CN101095151A - 使用非线性无源发射机应答器的无线电磁跟踪系统 - Google Patents
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Abstract
提供了一种使用非线性无源发射机应答器(10，100)的无线电磁跟踪系统。发射机应答器(10，100)采用了与二极管(40，140)并联连接的线圈(50，150)。当激励信号入射到发射机应答器(10，100)的线圈(50，150)上时，发射机应答器(10，100)发出响应信号。发射机应答器电路中包括二极管(40，140)，这便将非线性特性引入到发射机应答器(10，100)发出的响应信号波形之中。可通过改变发射机应答器电路的电容等级来改变该非线性特性。当接收机接收到响应信号和激励信号时，可使用所述响应信号的非线性特性来辨别这两种信号。也可在对将从发射机应答器(10，100)传送至接收机的数据进行编码的系统中利用该非线性特性。
Description
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不适用
背景技术
本发明一般涉及电磁跟踪系统。更具体的说，本发明涉及包含发出信号的发射机应答器的电磁跟踪系统，其中一部分发出的信号包含不能在激励信号中找到的另外的频率。
许多医疗方法包括使用医疗器械，如钻、导管、手术刀、观测仪器、分流器或其他工具。在一些情况下，可使用医学成像或视频系统来为器械提供定位信息。然而，在进行治疗时，医务人员通常不使用这样的医学成像系统。例如，由于健康和安全的原因(如出于对辐射剂量的考虑)、经济上的限制、物理空间的限制和其他关心的问题，使得用于器械跟踪的医学成像系统的使用受到限制。
为补偿对医学成像系统的使用的限制，可采用仅需有限使用医学成像系统的跟踪系统。例如，可使用提供医疗器械关于患者或参考坐标系的位置信息的跟踪系统。在这样的系统中，可对不动的患者进行X射线检查，之后，可把坐标系统叠加到该X射线图像上。然后，便可用得到的X射线图像和坐标系统来提供患者的人体解剖图。 随后，当医疗器械不在医务人员的视线之内时，医务人员可使用跟踪系统来确定医疗器械关于叠加到X射线图像上的坐标系统的位置。
该跟踪系统允许医务人员将患者的人体解剖可视化和跟踪器械的位置和方位。可用该跟踪系统来确定何时器械定位到理想的位置，并且允许医务人员在避开其他结构的同时定位希望的或受伤的区域以及在该区域上进行相关操作。也可用跟踪系统来证实在治疗结束后器械已从患者体内移除。由于在患者体内定位医疗器械的精度得到了提高，因而，通过改善对更小型器械的控制和减少对患者的影响，提供了侵害性更小的医疗方法。对更小型器械的控制的改善和精度的提高也减少了与开刀手术之类的更具侵害性的治疗相关的风险。
也可用跟踪系统来在多种应用中跟踪不同于医疗器械的物品的位置。例如，可以在法医或安全应用中使用跟踪技术。零售店可使用跟踪技术防止对其商品的盗窃。在这样的情况下，在商品上配置了无源发射机应答器，并在零售设施内规划配置了发射机。该发射机以设计成引起发射机应答器响应的频率发出激励信号。当载有发射机应答器的商品处于发射机的发射范围内时，该发射机应答器发出由接收机所接收的响应信号。之后该接收机基于响应信号的特性确定发射机应答器的位置。
在虚拟现实系统或模拟器中，跟踪系统也得到了类似的使用。将一个或多个发射机应答器放置在人或物体上。发射机发出激励信号，且发射机应答器产生响应信号。通过接收机拾取响应信号。之后，可将发射机应答器发出的信号用于监视模拟环境中人或物体的位置。
某些现有的电磁跟踪系统具有用线连接到共同装置或盒上的发射机和接收机。在具有用线连接到共同装置的发射机和接收机的系统中，被跟踪物体与执行跟踪的部件用线连接到相同的装置。从而，被跟踪物体的运动范围受到了限制。
无线电磁跟踪系统允许被跟踪物体自由移动，不受与发射机或接收机的连接的限制。为减少与将电池或其他电源附加到发射机应答器相关的体积，无源发射机应答器可采用作为其与其他装置进行耦合和从其他装置接收电能的装置的线圈。
通常，将发射机应答器放置在装置上或其之内，以跟踪其运动。为确定发射机应答器的位置，发射机产生入射到发射机应答器上的激励信号。该激励信号入射到发射机应答器后，引起发射机应答器发出响应信号。在具有无源发射机应答器的系统中，通常以与激励信号相同的频率发出响应信号。
发射机应答器发出的响应信号和发射机发出的激励信号入射到接收线圈上。通常，在使用无源发射机应答器的跟踪系统中，当接收机接收到激励信号和响应信号这两个信号时，激励信号的强度比响应信号的强度大得多。因为响应信号是以与激励信号相同的频率发射的，且响应信号远小于激励信号，因而难以精确分离和测量响应信号。
因此，非常希望有对响应信号的分离和测量进行了改善的跟踪系统。此外，也非常希望有可将数据从发射机应答器传送至接收机的改进的跟踪系统。
发明内容
本发明的一个优选实施例提供了使用非线性无源发射机应答器的一种无线电磁跟踪系统。该发射机应答器采用与非线性装置并联的线圈。当激励信号入射到发射机应答器的线圈上时，该发射机应答器发出响应信号。将非线性装置包括在发射机应答器电路中，为发射机应答器发出的响应信号波形引入了非线性特性。可以通过改变发射机应答器电路的电容等级来改变所述非线性波形的特性。当接收机接收到响应信号和激励信号时，可以使用响应信号的非线性特性来辨别这两种信号。也可以在为将从发射机应答器传送至接收机的数据进行编码的系统中利用该非线性特性。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的一种非线性无源发射机应答器。
图2是根据本发明的实施例的、图1中示出的非线性无源发射机应答器的电路图。
图3示出了根据本发明的实施例的非线性无源发射机应答器。
图4是根据本发明的实施例的图3中示出的非线性无源发射机应答器的电路图。
图5是根据本发明的实施例的非线性无源发射机应答器的电路图。
图6是根据本发明的实施例的非线性无源发射机应答器的电路图。
对本发明的详细说明
图1示出了根据本发明的实施例的一种非线性无源发射机应答器10。该发射机应答器10包括磁芯20、端子30、二极管40和线圈50。将线圈50缠绕在磁芯20上。磁芯20在其两端具有凸缘，以容纳线圈50的线匝的堆积。线圈50的导线的两端连接到两个端子30，且这两个端子附加到磁芯20的其中一个凸缘上。二极管40则连接到磁芯两个端子30的两端。在一个实施例中，二极管40与线圈50并联连接，如图2中的电路图所示。
在运行过程中，可以将发射机应答器10应用于跟踪系统(未示出)。在跟踪系统中，发射机发出激励信号。该激励信号可以是各种类型的信号之一，例如调幅的、调频的、调相的或等幅波信号。发射机发出的该激励信号在发射机应答器10的线圈50中感应出信号。响应于发射机发出的激励信号，发射机应答器10发出响应信号。
如果没有连接到发射机应答器10的二极管40，则发射机应答器10发出的响应信号将以与发射机发出的激励信号相同的频率被发出。而二极管40被连接到发射机应答器10上时，如图1和2所示，二极管40在图1和2中示出的发射机应答器中引入了非线性特性。由于二极管40的非线性特性，由发射机应答器10发出的一部分响应信号包含未在发射机发出的激励信号中发现的一种或多种另外的频率成分。
在该部分响应信号中包含的另外频率成分允许从发射机和发射机应答器10接收信号的接收机更容易区分发射机发出的激励信号和发射机应答器10发出的响应信号。一旦接收机识别了响应信号，可以用该响应信号的特性来计算发射机应答器的位置、方位和增益。
也可用该部分由发射机应答器10发出的响应信号中包含的另外的频率成分来将数据传送至接收机。通过将控制器连接到发射机应答器10，可以控制发射机应答器10发出的响应信号的特性。例如，通过断开和合上如图5中所示的开关70，该控制器可以将二极管40与发射机应答器10进行电连接和断开。通过操作开关70将二极管40与发射机应答器10进行电连接和断开，从而改变了发射机应答器10发出的响应信号波形。
可以为将部件接入和切换出发射机应答器电路10时得到的响应信号的各种状态进行赋值。赋给各种状态的值也取决于响应信号保持在给定状态的持续时间。可以将赋给各种状态的值用于一种系统中，该系统用来对从发射机应答器10传送到接收机的数据进行编码。例如，当将二极管接入到发射机应答器电路10中时，响应信号的状态可以代表“1”或“接通”，而当将二极管切换出发射机应答器电路时，响应信号的状态可以代表“0”或“断开”。因而，可以通过将二极管接入和切换出发射机应答器电路10和改变响应信号来传输数据。
可以将接收机连接到检测和识别发射机应答器10发出的响应信号的波动的系统上。使用赋给响应信号的各种状态的值，处于接收机末端的系统可以将响应信号中的变化转换成如前所述的如1和0的数据。
在另一个实施例中，可以通过用另一种类型的非线性装置(如晶体管或同步整流器)代替二极管40或二极管40和开关70来将非线性引入到响应信号之中。之后，与图1、2和5中示出的实施例类似，可以用该装置来跟踪特定物品和传输代码。
图3示出了根据本发明的实施例的非线性无源发射机应答器100。该发射机应答器100包括：磁芯120，端子130，二极管140，线圈150和电容器160。线圈150缠绕在磁芯120上。磁芯120在其两端具有凸缘，以容纳线圈150的线匝的堆积。线圈150的导线的两端连接到两个端子130，而这两个端子附加到磁芯120的其中一个凸缘上。二极管140连接到磁芯两个端子130的两端。同样，将电容器160连接到磁芯两个端子130的两端。在一个实施例中，将二极管140、电容器160和线圈150并联连接，如图4中的电路图所示。
在运行过程中，发射机应答器100与图1的发射机应答器10工作方式相同。即可以将发射机应答器100用于跟踪系统(未示出)。发射机发出的激励信号在发射机应答器100的线圈150中感应出信号。响应于发射机发出的激励信号，发射机应答器100发出响应信号。
如果没有连接到发射机应答器100的二极管140，则发射机应答器100发出的响应信号将以与发射机发出的激励信号相同的频率被发出。而如图3和4所示，二极管140连接到发射机应答器100上时，二极管140在图3和4中示出的发射机应答器100中引入了非线性特性。由于二极管140的非线性特性，由发射机应答器100发出的一部分响应信号包含未在发射机发出的激励信号中发现的一种或多种另外的频率。
在一部分响应信号中包含的另外的频率允许从发射机和发射机应答器100接收信号的接收机更容易区分发射机发出的激励信号和发射机应答器100发出的响应信号。一旦接收机识别了响应信号，便可用该响应信号的特性来计算发射机应答器的位置、方位和增益。
也可用一部分由发射机应答器100发出的响应信号中包含的另外的频率来将数据传送至接收机。通过将控制器连接到发射机应答器100，可以控制发射机应答器100发出的响应信号的特性。例如，通过断开和合上如图6中所示的开关170、180，该控制器可以将二极管140或电容器160与发射机应答器100进行电连接和断开。通过操作开关170、180将二极管140或电容器160与发射机应答器100进行电连接和断开，可以改变发射机应答器100发出的响应信号波形。
改变电容器160的电容等级，便更改了由发射机应答器100发出的一部分响应信号中出现的另外的频率成分的特性。例如，随着电容器160的电容的变化，对于给定的发射机应答器配置，处于各种谐波等级的电压和电流值也会发生变化。可以用这些在谐波等级和其他波形特性方面的变化来区分具有附加到其上的不同电容等级的电容器160的各种发射机应答器100。能够将一个发射机应答器与另一个发射机应答器进行区分，则允许跟踪系统跟踪和识别附加了该发射机应答器的不同装置。
可以为部件接入和切换出发射机应答器电路100时得到的响应信号的各种状态幅值。赋给各个状态的值也取决于响应信号保持在给定状态的持续时间。可以将赋给各个状态的值用于一种系统中，该系统用来对从发射机应答器100传送到接收机的数据进行编码。例如，当将二极管140接入到发射机应答器电路100中时，响应信号的状态可以代表“1”或“接通”，而当将二极管140切换出发射机应答器电路时，响应信号的状态可以代表“0”或“断开”。另外，当将电容器160单独地或与二极管140的切换一起接入或切换出发射机应答器电路时，响应信号的状态可以代表赋给的值，如“0”、“1”、“2”、“3”等等。因而，可以通过将二极管140和/或电容器160切换出发射机应答器电路100和改变响应信号来传输数据。
可以将接收机连接到检测和识别发射机应答器100发出的响应信号的波动的系统上。从而，可以使用将二极管140或电容器160电接入或切换出发射机应答器电路100的方法来将经过编码的数据从发射机应答器100传送到接收机。使用赋给响应信号的各种状态的值，处于接收机末端的系统可以将响应信号中的变化转换成如前所述的如1和0的数据。
在另一个实施例中，可以通过用另一种类型的非线性装置(如晶体管或同步整流器)代替二极管140或二极管140和开关180，来将非线性引入到响应信号之中。之后，与图3，4和6中示出的实施例类似，可以用该装置来跟踪特定的物品和传输代码。
尽管通过参考特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员将明白，可以在不背离本发明范围的情况下进行各种修改和用等同物进行替换。例如，可以用其它类型的开关或非线性装置，如用将非线性引入响应信号的晶体管或同步整流器来代替二极管40、140。另外，在不背离本发明的范围的情况下，可以对这些实施例进行许多修改，使得本发明教导能适用于特殊场合或材料。因此，不希望将本发明限于公开的具体实施例，而本发明包括所有落入所附的权利要求范围之中的实施例。
Claims (34)
1.一种无线电磁跟踪系统中的发射机应答器(10，100)，所述发射机应答器(10，100)包括：
用于传输无线电磁跟踪系统中的信号的线圈(50，150)；以及
与所述线圈(50，150)并联连接的整流装置(40，140)。
2.如权利要求1中所述的发射机应答器(10，100)，其所述整流装置(40，140)是二极管。
3.如权利要求1中所述的发射机应答器(10，100)，还包括与所述线圈(50，150)并联连接的电容器(160)。
4.如权利要求1中所述的发射机应答器(10，100)，还包括与所述整流装置(40，140)串联连接的开关(70，170)。
5.如权利要求3中所述的发射机应答器(10，100)，还包括与所述整流装置(40，140)或所述电容器(160)串联连接的开关(70，170，180)。
6.如权利要求4中所述的发射机应答器(10，100)，还包括用于控制所述开关(70，170)的操作的控制器。
7.如权利要求5中所述的发射机应答器(10，100)，还包括用于控制所述开关(70，170，180)的操作的控制器。
8.一种用于跟踪无线电磁跟踪系统中的发射机应答器(10，100)的方法，包含：
在无线电磁跟踪系统的发射机应答器(10，100)中的线圈(50，150)处接收第一信号；以及
用与所述线圈(50，150)并联连接的二极管(40，140)对所述第一信号进行整流。
9.如权利要求8中所述的方法，还包括传输来自所述线圈(50，150)的第二信号的步骤。
10.如权利要求8中所述的方法，还包括用与所述线圈(50，150)并联的电容器(160)改变所述发射机应答器(10，100)的电容。
11.如权利要求10中所述的方法，还包括操作与所述二极管(40，140)或所述电容器(160)串联连接的开关(70，170，180)的步骤。
12.如权利要求11中所述的方法，还包括使用控制器控制所述开关(70，170，180)的操作。
13.一种无线电磁跟踪系统中的发射机应答器(10，100)，所述的发射机应答器(10，100)由以下部分组成：
用于传输无线电磁跟踪系统中的信号的磁芯(20，120)；
缠绕在所述磁芯(20，120)上的线圈(50，150)；以及
连接到所述线圈(50，150)的二极管(40，140)。
14.如权利要求13中所述的发射机应答器(10，100)，还由连接到所述线圈(50，150)的电容器(160)组成。
15.一种用于跟踪无线电磁跟踪系统中的发射机应答器(10，100)的方法，包含：
在无线电磁跟踪系统中的发射机应答器(10，100)处接收第一信号，其中在第一频率处接收所述第一信号；
传输来自所述发射机应答器(10，100)的第二信号，其中所述第二信号包含第二频率。
16.如权利要求15中所述的方法，还包含用二极管(40，140)对所述第一信号进行整流的步骤。
17.如权利要求15中所述的方法，还包含仅使用一个二极管(40，140)对所述第一信号进行整流的步骤。
18.如权利要求15中所述的方法，还包含基于所述第二频率识别所述发射机应答器(10，100)的步骤。
19.如权利要求15中所述的方法，还包含改变所述发射机应答器(10，100)的电容的步骤，其中电容的所述改变使所述第二频率发生了改变。
20.如权利要求19中所述的方法，还包含基于所述第二频率识别所述发射机应答器(10，100)的步骤。
21.一种用于传输无线电磁跟踪系统中的数据的方法，包含：
传输来自无线电磁跟踪系统中的发射机应答器(10，100)的信号，其中所述信号至少含有第一频率和第二频率；
至少改变所述第二频率，以至少在所述第二频率中产生变化；以及
基于至少在所述第二频率中的所述变化，对所述信号中的数据进行编码。
22.一种用于跟踪无线电磁跟踪系统中的发射机应答器(10，100)的方法，包含：
在无线电磁跟踪系统中的发射机应答器(10，100)处接收第一信号，其中所述第一信号是在第一频率处接收的；
传输来自发射机应答器(10，100)的第二信号，其中所述第二信号包括所述第一频率和第二频率。
23.如权利要求22中所述的方法，还包含用二极管(40，140)对所述第一信号进行整流的步骤。
24.如权利要求22中所述的方法，还包含仅用一个二极管(40，140)对所述第一信号进行整流的步骤。
25.如权利要求22中所述的方法，还包含基于所述第二频率识别所述发射机应答器(10，100)的步骤。
26.如权利要求22中所述的方法，还包含改变所述发射机应答器(10，100)的电容的步骤，其中电容的所述改变使所述第二频率发生了改变。
27.如权利要求26中所述的方法，还包含基于所述第二频率识别所述发射机应答器(10，100)的步骤。
28.一种无线电磁跟踪系统中的发射机应答器(10，100)，所述发射机应答器(10，100)包括：
用于传输无线电磁跟踪系统中的信号的线圈(50，150)；以及
与所述线圈(50，150)并联连接的开关装置(70，170，180)。
29.如权利要求28中所述的发射机应答器(10，100)，其中所述开关装置(70，170，180)是开关二极管。
30.如权利要求28中所述的发射机应答器(10，100)，其中所述开关装置(70，170，180)是同步整流器。
31.如权利要求28中所述的发射机应答器(10，100)，其中所述开关装置(70，170，180)是晶体管。
32.如权利要求28中所述的发射机应答器(10，100)，还包括与所述线圈(50，150)并联连接的电容器(160)。
33.如权利要求32中所述的发射机应答器(10，100)，还包括与所述电容器(160)串联连接的开关(180)。
34.如权利要求33中所述的发射机应答器(10，100)，还包括用于控制所述开关(180)的操作的控制器。
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