TWI581754B - Regional positioning module - Google Patents

Description

區域型定位模組

本發明係關於一種區域型定位模組，特別是一種利用無線通信方式將定位訊號收發單元所發射調頻頻率與定位標所反射該調頻頻率的一頻率差，計算該定位訊號收發單元與該定位標的距離，並且以本發明所述的收發單元可有效降低雜訊干擾，以利進行手術導航作業。

隨這老化人口比例增加，再加上現代人生活特性影響，如肥胖、久坐等，其脊椎產生病變比例逐年增長；在保守性治療失效後，往往需要依靠植入物來協助脊椎減輕疼痛感並維持基本功能。

習知技藝中，如美國專利號US 8435171揭示一種自動輔助設備與施術者間的操作介面，其利用無線定位技術偵測手術器械與內視鏡扶持機械臂位置，進而透過追蹤手術器械位置來遙控內視鏡視野達到人機界面控制功能。

另外，如台灣專利號TW I235523揭示了利用多方向接收訊號電源之植入式接收天線提供多方向之電信號或電力輸入，免除或減少單一方向輸入之限制，減少輸入之死角， 使植入式元件時時刻刻能正常工作，並且當同時使用多組植入式元件時，並不用考慮方向性問題，使所有植入式元件皆能正常工作，使操作者能夠更簡單的操作。

然而，上述技藝中，並無進一步揭露如何針對患者骨頭與醫學影像進行空間座標轉換以及手術導航應用。

本發明目的係以提供一種用於脊椎的區域型定位模組，其藉由可調頻定位訊號收發單元發射調頻訊號至植於脊椎每一椎節上的定位標，當定位標將調頻訊號反射後，藉由發射與接收時調頻訊號的頻率差來計算該距離並且完成座標定位，其中該定位訊號收發單元用以發射24G以上調頻頻率訊號，該定位標反射該調頻頻率訊號後至該定位收發單元，且由第一帶通濾波器、一低雜訊放大器、一第二帶通濾波器訊號處理，藉此可有效濾除頻帶外的干擾訊號與雜訊，以更精確做距離計算。

本發明區域型定位模組包括一定位訊號收發單元，具有一接收天線陣列、一第一帶通濾波器、一低雜訊放大器、一第二帶通濾波器、一混頻器、一功率分配器、一功率放大器及一發射天線陣列，其中一調頻頻率訊號經由該功率放大器放大訊號後透過該發射天線陣列發射該放大後的該調頻訊號至一定位標，該定位標接收該調頻訊號後反射與該調頻訊號相同波型的一定位標頻率訊號，該接收天線陣列取 得該定位標頻率訊號後，透過該第一帶通濾波器、該低雜訊放大器、該第二帶通濾波器及該功率分配器以減少雜訊。

10‧‧‧定位模組

11‧‧‧脊椎

12‧‧‧定位標

12A、12B‧‧‧天線

12A1、12B1‧‧‧定位標頻率訊號

13A、13B‧‧‧天線

13A1、13B1‧‧‧器械頻率訊號

121‧‧‧定位標頻率訊號

121A‧‧‧識別碼

13‧‧‧手術器械

131‧‧‧器械頻率訊號

131A‧‧‧器械識別碼

14‧‧‧定位訊號收發單元

140‧‧‧調頻頻率訊號

141‧‧‧接收天線陣列

142‧‧‧第一帶通濾波器

1421‧‧‧第二帶通濾波器

143‧‧‧低雜訊放大器

144‧‧‧混頻器

145‧‧‧功率分配器

146‧‧‧功率放大器

147‧‧‧發射天線陣列

148‧‧‧視頻圖形陣列

L1、L11‧‧‧定位標距離

L2、L21‧‧‧器械距離

20‧‧‧處理單元

30‧‧‧手術影像

31‧‧‧脊椎影像

311‧‧‧脊椎空間座標

32‧‧‧手術器械影像

321‧‧‧器械空間座標

D1、D2‧‧‧訊號差

T1‧‧‧時間

S1、S2‧‧‧角度

圖1A係手術導航作業的示意圖。

圖1B係本發明之區域型定位模組的示意圖。

圖2係本發明應用於手術導航作業的方塊圖。

圖3A及圖3B係本發明之調頻頻率訊號示意圖。

圖4係本發明應用於手術導航作業的影像示意圖。

圖5係本發明應用於手術導航作業之定位標天線示意圖。

圖6係本發明應用於手術導航作業之手術器械天線示意圖。

為了讓本創作之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參閱圖1A至圖4，圖1A係手術導航作業的示意圖，圖1B係本發明之區域型定位模組的示意圖，圖2係本發明應用於手術導航作業的方塊圖，圖3A及圖3B係本發明之手術導航作業的調頻頻率訊號示意圖，圖4係本發明應用於手術導航作業的影像示意圖。首先，在脊椎手術前已先拍攝脊椎CT(Computed tomography)影像後，再拍攝已植入於脊椎上之本發明所述的定位標12之C-arm影像，接著將二影像疊合為手術影像30，因此手術影像30可包括脊椎影像31及手術器械影像 32，接著再匯入本發明所述的區域型定位模組以進行手術導航作業，而本發明區域型定位模組，包括：定位模組10，定位模組10包括：定位訊號收發單元14，用以發射調頻頻率訊號140至該複數個定位標12及手術器械13。

接著參考圖1B，定位訊號收發單元14具有一接收天線陣列141、第一帶通濾波器142、第二帶通濾波器1421、低雜訊放大器143、混頻器144、功率分配器145、功率放大器146、發射天線陣列147及視頻圖形陣列148，其中一調頻頻率訊號經由該功率放大器146放大訊號後透過該發射天線陣列147發射該放大後的該調頻訊號至直於脊椎11定位標12，該定位標接收該調頻訊號後反射與該調頻訊號相同波型的一定位標頻率訊號121，透過接收天線陣列141取得定位標頻率訊號後，透過第一帶通濾波器142、第一帶通濾波器1421、低雜訊放大器143及功率分配器144以濾除頻帶外的干擾訊號與雜訊。。

更進一步來說，定位訊號收發單元14所發射的該調頻訊號掃頻範圍為24-24.4GHz，調頻訊號將可以區隔環境雜波與目標物之回波訊號，降低環境干擾

複數個定位標12，其分別設置於脊椎11的一椎節上，每一定位標12用以接收該調頻頻率訊號140後，回傳定位標頻率訊號121至該定位訊號收發單元14，該定位訊號收發單元14接收定位標頻率訊號121，其中該定位標頻率訊號121與 該調頻頻率訊號140為相同波形，更詳細而言，該些定位標12內具有天線，當該天線接收到調頻頻率訊號140後將該訊號反射回該定位訊號收發單元14，因此定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號140為相同波形。

另外，手術器械13，用以接收該調頻頻率訊號140後，回傳該器械頻率訊號131至該定位訊號收發單元14，該定位訊號收發單元14接收器械頻率訊號131，其中該器械頻率訊號131與該調頻頻率訊號140為相同波形，更詳細而言，該手術器械13內具有天線，當該天線接收到調頻頻率訊號140後將該訊號反射回該定位訊號收發單元14，因此器械頻率訊號131與該調頻頻率訊號140為相同波形。

處理單元20，電性連接該定位訊號收發單元14，根據定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號140的訊號差D1，以演算法計算該些定位標12與該定位訊號收發單元14間的定位標距離L1，其中該演算法為頻率調制連續波(Frequency modulated continuous waveform；FMCW)定位演算法，該處理單元20根據同一時間T1所接收到定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號140之間的訊號差D1來計算該定位標距離L1，並根據該定位標距離L1計算出脊椎空間座標311。

上述中，詳細而言，因傳輸速度快，時間差極小，因此本發明取同一時間T1做為取樣。

於一實施例中，該定位訊號收發單元14至少為二 定位訊號收發單元14，其分別設置於該脊椎11周緣，該處理單元20根據二定位訊號收發單元14所接收到的該二定位標頻率訊號121計算所對應的該二定位標距離L1、L11，再以三角定位法計算出該脊椎空間座標311。

另外，處理單元20根據器械頻率訊號131與該調頻頻率訊號140的訊號差D2，以頻率調制連續波定位演算法計算該手術器械13與該定位訊號收發單元14的器械距離L2，根據並根據該器械距離L2計算出器械空間座標321。

於一實施例中，該定位訊號收發單元14至少為二定位訊號收發單元14，其分別設置於該手術器械13周緣，該處理單元20根據二定位訊號收發單元14所接收到的該二器械頻率訊號131計算所對應的該二器械距離L2、L21，再以三角定位法計算出該脊椎空間座標321。

進一步地，請參考圖4，該些定位標12更包括識別碼131A，該手術器械13更包括器械識別碼121A，該定位訊號收發單元14用以接收該識別碼121A及該器械識別碼131A後，該處理單元20將該識別碼121A定義到相對應的該脊椎空間座標311，該處理單元20將該器械識別碼131A定義到相對應的該器械空間座標321，就由該識別碼121A及該器械識別碼131A可確認所對應的定位標12及手術器械13是否正確。

進一步說明，請參閱圖5，每一定位標12更進一步包括至少二天線12A、12B，其接收該調頻頻率訊號140後， 回傳該二定位標頻率訊號12A1、12B1至該定位訊號收發單元14，該處理單元20藉由該二定位標頻率訊號12A1、12B1計算出該二天線12A、12B與定位訊號收發單元14之距離，以此計算出該定位標12植入脊椎與一預設施行手術導航路徑之間的角度S1，以確認該定位標植入植椎是否與預設施行手術導航路徑相同。

另外，請參閱圖6，該手術器械13更進一步包括至少二器械天線13A、13B，其接收該調頻頻率訊號140後，回傳該二器械頻率訊號13A1、13B1至該定位訊號收發單元14，該處理單元20藉由該二器械頻率訊號13A1、13B1計算出該器械二天線13A、13B與定位訊號收發單元14之距離，以此計算出該手術器械與預設施行手術導航路徑之間的角度S2，以確認該手術器械的操作是否與預設施行手術導航路徑相同。

如上述，利用本發明，在脊椎手術前可先匯入術前規劃資訊，接著根據該脊椎空間座標、該器械空間座標及定位標和手術器械角度等資料來進行手術導航作業。

本發明利用無線定位技術實現多椎節定位追蹤導航手術技術，透過調頻式射頻定位技術加上識別碼辨識功能，於椎節設置定位天線標記，透過獨立追蹤設置定位天線標記之椎節而非使用數值推算方式將全部脊椎視為剛體，進而提升醫學影像註冊精度與速度(加速演算收斂)，且本發明能擁有足夠操作頻寬以涵蓋FMCW掃頻範圍(24-24.4GHz)，加 強室內定位精準度達到mm等級誤差，提升手術植入物施打安全性與精準度，另外本發明加入切換調變機制，在頻譜上將可以區隔環境雜波與目標物之回波訊號，降低環境干擾，同時本導航系統適用於長節脊椎手術(脊椎側彎矯正、多節脊椎骨折)，使施術不受大型紅外線反光球定位標記器械限制。

本發明影像導引手術除了能夠提供外科醫生於器械使用時更具立體感、更多病灶數據及精確的影像資訊之外，更能完整規劃手術前步驟與預習，達到手術中即時影像導引與病灶處顯影，以及手術後的評估實習醫生教學與研究使用，且目前先針對以脊椎手術為臨床應用方向，改善現有脊椎手術導航系統直視性遮蔽問題，此外人體電磁吸收率影響定位精度，突破體內定位追蹤技術瓶頸，未來根據此室內定位技術，朝向NOTES手術應用或者腹腔手術應用，針對病患之病灶產生定位功能，縮短手術時間，也減少手術風險的可能性。

本發明可有效提升醫師執行脊椎手術安全性與施術品質，同時降低手術中穿透式醫學影像使用量並減輕醫護人員游離輻射吸收量；另外醫學影像導航技術為未來智能手術輔助系統主要核心基礎，未來進一步結合手術機械臂與高聚焦式穿透性治療設備(HIFU、伽瑪刀、質子治療)可實現高精準治療，降低患者術後併發症與影響。

綜上所述，乃僅記載本創作為呈現解決問題所採 用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本創作專利實施之範圍。即凡與本創作專利申請範圍文義相符，或依本創作專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本創作專利範圍所涵蓋。

14‧‧‧定位訊號收發單元

140‧‧‧調頻頻率訊號

141‧‧‧接收天線陣列

142‧‧‧第一帶通濾波器

1421‧‧‧第二帶通濾波器

143‧‧‧低雜訊放大器

144‧‧‧混頻器

145‧‧‧功率分配器

146‧‧‧功率放大器

147‧‧‧發射天線陣列

148‧‧‧視頻圖形陣列

Claims (8)

1. 一種區域型定位模組，包括：一定位訊號收發單元，具有一接收天線陣列、一第一帶通濾波器、一低雜訊放大器、一第二帶通濾波器、一混頻器、一功率分配器、一功率放大器及一發射天線陣列，其中該接收天線陣列、該第一帶通濾波器、該低雜訊放大器、該第二帶通濾波器、該混頻器、該功率分配器、該功率放大器及該發射天線陣列係呈電性連接關係，一調頻頻率訊號經由該功率放大器放大訊號後透過該發射天線陣列發射；一定位標，設置於一脊椎的一椎節上，用以接收該調頻頻率訊號後，反射與調頻頻率訊號相同的一定位標頻率訊號至該定位訊號收發單元；及一手術器械，用以接收該調頻頻率訊號後，回傳一器械頻率訊號至該定位訊號收發單元，其中該器械頻率訊號與該調頻頻率訊號為相同波形；其中該接收天線陣列取得該定位標頻率訊號後，透過該第一帶通濾波器、該低雜訊放大器、該第二帶通濾波器及該功率分配器以濾除頻帶外的干擾訊號與雜訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之區域型定位模組，其中更包括一處理單元，根據該定位標頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差，以一演算法計算該些定位標與該定位訊號收發單 元間的一定位標距離，並根據該定位標距離計算出一脊椎空間座標，根據該器械頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差，以該演算法計算該手術器械與該定位訊號收發單元的一器械距離，並根據該器械距離計算出一器械空間座標，根據該脊椎空間座標及該器械空間座標進行一手術導航作業。
3. 如申請專利範圍第2項所述之區域型定位模組，其中該演算法為頻率調制連續波(Frequency modulated continuous waveform；FMCW)定位演算法，該處理單元根據同一時間所接收到該定位標頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差計算該定位標距離，該處理單元同一時間根據該器械頻率訊號與該調頻頻率訊號的訊號差計算該器械距離。
4. 如申請專利範圍第2項所述之區域型定位模組，其中該些定位標更包括一識別碼，該手術器械更包括一器械識別碼，該定位訊號收發單元用以接收該識別碼及該器械識別碼後，該處理單元將該識別碼定義到相對應的該脊椎空間座標，該處理單元將該器械識別碼定義到相對應的該器械空間座標。
5. 如申請專利範圍第2項所述之區域型定位模組，其中該處理單元根據該定位標距離以三角定位法計算出該脊椎空間座標，該處理單元根據該器械以三角定位法計算出該器械空間座標。
6. 如申請專利範圍第2項所述之區域型定位模組，其中該定位訊號收發單元為至少二定位訊號收發單元，其分別設置於該脊椎周緣，該處理單元根據該二定位訊號收發單元所接收到的該二定位標頻率訊號計算所對應的該二定位標距離，再以三角定位法計算出該脊椎空間座標。
7. 如申請專利範圍第2項所述之區域型定位模組，其中該定位訊號收發單元為至少二定位訊號收發單元，其分別設置於該手術器械周緣，該處理單元根據該二定位訊號收發單元所接收到的該二器械頻率訊號計算所對應的該二器械距離，再以三角定位法計算出該脊椎空間座標。
8. 如申請專利範圍第1項所述之區域型定位模組，其中該定位訊號收發單元的掃頻範圍為24-24.4GHz。