专利名称：基于无源谐振的应答器的位置跟踪的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及位置跟踪系统，特别是用于跟踪无源应答器(passive transponder)位置的方法和系统。
背景技术：
本领域已知各种方法和系綱于足鹏医学战呈中涉及的膽的坐标。这些 系统其中一^j柳磁场测量。例如，美国专利5,391,199和5,443,489,其公开作为参考结合于此，在它们中描述了使用一个或多个场换能器来确定体内探针 坐标的系统。^^这些系统用于产生关于医学探针(诸如导管)的位置信息。 榭立置传麟放置在该探针中并响应外部所施加磁场产生信号。该磁场由固定 到己知的相互间隔位置上的外部参考框架的磁场发生器(诸如辐射器线圈)产生。涉及磁场位置跟踪的其他方法和系统也被描述，例如，在PCT专利公开 WO96/05768、美国专利4,849,692、 4,945,305、 5,453,686、 6,239,724、 6,332,089、 6,618,612禾口 6,690,963以及美国专利申请公开2002/0065455A1 、 2003/0120150Al、 2004/0068178A1和2004/0147920A1,其公开全部作为参考 结合于此。这些公布描述了跟踪体内对象(诸如心脏导管、整形移植物)和用 在不同医学^1呈中的医学 的位置的方法和系统。美国专利6,484,118,其公开作为参考结合于此，描述了利用单轴位置传 和位置及方向判断方法来确定对象位置和方向的医学跟踪系统和方法。在专利文献中所描述的一些应答器和传感器包含谐振电路。例如，美国专 利6,535,108，其公开作为参考结舒此,描述了具有谐振阻抗-电膝电容(RLC) 电路的应答器，该应答器包含响应外部施加调制能量场变化的一个或多个电磁 能量存储元件。除了该會譴场之外，基站鄉具有与RLC电路静止谐振频率 基本相同频率的载波信号。当元件改变时，RLC电路的谐振频率发生变化，用 外部调制肖遣场来调制该载波信号。该调制的效果由基站进行探测。在基站处
舰接收并解调该调制信号来获得信息(例如，丰礎的存在)。作为另一示例，美国专利6^06,835,其公开作为参考结合于此，描述了 一种HA设备，该设备响应外部询问电路。该植入设备包括可植入到活体动物 内并在操作上配置成执行或帮助执行活,物内功能的结构。该设备进一步包 括电子无源感测电路用于感测与该功能相关的参数。该感测电路包括感测元 件，其中该感测电路响应于由、纖撒询问器元〗顿供的询问信号，对询问电路 产生依赖于频率的可变阻抗加载效应，该阻抗加载效应关于传感参数而改变。发明内容本发明的实施例提供了用于跟踪附着于插入到患者体内的对象的应答器的 位置和方向的方法和系统。在一些实施例中， 一个或多个场发生M包含该应 答器的工作体积内产生随位置变化的场。该应答器包含谐振电路，其谐振频率 响应于在其邻近处的随位置变化的周围磁场而改变。这样，该谐振频率指示了 应答器相对于产生该场的场发生器的位置和方向。位置足鹏器远程感观,答器中的谐振电路的谐振频率，以确定M答器的 位置和方向，进而确定对象相对于一个或多个场发生器的位置和方向。在一些实施例中，谐振电,含场响应元件，其响应周围的磁场改变它的电学属性。在一些实施例中，该场响应元^a含力ics在磁感应芯周围的电感器，该电感器响应随位置变化的磁场而改变它的磁导率。磁导率的变化改变了电感 器的感应系数，这进而改变了谐振电路的谐振频率。在其他实施例中，该场响应元件包含附着于磁限制元件的电容器。响应于 随位置改变的磁场的磁限制元件的收缩柳舰伸，改变了电容器的电容量并进 而改变了谐振电路的谐振频率。在一些实施例中，使用在此所描述的构造的应答器既是无源的又是无线 的，使它们能够在没有任何导线连接到外部位置跟踪系统的情况下基本上无限 期地保持作用。在一些实施例中，此处所描述的方法和系统可f顿具剤&频率的磁场，从 而增强系舰由磁场中金属对象所弓胞的失真的抗干扰性。因此根据本发明的实施例提供了用于位置li鹏的系统，包括 一个或多个场发生器，设置成产生一个或多个各自的随，变化的磁场；
应答器，其包括具新皆振频率的谐振电路并包括场响应元件，该场响应元件可用于响应于所述一个或多个磁场而改变谐振频率；以及位置纟鹏器，设置成远程感测谐振电路的谐振频率并响/^; 感测的谐振频 率来确定应答器的位置。在一个实施例中，将，答器附着于适于插入到患者体内的对象上，并将 位置s鹏器體成确定对象在体内的錢。在另一实施例中，场响应元件包括具有感应系数的电感器，该感应系数响 应所述一个或多个磁场而改变，从而改变谐振频率。该电感器可以包括芯，该 芯包括磁感应材料并具有磁导率，该磁导率响应所述一个或多个磁场而改变从 而改^^ 述感应系数。在又一实施例中，场响应元件包括具有电容的电容器，该电容响应所述一 个或多个磁场而改m而改变谐振频率。在一个实施例中，该电容器包括导电 电极，而场响应元#^括附着于至少所述电极之一并设置成响应所述一个或多 个磁场改变电极空间关系从而改变电容的磁限制元件。在又一实施例中，所述一个或多个场发生器的每一个包括至少两个由各自 驱动信号驱动的场辐射线圈从而产生旋转磁场。另外或作为替换，所述一个或 多个场发生器包括在两个或更多个不同的各自位置处的两个或更多个场发生 器，它们相艇转以产生各自的随位置变化的磁场。在一个实施例中，位置足鹏器设置^预定的频率范围向应答器发射探测信号(probe signal),接收由应答器响应探测信号产生的信号，响应应答器产生 信号^^f述频率范围由谐振电路测量探测信号的加载，以及响应于该加载估计 所述谐振频率。根据本发明的实施例还提供了用在位置跟踪系统中的应答器，，答器包 括具有谐振频率的谐振电路并包括可用于响应于外加磁场改变谐振频率的场响 应元件，使得该谐振电路可变地响应于所述磁场反映谐振频率附近的探测信号。根据本发明的实施例额夕赠供了用于位置JE鹏的方法，包括 将应答器附着于对象，鹏答器包括具有谐振频率的谐振电路并包括可用 于响应于周围磁场改变谐振频率的场响应元件； ，象的Pft^产生随位置变化的磁场； 远程感测谐振电路的谐振频率；以及 响应于所感测的谐振频率来确定应答器的位置。 从下面实施例的详细描述，加上附图将更充分地理解本发明，其中
图1是根据本发明实施例的位置li鹏系统示意性图解；图2是示意性示出了根据本发明实施例的位置l 鹏系统的元件的结构图；和图3A和3B歸意'际出根据本发明实施例的位置足鹏系统中应答器的 结构图。
具体实施方式
图1是根据本发明的实施例在手术中使用的磁位置跟踪系统20的示意性 图解。外科医生22 {顿医学工具24对患者23进行医疗过程。在手术位置处 将植入物26引入到患者体内。在本示例中，将植入物放置在患者腿的骨30中。 系统20在进行手术(在本示例为膝关节手术)时，Mil测量并呈现植入物26 和工具24的位置，引导外科医生。该系统在包含手术位置的整个工作体积内 测量位置和方向坐标。相对于场发生器，诸如固定于患者身体的定位垫(location pad) 34,来确 定工具24和植入物26的坐标。在图l所示的示例中，所述 置在植入物26 附近的患者小腿和大腿上。信号发生器单元38产生驱动场发生器的驱动信号, 该场发生器通常在定位垫34内包含场发生线圈。定位垫通常由导线连接到单 元38，当然无线连接也是可行的。该场发生线圈在旨工作容积内产生磁场， 这将在下面详细解释。植入物26和工具24含有,无源应答器。原则上，^h应答器包含谐振 电路，谐振频率根据它附近的环境磁场改变。由定位垫34产生的磁场使装配 在工具24和植入物26每个中的谐振电路具有某一谐振频率，该谐振频率取决 于周围磁场并取决于应答器相对于所述场的空间取向。位置S鹏器40远程感测每个应答器的谐振电路的谐振频率，并响应所感 测的谐振频率来确定应答器的位置和方向。通常将结果在显示器42上呈现给 外科医生。虽然图1显示了用于整形夕卜科中的位置足鹏系统，于此描述的系统和方法 也可用在其他位置足鹏应用中，诸如心脏成像系统，以及各种非医学应用中。 根据应用，可将类似的应答器耦合到导管、内窥镜、医学或外科工具或者任何 其他合适的被跟踪对象上。使用于此描述的方法和设备的一些示例性的系统在 上面弓间的公布中被描述。在此下面描述的方法和系统特别适用于这样的应用，其中希望具有与外部系统没有有线互连的无源应答器。例如，当将应答器HA骨中时，如图1的整 形系统中，对于应答器来说是无源和无线的是有利的。无源应答器使其基本无 限期地保持运转而无需手术操作来更换电池。对于这种应答器来说是无线的也 是有利的，因为将导线连接到整形植入物上麻烦且增加了感染和其他并发症的 风险。图2是示意性示出根据本发明实施例的位置跟踪系统20的元件的结构图。 该图显示了^A至瞎者骨30中的t!A物26。将无源应答器46装配到植入物26 中。还可,似的应答器装配到工具24中。虽然下面的描述涉及装配到植入 物26中的应答器，但是所描述的方法和结构也可用于跟踪工具24的位置和方向。在图2的示例性结构中，三个定位垫34在应答器46的附近产生随位置改 变的磁场。在一些实施例中，每个定位垫34产生方向在整个工作容积内改变 (例如旋转)的交变电流(AC)磁场。例如，通过将每个定位垫34构造成包含两个垂直场发生线圈来产生旋转 的磁场。这两个线圈由信号发生器单元38用两个相应的驱动信号来驱动，这 两个驱动信号具有相同频率但相位不同。由这两个线圈所产生的合自场通常 是椭圆形旋转场，其旋转模式取决于这两个驱动信号的频率和相对相位及量 值。例如，具有90度相对相位偏移的相等量值的驱动信号产生圆形旋转场。 在可选实施例中，这两个线圈可以不垂直和/或用具有不同频率的驱动信号来驱 动。进一步可选的，任何其他合适的方法可用于通过每个定位垫34产生随位 置改变的场。不同于当使用具有相对较高频率的驱动信号(和磁场)时性能更好的一些 位置^^、系统，系统20可利用具有任何方便的频率的磁场来运行。使用低频
磁场对于提高系统的金属抗干扰性常常是理想的，艮P，陶氐应答器附M属对 象的寄生效应，该寄生效应可使位置测量失真。频率在零到几千赫兹范围内的 磁场通常被认为劍氏频场，当然也可使用其他频率。在一些实施例中，当系统20包含两个或更多个定位垫34时，信号发生器 单元38以时分(time^division)模式一次驱动一个定位垫。通常，由不同定位 垫产生的磁场的频率、相位或量值之间不需要有关联。植入物26中的应答器46感测其P(銜磁场的量值禾P/或方向。由于針定 位垫34所产生的磁场是随位置改变的，所感测的磁场指示了植入物26与产生 该场的定位垫34之间的距离。在一些实施例中，应答器46包含谐振电路48， 其被构造成响应周围磁场改变它的谐振频率。在*时间点，电路48定位在 某一位置并且相对于定位垫34以某一空间角度取向。谐振电路48包含至少一 个场响应元件，其可用于响应于投影在其轴上的周围磁场而改变它的电学属 性，这将在下面图3A和3B的描述中进擁释。这样谐振电路48响应于娜 在该元件轴上的磁场分量来改变它的谐振频率。可将电路48的谐振频率构造成任何方便的数值。在一些实施例中，在 100kHz和2(4lHz之间的范围内选择谐振频率。在一个实施例中，该谐振电路 具有近似135kHz的谐振频率，这一范围一般用鄉频识别(RED)应用中。 值得注意的是不应将电路48的谐振频率与磁场的频率混淆。这两个频率通常 是无关的并可独立设置为任何合适的数值。位置足跟宗器40远程测量植入物26中谐振电路48的谐振频率。f顿所测 定的谐振频率，足跟宇、器40估计植入物26相对于定位垫34的位置和方向。在 以时分模式相继驱动定位垫34的实施例中，跟踪器40的测量通常与模式同步。 在一些实施例中，^i器40结合对应于不同定位垫的测g^确定植入物26相 对于定位垫的位置和方向坐标。足跟 器40可使用各种三角测量方法，以及将 测量组合成^S/方向估计的本领域中已知的任何其他合适的方法。常常将该位 獻方向估计駄为^A物的六维坐标。附力哋或作为替换，位置计算可4顿单 轴方法，诸如上面弓间的美国专利6,484,118中所描述的方法。招鹏器40的示例性实施例中，腿控制振荡器(VCO) 52产生覆盖预 定频率范围的探测信号。在一些实施例中，该探测信号包括扫过该频率范围的 载波。或者，该探测信号可包含根据预定频率列表从一个频率瑕歐到另一频率
的载波。该探湖赔号还可包含瞬时覆盖该频率范围或其部分的宽带信号。还或 者，可使用扫描预定频率范围的ftf可其他的方法。该探测信号被发射放大器56放大并经由鄉織60朝应答器46发射。 ，60可包含发射线圈或任何其他合适的天线结构。在一些实施例中，禾, 安排在相位锁定环(PLL)结构中的相位检观螺(PD) 68和比较器(CP) 70 来将VCO 52设定到所需的频率，如现有狱已知的。接收天线，诸如接收线 圈64，接收由应答器46所产生的信号以响应该探测信号。通过接收放大器66 将所接收的信号放大以产生接收器输出信号。所述探测信号在谐振电路48中感生出电流。该感生电流的幅值取决于探 测信号频率相对于电路48谐振频率。换句话说，谐振电,据谐振电路的谐 振频率和探测信号的频率给探观赔号鹏不同的负载。该感生电流促使谐振电路产生具有相同频率的电磁场、或信号。由该谐振 电路所产生信号的幅值同样取决于探测信号的频率相对于电路48的谐振频率。当探测信号的频率接近电路48的谐振频率时，在谐振电路中所感生的电 流接腿大值，这又鄉鹏織收到的信号幅值最大。结果，足鹏器PLL锁定 招皆振电路48的谐振频率上。足贩宇、处理器72执行足鹏器40的各种测量、分析和控制功能。舰器72 可包含运行适当软件代码的微处理器。或者，使用适当的硬件或^ffi硬件和软 件功能的结合来实现处理器72。在一些实施例中，鹏器72控制VCO 52禾P/ 郷艮踪器40的其他部件以在所需的频率上产生探测信号。使用所接收的信号， 处理器72分析接收器输出信号以估计谐振电路48的谐振频率。基于所估计的 谐振频率，,器72确定相对于定位垫34,应答器46的和^IA物26的位置 和方向。在一些实施例中，S鹏处理器72在预定范围上扫描由VCO 52所产生的 探测信号的频率并在每个频率测量所接收信号的量值。接着处理器72在该频 率范围上响应于所湖啲接收信号的幅it^估计电路48的谐振频率。在一些实 施例中，处理器72 i湖俱有最大接收信号量值的频率。或者，鹏器72可使 用任何其他统的方法縫于所接收的信号估计电路48的谐振频率。在一些实施例中，跟踪器40在发射和接收模式间交替。换句话说，跟踪 驗某一时间间隔期间以特定的频率发娜测信号，并接着在随后的时间间隔
接收由应答器产生的信号。在这些实施例中，跟踪处理器72可交替开关发射 放大器56和CP 70的电源。当在发射模式下，，放大器56开而CP 70关， 反之亦然。例如，在图2中，由处理器72产生的开/关控制信号利用倒相器74在放大器56和CP 70之间交鄉电。图3A是示意性示出了根据本发明实施例的应答器46典型构造的结构图。 在这一示例中的谐振电路48包括电容器80和电繊82,并且电麟82用作 场响应元件。众所周知的是电路48的谐振频率由/, =_^给定，其中L表示电感器82的电感系数，而C ，电容器80的电容。电感器82缠绕或以其他方^置在芯84的周围，该芯84的磁导率，表 示为p，影响电感器82的电感系数L，其又影响电路48的谐振频率f『。在一 些实施例中，芯84包含能响应周围磁场而改变其磁导率的磁感应材料。芯84 的磁感应材料可包含例如FeCuNbSiB/Cu/FeCuNbSiB膜或类似材料。或者，具有磁感应属性的任何其他合适的材料可用于这一目的。通常，芯 84的磁导率响应沿该芯的轴投影的磁场分量而改变。这样，电路48的谐振频 率指示了植入物26相对于产生该场的定位垫34的位置和方向。图3B是示意性示出根据本发明的另一个实施例的应答器46的示例性构 造的结构图。在图3B的结构中，电路48J^&含电感器86和电容器88的并联 谐振电路，并且电容器88用作场响应元件。在一些实施例中，电容器88耦合 到磁限制(magnet(westrictive)元件90,其响应于周围磁场而收缩和/或延伸。 元件90可包含本领域已知的倒可^S的磁限串附料，诸如像Terfenol-D。在一些实施例中，电容器88包括两个由气隙或适当电介质分离的相互面 对的导电电极，诸如导电板。在图3B的示例中，将元件90机Wk^接到电容 器88的其中一个导电板上。当周围磁场改变时，元件90收縮舰伸，由此，特别M过改变电容器极板之间间隙的宽度，改变电极间的空间关系。间隙宽 度的变化改变了电容器88的电容，这会改变电路48的谐振频率。通常，电容 器88和元件90沿一轴布置，使得电容器极板之间的间隙基本上仅响应于、皿 一轴的元件90的收敏延伸而变化。这样，象在上面图3A的结构中一样，电 路48的谐振频率响应沿该轴的磁场分量的改变而改变。在备选实施例中(未在附图中显示)，磁限制元件90能以其他方式改变电 极的空间关系。例如，元件90可耦合到电容器88从而改变导电板的相对面积，
这也影响电容器88的电容。喊者，电容器88可包含具有任何形^^式的 导电电极，并且可将磁限制元件90以任何适当的方式耦合到该电容器，从而 响应周围磁场改变电容器的电容。在可选实施例中，表面声波(SAW)器件也 可用作谐振电路48中的场谐振元件，因为磁场改变了 SAW器件的内部反射行为。虽然此处所描述的方法和系统主要是关于通过医，入物、工具和器械远 粗皆振频率观懂的位置足鹏，但是本发明的原理也可用于执行其te用中的位 置S鹏，诸如射频ii^ij (RFID)丰g和工业磁场传,。这##^意识溯的是上述实施例是作为示例弓间的，并且本发明不限于上 面已经具体显示和描述的内容。相反，本发明的范围包括上面描述的各种特征 的结合和次结合，以及本领域的技术人员在阅读上述描述后会想到并且在已有 技术中没有公开的改动和修正。
权利要求
1、一种用于位置跟踪的系统，包含一个或多个场发生器，设置成产生一个或多个各自的随位置改变的磁场；应答器，其包含具有谐振频率的谐振电路并包含场响应元件，该场响应元件可用于响应于所述一个或多个磁场而改变所述谐振频率；以及位置跟踪器，其设置成远程感测所述谐振电路的谐振频率并响应所感测的谐振频率来确定应答器的位置。
2、 根据权利要求1的系统，其中将繊答器附着于适于插入到患者体内 的对象，并且其中该位置足鹏器體成确定所舰象在体内的錢。
3、 根据权利要求1的系统，其中所述场响应元件包含具有感应系数的电 感器，所述感应系数响应于所述一个或多个磁场而改变从而改变所述谐振频 率。
4、 根据权利要求3的系统，其中该电感器包含芯，该芯包含磁感应材料 并具有磁导率，该磁导率响应于所述一个或多个磁场而改变从而改变所述感应 系数。
5、 根据权利要求1的系统，其中场响应元件包含具有电容的电容器，该 电容响应于所述一个或多个磁场而改皿而改^^述谐振频率。
6、 根据权利要求5的系统，其中该电容器包含导电电极，并且该场响应 元件包含磁限制元件，该磁限制元件附着到至少所述电极之一并设置成响应于 所述一个或多个磁场而改^^述电极的空间关系，从而改^^M电容。
7、 根据权利要求1的系统，其中所述一个或多个场发生器中的每一个包 含至少两个由各自驱动信号驱动的场辐射线圈，以产生旋转磁场。
8、 根据权利要求1的系统，其中戶腿一个或多个场发生驗两个鞭多 个不同的相应位置处包含两个或更多个场发生器，它们相继运行以产生各自随 位置改变的磁场。
9、 根据权利要求1的系统，其中将位置S鹏器设置成在预定频率范围朝 向应答器发射探测信号，接收由应答器响应于该探测信号所产生的信号，响应 于由应答器产生的信号由谐振电路在所述频率范围测fi^述探测信号的加载， 并响应该于该加 估计谐振频率。
10、 一种用在位置l 鹏系统中的应答器，鹏答器包含具新皆振频率的谐振电路并包含场响应元件，该场响应元件可用于响应于外部施加的磁场而改^变 所述谐振频率，使得该谐振电路响应于该磁场在该谐振频率的附近可变地反映 所述探测信号。
11、 根据权利要求10的应答器，其中将该应答器附着到适于插入患者体内的对象。
12、 根据权利要求10的应答器，其中场响应元件包含具有感应系数的电 麟，该感应系数响应于外部施加的磁场而改條而改^^述谐振频率。
13、 根据权利要求12的应答器，其中该电感器包含芯，该芯包含磁感应 材料并具有磁导率，该磁导率响应于外部施加的磁场而发生改变从而改变所述 感应系数。
14、 根据权利要求10的应答器，其中该场响应元件包含具有电容的电容 器，该电容响应于外部施加的磁场而发生改变从而改^^f述谐振频率。
15、 根据权利要求14的应答器，其中该电容器包括导电电极，并且该场 响应元件包括磁限制元件，该磁限制元件附于至少所述电极之一并设置成响应 于外部施加的磁场改5^f述电极的面积空间关系，从而改^^f述电容。
16、 一种用于位置足ll^的方法，包括将应答器附着于对象，鹏答器包含具有谐振频率的谐振电路，并包含可 用于响应于周围磁场而改，述谐振频率的场响应元件； 在iM象的附近产生随位置改变的磁场； ^i感测所述谐振电路的谐振频率；以及 响应于所感测的谐振频率来确定应答器的錢。
17、 根据权利要求16的方法，还包含将该对象插入到患者体内，并且其 中确定该应答器的位置包括跟踪所舰象在体内的位置。
18、 根据权利要求16的方法，其中该场响应元件包括具有感应系数的电 感器，该感应系数响应于所述随位置改变的磁场改变，从而改^0f述谐振频率。
19、 根据权利要求18的方法，其中该电感器包含芯，该芯包含磁感应材 料并具有磁导率，该磁导率响应于所述随位置改变磁场而发生改变，从而改变 所述感应系数。
20、 根据权利要求16的方法，其中所述场响应元件包括具有电容的电容 器，该电容响应于所述随錢改变的磁场而发生改变，从而^^f述谐振频率。
21、 根据权利要求20的方法，其中所述电容器包含导电电极，并朋万述 场响应元件包含磁限制元件，该磁限制元件附着于至少所述电极之一并设置成 响应于所述随位置改变的磁场而改变电极的面积空间关系，从而改变所述电 容。
22、 根据权利要求16的方法，其中产生所述随位置改变的磁场包括用各 自的驱动信号驱动一个或多个场发生器，从而产生一个或多个旋转磁场。
23、 根据权利要求16的方法，其中产生随位置改变的磁场包括，相继驱动在两个或更多个不同的相应位置处的两个或更多个磁场发生器，以产生各自 的随^改变的fl^场。
24、 根据权利要求16的方法，其中感测谐振频率包括在预定频率范围 向应答器发射探测信号，接收由应答器响应于该探测信号所产生的信号，响应 于由所述应答器产生的信号，在所述频率范围上由所述谐振电路测量所述探测 信号的加载，并响应于该加载来估计所述谐振频率。
全文摘要
一种用于位置跟踪的系统，包括一个或多个场发生器，设置成产生一个或多个各自的随位置改变的磁场。该应答器包括具有谐振频率的谐振电路并包括场响应元件，其可用于响应于所述一个或多个磁场而改变谐振频率。将位置跟踪器设置成远程感测谐振电路的谐振频率并响应所感测的谐振频率来确定应答器的位置。
文档编号A61B5/06GK101396266SQ20071012662
公开日2009年4月1日 申请日期2007年5月11日 优先权日2006年5月12日
发明者M·莱文, Y·利奇滕斯坦 申请人:韦伯斯特生物官能公司