MX2007013389A

MX2007013389A - Sistema rf para rastrear objetos.

Info

Publication number: MX2007013389A
Application number: MX2007013389A
Authority: MX
Inventors: Jean Louis Laroche
Original assignee: Orthosoft Inc
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2008-01-15
Also published as: US20060250300A1; EP1880235A4; US20080094275A1; WO2006119618A1; RU2007145206A; US7327306B2; KR20080002863A; CN101163984A; EP1880235A1; NO20076250L; BRPI0611383A2; US7612708B2; CA2601632A1; AU2006246259A1; JP2008541020A; AU2006246259B2

Abstract

Un sistema para rastrear un objeto en el espacio por posicion, comprende un dispositivo transpondedor que se puede conectar al objeto. El dispositivo transpondedor tiene una o varias antenas transpondedoras y un circuito transpondedor conectado a la antena transpondedora para recibir una senal RF a traves de la antena transpondedora. El dispositivo transpondedor anade un retraso conocido a la senal RF produciendo asi una respuesta RF para transmitir a traves de la antena transpondedora. Un transmisor esta conectado a la primera antena para transmitir la senal RF a traves de una primera antena. Un receptor esta conectado a la primera, una segunda y tercera antenas para recibir la respuesta RF del dispositivo transpondedor a traves del mismo. Un calculador de posicion esta asociado al transmisor y al receptor para calcular una posicion del objeto como una funcion del retraso conocido y el periodo de tiempo entre la emision de la senal RF y la recepcion de la respuesta RF desde la primera, segunda y tercera antenas. Un metodo tambien esta provisto.

Description

SISTEMA RF PARA RASTREAR OBJETOS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema RF para rastrear objetos en el espacio para posición y orientación El sistema de rastreo RF descrito en este documento se usa como un ejemplo para rastrear herramientas en cirugía asistida por computadora, pero otros usos también se contemplan tal como minería, recuperación de inventario de almacenamiento, nanorobótica, neurocirugía, cardiología, endodiagnósticos, rastreo de vehículos y cualquier otra aplicación industrial ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN A menudo se requiere rastrear objetos por su posición y orientación en el espacio Por ejemplo, en cirugía asistida por computadora, las herramientas son rastreadas por su posición y orientación para poder proporcionar a un cirujano datos útiles pertenecientes a la posición relativa entre elementos de hueso y herramientas quirúrgicas Por ejemplo, la cirugía ortopédica que involucra implantes de hueso se beneficia del uso de un sistema de rastreo que proporcionará información precisa perteneciente a las alteraciones de los elementos de hueso Los sistemas de rastreo conocidos ofrecen ya sea precisión inadecuada o no son completamente apropiados para los tipos de maniobras asociadas con el uso de los sistemas de rastreo Por ejemplo, en cirugía asistida por computadora, los sistemas ópticos se usan para rastrear herramientas En dichos sistemas, se requiere una línea de vista entre la herramienta y los sensores de movimiento para poder proporcionar datos de posición y orientación precisos Por consiguiente, la posición de un paciente que está siendo operado es influenciada por esta línea de vista que debe mantenerse entre la herramienta y los sensores de movimiento Otros tipos de sistemas, tales como emisores magnéticos y similares, se han usado en cirugía asistida por computadora Sin embargo, dichos sistemas típicamente involucran componentes voluminosos, o alambres que interconectan componentes emisores Por lo tanto, considerando que el espacio de trabajo en un ambiente quirúrgico debe estar esterilizado, el uso de dichos sistemas constituye una solución costosa SUMARIO DE LA INVENCIÓN Por lo tanto es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema RF novedoso para rastrear objetos Es un objeto adicional de la presente invención tratar problemas de la técnica anterior Por lo tanto, de conformidad con la presente invención, se proporciona un sistema para rastrear un objeto en el espacio por posición, comprendiendo un dispositivo transpondedor que se puede conectar al objeto, el dispositivo transpondedor teniendo una antena transpondedora y un circuito transpondedor conectado a la antena transpondedora para recibir una señal RF a través de la antena transpondedora, el dispositivo transpondedor añadiendo un retraso conocido a la señal RF produciendo asi una respuesta RF para transmitir a través de la antena transpondedora, primera, segunda y tercera antenas, un transmisor conectado a la primera antena para transmitir la señal RF a través de la primera antena, un receptor conectado a la primera, segunda y tercera antenas para recibir la respuesta RF del dispositivo transpondedor a través de las mismas y un calculador de posición asociado al transmisor y al receptor para calcular una posición del objeto como una función del retraso conocido y el período de tiempo entre la emisión de la señal RF y la recepción de la respuesta RF de la primera, segunda y tercera antenas De conformidad además con la presente invención, se proporciona un método para rastrear un objeto en el espacio por posición, comprendiendo las etapas de emitir una señal RF desde una posición fija, recibir con un dispositivo transpondedor en el objeto la señal RF, emitir desde el dispositivo transpondedor una señal de regreso RF consistiendo de la señal RF con un tiempo de retraso conocido, recibir la señal RF con al menos tres antenas asociadas a la posición fija y calcular una posición del objeto desde una distancia entre cada una de las al menos tres antenas y el dispositivo transpondedor como una función del retraso conocido y el período de tiempo entre la emisión de la señal RF y la recepción de la respuesta RF desde la primera, segunda y tercera antenas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Habiendo ya descrito en general la naturaleza de la invención, se hará ahora referencia a los dibujos que la acompañan, mostrando por medio de ilustración una modalidad preferida de la misma y en la cual: La Figura 1 es un diagrama de bloque ilustrando un sistema de rastreo de conformidad con la modalidad preferida de la presente invención, en donde: A es el circuito transpondedor, B20, B43, B44 y B45 son las antenas, C es el transmisor/receptor, D es la interfase de usuario, E es el controlador, F es el detector de obstrucción, G es el calculador de posición/orientación, H es el sistema de cirugía asistida por computadora, I es la señal de transmisión, J es la señal de regreso retrasada, K es la señal RF modulada, L es la señal RF de regreso, M es la detección, N es la señal de accionamiento, O es el accionamiento, P es el pulso de accionamiento del transmisor, Q es la señal de fin de receptor, R son los datos de retraso, S son los datos de obstrucción, T son las órdenes, U es el pulso de fin de reloj, V es el pulso de accionamiento de reloj, W son los datos asociados a posición y orientación y X es la información de fase y ciclo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En referencia a la Figura 1 , un sistema de rastreo de conformidad con una modalidad preferida de la presente invención se muestra en general en el 10. El sistema de rastreo 10 tiene un dispositivo transpondedor 12 (que se puede desplazar, con su fuente de energía independiente) y una estación de rastreo 14 (fija). La estación de rastreo 14 está opcionalmente conectada a un sistema de cirugía asistida por computadora 16, u otro sistema requiriendo datos de posición y orientación que serán producidos por la estación de rastreo 14.

El dispositivo transpondedor 12 se puede conectar a una herramienta u otro objeto que será rastreado en el espacio por posición y orientación si es requerida. La interrelación entre el dispositivo transpondedor 12 y el objeto que será rastreado es conocida (por ejemplo, a través de la calibración) de manera que un rastreo del dispositivo transpondedor 12 permitirá a la estación de rastreo 14 obtener información de posición y orientación perteneciente al objeto (por ejemplo, punta de una herramienta). El dispositivo transpondedor 12 y las antenas de la estación de rastreo 14 están típicamente separadas por una distancia que varía entre 0.5 m a 10.0 m en cirugía asistida por computadora, pero que podría ser mayor o menor dependiendo del tipo de aplicación.

El dispositivo transpondedor 12 tiene una antena 20 conectada a un circuito transpondedor 21 La antena 20 está provista para recibir señales RF entrantes y para emitir señales de respuesta como una función de las señales RF entrantes, como lo dirige el circuito transpondedor 21 El circuito transpondedor 21 recibe las señales RF entrantes y controla la emisión de una respuesta a través de la antena 20 Más específicamente, entre la recepción de una señal y transmisión de una señal de respuesta desde el dispositivo transpondedor 12, ocurre un retraso de tiempo, dicho retraso de tiempo es conocido El retraso de tiempo es, por ejemplo, causado por uno o más filtros SAW, una línea de retraso u otro método de retraso en un circuito de retraso El circuito transpondedor 21 también puede amplificar la señal RF entrante La estación de rastreo 14 tiene un controlador 40 El controlador 40 es una unidad de procesamiento (por ejemplo, un microcontrolador, una computadora o similar) que controla la operación de la estación de rastreo 14 El controlador 40 está conectado a una interfase de usuario 41 , mediante la cual un operador puede ordenar el sistema de rastreo 10 El controlador 40 transmite datos asociados a la posición y orientación a la interfase de usuario 41 como salida desde el sistema de rastreo 10 El controlador 40 también está conectado a un transmisor/receptor 42 El transmisor/receptor 42 está provisto para emitir señales RF moduladas a través de antenas 43, 44 y 45 y para recibir una señal RF de regreso desde el dispositivo transpondedor 12 usando las antenas 43 a 45 Por consiguiente, como se muestra en la Figura 1 , las antenas 43 a 45 están todas conectadas separadamente del transmisor/receptor 42 Se prefiere minimizar la distancia entre el transmisor/receptor 42 y las antenas 43 a 45 para minimizar cualquier desfase Sin embargo, las tablas de valores pueden usarse para la compensación de cualquier retraso en la transmisión debido a una distancia no insignificante entre el transmisor/receptor 42 y las antenas 43 a 45 La operación del transmisor/receptor 42 es ordenada por el controlador 40 Un calculador de posición/orientación 46 está conectado al controlador 40 El calculador de posición/orientador 46 es típicamente un software o un drive asociado con el controlador 40, mediante el cual la posición y si se requiere, la orientación perteneciente al dispositivo transpondedor 12 se calculan La operación del calculador de posición/orientación 46 se describirá posteriormente Un detector de obstrucción 47 también está conectado al controlador 40 El controlador 40 ordena al detector de obstrucción 47, el cual detectará cualquier obstrucción entre el dispositivo transpondedor 12 y la estación de rastreo 14 Mas específicamente, es posible que los objetos que inducen la obstrucción causen interferencia entre las antenas 43 a 45 de la estación de rastreo 14 y la antena 20 del dispositivo transpondedor 12 Por consiguiente, el detector de obstrucción 47 está provisto de manera que tome en cuanta cualquier obstrucción y cualquier obstrucción será considerada en cálculos de posición por el software de compensación en el calculador de posición/orientación 46 Por ejemplo, el ruido y el nivel de la señal RF recibida por las antenas 43 a 45 se monitorean para determinar el nivel de interferencia, dicha información se usa posteriormente por el software de compensación El detector de obstrucción 47 puede señalar que un nivel no insignificante de interferencia está presente (señal de sonido, señal visual), para aconsejar al operador que retire cualquier objeto que haga interferencia del campo de operación El sistema de cirugía asistida por computadora 16 está opcionalmente conectado al controlador 40 (por ejemplo, conexión inalámbrica) de manera que reciba datos de posición y orientación, que serán usados por el sistema de cirugía asistida por computadora 16 para poder proporcionar dicha información en diversas formas al operador del sistema de cirugía asistida por computadora 16 Ahora que ya se han descrito los diversos componentes del sistema de rastreo 10, a continuación se encuentra una operación general del sistema de rastreo 10 Para poder obtener la información de posición y si se requiere, de orientación perteneciente a un objeto, el controlador 40 iniciará una transmisión al dispositivo transpondedor 12 El controlador 40 enviará una señal al calculador de posición/orientación 46 Por ejemplo, un pulso de accionamiento se envía al calculador de posición/orientación 46 El calculador de posición/orientación 46 tiene un contador de ciclo (es decir, reloj interno) y los valores del contador al momento de la transmisión (Tx) y al momento de la recepción (Rx) se usarán en cálculos de posición La medida de la fase también se considera mediante un comparador de fase en el calculador de posición/orientación 46, como se describirá posteriormente Simultáneamente, un pulso de accionamiento de transmisor se envía desde el controlador 40 al transmisor/receptor 42 Por consiguiente, el transmisor/receptor 42 enviará una señal de accionamiento a una de las antenas 43 a 45 Por ejemplo, la antena 43 emitirá una señal RF modulada (por ejemplo, pulso RF) desde este accionamiento del controlador 40 El pulso RF modulado de la antena 43 será recibido por la antena 20 del dispositivo transpondedor 12 El pulso RF modulado recibido por la antena 20 será reenviado al circuito transpondedor 21 , el cual regresará la señal en forma de pulso de regreso retrasado emitido por la antena 20 Como se mencionó previamente, se conoce el retraso entre la recepción de la señal mediante la antena 20 y la emisión de una señal de regreso mediante la antena 20 El pulso RF modulado es un tren de ondas de corta longitud, como una función del tamaño del circuito transpondedor 21 El pulso RF modulado puede ser amplificado en la señal de regreso retrasada Más específicamente, para poder reducir el efecto de reflexiones, se considera proporcionar ganancia a la señal de regreso Cualquier ganancia en el dispositivo transpondedor 12 es como una función de sensibilidad de recepción del transmisor/receptor 42 También se considera proporcionar una ganancia como una función de cualquier pérdida de magnitud en el pulso RF modulado entrante La señal RF de regreso emitida desde el dispositivo transpondedor 12 será recibida por todas las tres antenas 43, 44 y 45 Por consiguiente, por triangulación, la posición del dispositivo transpondedor 12 puede calcularse Cada una de las tres antenas 43 a 45 enviará notificación de la señal de regreso retrasada al transmisor/receptor 42, que reenviará esta señal de fin de receptor al controlador 40 El controlador 40, habiendo recibido la señal, accionará el calculador de posición/orientación 46, mediante un pulso de fin, para obtener un valor de tiempo para la recepción de una señal con contador de ciclo La señal será reconocida por el calculador de posición/orientación 46, a través del cual la posición del dispositivo transpondedor 12 puede calcularse usando triangulación con la distancia entre las antenas 43 a 45 y el dispositivo transpondedor 12 El retraso de tiempo en el dispositivo transpondedor 12 se toma en cuenta cuando se calcula la distancia entre las antenas 43 a 45 y el dispositivo transpondedor 12 Se señala que si se requiere la información de orientación, el objeto debe estar equipado con tres dispositivos transpondedores 12, en un arreglo no lineal o arreglo ortogonal Alternativamente, un dispositivo transpondedor 12 que tiene tres antenas 20 para el circuito transpondedor 21 , vía interruptores RF apropiados puede ser usado Las tres antenas del transpondedor estarían orientadas ortogonalmente Un solo dispositivo transpondedor 12 o el dispositivo transpondedor 12 con una sola antena solo proporcionarían información de posición En el caso de que el calculador de posición/orientación 46 use un contador de ciclo, la cantidad de tiempo ente la emisión del pulso RF modulado y la recepción de la señal RF de regreso mediante el transmisor/receptor 42 se calcula como una función del número de ciclos medidos por el contador de ciclo El comparador de fase se usa entonces para transformar un ciclo restante incompleto en un valor de tiempo, que será usado para calcular con el número de ciclos el tiempo total entre la emisión y recepción de una señal mediante el transmisor/receptor 42 Como se mencionó previamente, la distancia entre las antenas y el dispositivo transpondedor 12 se calcula como una función de este valor de tiempo y considerando el retraso de tiempo en el dispositivo transpondedor 12 y la velocidad de la luz Aunque la estación de rastreo 14 se ha descrito como que tiene tres antenas, a saber antenas 43 a 45, se contempla proporcionar el dispositivo transpondedor 12 y/o la estación de rastreo 14 con antenas adicionales para asegurar la precisión de medida de posición y orientación Además, el tipo de antenas usadas se puede seleccionar como una función del nivel de precisión requerido En una modalidad, la estación de rastreo 14 típicamente tiene un tablero de circuito impreso de forma rectangular teniendo antenas en sus esquinas (con circuitos para cada antena), así como los circuitos requeridos del transmisor/receptor 42 y otros componentes de la estación de rastreo 14 Sin embargo, se contemplan otras configuraciones, tales como circuitos impresos independientes para cada antena Cualquiera de las tres antenas está acomodada para formar un plano La frecuencia de la señal es típicamente de 915 MHz Las diversas señales de accionamiento son de frecuencia apropiada Como ejemplo, se contempla usar las antenas YAGI para la estación de rastreo 14 El detector de obstrucción 47 está conectado al controlador 40 para alimentar datos de obstrucción al controlador 40 Más específicamente, se contempla usar un sensor visual (o de audio, ultrasonido, sensores de láser o similares) que detectarán la presencia de objetos entre las antenas 43, 44 y/o 45 y el dispositivo transpondedor 12 Como resultado de cualquier obstrucción, el calculador de posición/orientación 46 tomará en cuenta dichos datos en el cálculo de la posición y orientación del dispositivo transpondedor 12 Si la estación de rastreo 14 está provista con más de tres antenas, es posible retirar señales de una de las antenas en el cálculo de la posición y orientación mediante el calculador de posición/orientación 46, si se considera que existe obstrucción entre dicha antena y el dispositivo transpondedor 12 Se contempla proporcionar el calculador de posición/orientación 46 con una base de datos de información tabulada perteneciente al efecto de diversos tipos de obstrucción Esta información podría usarse para corregir el cálculo de la posición y orientación como una función del tipo de obstrucción La operación anteriormente descrita del sistema involucra la emisión de un pulso RF modulado mediante una de las antenas 43 a 45 Sin embargo, para poder proporcionar información constantemente actualizada de posición y orientación acerca del dispositivo transpondedor 12, se señala que la estación de rastreo 14 está ciclando constantemente pulsos RF modulados mediante el cambio secuencial de la emisión desde las antenas 43 a 45, o cualquier otra secuencia apropiada Otros usos contemplados por el sistema de rastreo 10 incluyen minería, recuperación de inventario de almacenamiento, nanorobótica, neurocirugía, cardiología, endodiagnósticos, rastreo de vehículos y cualquier otra aplicación industrial Se contempla fijar el dispositivo transpondedor 12 a una sonda Dicha sonda podría ser una inyectable (por ejemplo, inyectable en seres vivos tales como humanos y animales)

Claims

REIVINDICACIONES 1 Un sistema para rastrear un objeto en el espacio por posición, comprendiendo un dispositivo transpondedor que se puede conectar al objeto, el dispositivo transpondedor teniendo una antena transpondedora y un circuito transpondedor conectado a la antena transpondedora para recibir una señal RF a través de la antena transpondedora, el dispositivo transpondedor para añadir un retraso conocido a la señal RF para así producir una respuesta RF para transmitir a través de la antena transpondedora, primera, segunda y tercera antenas, un transmisor conectado a la primera antena para transmitir una señal RF a través de la primera antena, un receptor conectado a la primera, segunda y tercera antenas para recibir una respuesta RF del dispositivo transpondedor a través del mismo y un calculador de posición asociado al transmisor y al receptor para calcular una posición del objeto como una función del retraso conocido y el período de tiempo entre la emisión de la señal RF y la recepción de la respuesta RF de la primera, segunda y tercera antenas
2 El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la antena transpondedora comprende tres antenas transpondedoras ortogonalmente orientadas a través de las cuales una orientación del dispositivo transpondedor se puede calcular como una función de la respuesta RF de las tres antenas transpondedoras
3 El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el calculador de posición tiene un reloj para medir el período de tiempo, el reloj accionado por el transmisor
4 El sistema de conformidad con la reivindicación 2, en donde el reloj del calculador de posición comprende un contador de ciclo y un comparador de fase
5. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el calculador de posición tiene datos de valor asociando una distancia entre la primera, segunda y/o tercera antenas a un valor de tiempo, a través del cual el calculador de posición es para calcular la posición como una función del retraso conocido, el período de tiempo y la distancia entre la primera, segunda y/o tercera antenas.
6. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , comprendiendo además una cuarta antena conectada al receptor para recibir la respuesta RF a través de la misma, con el período de tiempo incluyendo la recepción de la respuesta RF desde la cuarta antena.
7. El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , comprendiendo además un detector de obstrucción asociado con el calculador de posición, el detector de obstrucción para producir datos de obstrucción, a través del cual el calculador de posición es para calcular la posición del objeto como una función del retraso conocido, el período de tiempo y los datos de obstrucción.
8. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, en donde el dispositivo transpondedor es para amplificar la respuesta RF, de manera que el detector de obstrucción identifique obstrucciones reflexivas
9. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, comprendiendo además una cuarta antena conectada al receptor para recibir la respuesta RF a través del mismo, el detector de obstrucción para considerar la respuesta RF recibida a través de las cuatro antenas para identificar obstrucción, a través de las cuales los datos de obstrucción filtran la respuesta RF recibida a través de una de las cuatro antenas al detectar la obstrucción de dicha antena.
10. El sistema de conformidad con la reivindicación 7, en donde el detector de obstrucción tiene un dispositivo sensor para detectar obstrucciones visualmente.
11 El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el dispositivo transpondedor tiene una fuente de energía portátil
12 El sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en donde dicho dispositivo transpondedor es interrumpido entre tres antenas transpondedoras y un circuito transpondedor está conectado a las antenas transpondedoras para recibir señales RF a través de las antenas transpondedoras, los dispositivos transpondedores para añadir un retraso conocido a la señal RF para así producir pulsos RF para transmitir a través de las antenas transpondedoras, en donde además las tres antenas transpondedoras están orientadas ortogonalmente
13 Un método para rastrear un objeto en el espacio por posición, comprendiendo las etapas de emitir una señal RF desde una posición fija, recibir la señal RF con un dispositivo transpondedor en el objeto, emitir desde el dispositivo transpondedor una señal de regreso RF que consiste de la señal RF con un retraso de tiempo conocido, recibir la señal RF con al menos tres antenas asociadas a la posición fija y calcular una posición del objeto desde una distancia entre cada una de las al menos tres antenas y el dispositivo transpondedor como una función del retraso conocido y el período de tiempo entre la emisión de la señal RF y la recepción de la respuesta RF desde la primera, segunda y tercera antenas
14 El método de conformidad con la reivindicación 13, en donde la etapa de recibir la señal RF se desempeña en tres ejes ortogonales, de manera que la etapa de calcular también involucra calcular una orientación del objeto
15 El método de conformidad con la reivindicación 13, comprendiendo además una etapa de detectar obstrucción antes de la etapa de calcular la posición del objeto, de manera que la posición sea calculada como una función del retraso conocido, el período de tiempo y los datos de obstrucción.
16. El método de conformidad con la reivindicación 13, en donde la etapa de recibir la señal RF se desempeña con cuatro antenas, de manera que la posición se calcula como una función del retraso conocido y el período de tiempo entre la emisión de la señal RF y la recepción de la respuesta RF desde la primera, segunda, tercera y cuarta antenas.