KR20070009473A - 위치 센서로의 데이터 전송 - Google Patents

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KR20070009473A
KR20070009473A KR1020060066412A KR20060066412A KR20070009473A KR 20070009473 A KR20070009473 A KR 20070009473A KR 1020060066412 A KR1020060066412 A KR 1020060066412A KR 20060066412 A KR20060066412 A KR 20060066412A KR 20070009473 A KR20070009473 A KR 20070009473A
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KR1020060066412A
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안드레스 클라우디오 알트만
아사프 고바리
야론 에브랏
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바이오센스 웹스터 인코포레이티드
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Abstract

위치 추적 시스템 내 센서에서 제어 명령어들을 전송하는 방법은 필드 생성기를 구동하는 구동 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 제어 명령어들을 포함하는 제어 신호는 상기 구동 신호상에 중첩된다. 상기 필드 생성기는 상기 센서에 의해 감지되도록 필드를 생성하기 위해 구동 신호로 구동된다. 상기 필드는 상기 센서의 위치 좌표들을 결정하고, 상기 제어 명령어들을 추출하도록 상기 제어 신호를 복조하기 위해 상기 센서에서 검출된다. 상기 센서의 기능은 추출된 제어 명령어들에 기초하여 제어된다.
위치 추적 시스템, 위치 센서, 필드 생성기, 제어 명령어, 구동 신호

Description

위치 센서로의 데이터 전송{Data transmission to a position sensor}
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 외과 수술에서 사용되는 자기 추적 시스템(magnetic tracking system)의 개략적인 화보 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 센서 유닛의 세부적인 것들을 나타내는 개략적인 화보 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 자기 추적 시스템을 개략적으로 예시하는 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 센서 유닛과 통신하는 방법을 개략적으로 예시하는 흐름도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20: 자기 추적 시스템 34: 위치 패드들(location pads)
38: 신호 생성기 유닛 40: 무선 제어 유닛
45: 센서 유닛 46: 위치 센서
48: 전력 코일들 50: 통신 코일
70: 센서 제어 유닛 84: 제어 신호 생성기
86: 믹서 88: 디지털 필터
본 발명은 일반적으로 위치 추적 시스템들(position tracking systems), 보다 구체적으로는 위치 추적 시스템들에서 사용되는 디바이스들 및 툴들과 무선으로 통신하는 방법들 및 디바이스들에 관한 것이다.
의료 조치들에 포함되는 대상들의 좌표들을 추적하기 위한 다양한 방법들 및 시스템들이 본 기술 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 명세서들이 참조 문헌으로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 제 5,391,199 호 및 제 5,443,489 호에서는 신체 내부 프로브(probe)의 좌표들이 하나 또는 그 이상의 필드 변환기들을 사용하여 결정되는 시스템들을 기술하고 있다. 그러한 시스템들은 카테터(catheter)와 같이 의료 프로브에 관한 위치 정보를 생성하기 위해 사용된다. 코일과 같은 센서는 프로브 내에 배치되고, 외부적으로 적용되는 자기장들에 응답하여 신호들을 생성한다. 자기장들은 상호 이격된 위치들에 알려진 외부 기준 프레임에 고정된 라디에이터 코일들(radiator coils)과 같은 자기장 변환기들에 의해 생성된다. 센서 신호들은 외부 프레임의 기준으로 프로브의 좌표들을 결정하기 위해 프로세싱된다.
자기 위치 추적(magnetic position tracking)에 관한 추가적인 방법들 및 시스템들은 또한 예를 들어 PCT 특허 공보 WO 96/05768, 미국 특허 제 6,690,963 호, 제 6,239,724 호, 제 6,618,612 호, 및 제 6,332,089 호와, 미국 특허 출원 공보 2002/0065455 A1, 2003/0120150 A1, 및 2004/0068178에 기술되어 있고, 그러한 명 세서들은 참조 문헌으로 본 명세서에 모두 포함된다. 이러한 공보들은 서로 다른 의료 조치들에서 사용되는 심장 카테터들, 정형외과 임플란트들(orthopedic implants), 및 의료 기구들과 같은 신체 내부 대상들의 위치를 추적하는 방법들 및 시스템들을 기술하고 있다.
일부의 의료 애플리케이션들에 있어서, 데이터는 외부 시스템 및 신체 내부 대상 사이에서 무선으로 교환된다. 예를 들어, 명세서가 참조 문헌으로 본 명세서에 포함되는 미국 특허 제 6,409,674 호는 심장 내에 임플란트되는 압력 모니터와 같은 임플란트 가능 센서 디바이스를 기술하고 있다. 상기 디바이스는 원격 통신 디바이스와 혈압 정보 또는 다른 물리적 파라미터들을 무선으로 통신한다. 이러한 특허에서 주목되는 무선 통신 테크닉들은 무선 원격 측정술(radio-telemetry), 유도 결합(inductive coupling), 수동적 트랜스폰더들(passive transponders), 및 전도체로서 신체를 사용하는 전도성 통신을 포함한다. 유도 결합을 사용하는 무선 통신을 포함하는 또 다른 위치 추적 시스템은 명세서가 참조 문헌으로 또한 본 명세서에 포함되는 미국 특허 출원 공보 2003/0120150 A1에 기술되어 있다. 본 발명가들은 무선 트랜스폰더가 대상에 고정되는 시스템을 기술하고 있다. 그 트랜스폰더는 신호 전류가 감지된 전자기장들에 응답하여 흐르는 적어도 하나의 센서 코일(sensor coil)을 포함한다. 전력 코일(power coil)은 RF 구동 필드를 수신하고, 트랜스폰더에 전력을 공급하기 위해 그 구동 필드로부터 전기적 에너지를 전달한다. 전력 코일은 또한 대상의 좌표들을 결정하기 위한 신호를 프로세싱하는 신호 수신기로 신호 전류에 응답하여 출력 신호를 전송한다.
본 발명의 실시예들은 위치 추적 시스템에서 무선 통신하기 위한 향상된 방법들 및 디바이스들을 제공한다.
이하 개시되는 실시예들에서, 이러한 방법들은 위치 추적 시스템 내 추적된 대상으로 부합되는 센서 유닛에 따른 제어 데이터와 같은 데이터를 전송하기 위해 사용된다. 대안적으로, 이러한 방법들은 추적된 대상에 대한 필드 생성기(field generator)로부터 외부 센서로 데이터를 전송하기 위해 필요한 변경을 가하여 사용될 수 있다. 개시된 방법들 및 디바이스들은 디지털 통신 채널의 수신 회로로서 센서 제어 유닛의 프로세싱 회로들 및 기존 위치 센서를 사용한다. 따라서, 센서 유닛은 이러한 목적을 위해 전용 하드웨어를 거의 추가하지 않거나 전혀 추가하지 않으며 제어 데이터의 전송들을 수신하도록 가능하게 된다. 센서 유닛의 위치-감지 회로(position-sensing circuitry)가 위치 신호들 및 제어 신호 모두를 추출하도록 사용되기 때문에, 제어 명령어들을 수신하기 위한 추가적인 안테나 및 수신기에 대한 필요 없이 센서 유닛이 더 작고, 비용에 있어서 더 낮으며, 보다 신뢰성 있게 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 디지털 데이터는 위치 감지를 위해 사용되지 않는 적절한 주파수에서 제어 신호를 변조하여 외부 필드 생성기들로부터 센서 유닛으로 보내진다. 변조된 제어 신호는 필드 생성기를 구동하기 위해 통상적으로 사용되는 구동 신호와 결합된다. 센서 유닛에서 위치 감지를 위해 사용되는 위치 센서 및 수신기 회로들은 또한 추가적인 제어 신호들을 수신한다. 센서 제어 유닛은 전송된 디지털 데이터를 재생하기 위해 제어 신호를 디지털화하고 필터링 아웃하여 복조한다.
일부 실시예들에 있어서, 다른 제어 명령어들은 각각의 센서 유닛에 독특한 식별 번호(ID)를 할당하거나, 다른 제어 신호들에 대해 다른 변조 주파수들을 사용하여 다른 센서 유닛들에 어드레싱될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 센서 유닛들은 다양한 의료 및 외과용 기구들뿐만 아니라 정형외과 임플란트들, 임플란트 가능한 디바이스들, 신체 내부 카테터들, 및 내시경들과 같이 추적된 대상들에 부합된다.
또 다른 실시예에 있어서, 필드 생성기는 추적된 대상에 연결되고 외부 시스템에 의해 감지되는 자기장을 생성한다. 상기 기술된 것과 유사한 방법은 추가적인 전송기 하드웨어에 대한 필요 없이 추적된 대상으로부터 제어 정보 및 원격 측정을 전송하기 위해 사용된다.
그러므로, 본 발명의 실시예에 따라 위치 추적 시스템 내 센서에 제어 명령어들을 전송하는 방법에 있어서:
필드 생성기를 구동하는 구동 신호를 생성하는 단계;
상기 구동 신호상에 상기 제어 명령어들을 포함하는 제어 신호를 중첩하는 단계;
상기 센서에 의해 감지될 필드를 생성하도록 상기 구동 신호로 상기 필드 생성기를 구동하는 단계:
상기 센서에서, 상기 센서의 위치 좌표들을 결정하고, 상기 제어 명령어들을 추출하도록 상기 제어 신호를 복조하기 위해 상기 필드를 검출하는 단계; 및
상기 추출된 제어 명령어들에 기초하여 상기 센서의 기능을 제어하는 단계를 포함하는, 상기 전송 방법이 제공된다.
일 실시예에 있어서, 구동 신호는 구동 주파수를 가지며, 상기 제어 신호를 중첩하는 단계는 그 구동 신호로부터 제어 신호의 분리를 가능하게 하도록 구동 주파수는 다른 제어 주파수를 갖는 제어 서브-캐리어상에서의 제어 명령어들을 변조하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 필드를 검출하는 단계는 그 검출된 필드에 응답하여 수신된 신호를 생성하는 단계와, 상기 수신된 신호로부터 제어 신호를 추출하는 단계를 포함한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 상기 제어 신호를 추출하는 단계는 디지털화된 신호를 생성하기 위해 상기 수신된 신호를 디지털화하는 단계와, 상기 디지털화된 신호에 FFT(고속 푸리에 변환; Fast Fourier Transform) 프로세스를 적용하는 단계와, 상기 제어 주파수에 대응하는 FFT 빈(FFT bin)에서 에너지를 검출하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제어 명령어들을 변조하는 단계는 상기 제어 명령어들의 2진 표현에 응답하여 제어 서브-캐리어를 스위치 온 및 오프하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 제어 신호를 중첩하는 단계는 제 1 센서에 제 1 제어 명령어를 어드레싱하는 단계와, 제 2 센서로 상기 제 1 제어 명령어와는 다른 제 2 제어 명령어를 어드레싱하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 필드를 검출하는 단계는 상기 제어 신호에 기초하는 제 1 필드 성분과, 상기 센서에서 단일 코일을 사용하여 상기 위치 좌표들과 연관된 제 2 필드 성분을 검출하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 센서의 기능을 제어하는 단계는 상기 센서의 타이밍을 제어하는 단계와, 상기 센서에서 캘리브레이팅(calibrating)하는 단계와, 상기 검출된 필드에서 왜곡들에 대해 보상하는 단계 중 적어도 하나를 포함한다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 필드는 자기장을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라 위치 추적 시스템에서 추적된 대상으로부터 데이터를 전송하는 방법에 있어서:
상기 추적된 대상에서 필드 생성기를 구동하는 구동 신호를 생성하는 단계;
상기 구동 신호상에 데이터를 포함하는 데이터 전달 신호를 중첩하는 단계;
하나 또는 그 이상의 외부 수신기들에 의해 감지될 필드를 생성하기 위해 상기 구동 신호로 상기 필드 생성기를 구동하는 단계;
상기 하나 또는 그 이상의 외부 수신기들에서, 상기 추적된 대상의 위치 좌표들을 결정하고, 상기 데이터를 추출하도록 상기 데이터 전달 신호를 복조하기 위해 상기 필드를 검출하는 단계를 포함하는, 상기 전송 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 따라 위치 추적 시스템 내 센서에 제어 명령어들을 전송하는 장치에 있어서,
상기 센서에 의해 감지될 필드를 생성하도록 연결되는 필드 생성기;
상기 구동 신호상에 상기 제어 명령어들을 포함하는 제어 신호를 중첩하는 동안 상기 필드 생성기를 구동하는 구동 신호를 생성하도록 연결되는 신호 생성기 유닛;
상기 필드를 검출하도록 연결되는 위치 센서와, 상기 검출된 필드에 응답하여 위치 신호들을 생성하고, 상기 제어 명령어들을 추출하고 상기 검출된 제어 명령어들에 기초하여 상기 센서의 기능을 제어하기 위해 상기 제어 신호를 복조하도록 연결되는 센서 제어 유닛을 포함하는 센서 유닛;
상기 위치 신호들에 응답하여 상기 센서의 위치 좌표들을 계산하도록 연결되는 프로세서를 포함하는 전송 장치가 더 제공된다.
본 발명의 실시예에 따라 위치 추적 시스템에서 추적된 대상으로부터 데이터를 전송하는 장치에 있어서:
외부 시스템에 의해 감지될 필드를 생성하도록 배치되고 상기 추적된 대상에 연결되는 필드 생성기;
구동 신호상에 상기 데이터를 포함하는 데이터 전달 신호를 중첩하는 동안, 상기 필드 생성기를 구동하는 상기 구동 신호를 생성하도록 연결되는 상기 필드 생성기와 연관된 신호 생성기 유닛; 및
상기 추적된 대상의 위치 좌표들을 결정하고, 상기 데이터를 추출하도록 상기 데이터 전달 신호를 복조하기 위해 상기 필드를 검출하도록 연결되는 상기 외부 시스템 내 하나 또는 그 이상의 외부 수신기들을 포함하는, 상기 전송 장치가 추가 로 제공된다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조로 다음의 실시예들의 상세한 기술로부터 보다 자세히 설명될 것이다.
상기 언급된 참조 문헌들에서 인용되는 시스템들과 같은 전형적인 자기 기반 위치 감지 시스템들(magnetic-based position sensing systems)에 있어서, 외부적으로 생성된 자기장들은 센서 유닛 내에 위치되는 센서 코일과 같이 수신기에서 위치-응답 전기 전류들(position-responsive electrical currents)을 유도한다. 그러한 시스템들의 의료 애플리케이션들에 있어서, 센서 유닛은 의료 임플란트, 프로브, 또는 또 다른 의료 기구 내에 부합된다. 센서 유닛 내부의 센서 제어 유닛은 수신기로부터 신호들을 획득하고, 위치 정보를 계산하며, 외부 시스템으로 정보를 전송한다. 외부 시스템은 센서 유닛으로부터 수신된 위치 정보에 기초하여 센서 유닛의 위치 및 방향을 계산한다. (대안적으로, 이하 논의되는 바와 같이 임플란트 또는 기구 내 필드 생성기는 신체 외부의 수신기에 의해 감지되는 자기장들을 생성할 수 있다.)
어떠한 애플리케이션들에 있어서, 외부 시스템으로부터 센서 유닛으로 데이터를 전송하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 외부 시스템은 센서 유닛으로 타이밍, 캘리브레이션, 또는 다른 제어 명령들을 전송할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 외부 시스템은 자기장을 왜곡시키는 금속의 방해들로 인해 손상된 신호를 제거하도록 센서 유닛에 명령할 수 있다. 이러한 신호 제거는 자기 추적 시스템의 성능을 향상시킨다.
어떠한 경우들에 있어서, 추적된 센서 유닛이 외부 시스템에 어떠한 유선 접속들도 갖지 않는 것이 바람직하다. 결과적으로, 센서 유닛으로의 데이터 전송은 무선으로 구현되어야 한다. 전형적인 예는 센서 유닛이 환자의 뼈에 임플란트되는 정형외과 임플란트에 부합되는 정형외과 애플리케이션이다. 심지어 카테터들 및 내시경들과 같은 어떠한 유선 애플리케이션들에 있어서, 센서 유닛에 무선 데이터 전송을 사용하는 것이 때때로 유리하다. 무선 전송을 사용하는 것은 카테터 또는 내시경을 통과하는 전기적 유선들의 수를 감소시켜 그것의 직경을 감소시킨다. 반대로, 외부 시스템으로부터 센서 유닛으로 별개의 무선 통신 채널을 추가하는 것은 추가된 안테나 및 다른 하드웨어 구성요소들에 의해 야기되는 추가된 사이즈 및 비용과, 감소된 신뢰성과 관련하여 바람직하지 않다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 외과 수술에서 사용되는 자기 추적 시스템(20)의 개략적인 화보 도면이다. 외과 의사(22)는 의료 기구(24)를 사용하여 환자(23)에 대해 의료 조치를 수행한다. 이러한 예에서 환자의 다리(30)에 위치되는 임플란트들(26)은 수술실에서 환자의 신체로 삽입된다. 추적 시스템은 무릎 관절 동작의 이러한 예에서 임플란트들(26) 및 기구(24)의 위치들을 측정하고 나타내어 그 조치를 수행하는데 따른 수술을 안내한다. 상기 시스템은 수술실을 포함하는 작업 공간 전체에 걸쳐 위치 및 방향 좌표들을 측정한다.
툴(24) 및 임플란트들(26)의 좌표들은 환자의 신체가 고정되는 위치 패드들(34)과 같은 필드 생성기들과 비교하여 결정된다. 도 1에 도시된 예에서, 패드들은 임플란트들(26)에 인접하여 환자의 종아리 및 허벅지 상에 놓인다. 신호 생 성기 유닛(38)은 위치 패드들(34)에서 전형적으로 필드 생성 코일들을 포함하는 필드 생성기들을 구동하는 구동 신호들을 생성한다. 무선 접속이 또한 가능할지라도, 위치 패드들은 일반적으로 유닛(38)에 유선으로 접속된다. 필드 생성 코일들은 작업 공간 전체에 걸쳐 자기장들을 생성한다.
임플란트들(26) 및 기구(24)는 이하 상세히 기술되는 모형 무선 센서 유닛들을 포함한다. 각각의 센서 유닛은 자신의 근처에서 자기장을 감지하도록 디자인되는 위치 센서를 포함한다. 위치 패드들(34)에 의해 생성되는 자기장들은 툴(24) 및 임플란트들(26)에 부합되는 센서 유닛들의 위치 센서들에서 전류들을 유도한다. 유도된 전류들에 응답하여, 각각의 센서 유닛 내 신호 프로세싱 및 전송기 회로들은 임플란트 또는 기구의 위치 및 방향을 표시하는 위치 신호들을 생성하여 전송한다.
위치 신호들은 컴퓨터(41)에 연결되는 무선 제어 유닛(40)에 의해 수신된다. 컴퓨터(41)는 시스템(20)의 주요 시스템 제어기로 작동한다. 컴퓨터는 툴(24) 및 임플란트들(26)의 상대적 위치 및 방향 좌표들을 계산하기 위해 수신된 신호들을 프로세싱한다. 그 결과들은 일반적으로 디스플레이(42) 상에 수술에 대해 나타낸다.
위치 추적 애플리케이션의 일부로, 컴퓨터(41)는 임플란트들(26) 및/또는 기구(24)에서 센서 유닛들로 전송될 일반적으로 디지털 데이터 워드들(digital data words)로 표현되는 제어 명령어들을 생성한다. 일 실시예에 있어서, 제어 명령어들은 타이밍 명령어들(timing instructions)을 포함한다. 추가적으로 또는 대안적 으로, 제어 명령어들은 센서 유닛이 적용된 자기장들에서 왜곡들(distortions)의 효과를 경감시키도록 가능하게 한다. 그러한 왜곡들은 일반적으로 작업 공간 내 금속성 대상들의 유입에 의해 야기된다. 이러한 실시예들에 있어서, 컴퓨터는 금속의 방해에 의해 손상되는 신호에 대해 보상하거나 그 신호를 제거하도록 센서 유닛에 명령한다. 제어 명령어들의 어떠한 다른 형태는 개시된 방법들을 사용하여 제어 유닛에 전송될 수 있다. 제어 명령어들은 예를 들어 그것의 전송을 시작 또는 정지, 각성하도록, 저 전력 모드로 스위칭하거나 그것의 동작 모드를 다른 방식으로 변경하도록, 또는 그것의 동작 주파수를 변경하도록 센서에 명령할 수 있다.
센서 유닛에 명령어들을 전송하기 위해, 신호 생성기 유닛(38)은 이하 상세히 설명되는 바와 같이 변조된 제어 신호를 생성한다. 제어 신호는 위치 패드들(34) 내 필드 생성 코일들을 구동하도록 사용되는 구동 신호들 중 하나 또는 그 이상에 대해 변조된다. 다시 말해서, 제어 신호는 센서 유닛으로 전송되는 자기장들 중 하나 또는 그 이상을 변조한다. 일 실시예에 있어서, 이하 도 3에 도시되고 상기 기술된 바와 같이, 구동 신호들의 변조 및 그 구동 신호상에 제어 신호의 중첩은 신호 생성기 유닛(38)에서 수행된다. 변조된 구동 신호들은 상호 접속 배선들을 통해 위치 패드들(34)로 전송된다. 대안적인 실시예에 있어서, 위치 패드들은 제어 명령어들을 수신한다. 그 후에, 변조 및 중첩 기능들이 위치 패드들에 의해 수행된다.
센서 유닛이 자기장들을 감지할 때, 그것은 제어 신호를 복조하여 제어 명령어들을 디코딩한다.
일 실시예에 있어서, 위치 패드들은 다른 주파수들을 갖는 전자기장들을 생성한다. 다른 주파수 범위들이 또한 사용될 수 있을지라도, 일반적인 주파수들은 (종종 오디오 범위로 언급되는) 범위 100 Hz 내지 30 kHz에서 선택된다. 제어 신호는 일반적으로 구동 신호들에 의해 사용되지 않는 서로 다른 오디오 주파수를 갖는 서브-캐리어상에서 변조된다. 제어 서브-캐리어의 주파수는 위치 감지를 위해 사용되는 주파수들로부터 충분한 주파수 분리를 허용하도록 선택된다. 충분한 분리는 센서 유닛 내 수신기 회로가 이하 설명되는 바와 같이 제어 신호를 필터링 아웃하여 추출하도록 가능하게 한다. 일반적으로, 위치 감지 및 제어 신호 전송을 위한 시스템에 의해 사용되는 주파수들은 컴퓨터(41)에 의해 세팅된다.
일부 실시예들에 있어서, 신호 생성기 유닛(38)은 다른 센서 유닛들로 다른 제어 신호들을 전송한다. 일 실시예에 있어서, 서로 다른 센서 유닛들에 어드레싱되는 제어 신호들은 서브-캐리어 주파수들을 사용한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 각각의 센서 유닛에는 독특한 ID가 할당되고, 제어 신호는 바람직한 센서 유닛을 어드레싱하는 적절한 프로토콜을 사용한다. 대안적으로, 어떠한 다른 적절한 어드레싱 방법이 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 시스템은 정형외과 애플리케이션에 관한 것이다. 이러한 종류의 위치 추적 시스템들에 관한 추가적인 세부사항들은 미국 특허 출원 제 11/063,094 호에서 찾을 수 있다. 본 발명의 원리들이 구현될 수 있는 정형외과 애플리케이션들에 대해 유사한 시스템은 현재 미국 특허 출원 제 11/062,258 호로 출원되었고, 2004년 3월 5일 출원된 미국 가특허 출원 제 60/550,924 호에 기술되 어 있다. 모든 이러한 애플리케이션들은 본 특허 출원서의 양수인에게 양도되어 있고, 그것들의 명세서들은 참조 문헌으로 본 명세서에 포함된다.
그러나, 도 1에 도시된 예시적인 시스템은 단지 개념적인 명확성을 위해 선택된 것이다. 다른 시스템 구성들이 당업자들에게 명백할 것이며, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 어떠한 수의 임플란트들(26), 의료 기구들(24), 및 위치 패드들(34)이 사용될 수 있다. 센서 유닛들은 카테터들 및 내시경들과 같은 침습성 의료 도구들뿐만 아니라 다른 형태들의 임플란트들 및 의료 기구들에 부합될 수 있다. 위치 패드들은 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 어떠한 적절한 테크닉을 사용하여 환자의 신체에 부착될 수 있다. 대안적으로, 위치 패드들은 적절한 외부 구조상에 장착될 수 있다.
임플란트들(26) 및 기구(24) 내 센서 유닛들 및 위치 패드들(34)은 자기장들을 송신하거나 수신하도록 설계될 수 있다. 다시 말해서, 임플란트들(26) 및 기구(24) 내 센서 유닛들이 자기장들을 수신하도록 구성되는 경우, 그에 따라 위치 패드들(34)은 필드들을 생성하도록 구성된다. 대안적으로, 위치 패드들은 임플란트들 및 기구로 부합되는 필드 생성기들에 의해 생성되는 필드들을 감지하도록 구성될 수 있다. 다음에 따르는 기술에 있어서, 위치 패드들(34)이 임플란트들(26) 및 기구(24) 내 센서 유닛들에 의해 수신되는 자기장들을 생성한다고 가정된다. 송신기 및 수신기의 역할들이 역으로 되는 구성들에 있어서, 본 발명의 원리들은 추적된 대상들로부터 외부 시스템으로 제어 및/또는 원격 측정 정보를 송신하도록 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 임플란트(26) 내에 포함되는 센서 유닛(45)의 개략적인 화보 도면이다. 센서 유닛(45)은 일반적으로 센서 근처에서 적용된 자기장들을 감지하는 3개의 위치 코일들을 포함하는 위치 센서(46)를 포함한다. 전력 코일들(48)은 센서 유닛(45)에 대한 전력 소스로 작동한다. 전력 코일들은 일반적으로 (도 1에 도시된 무선 제어 유닛(40)의 일부일 수 있는) 외부 구동 안테나로부터 유도성 연결에 의해 무선 주파수(RF) 에너지를 수신한다. 선택적으로, 센서 및 전력 코일들은 미국 특허 출원 제 10/754,751 호에 기술된 바와 같이 공통 코어상에 감겨질 수 있다. 대안적으로, 전력은 센서 유닛(45) 내 배터리(도시되지 않음) 또는 다른 적절한 수단에 의해 공급될 수 있다. 통신 코일(50)은 센서 유닛으로부터 무선 제어 유닛(40)으로 위치 신호들을 송신하도록 사용된다. 대안적으로, 센서(46)의 코일들 또는 전력 코일들(48) 중 하나는 또한 개별 통신 코일에 대한 필요성을 방지하는 위치 신호들을 전송하는데 사용될 수 있다.
위치 센서(46) 및 코일들(48, 50)은 센서 제어 유닛(70)에 연결된다. 위치 패드들(34)에 의해 생성되는 자기 필드들(magnetic fields)은 상기 기술된 바와 같이 위치 센서(46) 내 위치 코일들을 통해 시간 변화 신호 전압들을 유도한다. 유닛(70)은 신호 전압들을 수신하고, 이러한 전압들에 응답하여 위치 신호들을 생성한다. 유닛(70)은 일반적으로 무선 제어 유닛(40)에서 외부 시스템 내 수신 안테나로 위치 신호들을 송신하기 위해 통신 코일(50)을 구동한다.
도 2는 예시적인 센서 유닛 구성을 도시하고 있다. 상기 논의된 바와 같이, 다른 전기적 및 기계적 구성들은 서로 다른 의료 임플란트들 및 기구들에 적합하기 위한 센서 유닛(45)을 구현하도록 사용될 수 있다. 어떠한 예시적인 센서 유닛 구성들은 상기 언급된 특허 출원 제 11/062,258 호에서 제시되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 자기 추적 시스템(20)의 기능적 요소들을 개략적으로 도시하는 블록도이다. 신호 생성기 유닛(38) 내 구동 신호 생성기(82)는 상기 기술된 바와 같이 위치 패드들(34)에서 필드 생성 코일들을 구동하도록 구동 신호들을 생성한다. 신호 생성기 유닛(38) 내 제어 신호 생성기(84)는 컴퓨터(41)로부터 제어 명령어들을 받아들여 일반적으로 적절한 오디오 주파수를 갖는 서브-캐리어상에서 변조되는 제어 신호를 생성한다. 한 가지 예시적인 구성에 있어서, 구동 신호들은 제어 신호가 8 KHz의 주파수를 사용하는 반면에 1 내지 3 KHz의 범위 내 주파수들을 사용한다. 믹서(86)는 구동 신호들 중 적어도 하나와 제어 신호를 결합한다. 구동 신호들은 그에 따라 위치 패드들(34) 내 필드 생성 코일들을 구동하도록 사용된다.(도 3은 상기 도 1의 기술에서 설명된 바와 같이 3개의 위치 패드들(34)을 도시하고 있지만 어떠한 수의 패드들도 사용될 수 있다.)
일 실시예에 있어서, 제어 신호 생성기는 제어 명령어들의 2진 코딩된 표현에 따라 미리 결정된 비트 레이트에서 서브-캐리어 신호를 스위치 온 및 오프하여 제어 신호를 생성한다. 이러한 변조는 종종 OOK(on-off keying)로 언급된다.
개시된 실시예에 있어서, 신호 생성기 유닛은 2개 또는 그 이상의 구동 신호들과 제어 신호를 결합한다. 각각의 구동 신호와 결합된 제어 신호는 다른 서브-캐리어 주파수를 사용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 다른 제어 명령어들은 서로 다른 구동 신호들상에 전송될 수 있다. 그러한 구성은 예를 들어 다른 센서 유닛들로 다른 명령어들을 전송하는데 용이하도록 사용될 수 있다.
패드들(34)에 의해 생성되는 자기장들은 센서 유닛(45)의 위치 센서(46)와, 프로세싱을 위해 센서 제어 유닛(70)으로 전송되는 대응 전압들에 의해 감지된다. 센서 제어 유닛은 디지털화된 신호를 생성하기 위해 수신된 신호를 증폭, 필터링, 및 디지털화한다. (이러한 목적을 위해 사용되는 아날로그 회로들 및 아날로그/디지털 변환기는 단순성을 위해 도 3으로부터 생략되어 있다.) 센서 제어 유닛 내 디지털 필터(88)는 일반적으로 FFT(Fast Fourier Transform) 프로세스를 사용하여 디지털화된 신호로부터 제어 신호를 필터링 아웃한다. FFT 프로세스는 전용 하드웨어 또는 소프트웨어 프로세스로 구현될 수 있다. 대안적으로, 어떠한 다른 적절한 필터링 프로세스가 필터(88)를 구현하도록 사용될 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서, 필터(88)는 아날로그 필터를 포함하고, 수신된 제어 신호의 디지털화는 필터링 후에 수행된다.
그 후에, 센서 제어 유닛은 필터링된 신호들을 복조하여, 개별적 위치 신호들(90) 및 제어 신호(92)를 생성한다. 위치 신호들(90)은 일반적으로 무선 제어 유닛(40)에 전송된다. 센서 제어 유닛은 제어 명령어들을 재생하도록 제어 신호를 복조한다. 제어 신호를 변조하기 위해 온-오프 키잉(on-off keying)을 사용하는 실시예에 있어서, 제어 신호를 복조하는 단계는 전형적으로 서브-캐리어 주파수에 대응하는 FFT 빈에서 신호 에너지의 존재 또는 부재를 검출하는 단계를 포함한다.
그 후에, 제어 명령어들은 센서 유닛을 제어, 캘리브레이팅, 또는 다른 방식으로 동작시키기 위해 사용된다. 개시된 구성을 사용하여, 센서 유닛의 위치 감지 회로는 제어 명령어들을 수신하기 위한 추가적인 안테나 및 수신기에 대한 필요 없이 위치 신호들(90) 및 제어 신호(92) 모두를 추출하도록 사용된다. 이러한 구성은 더 작고, 더 저렴하고, 보다 신뢰성 있는 센서 유닛들의 디자인을 가능하게 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 센서 유닛(45)과 통신하는 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다. 상기 방법은 제어 생성 단계(100)에서 제어 명령어들을 받아들이는 신호 생성기 유닛(38)을 통해 시작한다. 제어 신호 생성기(84)는 상기 기술된 바와 같이 일반적으로 적절한 오디오 주파수를 갖는 서브-캐리어를 변조하여 제어 신호를 생성한다.
신호 생성기 유닛(38)은 결합 단계(102)에서 믹서(86)를 사용하여 구동 신호 생성기(82)에 의해 생성된 하나 또는 그 이상의 구동 신호들과 제어 신호를 결합한다. 신호 생성기 유닛은 위치 패드들(34)로 구동 신호들을 전송한다. 위치 패드들(34)은 필드 생성 단계(104)에서 구동 신호들에 응답하여 자기장들을 생성한다. 센서 유닛(45) 내 위치 센서(46)는 감지 단계(106)에서 그것의 주변에서 자기장을 감지한다. 위치 센서는 감지된 필드에 응답하여 시간 변화 전압들을 생성한다. 전압들은 다른 구동 신호들과 송신된 제어 신호에 대응하는 구성요소들을 포함한다. 센서 제어 유닛(70)은 전압들을 수신하여 추출 단계(108)에서 위치 신호들 및 제어 신호를 추출한다. 상기 설명된 바와 같이, 제어 유닛은 유도된 전압들을 증폭하여 디지털화한다. 그 후에, 디지털화된 신호는 위치 신호들 및 제어 신호를 생성하기 위해 일반적으로 FFT를 사용하여 필터링된다. 위치 신호들은 프로세싱을 위해 통신 코일(50) 및 무선 제어 유닛(40)을 통해 컴퓨터(41)로 전송된다. 마지막으로, 제어 유닛은 센서 유닛으로 전송된 제어 명령어들을 재생하도록 제어 신호를 복조한다.
개시된 방법들 및 시스템들이 주로 자기 추적 시스템 내 신체 내부 센서로 데이터 전송을 어드레싱 할지라도, 본 발명의 원리들은 다른 출원서들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어 신호들은 초음파 및 광학 추적 시스템들과 같은 추적 시스템들의 다른 형태들에서 위치 감지의 목적들을 위해 생성되는 필드들상에서 변조될 수 있다. 다른 애플리케이션들은 또한 RFID(radio frequency identification) 또는 자기적으로 연결된 표지 시스템들(magnetically-coupled tagging systems)과 같은 다른 표지 시스템들을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 기술된 실시예들이 예로써 인용되며, 본 발명이 상기에 특정하게 도시되고 상기 기술된 것에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 종래 기술에 개시되지 않고 상기 기술을 이해하는 당업자들에 의해 발생되는 변화들 및 수정들뿐만 아니라 상기 기술된 다양한 특징들의 조합들 및 부조합들 모두를 포함한다.
본 발명은 위치 추적 시스템들에서 무선 통신하기 위한 향상된 방법들 및 디바이스들을 제공한다.

Claims (20)

  1. 위치 추적 시스템(position tracking system) 내 센서에 제어 명령어들(control instructions)을 전송하는 방법에 있어서,
    필드 생성기(field generator)를 구동하는 구동 신호(drive signal)를 생성하는 단계;
    상기 구동 신호상에 상기 제어 명령어들을 포함하는 제어 신호를 중첩하는 단계;
    상기 센서에 의해 감지될 필드를 생성하도록 상기 구동 신호로 상기 필드 생성기를 구동하는 단계;
    상기 센서에서, 상기 센서의 위치 좌표들을 결정하고, 상기 제어 명령어들을 추출하도록 상기 제어 신호를 복조하기 위해 상기 필드를 검출하는 단계; 및
    상기 추출된 제어 명령어들에 기초하여 상기 센서의 기능을 제어하는 단계를 포함하는, 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 신호는 구동 주파수(drive frequency)를 가지며, 상기 제어 신호를 중첩하는 단계는 상기 구동 신호로부터 상기 제어 신호의 분리를 가능하게 하도록, 상기 구동 주파수와 다른 제어 주파수를 갖는 제어 서브-캐리어상에서의 상기 제어 명령어들을 변조하는 단계를 포함하는, 송신 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 필드를 검출하는 단계는, 상기 검출된 필드에 응답하여 수신된 신호를 생성하는 단계와, 상기 수신된 신호로부터 상기 제어 신호를 추출하는 단계를 포함하는, 전송 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어 신호를 추출하는 단계는, 디지털화된 신호를 생성하도록 상기 수신된 신호를 디지털화하는 단계, 상기 디지털화된 신호에 FFT(고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)) 프로세스를 적용하는 단계, 및 상기 제어 주파수에 대응하는 FFT 빈(FFT bin)에서 에너지를 검출하는 단계를 포함하는, 송신 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 명령어들을 변조하는 단계는, 상기 제어 명령어들의 2진 표현에 응답하여 상기 제어 서브-캐리어를 스위치 온 및 오프하는 단계를 포함하는, 송신 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 신호를 중첩하는 단계는, 제 1 제어 명령어를 제 1 센서에 어드레싱하는 단계, 및 상기 제 1 제어 명령어와는 다른 제 2 제어 명령어를 제 2 센서에 어드레싱하는 단계를 포함하는, 송신 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드를 검출하는 단계는, 상기 제어 신호에 기초하는 제 1 필드 성분과, 상기 센서 내 단일 코일을 사용하여 상기 위치 좌표들과 연관된 제 2 필드 성분을 검출하는 단계를 포함하는, 송신 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서의 기능을 제어하는 단계는, 상기 센서의 타이밍을 제어하는 단계, 상기 센서를 캘리브레이팅(calibrating)단계, 및 상기 검출된 필드에서 왜곡들에 대해 보상하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 송신 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 필드는 자기장을 포함하는, 송신 방법.
  10. 위치 추적 시스템에서 추적된 대상으로부터 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    상기 추적된 대상에서 필드 생성기를 구동하는 구동 신호를 생성하는 단계;
    상기 구동 신호상에 상기 데이터를 포함하는 데이터 전달 신호를 중첩하는 단계;
    하나 또는 그 이상의 외부 수신기들에 의해 감지될 필드를 생성하도록 상기 구동 신호로 상기 필드 생성기를 구동하는 단계; 및
    상기 하나 또는 그 이상의 외부 수신기들에서, 상기 추적된 대상의 위치 좌표들을 결정하고, 상기 데이터를 추출하도록 상기 데이터-전달 신호를 복조하기 위해 상기 필드를 검출하는 단계를 포함하는, 송신 방법.
  11. 위치 추적 시스템 내 센서에 제어 명령어들을 전송하는 장치에 있어서:
    상기 센서에 의해 감지될 필드를 생성하도록 연결되는 필드 생성기;
    상기 구동 신호상에 상기 제어 명령어들을 포함하는 제어 신호를 중첩하면서, 상기 필드 생성기를 구동하는 구동 신호를 생성하도록 연결되는 신호 생성기 유닛;
    상기 필드를 검출하도록 연결되는 위치 센서와, 상기 검출된 필드에 응답하여 위치 신호들을 생성하고, 상기 제어 명령어들을 추출하고 상기 검출된 제어 명령어들에 기초하여 상기 센서의 기능을 제어하기 위해 상기 제어 신호를 복조하도록 연결되는 센서 제어 유닛을 포함하는 센서 유닛; 및
    상기 위치 신호들에 응답하여 상기 센서의 위치 좌표들을 계산하도록 연결되는 프로세서를 포함하는, 송신 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 신호 생성기 유닛은 구동 주파수에서 상기 구동 신호를 생성하고, 상기 구동 신호로부터 상기 제어 신호의 분리를 가능하게 하도록 상기 구동 주파수와는 서로 다른 제어 주파수를 갖는 제어 서브-캐리어상에서의 상기 제어 명령어들을 변조하도록 연결되는, 송신 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 위치 센서는 상기 검출된 필드에 응답하여 수신된 신호를 생성하도록 연결되고, 상기 센서 제어 유닛은 상기 수신된 신호로부터 상기 제어 신호를 추출하도록 연결되는, 송신 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 센서 제어 유닛은 디지털화된 신호를 생성하도록 상기 수신된 신호를 디지털화하고, 상기 디지털화된 신호에 FFT 프로세스를 적용하며, 상기 제어 신호를 추출하도록 상기 제어 주파수에 대응하는 FFT 빈(FFT bin)에서 에너지를 검출하도록 연결되는, 송신 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 신호 생성기 유닛은 상기 제어 신호를 변조하도록 상기 제어 명령어들의 2진 표현에 응답하여 상기 제어 서브-캐리어를 스위치 온 및 오프하도록 연결되는, 송신 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 프로세서는 제 1 센서에 제 1 제어 명령어를 어드레싱하고, 제 2 센서에 상기 제 1 제어 명령어와는 다른 제 2 제어 명령어를 어드레싱하도록 연결되는, 송신 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 위치 센서는 상기 제어 신호에 기초하는 제 1 필드 성분과 상기 위치 좌표들과 연관된 제 2 필드 성분 모두를 수신하도록 연결되는 코일을 포함하는, 전송 장치.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서 제어 유닛은 상기 센서 유닛의 타이밍을 제어하는 단계, 상기 센서 유닛을 캘리브레이팅하는 단계, 및 상기 검출된 필드에서 왜곡들에 대해 보상하는 단계 중 적어도 하나를 상기 제어 명령어들에 응답하여 수행하도록 연결되는, 송신 장치.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 필드는 자기장을 포함하는, 송신 장치.
  20. 위치 추적 시스템에서 추적된 대상으로부터 데이터를 송신하는 장치에 있어 서:
    외부 시스템에 의해 감지될 필드를 생성하도록 구성되고 상기 추적된 대상에 연결되는 필드 생성기;
    구동 신호상에 상기 데이터를 포함하는 데이터-전달 신호를 중첩하는 동안, 상기 필드 생성기를 구동하는 상기 구동 신호를 생성하도록 연결되는 상기 필드 생성기와 연관된 신호 생성기 유닛; 및
    상기 추적된 대상의 위치 좌표들을 결정하고, 상기 데이터를 추출하도록 상기 데이터 전달 신호를 복조하기 위해 상기 필드를 검출하도록 연결되는 상기 외부 시스템 내 하나 또는 그 이상의 외부 수신기들을 포함하는, 송신 장치.
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