CN101163984A - 用于跟踪对象的rf系统 - Google Patents

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CN101163984A CNA2006800137192A CN200680013719A CN101163984A CN 101163984 A CN101163984 A CN 101163984A CN A2006800137192 A CNA2006800137192 A CN A2006800137192A CN 200680013719 A CN200680013719 A CN 200680013719A CN 101163984 A CN101163984 A CN 101163984A
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Abstract

一种用于跟踪空间中的对象的位置的系统(10)，其包括可连接到所述对象的转发器设备(12)。所述转发器设备(12)具有一个或多个转发器天线(20)，以及转发器电路(21)，所述转发器电路连接到所述转发器天线(20)，用于通过所述转发器天线(20)接收RF信号。所述转发器设备(12)将已知延迟加入所述RF信号，从而生成RF响应，以通过所述转发器天线(20)进行传送。发射机(42)连接到第一天线(43)，用于通过所述第一天线(43)传送所述RF信号。接收机(42)连接到第一、第二和第三天线(43、44、45)，用于通过所述第一、第二和第三天线接收所述转发器设备(12)的RF响应。位置计算器(46)与所述发射机(42)和所述接收机(42)相关联，用于计算所述对象的位置，作为所述已知延迟以及在所述RF信号的发出与从所述第一、第二和第三天线(43、44、45)接收RF响应之间的时间期间的函数。同样，提供了一种方法。

Description

用于跟踪对象的RF系统
技术领域
本发明涉及一种用于跟踪空间中的对象的位置和定向的RF系统。本文所描述的RF跟踪系统被用作在计算机辅助的手术室内跟踪工具的实例，但也可作其他用途，例如采矿、存储库存检索、毫微秒机器人学、神经外科、心脏病学、内部诊断、车辆跟踪以及其他任何工业应用。
背景技术
通常需要跟踪空间中的对象的位置和定向。例如，在计算机辅助的手术室中，需要跟踪工具的位置和定向，以便为外科医生提供关于骨骼单元与手术工具之间相对位置的数据。例如，涉及骨骼移植的整形手术会受益于跟踪系统的使用，所述跟踪系统将提供关于骨骼单元变更的精确信息。
现有跟踪系统并未提供足够的精确性，或者不能完全适用于与使用所述跟踪系统相关的各种操纵。例如，在计算机辅助的手术室中，光学系统被用于跟踪工具。在所述系统中，在所述工具与移动传感器之间需要一个瞄准仪，以便提供精确的位置和定向数据。于是，正进行手术的病人的位置会受到所述瞄准仪的影响，因为所述瞄准仪必须被保持在所述工具和移动传感器之间。
诸如磁发送器的其他类型系统已应用在计算机辅助的手术室内。然而，所述系统通常包括庞大的部件，或与发送机部件互连的线路。因此，考虑到手术环境中的工作空间必须严格消毒，使用所述系统会是一种昂贵的解决方案。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种用于跟踪对象的新颖RF系统。
本发明的另一目的在于解决现有技术的问题。
因此，根据本发明，提供了一种用于跟踪空间中的对象的位置的系统，其包括：可连接到所述对象的转发器设备，所述转发器设备具有转发器天线以及转发器电路，所述转发器电路连接到所述转发器天线，用于通过所述转发器天线接收RF信号，所述转发器设备将已知延迟加入所述RF信号，从而生成RF响应，以通过所述转发器天线进行传送；第一、第二和第三天线；发射机，其连接到所述第一天线，用于通过所述第一天线传送所述RF信号；接收机，其连接到所述第一、第二和第三天线，用于通过所述第一、第二和第三天线接收所述转发器设备的RF响应；以及与所述发射机和所述接收机相关联的位置计算器，所述位置计算器用于计算所述对象的位置，作为所述已知延迟以及在所述RF信号的发出与从所述第一、第二和第三天线接收RF响应之间的时间期间的函数。
此外，根据本发明，提供了一种用于跟踪空间中的对象的位置的方法，包括以下步骤：从固定位置发出RF信号；借助所述对象上的转发器设备接收所述RF信号；从所述转发器设备发出RF返回信号，所述RF返回信号包括具有已知时间延迟的RF信号；借助与所述固定位置相关联的至少三个天线接收所述RF信号；以及，根据所述至少三个天线中的每一个与所述转发器设备之间的距离，计算所述对象的位置，作为所述已知延迟以及在所述RF信号的发出与从所述第一、第二和第三天线接收RF响应之间的时间期间的函数。
附图说明
为一般描述本发明性质，将参照附图，图示说明本发明优选实施例，在附图中：
图1是说明根据本发明优选实施例的跟踪系统的框图。
具体实施方式
参照图1，在10处一般示出了根据本发明优选实施例的跟踪系统。所述跟踪系统10具有转发器设备12(可替换的，具有其独立电源)和跟踪站14(固定)。所述跟踪站14可选择性连接到计算机辅助的手术系统16，或其他需要位置和定向数据的系统，所述位置和定向数据将由所述跟踪站14生成。
如果需要的话，所述转发器设备12可连接到将跟踪其位置和定向的空间中的工具或其他对象。所述转发器设备12与所述将被跟踪的对象之间的相互关系是已知的(例如通过校准)，从而使得对于所述转发器设备12的跟踪能够使所述跟踪站14得到关于所述对象的位置和定向信息(例如工具尖端)。在计算机辅助的手术室内，所述转发器设备12与所述跟踪站14的天线通常相隔0.5m至10.0m不等的距离，但依据应用类型而或多或少有所不同。
所述转发器设备12具有连接到转发器电路21的天线20。所述天线20被设置为接收输入RF信号，并如所述转发器电路21所指示的，发送作为所述输入RF信号的函数的响应信号。
所述转发器电路21接收所述输入RF信号，并通过所述天线20控制响应的发出。具体而言，在接收信号与从所述转发器设备12传输响应信号之间，发生时间延迟，所述时间延迟是已知的。所述时间延迟例如由一个或两个SAW过滤器、延迟线或延迟电路的其他延迟方法所引起。所述转发器电路21可能还会放大所述输入RF信号。
所述跟踪站14具有控制器40。所述控制器40为控制所述跟踪站14的操作的处理单元(例如微处理器、计算机等)。所述控制器40连接到用户接口41，借助所述用户接口41，操作员可指令所述跟踪系统10。所述控制器40将位置和定向相关数据传送到所述用户接口41，作为所述跟踪系统10的输出。
所述控制器40还连接到发射机/接收机42。所述发射机/接收机42被设置为通过天线43、44和45发出已调制的RF信号，并使用所述天线43至45，从所述转发器设备12接收返回RF信号。
因此，如图1所示，所述天线43至45均各自连接到所述发射机/接收机42。优选的，使所述发射机/接收机42与天线43至45之间的距离最小，以使任何失相被最小化。然而，数值表可用于补偿归因于所述发射机/接收机42与天线43至45之间无法忽略的距离的任何传输延迟。所述发射机/接收机42的操作由所述控制器40指令。
位置/定向计算器46连接到所述控制器40。所述位置/定向计算器46通常是与所述控制器40相关的软件或驱动，借助于其来计算与所述转发器设备12相关的位置和定向(如果需要的话)。以下将描述所述位置/定向计算器46的操作。
障碍检测器47同样连接到所述控制器40。所述控制器40指令所述障碍检测器47，后者将检测所述转发器设备12与所述跟踪站14之间的任何阻碍。具体而言，造成阻碍的对象可能会导致所述跟踪站14的天线43至45与所述转发器设备12的天线20之间的干扰。因此，所述障碍检测器47被设置为考虑到任何阻碍，且任何阻碍都将会在所述位置/定向计算器46的补偿软件的位置计算中得以考虑。例如，监控噪声和所述天线43至45所接收的RF信号的电平，以确定干扰电平，此信息随后由所述补偿软件使用。所述障碍检测器47可能发出信号指示(声音信号、视频信号)存在不可忽视的干扰电平，以便建议操作员将干扰对象移出操作领域。
所述计算机辅助的手术室系统16可选地连接到所述控制器40(例如无线连接)，以便接收位置和定向数据，所述计算机辅助手术室系统16将使用所述位置和定向数据，以便以各种形式将所述信息提供给所述计算机辅助手术室系统16的操作员。
既然以上已描述所述跟踪系统10的各个组件，以下将描述所述跟踪系统10的一般操作。
为了得到关于对象的位置和定向信息(如果需要的话)，所述控制器40将启动对于所述转发器设备12的传输。所述控制器40将向所述位置/定向计算器46发送信号。
例如，启动脉冲被发送到所述位置/定向计算器46。所述位置/定向计算器46具有周期计数器(即内部时钟)，而传输时刻(Tx)和接收时刻(Rx)的计数器值将被用于所述位置计算。如下文所述的，所述位置/定向计算器46内的相位比较器还将考虑相位测量。
同时，发射机启动脉冲被从所述控制器40发送到所述发射机/接收机42。因此，所述发射机/接收机42将向所述天线43至45中的一个发送启动信号。例如，所述天线43将依据所述控制器40的启动，发出已调制的RF信号(例如RF脉冲)。
来自所述天线43的已调制RF脉冲将由所述转发器设备12的天线20接收。所述天线20所接收的已调制RF脉冲将被转发到所述转发器电路21，所述转发器电路21将会以由所述天线20发出的、延迟后的返回脉冲形式返回所述信号。如上所述，所述天线20接收信号与所述天线20发出返回信号之间的延迟已知。所述已调制RF脉冲为短长度波列，其与所述转发器电路21的尺寸成函数关系。
所述已调制的RF脉冲可被放大为所述延迟的返回信号。具体而言，为了生成反射效应，考虑为所述返回信号提供增益。所述转发器设备12的任何增益都是所述发射机/接收机42的接收敏感度的函数。还可考虑将增益设置为输入的已调制RF脉冲内的任何幅度损失的函数。
从所述转发器设备12发出的返回RF信号将由所有三个天线43、44和45接收。因此，通过三角测量，可计算所述转发器设备12的位置。
所述三个天线43至45中的每一个将向所述发射机/接收机42发送所述延迟的返回信号的通知，所述发射机/接收机42将接收机终止信号转发到所述控制器40。
已接收到所述信号的控制器40将借助终止脉冲启动所述位置/定向计算器46，以便借助周期计数器得到信号接收的时间值。所述信号将由所述位置/定向计算器46识别，从而可使用所述天线43至45与所述转发器设备12之间距离的三角测量，计算所述转发器设备12的位置。当计算所述天线43至45与所述转发器设备12之间的距离时，考虑所述转发器设备12中的时间延迟。
应当指出的是，如果需要定向信息，所述对象应当以非线性布置或正交布置的形式配备三个转发器设备12。作为选择，也可使用具有借助适当RF交换机为所述转发器电路21配备三个天线20的转发器设备12。所述三个转发器天线可被正交定位。一个所述转发器设备12，或具有单个天线的转发器单元12将仅提供位置信息。
如果所述位置/定向计算器46使用周期计数器，则所述发射机/接收机42发出所述已调制RF脉冲与接收所述返回RF信号之间的时间量被计算为所述周期计数器所测量的周期数的函数。然后，所述相位比较器被用于将不完全的剩余周期转换为时间值，结合所述周期数，使用所述时间值来计算所述发射机/接收机42发出和接收信号之间的总时间。
如上所述，所述天线与所述转发器设备12之间的距离被计算为所述时间值、所述转发器设备12的时间延迟与光速的函数。
尽管所述跟踪站14已被描述为具有三个天线，即天线43至45，但也可考虑为所述转发器设备12和/或所述跟踪站14提供附加天线，以确保所述位置和定向测量的精确。此外，可以所需精确水平的函数的形式，选择所使用的天线类型。在一个实施例中，所述跟踪站14通常具有印制的矩形电路板，在其各角具有天线(为每个天线配备电路)，所述跟踪站14还具有所述发射机/接收机42的所需电路，以及所述跟踪站的其他组件。然而，也可考虑其他配置，例如为每个天线配置独立的印制电路。任何三个所述天线都被设置为形成一个平面。信号频率通常为915MHz。各个启动信号的频率适当。例如，考虑将YAGI天线用于所述跟踪站14。
所述障碍检测器47连接到所述控制器40，以便将障碍数据反馈至所述控制器40。具体而言，可考虑使用视频传感器(或音频、超声、激光传感器等)，所述传感器将检测到所述天线43、44和/或45与所述转发器设备12之间的对象的存在。任何障碍的存在都会导致所述位置/定向计算器46将在计算所述转发器设备12的位置和定向时考虑所述数据。如果所述跟踪站14带有多于三个的天线，则可能会在所述位置/定向计算器46计算所述位置和定向时，去除来自其中一个所述天线的信号，倘若认为在此给定天线与所述转发器设备12之间存在障碍的话。可考虑为所述位置/定向计算器46提供关于各种障碍影响的表列信息的数据库。所述信息可用于依据障碍类型的函数关系，校正所述位置和定向计算。
上述系统操作包括借助其中一个所述天线43至45发出已调制RF脉冲。然而，应当指出的是，为了提供关于所述转发器设备12的持续更新的位置和定向信息，所述跟踪站14通过从所述天线43到45，或按照其他任何适当顺序，顺序地改变所述传送，从而不断地周期化已调制RF脉冲。
对于所述跟踪系统10的其他预期使用包括采矿、存储库存检索、毫微秒机器人学、神经外科、心脏病学、内部诊断、车辆跟踪以及其他任何工业应用。可考虑将所述转发器设备12附至探测器。所述探测器可能是可注入探测器(例如可注入在诸如人类和动物的生物中)。

Claims (16)

1.一种用于跟踪空间中的对象的位置的系统，其包括：
可连接到所述对象的转发器设备，所述转发器设备具有转发器天线，以及转发器电路，所述转发器电路连接到所述转发器天线，用于通过所述转发器天线接收RF信号，所述转发器设备用于将已知延迟加入所述RF信号，从而生成RF响应，以通过所述转发器天线传送所述RF响应；
第一、第二和第三天线；
发射机，其连接到所述第一天线，用于通过所述第一天线传送所述RF信号；
接收机，其连接到所述第一、第二和第三天线，用于通过所述第一、第二和第三天线，接收所述转发器设备的RF响应；以及
与所述发射机和所述接收机相关联的位置计算器，所述位置计算器用于计算所述对象的位置，作为所述已知延迟以及在所述RF信号的发出与从所述第一、第二和第三天线接收RF响应之间的时间期间的函数。
2.根据权利要求1的系统，其中所述转发器天线包括三个正交定向的转发器天线，从而所述转发器设备的定向可计算为所述三个转发器天线的RF响应的函数。
3.根据权利要求1的系统，其中所述位置计算器具有测量所述时间期间的时钟，并且所述时钟由所述发射机启动。
4.根据权利要求2的系统，其中所述位置计算器的时钟包括周期计数器和相位比较器。
5.根据权利要求1的系统，其中所述位置计算器具有使所述第一、第二和/或第三天线之间的距离与时间值关联的数值数据，从而所述位置计算器用于计算作为所述已知延迟、所述时间期间与所述第一、第二和/或第三天线之间的距离的函数形式的位置。
6.根据权利要求1的系统，还包括连接到所述接收机的第四天线，用于在包含从所述第四天线接收RF响应的时间期间内，通过其接收所述RF响应。
7.根据权利要求1的系统，还包括与所述位置计算器相关的障碍检测器，所述障碍检测器用于生成障碍数据，从而所述位置计算器用于计算作为所述已知延迟、所述时间期间和所述障碍数据的函数形式的所述对象的位置。
8.根据权利要求7的系统，其中所述转发器设备用于放大所述RF响应，从而使所述障碍检测器识别反射性障碍。
9.根据权利要求7的系统，还包括第四天线，所述第四天线连接到所述接收机，用于通过其接收所述RF响应，所述障碍检测器考虑到通过所有所述四个天线接收的RF响应，以识别障碍，从而在检测到其中一个天线的障碍时，所述障碍数据过滤通过所述其中一个天线接收到的RF响应。
10.根据权利要求7的系统，其中所述障碍检测器具有用于可视检测障碍的传感器设备。
11.根据权利要求1的系统，其中所述转发器设备具有便携式电源。
12.根据权利要求1的系统，其中所述转发器设备在三个转发器天线之间切换，转发器电路连接到所述转发器天线，用于通过所述转发器天线接收RF信号，所述转发器设备用于将已知延迟加入所述RF信号，从而生成RF脉冲，以通过所述转发器天线进行传送，其中所述三个转发器天线被正交定向。
13.一种用于跟踪空间中的对象的位置的方法，包括步骤：
从固定位置发出RF信号；
借助所述对象上的转发器设备，接收所述RF信号；
从所述转发器设备发出RF返回信号，所述RF返回信号包括具有已知时间延迟的RF信号；
借助与所述固定位置相关联的至少三个天线接收所述RF信号；以及
根据所述至少三个天线中的每一个与所述转发器设备之间的距离，计算所述对象的位置，作为所述已知延迟以及在所述RF信号的发出与从所述第一、第二和第三天线接收RF响应之间的时间期间的函数。
14.根据权利要求13的方法，其中在三个正交轴上执行接收所述RF信号的步骤，从而计算步骤还包括计算所述对象的定向。
15.根据权利要求13的方法，还包括步骤：
在计算所述对象的位置的步骤之前检测障碍物，从而计算作为所述已知延迟、所述时间期间和障碍数据的函数形式的位置。
16.根据权利要求13的方法，其中借助第四天线执行接收所述RF信号的步骤，从而计算作为所述已知迟延以及在所述RF信号的发出与从所述第一、第二、第三和第四天线接收RF响应之间的时间期间的函数形式的位置。
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