KR20070109957A - 패시브 공명 기반 트랜스폰더의 위치 추적 - Google Patents

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KR20070109957A
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요브 리치텐스테인
마이클 레빈
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바이오센스 웹스터 인코포레이티드
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Abstract

위치 추적을 위한 시스템은 하나 이상의 각각의 위치 가변 자기장을 생성하도록 배열된 하나 이상의 필드 생성기를 포함한다. 트랜스폰더는 공진 회로를 포함하며, 공진 회로는 공진 주파수를 가지고, 하나 이상의 자기장에 응답하여 공진 주파수를 변경하도록 동작하는 필드 응답 요소를 포함한다. 위치 추적기는 공진 회로의 공진 주파수를 원격 감지하고, 감지된 공진 주파수에 응답하여 트랜스폰더의 위치를 결정하도록 배열된다.
위치 가변 자기장, 필드 생성기, 공진 주파수, 필드 응답 요소, 트랜스폰더, 위치 추적기

Description

패시브 공명 기반 트랜스폰더의 위치 추적{POSITION TRACKING OF PASSIVE RESONANCE-BASED TRANSPONDERS}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 위치 추적 시스템의 개략적 예시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위치 추적 시스템의 요소를 개략적으로 예시하는 블록도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 위치 추적 시스템의 트랜스폰더를 개략적으로 예시하는 블록도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
20 : 자기 위치 추적 시스템 24 : 의료 도구
26 : 임플란트 34 : 위치 패드
38 : 신호 생성기 유닛 40 : 위치 추적기
42 : 디스플레이 46 : 패시브 트랜스폰더
48 : 공진 회로 56 : 전송 증폭기
60 : 전송 안테나 64 : 수신코일
68 : 위상 검출기 70 : 비교기
본 발명은 일반적으로 위치 추적 시스템에 관한 것으로, 특히 패시브 트랜스폰더(passive transponder)의 위치를 추적하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
의료 절차에 수반되는 대상물의 좌표를 추적하기 위한 다양한 방법 및 시스템이 본 기술 분야에 공지되어 있다. 이들 시스템 중 일부는 자기장 측정을 사용한다. 예로서, 그 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제5,391,119호 및 제5,443,489호는 하나 이상의 필드 트랜스듀서(field transducer)를 사용하여 체내 프로브의 좌표가 결정되는 시스템을 개시하고 있다. 이런 시스템은 카테터와 같은 의료 프로브(medical probe)에 관한 위치 정보를 생성하기 위해 사용된다. 위치 센서는 프로브내에 배치되고, 외부적으로 인가된 자기장에 응답하여 신호를 생성한다. 자기장은 알려진 서로 이격된 위치에서 외부 기준 프레임에 고정된 방사기 코일과 같은 자기장 생성기에 의해 생성된다.
또한, 예로서, 모두 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 PCT 특허 공보 WO96/05768호, 미국 특허 제4,849,692호, 제4,945,305호, 제5,453,686호, 제6,239,724호, 제6,332,089호, 제6,618,612호 및 제6,690,963호와, 미국 특허 출원 공보 제2002/0065455A1호, 제2003/0120150A1호, 제2004/0068178A1호 및 제2004/0147920A1호에도 자기 위치 추적에 관한 부가적인 방법 및 시스템이 개시되어 있다. 이들 공보는 심장 카테터, 정형 임플란트 및 다른 의료 절차에 사용되는 의료 도구와 같은 체내 대상물의 위치를 추적하는 방법 및 시스템을 개시한다.
그 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제6,484,118호는 단축 위치 센서를 사용하여 대상물의 위치 및 배향을 결정하기 위한 의료용 추적 시스템 및 방법과, 위치 및 배향 결정 방법을 개시하고 있다.
이 특허 문헌에 개시된 소정의 트랜스폰더 및 센서는 공진 회로를 포함한다. 예로서, 그 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제6,535,108호는 외부적으로 인가된 변조 에너지 필드에 응답하여 변하는 하나 이상의 전자기 에너지 저장 콤포넌트를 포함하는 공진 저항-인덕턴스-캐패시턴스(RLC) 회로를 갖는 트랜스폰더를 개시하고 있다. 에너지 필드에 부가하여, 베이스 스테이션은 RLC 회로의 비활동 공진 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖는 반송파 신호를 전송한다. 콤포넌트가 변하기 때문에, RLC 회로의 공진 주파수가 변하며, 외부 변조 에너지 필드로 반송파 신호를 변조한다. 변조의 효과는 베이스 스테이션에 의해 검출된다. 정보(예로서, 태그의 존재)는 베이스 스테이션에서 변조된 신호를 수신 및 복조함으로써 얻어진다.
다른 예로서, 본 명세서에 그 내용이 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제6,206,835호는 외부 인터로게이션 회로에 응답하는 임플란트 장치를 개시한다. 임플란트 장치는 살아있는 동물 내부에 이식가능하면서, 살아있는 동물 내부에서 기능을 수행하거나, 기능 수행을 돕도록 동작하게 구성된 구조체를 포함한다. 이 장치는 상기 기능과 연계된 파라미터를 감지하기 위한 전기적 패시브 감지 회로를 추가로 포함한다. 감지 회로는 유도 요소를 포함하며, 감지 회로는 여기자/인터로게 이터 요소에 의해 제공된 인터로게이션 신호에 응답하는 인터로게이션 회로상에 주파수 의존성 가변 임피던스 부하 효과를 가지며, 이 임피던스 부하 효과는 감지된 파라미터에 관하여 변한다.
본 발명의 실시예는 환자의 신체 내부에 삽입된 대상물에 부착된 트랜스폰더의 위치 및 배향을 추적하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 소정 실시예에서, 하나 이상의 필드 생성기는 트랜스폰더를 포함하는 작업 체적내에 위치 가변 필드를 생성한다. 트랜스폰더는 그 공진 주파수가 그 부근의 주변 위치 가변 자기장에 응답하여 변하는 공진 회로를 포함한다. 따라서, 공진 주파수는 필드를 생성한 필드 생성기에 관한 트랜스폰더의 위치 및 배향을 나타낸다.
위치 추적기는 트랜스폰더와 그 대상물의, 하나 이상의 필드 생성기에 대한 위치 및 배향을 결정하도록 트랜스폰더내의 공진 회로의 공진 주파수를 원격 감지한다.
소정 실시예에서, 공진 회로는 주변 자기장에 응답하여 그 전기적 특성이 변하는 필드 응답 요소를 포함한다. 소정 실시예에서, 필드 응답 요소는 위치 가변 자기장에 응답하여 그 투자성이 변하는 자기 유도 코어 주변에 배치된 인덕터를 포함한다. 투자성의 변화는 인덕터의 인덕턴스를 변경하고, 이는 순차적으로 공진 회로의 공진 주파수를 변경한다.
다른 실시예에서, 필드 응답 요소는 자기 구속(magneto-restrictive) 요소에 결합된 캐패시터를 포함한다. 위치 가변 자기장에 응답하는 자기 구속 요소의 구 속 및/또는 팽창 캐패시터의 캐패시턴스를 변화시키고, 순차적으로, 공진 회로의 공진 주파수를 변경한다.
소정 실시예에서, 본 명세서에 설명된 구조를 사용하는 트랜스폰더는 패시브 및 무선 양자 모두이며, 이들이 외부 위치 추적 시스템에 대한 어떠한 유선 접속도 없이 실질적으로 무한한 시간 기간 동안 동작 상태로 남아있을 수 있게 한다.
소정 실시예에서, 본 명세서에 설명된 방법 및 시스템은 저주파수를 가지는 자기장을 사용할 수 있으며, 그에 의해, 자기장내의 금속 대상물에 의해 유발되는 왜곡에 대한 시스템의 내성을 향상시킨다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라 위치 추적을 위한 시스템이 제공되며, 이 시스템은,
하나 이상의 각각의 위치 가변 자기장을 생성하도록 배열된 하나 이상의 필드 생성기,
공진 주파수를 가지며, 하나 이상의 자기장에 응답하여 공진 주파수를 변경하도록 동작하는 필드 응답 요소를 포함하는 공진 회로를 포함하는 트랜스폰더, 및
공진 회로의 공진 주파수를 원격 감지하고, 감지된 공진 주파수에 응답하여 트랜스폰더의 위치를 결정하도록 배열된 위치 추적기를 포함한다.
일 실시예에서, 트랜스폰더는 환자의 신체 내부에 삽입되도록 적용되는 대상물에 부착되고, 위치 추적기는 신체 내부의 대상물의 위치를 결정하도록 배열된다.
다른 실시예에서, 필드 응답 요소는 공진 주파수를 변경하도록 하나 이상의 자기장에 응답하여 변하는 인덕턴스를 가지는 인덕터를 포함한다. 인덕터는 자기 유도 재료를 포함하면서, 인덕턴스를 변화시키도록 하나 이상의 자기장에 응답하여 변하는 투자성을 가지는 코어를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 필드 응답 요소는 공진 주파수를 변경하도록 하나 이상의 자기장에 응답하여 변하는 캐패시턴스를 갖는 캐패시터를 포함한다. 일 실시예에서, 캐패시터는 전도 전극을 포함하고, 필드 응답 요소는 전극들 중 적어도 하나에 부착되면서 캐패시턴스를 변경하도록 하나 이상의 자기장에 응답하여 전극의 공간적 관계를 변경하도록 배열된 자기 구속 요소를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 하나 이상의 필드 생성기 각각은 회전하는 자기장을 생성하도록 각각의 구동 신호에 의해 구동되는 적어도 두 개의 필드 방사 코일을 포함한다. 부가적으로, 또는 대안적으로, 하나 이상의 필드 생성기는 둘 이상의 서로 다른 각각의 위치에 둘 이상의 필드 생성기를 포함하고, 필드 생성기는 각각의 위치 가변 자기장을 생성하도록 순차 동작한다.
일 실시예에서, 위치 추적기는 프로브 신호에 응답하여 트랜스폰더에 의해 생성된 신호를 수신하고, 트랜스폰더에 의해 생성된 신호에 응답하여 주파수 범위에 걸쳐 공진 회로에 의해 프로브 신호의 부하를 측정하며, 부하에 응답하여 공진 주파수를 추정하도록 사전결정된 주파수 범위에 걸쳐 트랜스폰더를 향해 프로브 신호를 전송하도록 배열된다.
또한, 본 발명에 따라서, 위치 추적 시스템에 사용하기 위한 트랜스폰더가 제공되며, 이 트랜스폰더는 공진 주파수를 가지는 공진 회로를 포함하고, 공진 회로는 공진 회로가 자기장에 응답하여 공진 주파수 부근의 프로브 신호를 가변적으 로 반영하도록 외부 인가 자기장에 응답하여 응답 주파수를 변경하도록 동작하는 필드 응답 요소를 포함한다.
부가적으로, 본 발명의 실시예에 따라서, 위치 추적 방법이 제공되며, 이 방법은
공진 주파수를 가지면서 자기장에 응답하여 공진 주파수가 변하도록 동작하는 필드 응답 요소를 포함하는 공진 회로를 포함하는 트랜스폰더를 대상물에 부착하는 단계,
대상물의 부근에 위치 가변 자기장을 생성하는 단계,
공진 회로의 공진 주파수를 원격 감지하는 단계, 및
감지된 공진 주파수에 응답하여 트랜스폰더의 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
도면과 함께 취해지는 그 실시예에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 본 발명을 보다 완전하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수술에 사용되는 자기 위치 추적 시스템(20)의 개략적 예시도이다. 의사(22)는 의료 도구(24)를 사용하여 환자(23)에 대해 의료 절차를 수행한다. 임플란트(26)는 수술 부위에서 환자의 신체내로 도입된다. 본 예에서, 임플란트는 환자의 다리의 뼈(30)내에 배치된다. 시스템(20)은 임플란트(26)와 도구(24)의 위치를 측정 및 표시함으로써, 본 예에서는 무릎 관절의 수술 중에 의사를 안내한다. 시스템은 수술 부위를 포함하는 작업 체적 전반에 걸쳐 위치 및 배향 좌표를 측정한다.
도구(24) 및 임플란트(26)의 좌표는 환자의 신체에 고정된 위치 패드와 같은 필드 생성기에 관하여 결정된다. 도 1에 도시된 예에서, 패드는 환자의 종아리 및 넓적다리상에서 임플란트(26)에 인접하게 배치된다. 신호 생성기 유닛(38)은 위치 패드(34)내의, 통상적으로 필드 생성 코일을 포함하는 필드 생성기를 구동하는 구동 신호를 생성한다. 위치 패드는 통상적으로, 배선에 의해 유닛(38)에 연결되지만, 무선 접속도 고려할 수 있다. 필드 생성 코일은 상세히 후술되는 바와 같이 작업 체적 전반에 걸쳐 자기장을 생성한다.
임플란트(26) 및 도구(24)는 소형 패시브 트랜스폰더(passive transponder)를 포함한다. 원론적으로, 각 트랜스폰더는 공진 회로를 포함하며, 공진 회로의 공진 주파수는 그 부근의 주변 자기장에 따라 변한다. 위치 패드(34)에 의해 생성된 자기장은 임플란트(26) 및 도구(24) 각각내에 설치된 공진 회로가 특정 공진 주파수를 갖게 하며, 이 공진 주파수는 주변 자기장에 의존하고, 이 필드에 관한 트랜스폰더의 공간적 배향에 의존한다.
위치 추적기(40)는 각 트랜스폰더의 공진 회로의 공진 주파수를 원격 감지하고, 감지된 공진 주파수에 응답하여 트랜스폰더의 위치 및 배향을 결정한다. 결과는 통상적으로 디스플레이(42)상에서 의사에게 표시된다.
비록, 도 1이 정형 수술(orthopedic surgery)에 사용되는 위치 추적 시스템을 도시하지만, 여기에 설명된 시스템 및 방법은 심장 영상화 시스템 및 다양한 비의료적 용례 같은 다른 위치 추적 용례에도 사용될 수 있다. 용례에 따라, 유사한 트랜스폰더가 카테터, 내시경, 의료 또는 수술 도구나 임의의 다른 적절한 추적되 는 대상물에 결합될 수 있다. 여기에 설명된 방법 및 장치를 사용할 수 있는 소정의 예시적 시스템은 상술한 공보에 개시되어 있다.
후술되는 방법 및 시스템은 외부 시스템과 어떠한 유선 상호접속도 갖지 않는 패시브 트랜스폰더를 갖는 것이 바람직한 용례에 특히 적합하다. 예로서, 도 1의 정형 시스템에서와 같이 트랜스폰더를 뼈내에 이식할 때, 트랜스폰더는 패시브 및 무선 양자 모두가 되는 것이 바람직하다. 패시브 트랜스폰더는 전지를 교체하기 위한 수술 절차를 필요로 하지 않고, 실질적으로 무한한 시간 기간 동안 동작상태로 남아있을 수 있다. 또한, 이런 트랜스폰더는 무선화되는 것이 바람직하며, 그 이유는 정형 임플란트에 대한 배선 접속은 성가시고, 감염 및 기타 합병증의 위험을 증가시키기 때문이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 위치 추적 시스템(20)의 요소를 개략적으로 예시하는 블록도이다. 이 도면은 환자의 뼈(30)내에 이식된 임플란트(26)를 도시한다. 패시브 트랜스폰더(46)는 임플란트(26)내에 설치된다. 비록, 하기의 설명은 임플란트(26)내에 설치된 트랜스폰더에 관한 것이지만, 설명된 방법 및 구성은 도구의 위치 및 배향을 추적하기 위해 사용될 수도 있다.
도 2의 예시적 구성에서, 세 개의 위치 패드(34)가 트랜스폰더(46)의 부근에 위치 가변 자기장을 생성한다. 소정 실시예에서, 각 위치 패드(34)는 그 배향이 작업 체적 전반에 걸쳐 변하는(예로서, 회전하는) 교류(AC) 자기장을 생성한다.
회전 자기장은 예로서, 각 위치 패드(34)가 두 개의 직교 필드 생성 코일을 포함하도록 구성함으로써 생성될 수 있다. 두개의 코일은 동일한 주파수이지만 서 로 다른 위상을 가지는 두개의 각각의 구동 신호를 갖는 신호 생성기 유닛(38)에 의해 구동된다. 두개의 코일에 의해 생성된 합성 자기장은 일반적으로 타원 회전 필드이며, 그 회전 패턴은 두개의 구동 신호의 상대 위상 및 크기와 주파수에 의존한다. 예로서, 90°상대 위상 이동을 갖는 동일한 크기의 구동 신호는 원형 회전 필드를 생성한다. 대안적인 실시예에서, 두개의 코일은 비직교(non-orthogonal) 및/또는 서로 다른 주파수를 갖는 구동 신호로 구동될 수 있다. 또한, 대안적으로, 임의의 다른 적절한 방법이 각 위치 패드(34)에 의해 위치 가변 필드를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
비교적 높은 주파수를 갖는 구동 신호(및, 자기장(magnetic field))를 사용할 때 보다 양호하게 동작하는 소정의 위치 추적 시스템과는 달리, 시스템(20)은 임의의 편리한 주파수를 갖는 자기장을 사용하여 동작될 수 있다. 저 주파수 자기장을 사용하는 것은 종종 시스템의 금속 내성(metal immunity)을 향상시키기 위해, 즉, 트랜스폰더 부근의 금속 대상물의 기생 효과를 감소시키기 위해 바람직하며, 이 기생 효과는 위치 측정을 왜곡한다. 0(zero) 내지 수천 헤르쯔(Hertz) 범위의 주파수를 갖는 자기장이 통상적으로 저주파수 필드가 되는 것으로 고려되지만, 다른 주파수도 사용될 수 있다.
소정 실시예에서, 시스템(20)이 둘 이상의 위치 패드(34)를 포함할 때, 신호 생성기 유닛(38)은 위치 패드를 시간 분할 패턴으로 한번에 하나씩 구동한다. 일반적으로, 서로 다른 위치 패드에 의해 생성된 자기장의 주파수, 위상 또는 크기 사이의 연계성은 불필요하다.
임플란트(26)내의 트랜스폰더(46)는 그 부근의 자기장의 크기 및/또는 배향을 감지한다. 각 위치 패드(34)에 의해 생성된 자기장이 위치 가변적이기 때문에, 감지된 자기장은 필드를 생성한 위치 패드(34)와 임플란트(26) 사이의 거리를 나타낸다. 소정 실시예에서, 트랜스폰더(46)는 주변 자기장에 응답하여 그 공진 주파수로 변하도록 구성된 공진 회로(48)를 포함한다. 각 시점에서, 회로(48)는 위치 패드(34)에 관하여 특정 공간적 각도로 배향되고, 특정 위치에 배치된다. 공진 회로(48)는 적어도 하나의 필드 응답 콤포넌트를 포함하며, 이는 하기의 도 3a 및 도 3b의 설명에서 설명될 바와 같이, 그 축상에 투영된 주변 자기장에 대해 응답하여 그 전기적 특성을 변경하도록 동작한다. 따라서, 공진 회로(48)는 이 콤포넌트의 축상에 투영된 자기장의 콤포넌트에 응답하여 그 공진 주파수가 변한다.
회로(48)의 공진 주파수는 임의의 편리한 값으로 구성될 수 있다. 소정 실시예에서, 공진 주파수는 100kHz와 20MHz 사이의 범위로 선택된다. 일 실시예에서, 공진 회로는 약 135kHz의 공진 주파수를 가지며, 이는 라디오 주파수 식별(RFID) 용례에 일반적으로 사용되는 범위이다. 회로(48)의 공진 주파수는 자기장의 주파수와 혼동되지 않아야 한다. 두 주파수는 일반적으로 무관하며, 임의의 적절한 값으로 독립적으로 설정될 수 있다.
위치 추적기(40)는 임플란트(26)내의 공진 회로(48)의 공진 주파수를 원격 측정한다. 측정된 공진 주파수를 사용하여, 추적기(40)는 위치 패드(34)에 관한 임플란트(26)의 위치 및 배향을 추정한다. 위치 패드(34)가 순차적으로 시간 분할 패턴으로 구동되는 실시예에서, 추적기(40)의 측정은 이 패턴과 동기화되는 것이 일반적이다. 소정 실시예에서, 추적기(40)는 위치 패드에 관하여 임플란트(26)의 위치 및 배향 좌표를 결정하기 위해 서로 다른 위치 패드에 대응하는 측정치를 조합한다. 추적기(40)는 다양한 삼각법과, 측정치를 위치/배향 추정으로 조합하기 위하여 본 기술 분야에 알려진 임의의 적절한 방법을 사용할 수 있다. 위치/배향 추정은 종종 임플란트의 6차원 좌표로서 표현된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 위치 산출은 상술한 미국 특허 제6,484,118호에 설명된 방법과 같은 단일축 방법을 사용한다.
추적기(40)의 예시적 실시예에서, 전압 제어 오실레이터(VCO)(52)가 사전결정된 주파수 범위를 커버하는 프로브 신호를 생성한다. 소정 실시예에서, 프로브 신호는 주파수 범위를 가로질러 걸쳐지는(sweep) 반송파를 포함한다. 대안적으로, 프로브 신호는 사전결정된 주파수 리스트에 따라 하나의 주파수로부터 다른 주파수로 호핑되는 반송파를 포함한다. 프로브 신호는 또한 주파수 범위 또는 그 일부를 순간적으로 커버하는 광대역 신호를 포함할 수도 있다. 또한, 대안적으로, 사전결정된 주파수 범위를 스캐닝하는 임의의 다른 방법이 사용될 수 있다.
프로브 신호는 전송 증폭기(56)에 의해 증폭되고, 전송 안테나(60)를 경유하여 트랜스폰더(46)를 향해 전송된다. 안테나(60)는 전송 코일 또는 임의의 다른 적절한 안테나 구조를 포함할 수 있다. 소정 실시예에서, VCO(52)는 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 위상 고정 루프(PLL)내에 배열된 비교기(CP)(70) 및 위상 검출기(PD)(68)를 사용하여 원하는 주파수로 설정될 수 있다. 수신 코일(64)과 같은 수신 안테나는 프로브 신호에 응답하여 트랜스폰더(46)에 의해 생성된 신호를 수신 한다. 수신된 신호는 수신 증폭기(66)에 의해 증폭되어 수신기 출력 신호를 생성한다.
프로브 신호는 공진 회로(48)내에 전류를 유도한다. 유도된 전류의 진폭은 회로(48)의 공진 주파수에 관한 프로브 신호의 주파수에 의존한다. 달리 말해서, 공진 회로는 프로브 신호의 주파수와 공진 회로의 공진 주파수에 의존하여 프로브 신호에 대해 서로 다른 부하를 제공한다.
유도된 전류는 공진 회로가 동일한 주파수를 갖는 신호 또는 전자기장을 생성하게 한다. 공진 회로에 의해 생성된 신호의 진폭은 유사하게, 회로(48)의 공진 주파수에 관한 프로브 신호의 주파수에 의존한다.
프로브 신호의 주파수가 회로(48)의 공진 주파수에 접근할 때, 공진 회로내에서 유도된 전류는 최대값에 접근하고, 이는 순차적으로, 추적기에 의해 수신되는 신호의 진폭을 최대화한다. 결과적으로, 추적기(PLL)는 공진 회로(48)의 공진 주파수에 고정된다.
추적 프로세서(72)는 추적기(40)의 다양한 측정, 분석 및 제어 기능을 수행한다. 프로세서(72)는 적절한 소프트웨어 코드를 구동하는 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 대안적으로, 프로세서(72)는 적절한 하드웨어를 사용하여, 또는 하드웨어와 소프트웨어 펑션(functions)의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소정 실시예에서, 프로세서(72)는 VCO(52) 및/또는 다른 추적기(40)의 콤포넌트를 제어하여 원하는 주파수에서 프로브 신호를 생성한다. 수신된 신호를 사용하여, 프로세서(72)는 수신기 출력 신호를 분석하여 공진 회로(48)의 공진 주파수를 추정한 다. 추정된 공진 주파수에 의존하여, 프로세서(72)는 위치 패드(34)에 관한 임플란트(26)의, 그리고 트랜스폰더(46)의 위치 및 배향을 결정한다.
소정 실시예에서, 추적 프로세서(72)는 사전결정된 주파수 범위에 걸쳐 VCO(52)에 의해 생성된 프로브 신호의 주파수를 스위핑하고, 각 주파수에서 수신된 신호의 크기를 측정한다. 그후, 프로세서(72)는 그 주파수 범위에 걸친 측정된 수신 신호 진폭에 응답하여 회로(48)의 공진 주파수를 추정한다. 소정 실시예에서, 프로세서(72)는 최대 수신 신호 크기를 갖는 주파수를 식별한다. 대안적으로, 수신된 신호에 기초하여 회로(48)의 공진 주파수를 추정하기 위해 임의의 다른 적절한 방법이 프로세서(72)에 의해 사용될 수 있다.
소정 실시예에서, 추적기(40)는 전송 및 수신 모드 사이에서 교번한다. 달리 말하면, 추적기는 특정 시간 간격 동안 특정 주파수에서 프로브 신호를 전송하고, 그후, 후속하는 시간 간격으로 트랜스폰더에 의해 생성된 신호를 수신한다. 이들 실시예에서, 추적 프로세서는 CP(70) 및 전송 증폭기(56)의 전력을 교번적으로 스위치 온(on) 및 오프(off)한다. 전송 모드에서, 전송 증폭기(56)는 온 상태로 스위치되고, CP(70)는 스위치 오프되며, 그 반대도 마찬가지이다. 예로서, 도 2에서, 프로세서(72)에 의해 생성된 온/오프 제어 신호는 인버터(74)를 사용하여 증폭기(56)와 CP(70) 사이에서 파워를 교번시킨다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 트랜스폰더(46)의 예시적 구성을 개략적으로 예시하는 블록도이다. 본 실시예의 공진 회로(48)는 캐패시터(80) 및 인덕터(82)를 포함하고, 인덕터(82)는 필드 응답 요소로서 기능한다. 회로(48)의 공진 주파수는
Figure 112007035259971-PAT00001
에 의해 주어지며, 여기서, L은 인덕터(82)의 인덕턴스를 나타내고, C는 캐패시터(80)의 캐패시턴스를 나타낸다는 것은 잘 알려져 있다.
인덕터(82)는 코어(84) 둘레에 감겨지거나, 기타의 방식으로 그 둘레에 배치된다. μ로 표시되는 코어(84)의 투자성은 인덕터(82)의 인덕턴스(L)에 영향을 미치며, 인덕턴스는 순차적으로 회로(48)의 공진 주파수(fr)에 영향을 미친다. 소정 실시예에서, 코어(84)는 주변 자기장에 응답하여 그 투자율이 변하는 자기 유도 재료를 포함한다. 코어(84)의 자기 유도 재료는 예로서, FeCuNbSiB/Cu/FeCuNbSiB 필름 또는 유사 재료를 포함한다.
대안적으로, 자기 유도 특성을 가지는 임의의 다른 적절한 재료가 이 목적을 위해 사용될 수 있다. 통상적으로, 코어(84)의 투자성은 코어의 축을 따라 투영된 자기장의 콤포넌트에 응답하여 변한다. 따라서, 회로(48)의 공진 주파수는 필드를 생성한 위치 패드(34)에 관한 임플란트(26)의 위치 및 배향을 나타낸다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 트랜스폰더(46)의 예시적 구조를 개략적으로 예시하는 블록도이다. 도 3b의 구조에서, 회로(48)는 인덕터(86)와 캐패시터(88)를 포함하는 병렬 공진 회로이며, 캐패시터(88)는 필드 응답 요소로서 기능한다. 소정 실시예에서, 캐패시터(88)는 자기 구속 요소(90)에 결합될 수 있으며, 자기 구속 요소는 주변 자기장에 응답하여 수축 및/또는 팽창한다. 요소(90) 는 예로서, Terfenol-D와 같은 본 기술 분야에 알려진 임의의 적절한 자기 구속 재료를 포함할 수 있다.
소정의 실시예에서, 캐패시터(88)는 적절한 유전체 또는 공간에 의해 분리된 전도판과 같은 두개의 대면한 전도 전극을 포함한다. 도 3b의 예에서, 요소(90)는 캐패시터(88)의 전도판 중 하나에 기계적으로 부착된다. 주변 자기장이 변할 때, 요소(90)는 수축 또는 팽창하고, 그에 의해, 구체적으로는 캐패시터 판 사이의 간격의 폭의 변화에 의해 전극 사이의 공간 관계가 변한다. 간극 폭의 변화는 캐패시터(88)의 캐패시턴스를 변화시키고, 이는 순차적으로, 회로(48)의 공진 주파수를 변화시킨다. 통상적으로, 캐패시터(88) 및 요소(90)는 일 축을 따라 배열되며, 그래서, 캐패시터 판 사이의 간극은 실질적으로 이 축을 따른 요소(90)의 수축/팽창에 응답하여서만 변한다. 따라서, 도 3a의 구조에서와 같이, 회로(48)의 공진 주파수는 이 축을 따른 자기장의 콤포넌트의 변화에 응답하여 변한다.
대안적인 실시예에서(도면에는 미도시), 자기 구속 요소(90)는 다른 방식으로 전극의 공간적 관계를 변화시킬 수 있다. 예로서, 요소(90)는 전도판의 대면 영역을 변화시키도록 캐패시터(88)에 연결될 수 있으며, 이 또한 캐패시터(88)의 캐패시턴스를 변화시킨다. 또한, 대안적으로, 캐패시터(88)는 임의의 형상 또는 형태의 전도 전극을 포함할 수 있으며, 자기 구속 요소(90)는 주변 자기장에 응답하여 캐패시터의 캐패시턴스를 변화시키도록 임의의 적절한 방식으로 캐패시터에 연결될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 표면 음향파(SAW) 장치도 공진 회로(48)내의 필드 응답 요소로서 사용될 수 있으며, 그 이유는 자기장이 SAW 장치의 내부 반 사 거동을 변화시키기 때문이다.
비록, 여기에 설명된 방법 및 시스템이 주로 의료 임플란트, 도구 및 기구의 원격 공진 주파수 측정에 의한 위치 추적에 관련하지만, 본 발명의 원리는 라디오 주파수 식별(RFID) 태그 및 산업적 자기장 센서와 같은 다른 용례에서 위치 추적을 수행하기 위해 사용될 수도 있다.
따라서, 상술한 실시예는 예로서 인용된 것이며, 본 발명은 특정하게 상술 및 예시한 바에 한정되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 상술한 다양한 특징의 조합 및 서브조합 양자 모두와, 종래 기술에 개시되지 않은, 상기 설명을 숙독한 본 기술의 숙련자가 안출할 수 있는 변경들 및 변형들을 포함한다.

Claims (24)

  1. 하나 이상의 각각의 위치 가변 자기장을 생성하도록 배열된 하나 이상의 필드 생성기(field generator),
    공진 주파수를 가지며, 하나 이상의 자기장에 응답하여 상기 공진 주파수를 변경하도록 동작하는 필드 응답 요소를 포함하는 공진 회로를 포함하는 트랜스폰더(transponder), 및
    공진 회로의 공진 주파수를 원격 감지하고, 상기 감지된 공진 주파수에 응답하여 상기 트랜스폰더의 위치를 결정하도록 배열된 위치 추적기(position tracker)를 포함하는 위치 추적 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스폰더는 환자의 신체 내부에 삽입하기 위해 적용되는 대상물에 부착되고, 상기 위치 추적기는 신체 내부의 상기 대상물의 위치를 결정하기 위해 배열되는 위치 추적 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 필드 응답 요소는 상기 공진 주파수를 변경하도록 상기 하나 이상의 자기장에 응답하여 변하는 인덕턴스를 가지는 인덕터(inductor)를 포함하는 위치 추적 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 인덕터는 상기 자기 유도 재료를 포함하면서, 상기 인덕턴스를 변화시키도록 하나 이상의 자기장에 응답하여 변하는 투자성을 가지는 코어(core)를 포함하는 위치 추적 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 필드 응답 요소는 상기 공진 주파수를 변경하도록 상기 하나 이상의 자기장에 응답하여 변하는 캐패시턴스(capacitance)를 가지는 캐패시터(capacitor)를 포함하는 위치 추적 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 캐패시터는 전도 전극들을 포함하고, 상기 필드 응답 요소는 상기 전극들 중 적어도 하나에 부착되고 상기 캐패시턴스를 변경하도록 상기 하나 이상의 자기장에 응답하여 상기 전극의 공간적 관계를 변경하도록 배열되는 자기 구속 요소(magneto-restrictive element)를 포함하는 위치 추적 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 필드 생성기들 각각은 회전하는 자기장을 생성하도록 각각의 구동 신호들에 의해 구동되는 적어도 두개의 필드 방사 코일들을 포함하는 위치 추적 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 필드 생성기들은 둘 이상의 서로 다른 각각의 위치에 둘 이상의 필드 생성기들을 포함하고, 상기 필드 생성기들은 각각의 위치 가변 자기장들을 생성하도록 순차 동작하는 위치 추적 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 위치 추적기는 사전결정된 주파수 범위에 걸쳐 상기 트랜스폰더를 향해 프로브 신호를 전송하며, 상기 프로브 신호에 응답하여 상기 트랜스폰더에 의해 생성된 신호를 수신하고, 상기 트랜스폰더에 의해 생성된 신호에 응답하여 주파수 범위에 걸쳐 상기 공진 회로에 의해 상기 프로브 신호의 부하를 측정하며, 상기 부하에 응답하여 상기 공진 주파수를 추정하도록 배열되는 위치 추적 시스템.
  10. 위치 추적 시스템에 사용하기 위한 트랜스폰더로서,
    공진 주파수를 가지는 공진 회로를 포함하고, 상기 공진 회로가 자기장에 응답하여 상기 공진 주파수 부근의 프로브 신호를 가변적으로 반영하도록 외부 인가 자기장에 응답하여 상기 공진 주파수를 변경하기 위해 동작하는 필드 응답 요소를 포함하는 위치 추적 시스템 사용용 트랜스폰더.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 트랜스폰더는 환자의 신체 내부에 삽입되도록 적용되는 대상물에 부착되는 위치 추적 시스템 사용용 트랜스폰더.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 필드 응답 요소는 상기 공진 주파수를 변경하도록 상기 외부 인가 자기장에 응답하여 변하는 인덕턴스를 가지는 인덕터를 포함하는 위치 추적 시스템 사용용 트랜스폰더.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 인덕터는 자기 유도 재료를 포함하면서, 상기 인덕턴스를 변경하도록 상기 외부 인가 자기장에 응답하여 변하는 투자성을 가지는 코어를 포함하는 위치 추적 시스템 사용용 트랜스폰더.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 필드 응답 요소는 상기 공진 주파수를 변경하도록 상기 외부 인가 자기장에 응답하여 변하는 캐패시턴스를 가지는 캐패시터를 포함하는 위치 추적 시스템 사용용 트랜스폰더.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 캐패시터는 전도 전극을 포함하고, 상기 필드 응답 요소는 상기 전극들 중 적어도 하나에 부착되면서 상기 캐패시턴스를 변경하도록 상기 외부 인가 자기장에 응답하여 상기 전극의 영역 공간적 관계를 변경하도록 배열된 자기 구속 요소를 포함하는 위치 추적 시스템 사용용 트랜스폰더.
  16. 공진 주파수를 갖는 공진 회로와 자기장에 응답하여 상기 공진 주파수가 변하도록 동작하는 필드 응답 요소를 포함하는 트랜스폰더를 대상물에 부착하는 단계,
    상기 대상물의 부근에 위치 가변 자기장을 생성하는 단계,
    상기 공진 회로의 상기 공진 주파수를 원격 감지하는 단계, 및
    상기 감지된 공진 주파수에 응답하여 상기 트랜스폰더의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 위치 추적 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 환자의 신체 내부로 상기 대상물을 삽입하는 단계를 포함하고, 상기 트랜스폰더의 위치를 결정하는 단계는 신체 내부의 상기 대상물의 위치를 추적하는 단계를 포함하는 위치 추적 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 필드 응답 요소는 상기 공진 주파수를 변경하도록 상기 위치 가변 자기장에 응답하여 변하는 인덕턴스를 가지는 인덕터를 포함하는 위치 추적 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 인덕터는 자기 유도 재료를 포함하면서 상기 인덕턴스를 변경하도록 상기 위치 가변 자기장에 응답하여 변하는 투자성을 가지는 코어를 포함하는 위치 추적 방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 필드 응답 요소는 상기 공진 주파수를 변경하도록 상기 위치 가변 자기장에 응답하여 변하는 캐패시턴스를 가지는 캐패시터를 포함하는 위치 추적 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 캐패시터는 전도 전극을 포함하고, 상기 필드 응답 요소는 상기 전극들 중 적어도 하나에 부착되면서 상기 캐패시턴스를 변경하도록 상기 외부 인가 자기장에 응답하여 상기 전극의 영역 공간적 관계를 변경하도록 배 열되는 자기 구속 요소를 포함하는 위치 추적 방법.
  22. 제 16 항에 있어서, 상기 위치 변경 자기장을 생성하는 단계는 하나 이상의 회전 자기장을 생성하도록 각각의 구동 신호로 하나 이상의 필드 생성기를 구동하는 단계를 포함하는 위치 추적 방법.
  23. 제 16 항에 있어서, 상기 위치 가변 자기장을 생성하는 단계는 각각의 위치 가변 자기장을 생성하도록 둘 이상의 서로 다른 각각의 위치에서 둘 이상의 필드 생성기들을 순차 구동하는 단계를 포함하는 위치 추적 방법.
  24. 제 16 항에 있어서, 상기 공진 주파수를 감지하는 단계는 사전결정된 주파수 범위에 걸쳐 상기 트랜스폰더를 향해 프로브 신호를 전송하는 단계와, 상기 프로브 신호에 응답하여 상기 트랜스폰더에 의해 생성된 신호를 수신하는 단계와, 상기 트랜스폰더에 의해 생성된 상기 신호에 응답하여 상기 주파수 범위에 걸쳐 상기 공진 회로에 의한 상기 프로브 신호의 부하를 측정하는 단계와, 상기 부하에 응답하여 상기 공진 주파수를 추정하는 단계를 포함하는 위치 추적 방법.
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