와 같이, 이들 기능들은 시스템의 다른 전송기(도시되지 않음)에 의해 수행될 수 있거나 또는 미리 모두 함께 수행될 수 있다.

감지 코일(76)은 변환기(50)의 전송 코일(52A,52B,52C, 집합적으로 전송 코일(52)로 참조됨)에 의해 발생한 자기장을 감지한다. 처리 장치(70)는 감지 코일(76)에 유도된 신호를 여과, 증폭 및 디지털화하여 콘솔(38)로 전달되는 위치 신호를 유도한다. 전술한 바와 같이, 전송 코일은 일반적으로 상호 직교되는 방향으로 권선되어 상이한 공간 방향을 갖는 자기장을 발생시킨다. 유사하게, 감지 코일(76)은 상호 직교하는 방향으로 권선되어 코일들이 감지하는 자기장의 방향성 분해(resolution)를 제공한다. 또한, 전송 코일 및 감지 코일의 상이한 숫자와 구성이 사용될 수 있다. 예를 들면, 변환기(50)의 공간 및 복잡성을 줄이기 위해서, 변환기는 단지 하나 또는 두 개의 코일을 포함할 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 전송 코일 및/또는 감지 코일은 비-동심원적일 수 있고, 각 코일은 상이한 코어에 권선될 수 있다. 다른 코일 구성은 당업자에게 명백할 것이다.

전력 코일(62)에 의해 수신된 RF 에너지는 정류기(78)에 의해 정류되고, 따라서 전압 제어 회로(80)에 DC 입력을 발생시킨다. 이 회로는 마이크로콘트롤러(58)의 적절한 핀(82)에 조절된 전압을 제공하도록 접속된다. 마이크로콘트롤러의 입력 전압은 도 7을 참조하여 이하에 설명되는 바와 같이 가변적이다.

통신 코일(60)로부터의 동기화 및 제어 신호는 복조 회로(84)에 의해 복조되는데, 그것은 마이크로콘트롤러의 다른 핀(82)에 바이너리 진폭-변조 신호를 출력한다. 복조 회로의 동작은 도 5 및 도 6을 참조하여 이하에 기술된다. 도 3에는 하나의 통신 코일이 도시되었지만, 변환기(50)는 선택적으로 두 개 또는 세 개의 통신 코일을 포함할 수 있는데, 그 코일들은 직교하는 방향으로 권선될 수 있다. 이들 코일 모두는 복조 회로에 직렬 또는 병렬로 연결된다.

다른 핀(82, 도 3에서 A,B,C,D로 표시됨)이 전송 코일(52A,52B,52C)을 구동하도록 연결된다. 전송 코일의 각각은 각 핀(A,B,C)과 공통 핀(D) 사이에 연결된다. 이들 핀들은 일반적인 목적의 입력/출력(GPIO) 핀인데, 그것들은 소프트웨어 제어하에 높은(바이너리 1) 또는 낮은(바이너리 0) 전압 값으로 마이크로콘트롤러에 의해 세팅될 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서, 이들 핀들은 마이크로콘트롤러 칩 외부의 증폭기와 같은 액티브 부품의 간섭없이 코일(52A,52B,52C)에 직접연결된다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 핀(A,B,C,D) 상의 마이크로콘트롤러(58)에 의해 발생된 구동 신호(90,92)를 개략적으로 도시하고 있다. 이 실시예에서, 마이크로콘트롤러 핀은 프로그램 지시에 따라 피동되어 원하는 전송 주파수의 구형파를 발생시킨다. 일반적으로, 오디오 범위의 주파수는 예를 들면, 약 5kHz 이나, 그 보다 낮은 또는 높은 범위의 주파수가 선택적으로 사용될 수 있다. 선택적으로, 마이크로콘트롤러가 적절한 계산 및 디지털 I/O 능력을 갖는 경우에, 삼각 또는 싸인 파에 근접하는 출력과 같은 교류 디지털 출력의 다른 형태를 발생시킬 수 있다. 전송 코일(52, 코일과 마이크로콘트롤러 핀에 부착된 다른 패시스 부품에 연결되는 선을 따름)은 전송 주파수 부근에서 공명 주파수를 갖도록 구성되는 반면에, 보자 높은 주파수를 필터링한다. 그 결과, 전송 코일은 도 4에 도시된 구형파 신호를 대략 사인파 모양으로 평활화시킨다.

감지 코일(76)은 결과적인 사인파 모양의 자기장을 탐지한다. 마이크로콘트롤러 핀 및 코일 사이에 외부 증폭기가 없다는 것은 자기장이 약하다는 것을 의미하고, 따라서 위치 패드(34)를 변환기(50)에 근접하여 위치시키는 것이 바람직하다. 다른 한편, 전송된 자기장의 주파수는 매우 정교하게 제어되어서, 감지 코일(76)이 유리하게 매우 높은 Q를 갖고, 구동 신호(90,92) 주파수로 정교하게 튜닝된다. 전송 주파수를 유리하게 제어하는데 사용되는 방법이 도 5 및 도 6을 참조하여 아래에 설명된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로콘트롤러(58)는 프로그램되어 전송 코일(52)을 푸쉬-풀(push-pull) 형상으로 구동시킨다. 이 목적을 위해서, 각 코일의 양측은 마이크로콘트롤러의 액티브 출력 핀에 연결되는데, 그것은 반대 극의 신호로 피동된다. 도면에 도시된 예에서, 코일(52A)은 신호(90)를 코일 한 측의 핀(A)에 인가하고, 코일의 다른 측의 핀(D)에 반대 극성 신호(92)를 인가함으로써 피동된다. 이 특징은 코일을 통하여 유동하는 전류를, 따라서 전송된 신호 강도를 증가시킨다.

도 3에 도시된 바와 같이, 멀티플 전송 신호가 구비되는 경우에, 마이크로콘트롤러(58)는 코일을 타임-도메인 멀티플렉싱(time-domain multiplexing)(TDM) 모 드에서 구동시키어, 각 코일은 차례로 예비-할당 슬롯을 연속으로 전송한다. 따라서, 도 4에 도시된 예에서, 코일(52A)이 자기장을 전송하도록 피동되는 반면에, (핀(B,C)상의 비-전송 코일(52B,52C)은 복귀 핀(D)과 동일한 극성의 신호(92)로 피동된다. 그 결과, 전송 코일(52A)로부터의 픽업으로 인한 코일(52B)에 유동하는 파라시틱(parasitic) 전류가 억제된다. 이어서, 핀(B,C)의 각각은 차례로 할당된 타임 슬롯 동안에 신호(90)로 피동되고, 잔류 핀은 신호(92)로 피동된다.

선택적으로, 마이크로콘트롤러(58)는 프로그램되어 자기장 발생에 사용된 것과 동일한 GPIO 핀을 통해 코드화 메시지를 전송한다. 예를 들면, 시스템(20)의 개시에서, 마이크로콘트롤러는 센서 ID 및 검정 파라미터를 전송한다. 메시지는 감지 코일(76)을 통해 콘솔(38)에 의해 수신된다.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른, 통신 안테나(74)에 의해 전송된 진폭-변조 고주파 신호(94)를 개략적으로 도시하고 있다. 신호(94)는 고주파 RF 캐리어를 포함하는데, 그것은 일반적으로 40MHz 범위이나, 보다 높은 또는 낮은 주파수 범위가 사용될 수 있다. 그 캐리어는 진폭 변조되어 데이터를 센서로 전달한다. 도면에 도시된 예에서, 변조 주기(T)는 200 ㎲, 즉 캐리어가 5 kHz에서 변조되는데, 그것은 구동신호(90,92, 도 4)의 예시적인 주파수와 동일한 것이다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 복조기 회로(84)에 대한 상세 사항을 도시하는 전기 회로도이다. 캐패시터(96)가 통신 코일(60)을 횡단하여 접속되어 신호(94)의 캐리어 주파수에서 공명 주파수를 갖는 공명 회로를 형성한다. 코일 회로는 (다이오드, 98과 같은) 정류기를 통하여 직접 마이크로콘트롤러(58)의 GPIO 핀과 같은 한 쌍의 핀(82)에 접속된다. 복조기 회로는 정류기 및 마이크로콘트롤러 사이에 캐패시터(100)와 같은 필터를 포함한다. 그러나 어떤 증폭기, A/D 변환기 또는 다른 액티브 부품도 요구되지 않는다. 한편, 마이크로콘트롤러(58)는 복조기 회로(84)에 의해 제공된 신호(94) 엔빌로프 수준을 단순히 감지한다.

도 5 및 도 6에 의해 도시된 예에서, 40 MHz 캐리어의 엔빌로프-변조는 5 kHz 클록(clock)을 마이크로콘트롤러(58)에 전달하는데 사용된다. 마이크로콘트롤러(58)는 프로그램되어 전송 코일(52)을 구도하여 코일(60)로부터 수신한 입력 클록 주파수에서 자기장을 발생시킨다. 따라서, 안테나(74)는 기준 전송기로서 작용하고, 변환기(50)의 전송 주파수는 안테나(74)에 의해 전송된 캐리어의 변조 주파수를 단순히 세팅하는 것에 의해 콘솔(38)에 의해 외부에서 제어된다. 이 동일한 클록 비율은 시스템(20)을 총괄하여 사용되므로, 처리 장치(70)의 (도시되지 않은) 필터 회로는 이 동일한 주파수로 정교하게 튜닝된다. 어떤 다른 동기화도 요구되지 않는다. 시스템의 모든 요소가 동일한 기본 주파수로 튜닝되므로, 시간에 걸쳐 작은 주파수 변형이 문제되지 않는다. 또한, 신호(94) 및 구동 신호(90) 변조 사이의 위상 관계가 공지되었기 때문에, 처리 장치(70)는, 백그라운드 노이즈가 존재하는 경우에도 변환기(50)에 의해 발생한 약한(weak) 자기장을 정확하게 탐지할 수 있도록 위상-감지성 탐지를 할 수 있다.

도 5에 도시된 신호(94)가 단순히 온 및 오프 변조되어 타이밍 신호를 전달하는 경우라도, 보다 정교한 변조 패턴이 바이너리 데이터를 전달하는데 또한 사용된다. (디지털 변조의 이 종류는 진폭 변이 키잉(keying)-ASK로서 참조됨). 데이터 는 마이크로콘트롤러(58)에 주어지는 동작 명령을 포함한다. 추가적으로 또는 선택적으로, 이 데이터 채널은 아래에 기술되는 바와 같이 변환기(50)에 저장된 소프트웨어 코드를 재프로그램하는데 사용된다.

일반적으로, 마이크로콘트롤러(58)는, 변환기(50)가 시스템(20)에서 위치 감지를 위해 적극적으로 사용되지 않을 때에 "슬립(sleep)" 상태이다. 필요한 경우에 마이크로콘트롤러를 "웨이크 업(wake up)" 시키기 위해, 회로(84)로부터 복조된 신호를 수신하도록 연결된 마이크로콘트롤러 핀이, 이 핀에서의 신호가 특수한 인터럽트(interrupt)를 발생시킬 수 있도록 선택된다. 이 인터럽트는 마이크로콘트롤러가 전술한 바와 같이 그것의 동작 프로그램 및 구동 코일(52)을 개시하도록 한다. 따라서, 입력 데이터 또는 안테나(74)에 의해 전송된 클록 신호 그 자체는 변환기로 하여금 동작을 웨이크 업 및 개시하게 한다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른, 전압 제어 회로(80) 및 마이크로콘트롤러(58)의 요소를 개략적으로 도시하는 블록도가다. 일반적으로 (도시되지 않은) 낮은 전달 필터를 구비한 전파(full-bridge) 정류기를 포함하는 정류기(78)는 전력 코일(62)에 의해 수신된 RF 에너지 강도에 의존하여 가변적 DC 전압을 출력한다. 하나의 DC 레귤레이터(104)가 이 가변 전압을 수신하여, 마이크로콘트롤러(58)를 동작하는데 요구되는 2.5 V 범위의 고정 전압 수준을 출력한다. 레귤레이터(104)는 예를 들면, National Semiconductor(산타나 클라라, 캘리포니아 소재)에 의해 제조된 LP3983 미세 전력, 낮은 대기 전류의 CMOS 전압 레귤레이터(마이크로-SMD 패키지)를 포함한다. 이 레귤레이터는 2.5 V의 출력 전압을 제공한다. 레귤레이 터(104)의 포지티브 전압 출력 핀은 마이크로콘트롤러의 전력(PWR) 입력핀에 연결되는 반면에, 접지 출력 핀은 아래에 설명되는 이유 때문에 GPIO 핀에 연결된다. 하나의 다이오드(106)가 이 GPIO 핀과 마이크로콘트롤러의 접지 핀 사이에 연결된다. 그러나 일반적으로, 마이크로콘트롤러의 내부 스위치(108)는 GPIO 핀을 접지에 연결하여 마이크로콘트롤러가 레귤레이터(014)에 의해 출력된 동작 전압 수준을 수신한다.

일반적으로, 마이크로콘트롤러(58)는 플래시 메모리와 같은 비-휘발성 ROM(102)을 포함하는데, 그것은 동작시에 마이크로콘트롤러에 의해 사용되는 소프트웨어(마이크로코드)를 저장한다. 메모리(102)는 도면에 도시된 바와 같이 마이크로콘트롤러 칩상에 또는 외부 칩상에 있을 수 있다. 플래시 메모리에 기록하기 위해서, 동작 목적으로 레귤레이터(104)에 의해 정상적으로 공급되는 것보다 높은 DC 전압을 마이크로콘트롤러에 공급할 필요가 있다. 높은 전압을 제공하기 위해서, 도 7에 도시된 바와 같이 스위치(108)가 개방되어서, GPIO 핀이 다이오드(106)의 정방향 전압 강하와 대략 동일한 전압으로 접지 위에서 플로트한다. 그 결과, 보다 높은 전압(이 예에서는 대략 3.7 V)이 PWR 입력 핀과 접지 사이에 나타낸다. (필요한 경우 추가적인 다이오드가 다이오드(106)에 직렬로 추가된다). 보다 높은 전압은 플래시 메모리가 다시 프로그램되도록 한다.

변환기(50)의 동작 동안에 메모리(102)가 다시 프로그램되도록 결정되는 경우에, 비트의 소정 시퀀스가 통신 안테나(74)에 의해 전송된 신호상에 변조된다. 통신 코일(60)은 신호를 수신하고, 복조기(84)는 비트 시퀀스를 복조하여 마이크로 콘트롤러(58)에 입력시킨다. 마이크로프로세서는 프로그램되어 이 비트 시퀀스가 프로그래밍 모드로 진입하라는 명령이라는 것을 다시 인식한다. 이 명령에 응답하여, 그 마이크로프로세서는 스위치(108)를 개방하고, 따라서 레귤레이터(104)의 접지측에 연결된 GPIO 핀을 플로트시킨다. 마이크로콘트롤러에의 입력 전압은 따라서 증가한다. 일단 프로그램 모드에 들어가면, 마이크로콘트롤러는 안테나(74)에 의해 전송된 데이터의 수신을 계속하고, 이 데이터를 플래시 메모리에 기록하는데, 그 결과 예를 들면, 이전 저장 프로그램 상에 중첩하여 기록하게 된다. 프로그래밍 시퀀스의 결론에서, 마이크로콘트롤러는 스위치(108)를 닫아서 GPIO 핀을 접지시키고 정상 동작 모드로 복귀한다.

따라서, 전압 제어 회로(80)는, 입력으로서 표준의 고정된 전압 레귤레이터를 사용하여 마이크로콘트롤러(58)가 그 자체의 입력 전압을 변화시키는 매우 단순하고 경제적인 방법을 제공한다. 어떤 특수한 프로그래밍 회로 또는 높은 전압 레귤레이터로 요구되지 않는다. 본 발명의 이 양상은 위치 변환기(50)가 임플란트(26)에서 캡슐화된 후에 프로그램되도록 할 수 있고, 자기장에서 재프로그래밍 및 소프트웨어 업그레이드를 허용하기도 한다. (변환기(50)의 경우와 같이) 외부에서 전력이 공급되거나 또는 내부의 배터리던지 간에, 이 실시예의 원리는 무선 장치의 다른 형태 프로그래밍에 적용될 수 있다. 이 방법은 마이크로콘트롤러(58)의 재프로그래밍뿐만 아니라 검정용 테이블과 같은 저장된 다른 데이터를 플래시 메모리(102)에 기록하기 위해 사용될 수 있다.

보다 일반적으로 말하면, 비록 본 발명의 실시예가 무선 위치 변환기의 내용 으로 전술되었지만, 본 발명의 양상은 무선 디지털 변환기 및 다른 형태의 센서에서 구현될 수 있다. 예를 들면, 전술된 구성의 방법 및 장치는 위치 감지에 부가하여, 온도, 압력 및/또는 유체 유동율과 같은 생리학적 파라미터를 감지하는데 사용되는 피하삽입가능한 장치에 사용될 수 있다. 마이크로콘트롤러는 이어서 전술된 방법으로 센서 판독 자료를 전송할 수 있다. 또한, 별도의 전송 채널이 감지시 판독 자료를 전송하기 위해 제공될 수 있다. 예를 들면, 판독 자료는 전송 코일(52)과 분리된 정교한 안테나를 통해 전송될 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 센서 출력은 별도의 정교한 마이크로콘트롤러에 의해 처리될 수 있다.

따라서, 전술된 실시예는 예로서 인용된 것이고, 본 발명은 앞서 특히 도시되고 기술된 것에 한정되지 않음이 명백하다. 또한, 본 발명의 범위는, 종래 기술에 설명되어 있지 않고, 전술된 기술을 읽으면 당업자가 발견할 수 있는 변형 및 변화뿐 아니라 전술된 다양한 특징의 조합 및 하부 조합을 포함한다.

Claims

물체를 추적하는 장치에 있어서:

상기 물체에 고정되도록 구성된 위치 변환기로서,

복수의 출력 핀들을 포함하고, 상기 출력 핀들 중 적어도 하나 상의 선택된 주파수에서 교류 디지털 출력을 생성하도록 동작하는 디지털 마이크로콘트롤러, 및

상기 출력 핀들 중 적어도 하나에 직접 연결되어, 상기 교류 디지털 출력에 응답하여 상기 선택된 주파수에서 자기장을 전송하는 적어도 하나의 전송 안테나를 포함하는, 상기 위치 변환기;

상기 자기장을 감지하고 그에 응답하여 신호를 생성하도록 구성된 자기장 센서; 및

상기 위치 변환기 좌표들을 결정하기 위해 상기 신호를 수신 및 처리하도록 연결된 프로세서를 포함하는, 물체 추적 장치.
제 1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전송 안테나는 선택된 주파수 부근에서 공명 주파수를 갖는 코일을 포함하는, 물체 추적 장치.
제 1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전송 안테나는 코일을 포함하고, 디지털 마이크로콘트롤러의 복수의 출력 핀은 적어도 제 1 및 제 2 출력 핀을 포함하고, 상기 코일은 제 1 및 제 2 출력 핀 사이에 직접 연결되는, 물체 추적 장치.
제 3항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는 제 1 및 제 2 출력 핀 상에 선택된 주파수에서 반대 위상의 제 1 및 제 2 교류 디지털 출력을 발생시키도록 동작하는, 물체 추적 장치.
제 1항에 있어서,

상기 교류 디지털 출력은 구형파를 포함하는, 물체 추적 장치.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 출력 핀은 적어도 제 1 및 제 2 출력 핀을 포함하고, 상기 적어도 하나의 전송 안테나는 제 1 및 제 2 출력 핀에 각각 직접 연결된 적어도 제 1 및 제 2안테나 코일을 포함하고, 상기 디지털 마이크로콘트롤러는, 제 1 및 제 2 안테나 코일을 교번으로 구동시키기 위해 제 1 및 제 2 출력 핀 상에 교류 출력을 발생시키도록 동작하는, 물체 추적 장치.
제 6항에 있어서,

복수의 출력 핀은 추가적인 출력 핀을 포함하고, 제 1 및 제 2 안테나 코일은 추가적인 출력 핀과 제 1 및 제 2 출력 핀 사이에 각각 직접 연결되는, 물체 추적 장치.
제 6항에 있어서,

적어도 제 1 및 제 2 안테나 코일은 상호 직교 축 상에 권선되는, 물체 추적 장치.
제 1항에 있어서,

상기 물체 추적 장치는 위치 변환기에 바이너리 데이터를 전송하도록 변조되는, 라디오 주파수(RF) 신호를 전송하도록 동작하는 기준 변환기를 포함하고,

상기 위치 변환기는, 신호를 수신하도록 구성된 수신 안테나와, 수신 안테나에 연결되어 바이너리 데이터를 복조하고 디지털 마이크로콘트롤러에 전달하는 복조기 회로를 포함하고,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는 바이너리 데이터에 응답하여 교류 디지털 출력을 발생시키도록 구성된, 물체 추적 장치.
제 9항에 있어서,

RF 신호가 미리 결정된 데이터 레이트로 바이너리 데이터에 응답하여 진폭 변조되고, 디지털 마이크로콘트롤러는 디지털 입력 핀을 포함하고, 복조기 회로는, RF 신호를 정류하고 정류된 RF 신호를 디지털 입력 핀에 연결하도록 수신 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 직접 연결되는 정류기를 포함하는, 물체 추적 장치.
제 9항에 있어서,

상기 바이너리 데이터는 동기화 신호를 포함하는, 물체 추적 장치.
제 1항에 있어서,

상기 물체 추적 장치는 라디오 주파수(RF) 에너지를 위치 변환기에 전송하도록 동작되는 전력 전송기를 포함하고,

상기 위치 변환기는 전송된 RF 에너지를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 수신 안테나와, 직류(DC)를 디지털 마이크로콘트롤러에 제공하기 위해 RF 에너지를 정류하도록 연결된 정류기를 포함하는, 물체 추적 장치.
제 1항에 있어서,

상기 위치 변환기는 피검자 체내로의 삽입을 위해 캡슐화된 무선 장치인, 물체 추적 장치.
제 13항에 있어서,

상기 위치 변환기가 체내의 생리학적 파라미터를 감지하기 위한 적어도 하나의 추가적인 센서를 포함하고, 적어도 하나의 추가적인 센서는 적어도 하나의 전송 안테나를 통해 센서 판독 자료를 전송하기 위하여 마이크로콘트롤러에 연결되는, 물체 추적 장치.
물체를 추적하는 장치에 있어서:

기준 주파수에서 변조된 라디오 주파수(RF) 신호를 전송하도록 동작하는 기준 전송기;

상기 물체에 고정되도록 구성된 위치 변환기로서,

상기 RF 신호를 수신하고 자기장을 전송하는 적어도 하나의 안테나, 및

상기 RF 신호로부터 상기 기준 주파수를 수신하기 위해 상기 적어도 하나의 안테나에 연결되고, 상기 기준 주파수에서 상기 자기장을 생성하기 위해 상기 적어도 하나의 안테나를 구동시키는 디지털 마이크로콘트롤러를 포함하는, 상기 위치 변환기;

상기 기준 주파수에서 상기 자기장을 감지하도록 튜닝되고, 그에 응답하여 신호를 생성하도록 구성된 자기장 센서; 및

상기 위치 변환기 좌표들을 결정하기 위해 상기 신호를 수신 및 처리하도록 연결된 프로세서를 포함하는, 물체 추적 장치.
제 15항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는 디지털 입력 핀을 포함하고, 상기 위치 변 환기는 적어도 하나의 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 직접 연결되어 RF 신호를 정류하고 정류된 RF 신호를 디지털 입력 핀에 연결하는 정류기를 포함하는, 물체 추적 장치.
제 15항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는 변조된 RF 신호와 소정의 위상 관계로 자기장을 발생시키기 위해 적어도 하나의 안테나를 구동시키도록 동작하고, 상기 자기장 센서는 상기 위상 관계에 응답하여 상기 자기장을 감지하도록 구성된, 물체 추적 장치.
제 15항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는 입력 및 출력 핀을 포함하고, 상기 적어도 하나의 안테나는 상기 입력 핀의 적어도 하나에 연결된 수신 안테나와, 상기 출력 핀들 중 적어도 하나에 연결된 전송 안테나를 포함하는, 물체 추적 장치.
제 18항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는 상기 출력 핀들 중 적어도 하나 상에 기준 주파수로 구형파를 발생시킴으로써 전송 안테나를 구동시키도록 동작되는, 물체 추적 장치,
제 15항에 있어서,

상기 물체 추적 장치는 위치 변환기에 라디오 주파수(RF) 에너지를 전송하도록 동작되는 전력 전송기를 포함하고,

상기 위치 변환기는 전송된 RF 에너지를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 수신 안테나와, 디지털 마이크로콘트롤러에 직류(DC) 입력을 제공하기 위해 RF 에너지를 정류하도록 연결된 정류기를 포함하는, 물체 추적 장치.
제 15항에 있어서,

상기 위치 변환기는 피검자 체내에의 삽입을 위해 캡슐화되는 무선 장치인, 물체 추적 장치.
무선 장치에 있어서:

바이너리 데이터를 수신하도록 구성된 디지털 입력 핀을 포함하는 디지털 마이크로콘트롤러;

상기 바이너리 데이터를 무선 장치에 전달하기 위해, 미리 결정된 변조율로 진폭 변조된 라디오 주파수(RF) 신호를 수신하도록 구성된 수신 안테나; 및

상기 RF 신호를 정류하고 상기 정류된 RF 신호를 상기 디지털 입력 핀에 연결하기 위해 상기 수신 안테나와 상기 디지털 입력 핀 사이에 직접 연결된 정류기를 포함하는, 무선 장치.
제 22항에 있어서,

상기 정류기는 수신 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 직렬로 연결된 단일 다이오드를 포함하는, 무선 장치.
제 22항에 있어서,

상기 RF 신호는 캐리어 주파수를 갖고, 상기 수신 안테나는 캐리어 주파수 부근에서 공명 주파수를 갖는 코일을 포함하는, 무선 장치.
제 22항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는, 디지털 입력 핀 상에서의 정류된 RF 신호의 출현이 디지털 마이크로콘트롤러에 인터럽트를 트리거하도록 구성된, 무선 장치.
제 22항에 있어서,

상기 무선 장치는 전송 안테나를 포함하고, 상기 디지털 마이크로콘트롤러는 바이너리 데이터에 응답하여 자기장을 전송하기 위해 전송 안테나를 구동하도록 연결된 디지털 출력 핀을 포함하는, 무선 장치.
제 26항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는 바이너리 데이터의 변조율에 동기화되는 디 지털 출력 핀 상에 구형파를 발생시키도록 구성된, 무선 장치.
제 22항에 있어서,

RF 에너지를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 전력 안테나와, 디지털 마이크로콘트롤러에 직류(DC) 입력을 제공하기 위해 RF 에너지를 정류하도록 연결된 정류기를 포함하는, 무선 장치.
제 22항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러, 상기 수신 안테나 및 상기 정류기는 피검자의 체내에의 삽입을 위해 캡슐화되는, 무선 장치.
무선 장치에 있어서:

직류(DC) 전압을 발생시키도록 구성된 전원;

상기 전원에 연결된 전력 입력부, 전력 출력부 및 접지 출력부를 포함하고, 상기 DC 전압에 응답하여 상기 전력 출력부와 접지 출력부 사이에 제 1 전압을 발생시키도록 동작하는 레귤레이터;

상기 레귤레이터의 상기 접지 출력부에 연결된 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 다이오드; 및

디지털 마이크로콘트롤러로서,

상기 제 1 전압에서 동작될 때 판독 전용 모드에서 액세스 가능하고, 상기 제 1 전압보다 높은 제 2 전압에서 동작될 때 프로그래밍 가능한 비휘발성 메모리,

상기 레귤레이터의 전력 출력부에 연결된 전력 입력부,

상기 다이오드의 제 2 단자에 연결된 접지 핀,

상기 마이크로콘트롤러에 의해 입력 핀이 상기 접지 핀에 연결되는 제 1 구성과 상기 입력 핀이 플로트(float)되는 제 2 구성 사이에서 스위칭될 수 있는 상기 입력 핀, 및

프로그래밍 명령과 데이터를 포함하고, 공중을 통해 전송된 데이터 신호를 수신하도록 연결된 데이터 입력부를 포함하는, 상기 디지털 마이크로콘트롤러를 포함하고,

상기 마이크로콘트롤러는 상기 프로그래밍 명령에 응답하여 상기 제 1 구성에서 제 2 구성으로 상기 입력 핀을 스위칭하도록 구성되어, 상기 전력 입력부와 상기 접지 핀 사이의 전압이 상기 제 2 전압이 되도록 증가시키고, 상기 입력 핀이 제 2 구성에 있는 동안에 상기 데이터를 상기 비-휘발성 메모리에 기록하도록 하는, 무선 장치.
제 30항에 있어서,

상기 마이크로콘트롤러는, 무선 장치의 좌표를 결정하는데 사용하기 위해 상기 데이터에 응답하여 신호를 전송하도록 구성된, 무선 장치.
제 30항에 있어서,

상기 비-휘발성 메모리는 플래시 메모리를 포함하는, 무선 장치.
제 30항에 있어서,

상기 데이터 신호는 바이너리 데이터를 상기 장치에 전달하기 위해 변조된 라디오-주파수(RF) 신호를 포함하고, 상기 장치는 RF 신호를 수신하도록 구성된 수신 안테나와, 수신 안테나에 연결되어 상기 바이너리 데이터를 복조하여 디지털 마이크로콘트롤러의 데이터 입력부에 전달하는 복조 회로를 포함하는, 무선 장치.
제 33항에 있어서,

상기 RF 신호는 상기 바이너리 데이터에 응답하여 진폭 변조된 RF 캐리어를 포함하고, 상기 복조 회로는 상기 수신 안테나 및 상기 디지털 입력 핀 사이에 직접 연결되어 RF 신호를 정류하는 정류기를 포함하는, 무선 장치.
제 30항에 있어서,

상기 전원은 RF 에너지를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 전력 안테나와, RF 에너지를 정류하도록 연결되어 DC 전압을 발생시키는 정류기를 포함하는, 무선 장치.
물체를 추적하는 방법에 있어서:

위치 변환기를 상기 물체에 고정시키는 단계로서, 상기 위치 변환기는 복수의 출력 핀들을 포함하는 디지털 마이크로콘트롤러를 포함하는, 상기 고정 단계;

적어도 하나의 전송 안테나를 상기 출력 핀들 중 적어도 하나에 직접 연결시키는 단계;

상기 적어도 하나의 안테나로 하여금 선택된 주파수에서 자기장을 전송하도록 하기 위해, 상기 디지털 마이크로콘트롤러의 상기 출력 핀들 중 적어도 하나 상에 상기 선택된 주파수에서 교류 디지털 출력을 발생시키는 단계; 및

상기 위치 변환기의 좌표들을 결정하기 위해 상기 자기장을 감지하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 36항에 있어서,

상기 적어도 하나의 전송 안테나는 선택된 주파수 부근에서 공명 주파수를 갖는 코일을 포함하는, 물체 추적 방법.
제 37항에 있어서,

상기 복수의 출력 핀은 적어도 제 1 및 제 2 핀을 포함하고, 상기 코일은 제 1 및 제 2 출력 핀 사이에 직접 연결되는, 물체 추적 방법.
제 38항에 있어서,

상기 교류 디지털 출력을 발생시키는 단계는 제 1 및 제 2 출력 핀 상에 선 택된 주파수에서 반대 위상의 제 1 및 제 2 교류 디지털 출력을 각각 발생시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 36항에 있어서,

상기 교류 디지털 출력을 발생시키는 단계는 구형파를 발생시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 36항에 있어서,

상기 복수의 출력 핀은 적어도 제 1 및 제 2 출력 핀을 포함하고, 상기 적어도 하나의 전송 안테나를 연결하는 단계는 제 1 및 제 2 안테나를 직접 제 1 및 제 2 출력 핀에 각각 연결하는 단계를 포함하고, 상기 교류 디지털 출력을 발생시키는 단계는 제 1 및 제 2 출력 핀 상에 교류 디지털 출력을 발생시켜 제 1 및 제 2 안테나를 교번으로 구동시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 41항에 있어서,

상기 복수의 출력 핀은 제 3 출력 핀을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 안테나를 연결하는 단계는 제 3 출력 핀과 제 1 및 제 2 출력 핀 사이에 각각 제 1 및 제 2 코일을 연결시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 41항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 안테나는 상호 직교 축 상에 권선되는 코일을 포함하는, 물체 추적 방법.
제 36항에 있어서,

위치 변환기에 바이너리 데이터를 전달하도록 변조되는 라디오 주파수(RF) 신호를 전송하는 단계와,

위치 변환기에서 RF 신호를 수신하고 복조하여 바이너리 데이터를 디지털 마이크로콘트롤러에 입력시키는 단계를 포함하고,

상기 구형파를 발생시키는 단계는 바이너리 데이터에 응답하여 구형파를 발생시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 44항에 있어서,

상기 RF 신호를 전송하는 단계는 미리 결정된 데이터 레이트로 바이너리 데이터에 응답하여 RF 신호의 진폭을 변조시키는 단계를 포함하고,

상기 RF 신호를 수신하고 복조하는 단계는 정류기를 직접 수신 안테나 및 디지털 마이크로콘트롤러의 디지털 입력 핀 사이에 연결하여 RF 신호를 정류하고 정류된 RF 신호를 디지털 입력 핀에 연결시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 44항에 있어서,

상기 바이너리 데이터는 동기화 신호를 포함하고, 구형파를 발생시키는 단계 는 구형파를 동기화된 신호에 동기화시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 36항에 있어서,

라디오 주파수(RF) 에너지를 위치 변환기에 전송하는 단계와,

직류(DC) 입력을 디지털 마이크로콘트롤러에 제공하기 위해 상기 전송된 RF 에너지를 수신 및 정류하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 36항에 있어서,

위치 변환기를 가진 물체를 피검자 체내에 삽입시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 48항에 있어서,

상기 위치 변환기는 체내의 생리학적 파라미터를 감지하기 위한 적어도 하나의 추가적인 센서를 포함하고, 상기 방법은, 적어도 하나의 전송 안테나를 통해 센서 판독 자료를 전송하기 위하여 마이크로콘트롤러에 상기 적어도 하나의 추가적인 센서를 연결시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
물체를 추적하는 방법에 있어서;

기준 주파수에서 변조된 라디오 주파수(RF) 신호를 기준 전송기로부터 전송하는 단계;

위치 변환기를 상기 물체에 고정시키는 단계로서, 상기 위치 변환기는 상기 RF 신호를 수신하고 자기장을 전송하기 위한 적어도 하나의 안테나와, 상기 RF 신호로부터 상기 기준 주파수를 수신하기 위해 상기 적어도 하나의 안테나에 연결되고 상기 기준 주파수에서 상기 자기장을 발생시키기 위해 상기 적어도 하나의 안테나를 구동시키는 디지털 마이크로콘트롤러를 포함하는, 상기 고정 단계; 및

상기 위치 변환기의 좌표들을 결정하기 위해 상기 기준 주파수에서 상기 자기장을 감지하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 50항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는 디지털 입력 핀을 포함하고, 상기 위치 변환기를 고정시키는 단계는, 적어도 하나의 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 정류기를 직접 연결하여 RF 신호를 정류하고 정류된 RF 신호를 디지털 입력 핀에 연결하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 50항에 있어서,

상기 위치 변환기를 고정시키는 단계는, 변조된 RF 신호와 소정의 위상 관계로 자기장을 발생시키기 위해 디지털 마이크로콘트롤러를 사용하여 적어도 하나의 안테나를 구동시키는 단계를 포함하고, 상기 자기장 감지 단계는 상기 위상 관계에 응답하여 자기장을 감지하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 50항에 있어서,

상기 디지털 마이크로콘트롤러는 입력 및 출력 핀을 포함하고, 상기 적어도 하나의 안테나는 입력 핀들 중 적어도 하나에 연결된 수신 안테나와, 출력 핀들 중 적어도 하나에 연결된 전송 안테나를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 53항에 있어서,

상기 위치 변환기를 고정시키는 단계는, 출력 핀들 중 적어도 하나 상에 기준 주파수로 구형파를 발생시킴으로써 전송 안테나를 구동시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법,
제 50항에 있어서,

위치 변환기에 라디오 주파수(RF) 에너지를 전송하는 단계와, 디지털 마이크로콘트롤러에 직류(DC) 입력을 제공하기 위해 상기 전송된 RF 에너지를 수신 및 정류하는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
제 50항에 있어서,

위치 변환기를 가진 물체를 피검자 체내에 삽입시키는 단계를 포함하는, 물체 추적 방법.
디지털 마이크로콘트롤러를 포함하는 무선 장치를 동작시키는 방법에 있어 서:

바이너리 데이터를 상기 무선 장치에 전달하기 위해, 미리 결정된 변조율로 진폭 변조된 라디오 주파수(RF) 신호를 전송하는 단계; 및

상기 RF 신호를 정류하고 상기 정류된 RF 신호를 디지털 입력 핀에 연결시키기 위해, 상기 정류기를 상기 수신 안테나와 상기 디지털 입력 핀 사이에 직접 연결시킴으로써 상기 수신 안테나를 상기 디지털 마이크로콘트롤러에 연결시키는 단계를 포함하는, 무선 장치 동작 방법.
제 57항에 있어서,

상기 정류기는 수신 안테나 및 디지털 입력 핀 사이에 직렬로 연결된 단일 다이오드를 포함하는, 무선 장치 동작 방법.
제 57항에 있어서,

상기 RF 신호는 캐리어 주파수를 갖고, 상기 수신 안테나는 캐리어 주파수 부근에서 공명 주파수를 갖는 코일을 포함하는, 무선 장치 동작 방법.
제 57항에 있어서,

상기 수신 안테나를 연결시키는 단계는, 디지털 입력 핀 상에서의 정류된 RF 신호의 출현이 디지털 마이크로콘트롤러에 인터럽트를 트리거하도록 디지털 마이크로콘트롤러를 구성하는 단계를 포함하는, 무선 장치 동작 방법.
제 57항에 있어서,

바이너리 데이터에 응답하여 자기장을 전송하기 위해 전송 안테나를 구동하도록 디지털 마이크로콘트롤러의 디지털 출력 핀을 연결하는 단계를 포함하는, 무선 장치 동작 방법.
제 61항에 있어서,

상기 디지털 출력 핀을 연결하는 단계는 바이너리 데이터의 변조율에 동기화하여 디지털 출력 핀 상에 구형파를 발생시키는 단계를 포함하는, 무선 장치 동작 방법.
제 57항에 있어서,

디지털 마이크로콘트롤러에 직류(DC) 입력을 제공하기 위해 라이오 주파수(RF) 에너지를 무선 장치에 전송하고, 상기 전송된 RF 에너지를 수신하여 무선 장치에 전송하는 단계를 포함하는, 무선 장치 동작 방법.