專(zhuān)利名稱(chēng)：具有數(shù)字信令的無(wú)線位置換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明整體上涉及位置感測(cè)系統(tǒng)，并尤其涉及無(wú)線位置換能器的操作。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域中已知多種用于跟蹤關(guān)于醫(yī)學(xué)過(guò)程中對(duì)象坐標(biāo)的方法和系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中一些基于磁場(chǎng)的發(fā)射和接收。在一些情況中，所述磁場(chǎng)通過(guò)體外的輻射器發(fā)射并由固定到體內(nèi)對(duì)象上的傳感器接收；然而在其他情況中，位于體內(nèi)的對(duì)象上的輻射器將磁場(chǎng)發(fā)射到體外的接收器。用于基于所感測(cè)的磁場(chǎng)計(jì)算對(duì)象的坐標(biāo)的技術(shù)無(wú)論在何種情況中均是相似的。
例如，授予Ben-Haim的美國(guó)專(zhuān)利5,391,199和5,443,489描述了一些系統(tǒng)，其中使用一個(gè)或多個(gè)諸如霍爾效應(yīng)(Hall effect)裝置、線圈或其他天線的場(chǎng)換能器確定體內(nèi)探測(cè)器的坐標(biāo)，在此引入上述專(zhuān)利公開(kāi)的內(nèi)容作為參考。這些系統(tǒng)用于產(chǎn)生關(guān)于醫(yī)學(xué)探測(cè)器或?qū)Ч艿奈恢眯畔?。諸如線圈的傳感器被放置在探測(cè)器中，并產(chǎn)生響應(yīng)外部施加的磁場(chǎng)的信號(hào)。磁場(chǎng)由諸如輻射器線圈的磁場(chǎng)換能器產(chǎn)生，所述磁場(chǎng)換能器固定到外部參考系中已知的相互間隔開(kāi)的位置上?？蛇x地，探測(cè)器內(nèi)的發(fā)射天線可以產(chǎn)生隨后由體外的接收器感測(cè)的磁場(chǎng)。
全部授予Ben-Haim等人的PCT專(zhuān)利公布WO96/05768、美國(guó)專(zhuān)利6,690,963和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公布2002/0065455，描述了一種產(chǎn)生關(guān)于導(dǎo)管尖端的六維位置和方向信息的系統(tǒng)，在此引入上述專(zhuān)利公開(kāi)的內(nèi)容作為參考。該系統(tǒng)使用鄰近導(dǎo)管中可定位位置，例如導(dǎo)管末端附近的多個(gè)傳感器線圈，和固定在外部坐標(biāo)系中的多個(gè)輻射器線圈。傳感器線圈產(chǎn)生響應(yīng)于輻射器線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的信號(hào)，所述信號(hào)可用于六個(gè)位置和方向坐標(biāo)的計(jì)算。
授予Doron等人的美國(guó)專(zhuān)利6,239,724描述了一種用于提供體內(nèi)對(duì)象坐標(biāo)的無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)，在此引入上述專(zhuān)利公開(kāi)的內(nèi)容作為參考。該系統(tǒng)包括可植入的遙測(cè)單元，該遙測(cè)單元具有(a)第一換能器，用于將從體外接收的能量信號(hào)轉(zhuǎn)換成用于為遙測(cè)單元供能的電能；(b)第二換能器，用于接收從體外接收的定位場(chǎng)信號(hào)；和(c)第三換能器，用于響應(yīng)定位場(chǎng)信號(hào)將定位信號(hào)發(fā)射到體外的位置。
授予Govari的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)2003/0120150描述了一種系統(tǒng)，其中將無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器固定到對(duì)象，在此引入上述專(zhuān)利公開(kāi)的內(nèi)容作為參考。所述轉(zhuǎn)發(fā)器包括至少一個(gè)傳感器線圈和一個(gè)供電線圈，在所述傳感器線圈中，信號(hào)電流響應(yīng)由固定輻射器產(chǎn)生的電磁場(chǎng)流動(dòng)，所述供電線圈接收射頻(RF)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)并從驅(qū)動(dòng)場(chǎng)運(yùn)送電能以對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器供能。所述供電線圈還將響應(yīng)信號(hào)電流的輸出信號(hào)發(fā)射到信號(hào)接收器，信號(hào)接收器處理信號(hào)以確定對(duì)象的坐標(biāo)。
授予Besz等人的美國(guó)專(zhuān)利5,099,845描述了一種醫(yī)療器械位置確定裝置，其具有形成器械部分以插入到對(duì)象中(例如人體)的輻射元件，在此引入上述專(zhuān)利公開(kāi)的內(nèi)容作為參考。所述輻射元件發(fā)射由至少一個(gè)接收元件探測(cè)的信號(hào)。接收到的信號(hào)能量水平用于測(cè)量輻射元件離開(kāi)接收元件的距離，這而后指示給器械操作者使得他可以在對(duì)象內(nèi)定位該器械。
授予Polvani的美國(guó)專(zhuān)利5,762,064描述了一種用于確定體內(nèi)磁探測(cè)器的位置的醫(yī)學(xué)磁定位系統(tǒng)和方法，在此引入上述專(zhuān)利公開(kāi)的內(nèi)容作為參考。將至少兩個(gè)間隔開(kāi)的磁力計(jì)固定到接近體內(nèi)探測(cè)器的所需位置的身體外部的區(qū)域。在磁力計(jì)探測(cè)探測(cè)器的三維磁場(chǎng)，并且依照探測(cè)得的三維場(chǎng)的位置確定探測(cè)器的位置。

發(fā)明內(nèi)容
在下文描述的本發(fā)明實(shí)施例中，將一個(gè)微型無(wú)線位置換能器固定到插入患者體內(nèi)的對(duì)象上。例如，換能器可以包含在植入物內(nèi)，或者連接到用于對(duì)患者進(jìn)行外科手術(shù)的工具上。位置換能器產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)由典型(雖然不是必要的)位于患者體外固定位置的接收器檢測(cè)。響應(yīng)于檢測(cè)到的磁場(chǎng)，接收器輸出位置信號(hào)，分析所述位置信號(hào)以確定換能器的坐標(biāo)，并因而確定了體內(nèi)對(duì)象的坐標(biāo)。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，位置換能器包括控制換能器操作的數(shù)字微控制器。微控制器被連接以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)例如線圈天線的發(fā)射天線從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。為了將換能器制造得盡可能小和簡(jiǎn)單，天線被直接連接到微控制器的輸出管腳，即在微控制器和線圈之間沒(méi)有介入額外的模擬放大器。對(duì)微控制器編程以所需的驅(qū)動(dòng)頻率在這些管腳之間輸出交替的數(shù)字輸出，例如方波。結(jié)果，天線以驅(qū)動(dòng)頻率產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且能調(diào)調(diào)諧接收器以檢測(cè)在該頻率的磁場(chǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，在不同方向上纏繞的三個(gè)線圈，由微控制器的不同管腳驅(qū)動(dòng)以發(fā)射三個(gè)不同的、可辨識(shí)的磁場(chǎng)。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，微控制器被配置成經(jīng)由無(wú)線下行鏈路接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，從而當(dāng)換能器處于體內(nèi)時(shí)，允許外部控制和重新編程。為了這個(gè)目的，從體外的天線向換能器發(fā)射射頻(RF)載波。對(duì)所述載波調(diào)幅以將數(shù)據(jù)傳送到傳感器。由天線，例如在諧振電路中的線圈接收載波，所述線圈通過(guò)整流器直接連接到微控制器的輸入管腳。在這個(gè)接收電路中不需要放大器或模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。更確切地，微處理器僅僅感測(cè)由整流器提供的包絡(luò)的電平。
在一個(gè)實(shí)施例中，無(wú)線下行鏈路用于通過(guò)調(diào)制由換能器所產(chǎn)生磁場(chǎng)的所需驅(qū)動(dòng)頻率處的高頻載波信號(hào)，將射頻同步信號(hào)發(fā)射到位置換能器。微控制器與調(diào)制的載波信號(hào)精確同步地驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線。將體外接收器調(diào)諧到同步信號(hào)的頻率(可能的話，和相位)，并且因而能可靠地檢測(cè)由位置換能器發(fā)射的弱場(chǎng)，即使在存在基本背景噪聲的情況下。因而，用最小附加電路且不需要換能器中昂貴的頻率控制元件，可數(shù)字控制換能器由此獲得精確頻率和相位控制。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，從體外的射頻(RF)輻射器以感應(yīng)地方式為數(shù)字微控制器提供能量。RF能量導(dǎo)致電流在換能器單元的一個(gè)或多個(gè)供電線圈中流動(dòng)。整流所述電流并且將所述經(jīng)整流的電流輸入到調(diào)節(jié)器，所述調(diào)節(jié)器向微控制器提供適當(dāng)?shù)腄C電壓。
在一個(gè)實(shí)施例中，微控制器包括一個(gè)可編程的、非易失性存儲(chǔ)器，例如閃存。為了當(dāng)換能器處于患者體內(nèi)時(shí)重新編程所述存儲(chǔ)器，輸入到微控制器電壓電平從正常操作電壓轉(zhuǎn)換到編程所需的較高電壓電平。采用被連接到微控制器的可切換輸入管腳的簡(jiǎn)單的、固定輸出調(diào)節(jié)器能夠?qū)崿F(xiàn)電壓電平轉(zhuǎn)換。微控制器在內(nèi)部轉(zhuǎn)換所述輸入管腳使得所述調(diào)節(jié)器的接地輸出管腳能可選擇地接地或者以選定的電壓懸地。懸浮調(diào)節(jié)器接地管腳增加了對(duì)微控制器的電壓輸入電平，因而允許用經(jīng)由無(wú)線下行鏈路發(fā)射到換能器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)重新編程存儲(chǔ)器。當(dāng)換能器包括作為其能量源的電池而不是感應(yīng)的RF能量時(shí)，可以采用相似的技術(shù)以遠(yuǎn)程編程。
因而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了跟蹤對(duì)象的設(shè)備，包括位置換能器，其適于固定到對(duì)象，并包括
數(shù)字微控制器，包括多個(gè)輸出管腳，并且在至少一個(gè)輸出管腳上以所選的頻率產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出；和至少一個(gè)發(fā)射天線，其直接連接到至少一個(gè)輸出管腳，從而所述至少一個(gè)天線響應(yīng)所述交替的數(shù)字輸出以所選頻率發(fā)射磁場(chǎng)；場(chǎng)傳感器，適于感測(cè)磁場(chǎng)并產(chǎn)生響應(yīng)磁場(chǎng)的信號(hào)；和處理器，被連接以接收和處理信號(hào)從而確定位置換能器的坐標(biāo)。
在公開(kāi)的實(shí)施例中，所述至少一個(gè)發(fā)射天線包括具有鄰近所選頻率的諧振頻率的線圈。典型地，數(shù)字微控制器的多個(gè)輸出管腳包括至少第一和第二輸出管腳，并且所述線圈直接連接在第一和第二輸出管腳之間。數(shù)字微處理器可以分別在第一和第二輸出管腳上，以所選頻率產(chǎn)生相反相位的第一和第二交替的數(shù)字輸出。
在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，交替的數(shù)字輸出包括方波。
在一些實(shí)施例中，多個(gè)輸出管腳包括至少第一和第二輸出管腳，并且所述至少一個(gè)發(fā)射天線包括至少第一和第二天線線圈，所述天線線圈分別直接連接到第一和第二輸出管腳，并且數(shù)字微控制器在第一和第二輸出管腳產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出從而交替驅(qū)動(dòng)第一和第二天線線圈。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)輸出管腳包括一個(gè)附加輸出管腳，并且第一和第二天線線圈分別直接連接在附加輸出管腳與第一和第二管腳之間。典型地，所述至少第一和第二天線線圈纏繞在互相垂直的軸上。
在一些實(shí)施例中，所述設(shè)備包括發(fā)射射頻(RF)信號(hào)的參考發(fā)射器，調(diào)制所述射頻信號(hào)從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到位置換能器，其中位置換能器包括適于接收信號(hào)的接收天線和連接到接收天線從而解調(diào)和傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)到數(shù)字微控制器的解調(diào)電路，并且其中數(shù)字微控制器適于響應(yīng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出。在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，響應(yīng)處于預(yù)定數(shù)據(jù)率的二進(jìn)制數(shù)據(jù)調(diào)幅所述RF信號(hào)，并且所述數(shù)字微控制器包括數(shù)字輸入管腳，并且，解調(diào)電路包括直接連接在接收天線和數(shù)字輸入管腳之間的整流器，從而整流RF信號(hào)并將經(jīng)整流的RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。典型地，二進(jìn)制數(shù)據(jù)包括同步信號(hào)。
在一些實(shí)施例中，所述設(shè)備包括能量發(fā)射器，其向位置換能器發(fā)射射頻(RF)能量，其中位置換能器包括至少一個(gè)適于接收已發(fā)射的RF能量的接收天線，和連接以整流RF能量向數(shù)字微處理器提供直流(DC)輸入的整流器。
在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，位置換能器是無(wú)線裝置，其被密封以插入對(duì)象體內(nèi)?？蛇x地，位置換能器包括至少一個(gè)用于感測(cè)體內(nèi)生理參數(shù)的附加傳感器，和至少一個(gè)連接到微控制器以由此經(jīng)由所述至少一個(gè)發(fā)射天線發(fā)射傳感器讀數(shù)的附加傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還提供了用于跟蹤對(duì)象的設(shè)備，包括參考發(fā)射器，其發(fā)射以參考頻率調(diào)制的射頻(RF)信號(hào)；位置換能器，其適于固定到對(duì)象，并且其包括至少一個(gè)天線，用于接收RF信號(hào)和發(fā)射磁場(chǎng)；和數(shù)字微控制器，其連接到至少一個(gè)天線從而接收來(lái)自RF信號(hào)的參考頻率，并驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)天線以所述參考頻率產(chǎn)生磁場(chǎng)；場(chǎng)傳感器，其被調(diào)諧以感測(cè)參考頻率的磁場(chǎng)，并適于產(chǎn)生響應(yīng)所述磁場(chǎng)的信號(hào)；和處理器，連接以接收和處理所述信號(hào)以確定位置換能器的坐標(biāo)。
在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，數(shù)字微控制器包括數(shù)字輸入管腳，并且所述位置換能器包括整流器，所述整流器直接連接在所述至少一個(gè)天線和數(shù)字輸入管腳之間，從而整流RF信號(hào)并將經(jīng)整流的RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。
附加地或可選地，數(shù)字微控制器可操作用于驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)天線以產(chǎn)生與調(diào)制的RF信號(hào)具有預(yù)定相位關(guān)系的磁場(chǎng)，并且場(chǎng)傳感器適于響應(yīng)所述相位關(guān)系感測(cè)磁場(chǎng)。
在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，數(shù)字微控制器包括輸入和輸出管腳，并且其中所述至少一個(gè)天線包括連接到至少一個(gè)輸入管腳的接收天線，和連接到至少一個(gè)輸出管腳的發(fā)射天線。典型地，數(shù)字微控制器可操作用于通過(guò)在至少一個(gè)輸出管腳上產(chǎn)生在參考頻率的方波來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，另外提供了無(wú)線裝置，包括數(shù)字微控制器，包括適于接收二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)字輸入管腳；接收天線，適于接收射頻(RF)信號(hào)，所述射頻信號(hào)被以預(yù)定的調(diào)制率幅度調(diào)制從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到無(wú)線裝置；和整流器，直接連接在接收天線和數(shù)字輸入管腳之間以整流RF信號(hào)并將經(jīng)整流的RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。
在一個(gè)公開(kāi)實(shí)施例中，整流器包括串聯(lián)在接收天線和數(shù)字輸入管腳之間的一個(gè)二極管。
典型地，RF信號(hào)具有載波頻率，并且其中接收天線包括具有接近載波頻率的諧振的線圈。
在一個(gè)實(shí)施例中，配置數(shù)字微控制器使得數(shù)字輸入管腳上經(jīng)整流的RF信號(hào)的出現(xiàn)觸發(fā)了數(shù)字微控制器的中斷。
在一些實(shí)施例中，所述裝置包括發(fā)射天線，其中數(shù)字微控制器包括數(shù)字輸出管腳，所述數(shù)字輸出管腳被連接以驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線發(fā)射響應(yīng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)的磁場(chǎng)。典型地，數(shù)字微處理器適于在數(shù)字輸出管腳上與二進(jìn)制數(shù)據(jù)的調(diào)制率同步地產(chǎn)生方波。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還提供了一種無(wú)線裝置，包括電源，適于產(chǎn)生直流(DC)電壓；調(diào)節(jié)器，包括連接到電源的電源輸入、電源輸出和地輸出，并且可操作用于響應(yīng)于DC電壓在電源輸出和地輸出之間產(chǎn)生第一電壓；二極管，包括連接到調(diào)節(jié)器的地輸出的第一終端并包括第二終端；數(shù)字微控制器，其包括非易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)操作在第一電壓時(shí)，其可以只讀模式訪問(wèn)，和當(dāng)操作在高于第一電壓的第二電壓時(shí)，其可編程；電源輸入，連接到調(diào)節(jié)器的電源輸出；地管腳，連接到二極管的第二終端；輸入管腳，通過(guò)微控制器在輸入管腳連接到地管腳的第一配置和輸入管腳懸浮的第二配置之間是可轉(zhuǎn)換的；和數(shù)據(jù)輸入，連接以接收通過(guò)空氣發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)，所述數(shù)據(jù)信號(hào)包括包括編程指令和數(shù)據(jù)，其中微控制器適于響應(yīng)編程指令將輸入管腳從第一配置轉(zhuǎn)換到第二配置，從而導(dǎo)致電源輸入和地管腳之間的電壓增加到第二電壓，并在輸入管腳處于第二配置的同時(shí)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入非易失性存儲(chǔ)器。
在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，數(shù)字微控制器適于響應(yīng)所述數(shù)據(jù)發(fā)射用于確定無(wú)線裝置的坐標(biāo)的信號(hào)。
在一個(gè)實(shí)施例中，非易失性存儲(chǔ)器包括閃存。
典型地，數(shù)據(jù)信號(hào)包括射頻(RF)信號(hào)，其被調(diào)制從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到所述裝置，并且所述裝置包括適于接收RF信號(hào)的接收天線和被連接到接收天線從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)解調(diào)和傳送到數(shù)字微控制器的數(shù)據(jù)輸入的解調(diào)電路。在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，所述RF信號(hào)包括響應(yīng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)幅度調(diào)制的RF載波，并且解調(diào)電路包括整流器，所述整流器直接連接在接收天線和數(shù)字輸入管腳之間從而整流RF信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，此外還提供了一種跟蹤對(duì)象的方法，包括將位置換能器固定到對(duì)象，所述位置換能器包括數(shù)字微控制器，其包括多個(gè)輸出管腳；將至少一個(gè)發(fā)射天線直接連接到至少一個(gè)輸出管腳；在所述數(shù)字微控制器的至少一個(gè)輸出管腳上以選定頻率產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出，從而導(dǎo)致至少一個(gè)天線以所選頻率發(fā)射磁場(chǎng)；感測(cè)磁場(chǎng)以確定位置換能器的坐標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還提供了一種跟蹤對(duì)象的方法，包括從參考發(fā)射器發(fā)射以參考頻率調(diào)制的射頻(RF)信號(hào)；將位置換能器固定到對(duì)象，所述位置換能器包括至少一個(gè)用于接收RF信號(hào)和發(fā)射磁場(chǎng)的天線，和被連接到所述至少一個(gè)天線從而從RF信號(hào)接收參考頻率并驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)天線以產(chǎn)生參考頻率的磁場(chǎng)的數(shù)字微控制器；感測(cè)參考頻率的磁場(chǎng)以確定位置換能器的坐標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還提供了一種操作包括數(shù)字微控制器的無(wú)線裝置的方法，該方法包括發(fā)射射頻(RF)信號(hào)，其被以到預(yù)定的調(diào)制率幅度調(diào)制從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到無(wú)線裝置；通過(guò)將整流器直接連接在接收天線和數(shù)字輸入管腳之間，將接收天線連接到數(shù)字微控制器，從而整流RF信號(hào)并將經(jīng)整流的RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。


根據(jù)下列對(duì)實(shí)施例以及附圖的詳細(xì)描述，將更充分地理解本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于位置感測(cè)的系統(tǒng)的示意圖；圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的位置換能器的細(xì)節(jié)的示意圖；
圖3是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的位置感測(cè)系統(tǒng)的功能元件的框圖；圖4是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，由位置換能器中的微控制器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的曲線圖；圖5是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，發(fā)射到位置換能器的幅度調(diào)制的下行鏈路信號(hào)的曲線圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，示意性示出連接到微控制器的解調(diào)電路的電路圖；和圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，示意性示出位置換能器中的電源輸入和編程控制電路的框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在外科手術(shù)中使用的磁跟蹤系統(tǒng)20的示意圖。外科醫(yī)生22使用工具24對(duì)患者23執(zhí)行醫(yī)療過(guò)程。在手術(shù)位置將植入物26引入患者體內(nèi)，所述手術(shù)位置在這個(gè)例子中位于患者的腿30上。所述跟蹤系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量和表示植入物26和工具24的位置，指導(dǎo)外科醫(yī)生執(zhí)行醫(yī)療過(guò)程，在這個(gè)例子中，所述醫(yī)療過(guò)程是膝關(guān)節(jié)手術(shù)。該系統(tǒng)測(cè)量遍及包括手術(shù)位置的工作體積的位置和定向坐標(biāo)。
植入物26和工具24包含微型無(wú)線位置換能器，這將在下文詳細(xì)描述。每個(gè)位置換能器包括一個(gè)和多個(gè)發(fā)射天線，典型為線圈，驅(qū)動(dòng)其以產(chǎn)生磁場(chǎng)。相對(duì)于諸如定位墊34的場(chǎng)傳感器，確定工具24和植入物26的坐標(biāo)，所述定位墊被固定到患者身體并感測(cè)由位置換能器產(chǎn)生的磁場(chǎng)。在圖1示出的例子中，定位墊放在患者的小腿和大腿上，接近植入物26。定位墊包括感測(cè)天線，例如線圈，如下面圖2中所示?？蛇x地或附加地，場(chǎng)傳感器可以被固定到手術(shù)臺(tái)或接近患者23的另一個(gè)結(jié)構(gòu)。
由工具24和植入物26中的位置換能器產(chǎn)生的磁場(chǎng)在定位墊34中感應(yīng)電流，所述電流指示位置換能器相對(duì)于感測(cè)天線的位置和定向。響應(yīng)所述感應(yīng)電流(或相應(yīng)的電壓)，定位墊向信號(hào)處理控制臺(tái)38發(fā)射位置信號(hào)。控制臺(tái)處理接收到的信號(hào)以計(jì)算工具24和植入物26的位置和定向坐標(biāo)。計(jì)算機(jī)41(其也可以執(zhí)行控制臺(tái)28的功能)在顯示器42上以圖形方式為外科醫(yī)生顯示位置信息。例如，當(dāng)外科醫(yī)生22在外科手術(shù)期間操作工具時(shí)，顯示器可以顯示工具24相對(duì)于植入物26的位置和定向。
盡管為舉例的目的在關(guān)于整形外科的上下文中顯示了系統(tǒng)20的使用，本發(fā)明的原理可以相似地應(yīng)用到其他無(wú)線位置感測(cè)系統(tǒng)和應(yīng)用。例如，在此所述類(lèi)型的無(wú)線位置換能器可以結(jié)合其他類(lèi)型的醫(yī)療植入物和工具，例如用于心血管應(yīng)用的導(dǎo)管，并可以同樣用在非醫(yī)療應(yīng)用中。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的、密封在植入物26中的位置換能器50的示意圖?？蛇x擇地，換能器50可以包含在或否則連接到其他類(lèi)型的植入物、工具和其他侵入裝置中。在這個(gè)示意性實(shí)施例中的換能器50包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)射器線圈52，其通常包括纏繞在磁芯上的線圈線。換能器50還包括一個(gè)或多個(gè)供電線圈62和一個(gè)無(wú)線通信線圈60。線圈安裝在合適的基片56上，例如柔性印刷電路板(PCB)，并且連接到同樣安裝在基片上的微控制器58和外圍電路元件59。微控制器58可以包括，例如，由Texas Instruments(Dallas，Texas)制造的，超低功率16位RISC混和信號(hào)處理器的MSP430族中的一個(gè)。換能器50通常密封在植入物中從而防止換能器元件與患者的組織和體液之間的接觸。
微控制器58驅(qū)動(dòng)發(fā)射器線圈52產(chǎn)生由定位墊34感測(cè)的磁場(chǎng)，如在下文中所述。微控制器由供電線圈62接收的射頻(RF)能量供電，并使用由通信線圈60接收的控制信號(hào)控制。典型地，除了定位墊感測(cè)由發(fā)射器線圈52產(chǎn)生的磁場(chǎng)的功能之外，由定位墊34發(fā)射RF能量和控制信號(hào)?？蛇x地或附加地，RF能量和通信信號(hào)可以從另一個(gè)源被發(fā)射到換能器50。進(jìn)一步可選地或附加地，換能器50可以包括對(duì)微控制器供電的電池(未示出)。作為另一個(gè)選擇，基于存儲(chǔ)在換能器的存儲(chǔ)器中的微碼，在沒(méi)有任何通信輸入的情況下可以獨(dú)立地操作微控制器。
盡管為了簡(jiǎn)易，圖2僅在每個(gè)發(fā)射器和供電線圈組件中示出了單一線圈，實(shí)際上每個(gè)組件典型包括多個(gè)線圈，例如三個(gè)發(fā)射線圈和三個(gè)供電線圈。發(fā)射線圈可以以相互垂直的方向共同纏繞在一個(gè)鐵芯上，同時(shí)電源線圈以相互垂直的方向共同纏繞在另一個(gè)鐵芯上?？蛇x地，發(fā)射和供電線圈可以在同一鐵芯上重疊，例如在2004年1月9日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)10/754,751中所描述的，在此引入上述專(zhuān)利公開(kāi)的內(nèi)容作為參考。
圖3是示意性的示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的定位墊34和位置換能器50的功能元件的框圖。定位墊34包括與控制臺(tái)38通信的處理單元70。所述處理單元驅(qū)動(dòng)能量發(fā)射天線72向供電線圈62發(fā)射RF能量，而且還驅(qū)動(dòng)通信天線74向通信線圈60發(fā)射同步和控制信號(hào)。可選地，如上所述，這些功能可以由系統(tǒng)20中的其他發(fā)射器(未示出)執(zhí)行，或者它們完全可以提前。
感測(cè)線圈76感測(cè)由換能器50中的發(fā)射線圈52A、52B和52C(共同稱(chēng)作發(fā)射線圈52)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。處理單元70濾波、放大和數(shù)字化在感測(cè)線圈76中感應(yīng)的信號(hào)以獲得傳送到控制臺(tái)38的位置信號(hào)。如上所述，發(fā)射線圈典型以互相垂直的方向纏繞以產(chǎn)生具有不同空間方向的磁場(chǎng)。相似地，感測(cè)線圈76可以以相互垂直的方向纏繞以給出它們感測(cè)的場(chǎng)的方向分辯率?？蛇x地，可以采用不同數(shù)量和結(jié)構(gòu)的發(fā)射線圈和感測(cè)線圈。例如，為了節(jié)省空間和減少換能器的復(fù)雜性，換能器可以?xún)H包括一個(gè)和兩個(gè)發(fā)射線圈。附加地或可選地，發(fā)射線圈和/或感測(cè)線圈可以是不同心的，并且每個(gè)線圈可以纏繞在不同的鐵芯上。其他線圈結(jié)構(gòu)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是已知的。
由電源線圈62接收的RF能量由整流器78整流，其因而向電壓控制電路80產(chǎn)生DC輸入。這個(gè)電路被連接以向微控制器58的合適管腳82提供穩(wěn)壓。如下文參考圖7所述，所述微控制器的輸入電壓可以改變。。
來(lái)自通信線圈60的同步和控制信號(hào)由解調(diào)電路84解調(diào)，所述解調(diào)電路84向微控制器的其他管腳82輸出二進(jìn)制、調(diào)幅信號(hào)。將在下文參考圖5和6描述所述解調(diào)電路的操作。盡管在圖3中僅示出了一個(gè)通信線圈，換能器50可以可選地包括兩個(gè)或三個(gè)可以以相互垂直的方向纏繞的通信線圈。這些線圈可以全部并聯(lián)或串聯(lián)到解調(diào)電路。
還有其他管腳82(圖3中標(biāo)記為A、B、C、D)被連接以驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈52A、52B和52C。每個(gè)發(fā)射線圈被連接在各個(gè)管腳(A、B或C)和共用管腳D之間。這些管腳典型是通用輸入/輸出(GPIO)管腳，其在軟件控制下，可由微控制器設(shè)置成高(二進(jìn)制1)或低(二進(jìn)制0)電壓值。在圖3中所示的實(shí)施例中，這些管腳直接連接到線圈52A、52B和52C，而不需要介入有源元件，例如微控制器芯片外部的放大器。
圖4是示意性示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，由微控制器58在管腳A、B、C和D上產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)90、92的曲線圖。在這個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)程序指令，驅(qū)動(dòng)微控制器管腳以產(chǎn)生所需發(fā)射頻率的方波。典型地，頻率處于音頻范圍內(nèi)，例如，在5kHz附近，但是可選地可以采用更高或更低的頻率范圍?？蛇x地，如果微控制器具有合適的計(jì)算和數(shù)字I/O能力，可以產(chǎn)生其他形式的交替的數(shù)字輸出，例如近似三角波或正弦波的輸出。發(fā)射線圈52(連同通向線圈的線和可能連接到微控制器的管腳的其他無(wú)源元件)被設(shè)計(jì)成具有接近發(fā)射頻率的諧振頻率，同時(shí)濾出較高的頻率。結(jié)果，發(fā)射線圈使圖4中所示的方波信號(hào)平滑成近似正弦曲線的形式。
感測(cè)線圈76檢測(cè)產(chǎn)生的正弦磁場(chǎng)。在微控制器管腳和線圈之間沒(méi)有外部放大器，意味著該場(chǎng)是弱的，并且因此需要定位墊34非常接近換能器50被定位。另一方面，可以非常精確地控制發(fā)射場(chǎng)的頻率，從而感測(cè)線圈76可以有利地具有很高的Q并精確調(diào)頻到驅(qū)動(dòng)信號(hào)90、92的頻率。參考圖5和6，在下文中描述了用于有利地控制發(fā)射頻率的方法。
如圖4中所示，微控制器58可以被編程以將發(fā)射線圈52驅(qū)動(dòng)成推挽式結(jié)構(gòu)。為了這個(gè)目的，每個(gè)線圈的兩側(cè)都連接到用相反極性驅(qū)動(dòng)的微控制器的有源輸出管腳。在圖中示出的例子中，通過(guò)向線圈一側(cè)的管腳A施加信號(hào)90，同時(shí)向在線圈另一側(cè)的管腳D施加相反極性的信號(hào)92，來(lái)驅(qū)動(dòng)線圈52A。該特征增加了流過(guò)線圈的電流并因而增加了發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度。
當(dāng)提供了多個(gè)發(fā)射線圈時(shí)，如圖3所示，微控制器58可以將線圈驅(qū)動(dòng)成時(shí)域多路復(fù)用(TDM)模式，從而每個(gè)線圈以預(yù)先指定的時(shí)隙序列依次發(fā)射。因而，在圖4中所示的例子中，當(dāng)正驅(qū)動(dòng)線圈52A以發(fā)射磁場(chǎng)時(shí)，使用與返回管腳D極性相同的信號(hào)92驅(qū)動(dòng)非發(fā)射線圈52B和52C(在管腳B和C上)。結(jié)果，由于來(lái)自發(fā)射線圈52A的拾取(pickup)，抑止了線圈52B和52C中的寄生電流。隨后，在指定的時(shí)隙期間，依次用信號(hào)90驅(qū)動(dòng)管腳B和C的每一個(gè)，同時(shí)用信號(hào)92驅(qū)動(dòng)其余管腳。
可選擇地，微控制器58可以編程以經(jīng)由和用于產(chǎn)生磁場(chǎng)相同的GPIO管腳發(fā)射編碼消息。例如，在系統(tǒng)20啟動(dòng)時(shí)，微控制器可以發(fā)射傳感器ID和校準(zhǔn)參數(shù)。由控制臺(tái)38經(jīng)由感測(cè)線圈76接收所述消息。
圖5是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例、由通信天線74發(fā)射的調(diào)幅高頻信號(hào)94的曲線圖。信號(hào)94包括高頻RF載波，雖然還可以采用更高或更低的頻率范圍，但其典型在40MHz的范圍內(nèi)。對(duì)載波調(diào)幅以將數(shù)據(jù)傳送到傳感器。在圖中所示的例子中，調(diào)制周期T是200μs，即，將載波以5kHz調(diào)制，其等于驅(qū)動(dòng)信號(hào)90和92(圖4)的典型頻率。
圖6示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的解調(diào)電路84的細(xì)節(jié)的電路圖。電容96耦連在通信線圈60的兩端以限定諧振電路，其具有在信號(hào)94的載波信號(hào)頻率的諧振頻率。線圈電路通過(guò)整流器(例如二極管98)直接連接到微控制器58的一對(duì)管腳82，例如GPIO管腳。解調(diào)電路可以在整流器和微控制器之間包括濾波器，例如電容100。然而，不需要放大器、A/D轉(zhuǎn)換器或者其他有源元件。更確切地，微控制器58僅僅感測(cè)由解調(diào)電路84提供的信號(hào)94的包絡(luò)的電平。
在由圖5和6所示的例子中，可以采用40MHz載波的包絡(luò)調(diào)制以將5kHz時(shí)鐘傳送到微控制器58。將微控制器編程以驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈52從而以從線圈60接收的輸入時(shí)鐘頻率產(chǎn)生磁場(chǎng)。因而，天線74用作參考發(fā)射器，并且由控制臺(tái)38僅僅設(shè)置由天線74發(fā)射的載波的調(diào)制頻率而外部控制換能器50的發(fā)射頻率。在系統(tǒng)20中全部采用相同的時(shí)鐘率，從而處理單元70中的濾波電路(未示出)能夠精確調(diào)頻到這個(gè)相同頻率。不需要其他同步。由于系統(tǒng)的所有元件被調(diào)頻到相同的基本頻率，頻率是否隨時(shí)間有小的變化沒(méi)有關(guān)系。此外，既然已知調(diào)制信號(hào)94和驅(qū)動(dòng)信號(hào)90、92之間的相位關(guān)系，處理單元70可以應(yīng)用相位靈敏檢測(cè)，以便即使在存在基本背景噪音的情況下，也能準(zhǔn)確地檢測(cè)由換能器50產(chǎn)生的弱磁場(chǎng)。
盡管如圖5中所示，信號(hào)94僅僅被調(diào)制開(kāi)啟和關(guān)閉以傳送定時(shí)信號(hào)，同樣，可以采用更復(fù)雜的調(diào)制模式以傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)(這類(lèi)數(shù)字調(diào)制通常稱(chēng)作振幅鍵控-ASK)。數(shù)據(jù)可以包括對(duì)微控制器58的操作指令。附加地或可選地，如下文所述，這個(gè)數(shù)據(jù)通道可用于存儲(chǔ)在換能器50中的重新編程軟件代碼中。
典型地，當(dāng)在用于系統(tǒng)20的位置感測(cè)中換能器50不激活時(shí)，微控制器58“睡眠”。為了在需要時(shí)“喚醒”微控制器，可以選擇被連接以接收來(lái)自電路84的解調(diào)信號(hào)的微控制器的管腳，從而該管腳上的信號(hào)產(chǎn)生規(guī)定的中斷。這個(gè)中斷導(dǎo)致微控制器開(kāi)始運(yùn)行其操作程序并驅(qū)動(dòng)線圈52，如上所述。因而，由天線74發(fā)射的輸入數(shù)據(jù)或時(shí)鐘信號(hào)自身使換能器醒來(lái)并開(kāi)始工作。
圖7是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電壓控制電路80和微控制器58的元件的結(jié)構(gòu)圖。典型包括帶有低通濾波器(未示出)的全橋整流器的整流器78根據(jù)由供電線圈62接收的RF能量的強(qiáng)度輸出可變DC電壓。DC調(diào)節(jié)器104接收該可變電壓并輸出典型在2.5V范圍中的固定電壓電平，所述電壓是運(yùn)轉(zhuǎn)微控制器58所需的。調(diào)節(jié)器104可以包括，例如由NationalSemiconductor(Santa Clara，加利福尼亞)制造的LP3983微功率、低靜態(tài)電流、CMOS電壓調(diào)節(jié)器(在微SMD包裝中)。這個(gè)調(diào)節(jié)器提供了2.5V的輸出電壓。由于如下解釋的理由，調(diào)節(jié)器104的正電壓輸出管腳連接到微控制器的電源輸入管腳(PWR)，而地輸出管腳連接到GPIO管腳。二極管106連接在該GPIO管腳和微控制器的地管腳之間。然而，一般地，在微控制器中的內(nèi)部開(kāi)關(guān)108將GPIO管腳接地，從而微控制器接收由調(diào)節(jié)器104輸出的操作電壓電平。
典型地，微控制器58包括非易失性只讀存儲(chǔ)器102，例如閃存，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)由微控制器在運(yùn)行中使用的軟件(微碼)。存儲(chǔ)器102可以如圖所示在微控制器芯片上，或者在芯片外部。為了寫(xiě)入閃存，必須向微控制器提供比為操作目的由調(diào)節(jié)器104通常提供的的電壓更高的DC電壓。為了提供增高的電壓，開(kāi)關(guān)108被打開(kāi)，如圖7所示，從而GPIO管腳通過(guò)具有大致等于二極管106的正向壓降的電壓懸地。結(jié)果，在PWR輸入管腳和地之間出現(xiàn)更高的電壓(在這個(gè)例子中約3.7V)。(如果需要，可以增加與二極管106串聯(lián)的附加二級(jí)管以達(dá)到更高電壓)。更高的電壓允許重新編程閃存。
如果在換能器50運(yùn)行期間確定應(yīng)當(dāng)重新編程存儲(chǔ)器102，則將一預(yù)定序列位調(diào)制到由通信天線74發(fā)射的信號(hào)。通信線圈60接收所述信號(hào)，并且解調(diào)器84將位序列解調(diào)和輸入到微控制器58。對(duì)微處理器進(jìn)行編程以辨識(shí)該位序列是進(jìn)入編程模式的命令。響應(yīng)該命令，微處理器打開(kāi)開(kāi)關(guān)108并因而懸浮連接到調(diào)節(jié)器104地側(cè)的GPIO管腳。到微控制器的輸入電壓相應(yīng)地增加。例如，一旦在編程模式中，微控制器連續(xù)接收由天線74發(fā)射的數(shù)據(jù)并將該數(shù)據(jù)寫(xiě)入閃存，因而覆蓋了其先前存儲(chǔ)的程序。當(dāng)編程序列結(jié)束時(shí)，微控制器關(guān)閉開(kāi)關(guān)108以將GPIO管腳接地并返回到常規(guī)操作模式。
因而，電壓控制電路80為微控制器58采用標(biāo)準(zhǔn)、固定電源調(diào)節(jié)器作為輸入改變其自身輸入電壓，提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的方法。不需要專(zhuān)用編程電路或高壓調(diào)節(jié)器。本發(fā)明的這個(gè)方面允許位置換能器50在密封入植入物26之后編程，并且甚至還允許該領(lǐng)域的重新編程和軟件升級(jí)。本實(shí)施例的原理可以應(yīng)用在其他類(lèi)型的無(wú)線裝置的編程中，無(wú)論是外部(如換能器50的情況)或者由內(nèi)部電池供能。該方法可以不僅用于重新編程微控制器58，還可用于將其他存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如校準(zhǔn)查詢(xún)表，寫(xiě)入閃存102。
更一般而言，雖然在上文中關(guān)于無(wú)線位置換能器描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但是本發(fā)明的方案可以實(shí)施在其他類(lèi)型的無(wú)線數(shù)字換能器和傳感器中。例如，除了位置感測(cè)之外，上面描述的方法和裝置體系結(jié)構(gòu)可以用于可植入裝置中，所述可植入裝置用于感測(cè)生理參數(shù)，例如溫度、壓力和/或流流。可選地，可以為發(fā)射傳感器讀數(shù)提供一個(gè)單獨(dú)發(fā)射通道。例如，可以經(jīng)由從發(fā)射線圈52分離的專(zhuān)用天線發(fā)射該讀數(shù)。附加地或可選地，傳感器輸出可以由單獨(dú)的、專(zhuān)用的微控制器處理。
應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例以舉例的方式被引證，并且本發(fā)明不局限于上文中已經(jīng)顯示和描述的細(xì)節(jié)。更確切地，本發(fā)明的范圍包括上文描述的各種特征的組合和子組合，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員基于閱讀前述說(shuō)明書(shū)能想到并且未在現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的其的變化方案和修改方案。
權(quán)利要求
1.用于跟蹤對(duì)象的設(shè)備，包括適于固定到對(duì)象的位置換能器，，并且其包括數(shù)字微控制器，包括多個(gè)輸出管腳，并且可操作用于在至少一個(gè)所述輸出管腳上以選定頻率產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出；和至少一個(gè)直接連接到所述至少一個(gè)輸出管腳上的發(fā)射天線，從而所述至少一個(gè)天線響應(yīng)交替的數(shù)字輸出以選定頻率發(fā)射磁場(chǎng)；場(chǎng)傳感器，適于感測(cè)磁場(chǎng)并產(chǎn)生響應(yīng)其的信號(hào)；處理器，被連接以接收和處理所述信號(hào)以確定位置換能器的坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)發(fā)射天線包括具有在所選頻率附近的諧振頻率的線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)發(fā)射天線包括線圈，并且其中數(shù)字微控制器的多個(gè)輸出管腳包括至少第一和第二輸出管腳，并且其中線圈直接連接在第一和第二輸出管腳之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中數(shù)字微控制器可操作用于分別在第一和第二管腳上以所選頻率產(chǎn)生相反相位的第一和第二交替的數(shù)字輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述交替的數(shù)字輸出包括方波。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述多個(gè)輸出管腳包括至少第一和第二輸出管腳，并且其中所述至少一個(gè)發(fā)射天線包括分別直接連接到第一和第二輸出管腳的至少第一和第二天線線圈，并且其中數(shù)字微控制器可操作用于在第一和第二輸出管腳上產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出從而交替驅(qū)動(dòng)第一和第二天線線圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述多個(gè)輸出管腳包括附加輸出管腳，并且其中所述第一和第二天線線圈分別直接連接在附加輸出管腳與第一和第二輸出管腳之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述至少第一和第二天線線圈纏繞在相互垂直的軸上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，還包括參考發(fā)射器，其可操作用于發(fā)射射頻(RF)信號(hào)，所述射頻信號(hào)被調(diào)制以將二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到位置換能器，其中所述位置換能器包括適于接收信號(hào)的接收天線和連接到接收天線以將二進(jìn)制數(shù)據(jù)解調(diào)和傳送到數(shù)字微控制器的解調(diào)電路，和其中所述數(shù)字微控制器適于響應(yīng)所述二進(jìn)制數(shù)據(jù)產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中響應(yīng)處于預(yù)定數(shù)據(jù)率的二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)RF信號(hào)調(diào)幅，并且其中數(shù)字微控制器包括數(shù)字輸入管腳，并且其中解調(diào)電路包括整流器，所述整流器直接連接在所述接收天線和所述數(shù)字輸入管腳之間，從而整流RF信號(hào)并將經(jīng)整流RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的設(shè)備，其中二進(jìn)制數(shù)據(jù)包括同步信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，包括能量發(fā)射器，其可操作用于向位置換能器發(fā)射射頻(RF)能量，其中位置換能器包括至少一個(gè)接收天線和一個(gè)整流器，所述接收天線適于接收發(fā)射的RF能量，所述整流器被連接以整流RF能量從而向數(shù)字微控制器提供直流(DC)輸入。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中位置換能器是被密封以插入對(duì)象體內(nèi)的無(wú)線裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中位置換能器包括至少一個(gè)用于感測(cè)體內(nèi)生理參數(shù)的附加傳感器，并且其中所述至少一個(gè)附加傳感器被連接到微控制器以經(jīng)由所述至少一個(gè)發(fā)射天線發(fā)射傳感器讀數(shù)。
15.用于跟蹤對(duì)象的設(shè)備，包括參考發(fā)射器，有可操作用于發(fā)射以參考頻率調(diào)制的射頻(RF)信號(hào)；位置換能器，適于被固定到對(duì)象，并且其包括至少一個(gè)天線，用于接收RF信號(hào)和用于發(fā)射磁場(chǎng)；和數(shù)字微控制器，其連接到所述至少一個(gè)天線從而接收來(lái)自RF信號(hào)的參考頻率，并以所述參考頻率驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)天線以產(chǎn)生磁場(chǎng)；場(chǎng)傳感器，其被調(diào)頻以感測(cè)在參考頻率的磁場(chǎng)，并適于產(chǎn)生響應(yīng)所述磁場(chǎng)的信號(hào)；和處理器，其被連接以接收和處理信號(hào)以確定位置換能器的坐標(biāo)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中數(shù)字微控制器包括數(shù)字輸入管腳，并且其中位置換能器包括整流器，所述整流器直接連接在所述至少一個(gè)天線和所述數(shù)字輸入管腳之間，從而整流RF信號(hào)并將經(jīng)整流的RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中數(shù)字微控制器可操作用于驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)天線以產(chǎn)生與調(diào)制的RF信號(hào)具有預(yù)定相位關(guān)系的磁場(chǎng)，并且其中場(chǎng)傳感器適于響應(yīng)該相位關(guān)系感測(cè)磁場(chǎng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中數(shù)字微控制器包括輸入和輸出管腳，并且其中所述至少一個(gè)天線包括連接到至少一個(gè)輸入管腳的接收天線和連接到至少一個(gè)輸出管腳的發(fā)射天線。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的設(shè)備，其中數(shù)字微控制器可操作用于通過(guò)在所述至少一個(gè)輸出管腳上產(chǎn)生在參考頻率的方波來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，還包括能量發(fā)射器，可操作用于將射頻(RF)能量發(fā)射到位置換能器，其中所述位置換能器包括至少一個(gè)接收天線和整流器，所述接收天線適于接收發(fā)射的RF能量，所述整流器被連接以整流RF能量以向數(shù)字微控制器提供直流(DC)輸入。
21.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中位置換能器是被密封用于插入對(duì)象體內(nèi)的無(wú)線裝置。
22.一種無(wú)線裝置，包括數(shù)字微控制器，其包括適于接收二進(jìn)制數(shù)據(jù)的數(shù)字輸入管腳；接收天線，其適于接收射頻(RF)信號(hào)，所述射頻信號(hào)以預(yù)定的調(diào)制率被調(diào)幅從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到無(wú)線裝置；和整流器，其直接連接在接收天線和數(shù)字輸入管腳之間從而整流RF信號(hào)并將經(jīng)整流的RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中所述整流器包括串聯(lián)在接收天線和數(shù)字輸入管腳之間的一個(gè)二極管。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中所述RF信號(hào)具有載波頻率，并且其中所述接收天線包括具有在載波頻率附近的諧振的線圈。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中配置所述數(shù)字微控制器使得在數(shù)字輸入管腳上的經(jīng)整流的RF信號(hào)的出現(xiàn)觸發(fā)數(shù)字微控制器中的一個(gè)中斷。
26.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，包括發(fā)射天線，其中所述數(shù)字微控制器包括被連接以驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線響應(yīng)所述二進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)射磁場(chǎng)的數(shù)字輸出管腳。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，其中所述數(shù)字微控制器適于在數(shù)字輸出管腳上與二進(jìn)制數(shù)據(jù)的調(diào)制率同步地產(chǎn)生方波。
28.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，包括至少一個(gè)適于接收RF能量的電源天線和被連接以整流所述RF能量從而向數(shù)字微控制器提供直流(DC)輸入的整流器。
29.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其中所述數(shù)字微控制器、所述接收天線和所述整流器被密封以插入患者體內(nèi)。
30.一種無(wú)線裝置，包括電源，其適于產(chǎn)生直流(DC)電壓；調(diào)節(jié)器，其包括連接到所述電源的電源輸入、電源輸出和地輸出，并且其可操作用于響應(yīng)所述DC電壓在電源和地輸出之間產(chǎn)生第一電壓；二極管，包括連接到調(diào)節(jié)器的地輸出的第一終端并包括第二終端；數(shù)字微控制器，其包括非易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)在第一電壓操作時(shí)，其可以只讀模式訪問(wèn)，并且當(dāng)在高于第一電壓的第二電壓操作時(shí)，其可編程；電源輸入，其被連接到調(diào)節(jié)器的電源輸出；地管腳，其被連接到二極管的第二終端；輸入管腳，通過(guò)微控制器，其可在輸入管腳連接到地管腳的第一配置和輸入管腳懸浮的第二配置之間切換；和數(shù)據(jù)輸入，其被連接以接收通過(guò)空氣發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)，所述數(shù)據(jù)信號(hào)包括編程命令和數(shù)據(jù)，其中所述微控制器適于響應(yīng)編程命令將輸入管腳從第一配置轉(zhuǎn)換到第二配置，從而導(dǎo)致電源輸入和地管腳之間的電壓增加到第二電壓，并在輸入管腳處于第二配置的同時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入非易失性存儲(chǔ)器。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的裝置，其中所述數(shù)字微控制器適于響應(yīng)所述數(shù)據(jù)發(fā)射用于確定無(wú)線裝置坐標(biāo)的信號(hào)。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的裝置，其中所述非易失性存儲(chǔ)器包括閃存。
33.根據(jù)權(quán)利要求30的裝置，其中數(shù)據(jù)信號(hào)包括射頻(RF)信號(hào)，所述射頻信號(hào)被調(diào)制從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到所述裝置，并且其中所述裝置包括適于接收RF信號(hào)的接收天線和被連接到所述接收天線從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)解調(diào)和傳送到數(shù)字微控制器的數(shù)據(jù)輸入的解調(diào)電路。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，其中所述RF信號(hào)包括響應(yīng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)被調(diào)幅的RF載波，并且其中所述解調(diào)電路包括整流器，所述整流器直接連接在所述接收天線和數(shù)字輸入管腳之間以整流RF信號(hào)。
35.根據(jù)權(quán)利要求30的裝置，其中所述電源包括至少一個(gè)適于接收RF能量的電源天線和被連接以整流RF能量從而產(chǎn)生DC電壓的整流器。
36.一種用于跟蹤對(duì)象的方法，包括將位置換能器固定到對(duì)象，所述位置換能器包括數(shù)字微控制器，所述數(shù)字微控制器包括多個(gè)輸出管腳；將至少一個(gè)發(fā)射天線直接連接到至少一個(gè)輸出管腳；在所述數(shù)字微控制器的所述至少一個(gè)輸出管腳以所選頻率產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出，從而導(dǎo)致至少一個(gè)天線以所選頻率發(fā)射磁場(chǎng)；感測(cè)磁場(chǎng)以確定位置換能器的坐標(biāo)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述至少一個(gè)發(fā)射天線包括具有所選頻率附近的諧振頻率的線圈。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中多個(gè)輸出管腳包括至少第一和第二輸出管腳，并且其中所述線圈直接連接在第一和第二輸出管腳之間。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出包括分別在第一和第二輸出管腳上以所選頻率產(chǎn)生相反相位的第一和第二交替的數(shù)字輸出。
40.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出包括產(chǎn)生方波。
41.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中多個(gè)輸出管腳包括至少第一和第二輸出管腳，并且其中連接至少一個(gè)發(fā)射天線包括分別將第一和第二天線直接連接到第一和第二輸出管腳，并且其中產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出包括在第一和第二輸出管腳上產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出從而交替的驅(qū)動(dòng)所述第一和第二天線。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中所述多個(gè)輸出管腳包括第三輸出管腳，并且其中連接第一和第二天線包括將第一和第二線圈分別直接連接在第三輸出管腳與第一和第二輸出管腳之間。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中第一和第二天線包括纏繞在相互垂直的軸上的線圈。
44.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，還包括發(fā)射射頻(RF)信號(hào)，其被調(diào)制以將二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到位置換能器；和在位置換能器接收和解調(diào)RF信號(hào)從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入到數(shù)字微控制器，其中產(chǎn)生方波包括響應(yīng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)產(chǎn)生方波。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中發(fā)射RF信號(hào)包括響應(yīng)預(yù)定數(shù)據(jù)率的二進(jìn)制數(shù)據(jù)調(diào)制RF信號(hào)幅度，并且其中接收和解調(diào)所述RF信號(hào)包括將整流器直接連接在接收天線和數(shù)字微控制器的數(shù)字輸入管腳之間，從而整流RF信號(hào)和將經(jīng)整流的RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。
46.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述二進(jìn)制數(shù)據(jù)包括同步信號(hào)，并且其中產(chǎn)生方波包括用同步信號(hào)同步所述方波。
47.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，包括向位置換能器發(fā)射射頻(RF)能量，并接收和整流所發(fā)射的RF能量以向數(shù)字微控制器提供直流(DC)輸入。
48.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，包括具有位置換能器的物體插入對(duì)象體內(nèi)。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中位置換能器包括至少一個(gè)用于感測(cè)體內(nèi)生理參數(shù)的附加傳感器，并且其中所述方法包括將所述至少一個(gè)附加傳感器連接到微控制器，用于從而經(jīng)由所述至少一個(gè)發(fā)射天線發(fā)射傳感器讀數(shù)。
50.一種用于跟蹤對(duì)象的方法，包括從參考發(fā)射器發(fā)射被以參考頻率調(diào)制的射頻(RF)信號(hào)；將位置換能器固定到對(duì)象，所述位置換能器包括至少一個(gè)用于接收RF信號(hào)和用于發(fā)射磁場(chǎng)的天線，和被連接到所述至少一個(gè)天線以接收來(lái)自RF信號(hào)的參考頻率并驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)天線以所述參考頻率產(chǎn)生磁場(chǎng)的數(shù)字微控制器；感測(cè)在參考頻率的磁場(chǎng)以確定位置換能器的坐標(biāo)。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中所述數(shù)字微控制器包括數(shù)字輸入管腳，并且其中固定所述位置換能器包括將整流器直接連接在所述至少一個(gè)天線和所述數(shù)字輸入管腳之間，以整流RF信號(hào)并將經(jīng)整流的RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。
52.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中固定所述位置換能器包括使用數(shù)字微控制器驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)天線以產(chǎn)生與調(diào)制的RF信號(hào)具有預(yù)定相位關(guān)系的磁場(chǎng)，并且其中感測(cè)磁場(chǎng)包括響應(yīng)所述相位關(guān)系感測(cè)磁場(chǎng)。
53.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中數(shù)字微控制器包括輸入和輸出管腳，并且其中所述至少一個(gè)天線包括連接到至少一個(gè)輸入管腳的接收天線和連接到至少一個(gè)輸出管腳的發(fā)射天線。
54.根據(jù)權(quán)利要求53的方法，其中固定位置換能器包括通過(guò)在所述至少一個(gè)輸出管腳上以所述參考頻率產(chǎn)生方波來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線。
55.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，包括向位置換能器發(fā)射射頻(RF)能量，并接收和整流所發(fā)射的RF能量以向數(shù)字微控制器提供直流(DC)輸入。
56.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，還包括具有位置換能器的物體插入對(duì)象體內(nèi)。
57.一種操作包括數(shù)字微控制器的無(wú)線裝置的方法，該方法包括發(fā)射射頻(RF)信號(hào)，所述射頻信號(hào)以預(yù)定的調(diào)制率被調(diào)幅從而將二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送到無(wú)線裝置；通過(guò)將整流器直接連接在接收天線和數(shù)字輸入管腳之間將接收天線連接到數(shù)字微控制器，從而整流RF信號(hào)并將經(jīng)整流的RF信號(hào)耦合到數(shù)字輸入管腳。
58.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中所述整流器包括串聯(lián)在接收天線和數(shù)字輸入管腳之間的一個(gè)二極管。
59.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中RF信號(hào)具有載波頻率，并且其中接收天線包括具有在載波頻率附近的諧振的線圈。
60.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中連接接收天線包括配置所述數(shù)字微控制器使得在數(shù)字輸入管腳上的經(jīng)整流的RF信號(hào)的出現(xiàn)觸發(fā)所述數(shù)字微控制器中的中斷。
61.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，還包括連接所述數(shù)字微控制器的數(shù)字輸出管腳以驅(qū)動(dòng)發(fā)射天線響應(yīng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)射磁場(chǎng)。
62.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中連接數(shù)字輸出管腳包括在數(shù)字輸出管腳上與二進(jìn)制數(shù)據(jù)的調(diào)制率同步地產(chǎn)生方波。
63.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，還包括向無(wú)線裝置發(fā)射射頻(RF)能量，并在無(wú)線裝置接收和整流發(fā)射的RF能量以向數(shù)字微控制器提供直流(DC)輸入。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于跟蹤對(duì)象的設(shè)備，包括適于固定到對(duì)象的位置換能器。所述位置換能器包括數(shù)字微控制器，所述數(shù)字微控制器包括多個(gè)輸出管腳，并且在至少一個(gè)輸出管腳上以所選頻率產(chǎn)生交替的數(shù)字輸出。至少一個(gè)發(fā)射天線直接連接到所述至少一個(gè)輸出管腳上，從而所述至少一個(gè)天線響應(yīng)交替的數(shù)字輸出發(fā)射在所選頻率的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)傳感器感測(cè)磁場(chǎng)并產(chǎn)生響應(yīng)該磁場(chǎng)的信號(hào)。處理器接收和處理所述信號(hào)以確定位置換能器的坐標(biāo)。
文檔編號(hào)G01V3/10GK1911171SQ20061012122
公開(kāi)日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者A·C·阿爾特曼, A·戈法里, Y·埃夫拉思 申請(qǐng)人:韋伯斯特生物官能公司