区域型定位模块的制作方法

本发明关于一种区域型定位模块，特别是一种利用无线通信方式将定位信号收发单元所发射调频频率与定位标所反射该调频频率的一频率差，计算该定位信号收发单元与该定位标的距离，并且以本发明所述的收发单元可有效降低噪声干扰，以利进行手术导航作业。

背景技术：

随这老化人口比例增加，再加上现代人生活特性影响，如肥胖、久坐等，其脊椎产生病变比例逐年增长；在保守性治疗失效后，往往需要依靠植入物来协助脊椎减轻疼痛感并维持基本功能。

现有技术中，如美国专利号us8435171揭示一种自动辅助设备与施术者间的操作接口，其利用无线定位技术侦测手术器械与内视镜扶持机械臂位置，进而通过追踪手术器械位置来遥控内视镜视野达到人机界面控制功能。

另外，如中国台湾专利号twi235523揭示了利用多方向接收信号电源的植入式接收天线提供多方向的电信号或电力输入，免除或减少单一方向输入的限制，减少输入的死角，使植入式组件时时刻刻能正常工作，并且当同时使用多组植入式组件时，并不用考虑方向性问题，使所有植入式组件皆能正常工作，使操作者能够更简单的操作。

然而，上述现有技术中，并无进一步揭露如何针对患者骨头与医学影像进行空间坐标转换以及手术导航应用。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种用于脊椎的区域型定位模块，其借由可调频定位信号收发单元发射调频信号至植于脊椎每一椎节上的定位标，当定位标将调频信号反射后，借由发射与接收时调频信号的频率差来计算该距离并且完成坐标定位，其中该定位信号收发单元用以发射24g以上调频频率信号，该定位标反射该调频频率信号后至该定位收发单元，且由第一带通滤波器、一低噪声放大器、一第二带通滤波器信号处理，借此可有效滤除频带外的干扰信号与噪声，以更精确做距离计算。

本发明提供的区域型定位模块包括一定位信号收发单元，包括：

一定位信号收发单元，具有一接收天线数组、一第一带通滤波器、一低噪声放大器、一第二带通滤波器、一混频器、一功率分配器、一功率放大器及一发射天线数组，其中该调频频率信号经由该功率放大器放大信号后通过该发射天线数组发射；

多个定位标，用以接收该调频频率信号后，反射与调频频率信号相同的一定位标频率信号至该定位信号收发单元；

其中该接收天线数组取得该定位标频率信号后，通过该第一带通滤波器、该低噪声放大器、该第二带通滤波器及该功率分配器以滤除频带外的干扰信号与噪声。

其中该多个定位标分别设置于一脊椎的一椎节上。

其中还包括一手术器械，用以接收该调频频率信号后，回传一器械频率信号至该定位信号收发单元，其中该器械频率信号与该调频频率信号为相同波形。

其中还包括一处理单元，根据该定位标频率信号与该调频频率信号的信号差，以一算法计算该多个定位标与该定位信号收发单元间的一定位标距离，并根据该定位标距离计算出一脊椎空间坐标，根据该器械频率信号与该调频频率信号的信号差，以该算法计算该手术器械与该定位信号收发单元的一器械距离，并根据该器械距离计算出一器械空间坐标，根据该脊椎空间坐标及该器械空间坐标进行一手术导航作业。

其中该算法为频率调制连续波定位算法，该处理单元根据同一时间所接收到该定位标频率信号与该调频频率信号的信号差计算该定位标距离，该处理单元同一时间根据该器械频率信号与该调频频率信号的信号差计算该器械距离。

其中该多个定位标还包括一标识符，该手术器械还包括一器械标识符，该定位信号收发单元用以接收该标识符及该器械标识符后，该处理单元将该标识符定义到相对应的该脊椎空间坐标，该处理单元将该器械标识符定义到相对应的该器械空间坐标。

其中该处理单元根据该定位标距离以三角定位法计算出该脊椎空间坐标，该处理单元根据该器械以三角定位法计算出该器械空间坐标。

其中该定位信号收发单元为至少二定位信号收发单元，其分别设置于该脊椎周缘，该处理单元根据该二定位信号收发单元所接收到的该二定位标频率信号计算所对应的该二定位标距离，再以三角定位法计算出该脊椎空间坐标。

其中该定位信号收发单元为至少二定位信号收发单元，其分别设置于该手术器械周缘，该处理单元根据该二定位信号收发单元所接收到的该二器械频率信号计算所对应的该二器械距离，再以三角定位法计算出该脊椎空间坐标。

其中该定位信号收发单元的扫频范围为24ghz-24.4ghz。

附图说明

图1a为手术导航作业的示意图。

图1b为本发明的区域型定位模块的示意图。

图2为本发明应用于手术导航作业的方块图。

图3a及图3b为本发明的调频频率信号示意图。

图4为本发明应用于手术导航作业的影像示意图。

图5为本发明应用于手术导航作业的定位标天线示意图。

图6为本发明应用于手术导航作业的手术器械天线示意图。

图中：

10定位模块；

11脊椎；

12定位标；

12a、12b天线；

12a1、12b1定位标频率信号；

13a、13b天线；

13a1、13b1器械频率信号；

121定位标频率信号；

121a标识符；

13手术器械；

131器械频率信号；

131a器械标识符；

14定位信号收发单元；

140调频频率信号；

141接收天线数组；

142第一带通滤波器；

1421第二带通滤波器；

143低噪声放大器；

144混频器；

145功率分配器；

146功率放大器；

147发射天线数组；

148视频图形数组；

l1、l11定位标距离；

l2、l21器械距离；

20处理单元；

30手术影像；

31脊椎影像；

311脊椎空间坐标；

32手术器械影像；

321器械空间坐标；

d1、d2信号差；

t1时间；

s1、s2角度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1a至图4，图1a为手术导航作业的示意图，图1b为本发明的区域型定位模块的示意图，图2本发明应用于手术导航作业的方块图，图3a及图3b为本发明的手术导航作业的调频频率信号示意图，图4为本发明应用于手术导航作业的影像示意图。首先，在脊椎手术前已先拍摄脊椎ct(computedtomography)影像后，再拍摄已植入于脊椎上的本发明所述的定位标12的c-arm影像，接着将二影像叠合为手术影像30，因此手术影像30可包括脊椎影像31及手术器械影像32，接着再汇入本发明所述的区域型定位模块以进行手术导航作业，而本发明区域型定位模块，包括：定位模块10，定位模块10包括：定位信号收发单元14，用以发射调频频率信号140至该多个定位标12及手术器械13。

接着参考图1b，定位信号收发单元14具有一接收天线数组141、第一带通滤波器142、第二带通滤波器1421、低噪声放大器143、混频器144、功率分配器145、功率放大器146、发射天线数组147及视频图形数组148，其中一调频频率信号经由该功率放大器146放大信号后通过该发射天线数组147发射该放大后的该调频信号至直于脊椎11定位标12，该定位标接收该调频信号后反射与该调频信号相同波型的一定位标频率信号121，通过接收天线数组141取得定位标频率信号后，通过第一带通滤波器142、第二带通滤波器1421、低噪声放大器143及功率分配器145以滤除频带外的干扰信号与噪声。

更进一步来说，定位信号收发单元14所发射的该调频信号扫频范围为24ghz-24.4ghz，调频信号将可以区隔环境杂波与目标物的回波信号，降低环境干扰。

多个定位标12，分别设置于脊椎11的一椎节上，每一定位标12用以接收该调频频率信号140后，回传定位标频率信号121至该定位信号收发单元14，该定位信号收发单元14接收定位标频率信号121，其中该定位标频率信号121与该调频频率信号140为相同波形，更详细而言，该多个定位标12内具有天线，当该天线接收到调频频率信号140后将该信号反射回该定位信号收发单元14，因此定位标频率信号121与该调频频率信号140为相同波形。

另外，手术器械13，用以接收该调频频率信号140后，回传该器械频率信号131至该定位信号收发单元14，该定位信号收发单元14接收器械频率信号131，其中该器械频率信号131与该调频频率信号140为相同波形，更详细而言，该手术器械13内具有天线，当该天线接收到调频频率信号140后将该信号反射回该定位信号收发单元14，因此器械频率信号131与该调频频率信号140为相同波形。

处理单元20，电性连接该定位信号收发单元14，根据定位标频率信号121与该调频频率信号140的信号差d1，以算法计算该多个定位标12与该定位信号收发单元14间的定位标距离l1，其中该算法为频率调制连续波(frequencymodulatedcontinuouswaveform;fmcw)定位算法，该处理单元20根据同一时间t1所接收到定位标频率信号121与该调频频率信号140之间的信号差d1来计算该定位标距离l1，并根据该定位标距离l1计算出脊椎空间坐标311。

上述中，详细而言，因传输速度快，时间差极小，因此本发明取同一时间t1作为取样。

于一实施例中，该定位信号收发单元14至少为二定位信号收发单元14，其分别设置于该脊椎11周缘，该处理单元20根据二定位信号收发单元14所接收到的该二定位标频率信号121计算所对应的该二定位标距离l1、l11，再以三角定位法计算出该脊椎空间坐标311。

另外，处理单元20根据器械频率信号131与该调频频率信号140的信号差d2，以频率调制连续波定位算法计算该手术器械13与该定位信号收发单元14的器械距离l2，根据并根据该器械距离l2计算出器械空间坐标321。

于一实施例中，该定位信号收发单元14至少为二定位信号收发单元14，其分别设置于该手术器械13周缘，该处理单元20根据二定位信号收发单元14所接收到的该二器械频率信号131计算所对应的该二器械距离l2、l21，再以三角定位法计算出该脊椎空间坐标321。

进一步地，请参考图4，该多个定位标12还包括标识符131a，该手术器械13还包括器械标识符121a，该定位信号收发单元14用以接收该标识符121a及该器械标识符131a后，该处理单元20将该标识符121a定义到相对应的该脊椎空间坐标311，该处理单元20将该器械标识符131a定义到相对应的该器械空间坐标321，就由该标识符121a及该器械标识符131a可确认所对应的定位标12及手术器械13是否正确。

进一步说明，请参阅图5，每一定位标12还进一步包括至少二天线12a、12b，其接收该调频频率信号140后，回传该二定位标频率信号12a1、12b1至该定位信号收发单元14，该处理单元20借由该二定位标频率信号12a1、12b1计算出该二天线12a、12b与定位信号收发单元14的距离，以此计算出该定位标12植入脊椎与一默认施行手术导航路径之间的角度s1，以确认该定位标植入植椎是否与默认施行手术导航路径相同。

另外，请参阅图6，该手术器械13还进一步包括至少二器械天线13a、13b，其接收该调频频率信号140后，回传该二器械频率信号13a1、13b1至该定位信号收发单元14，该处理单元20借由该二器械频率信号13a1、13b1计算出该器械二天线13a、13b与定位信号收发单元14的距离，以此计算出该手术器械与默认施行手术导航路径之间的角度s2，以确认该手术器械的操作是否与默认施行手术导航路径相同。

如上述，利用本发明，在脊椎手术前可先汇入术前规划信息，接着根据该脊椎空间坐标、该器械空间坐标及定位标和手术器械角度等数据来进行手术导航作业。

本发明利用无线定位技术实现多椎节定位追踪导航手术技术，通过调频式射频定位技术加上标识符辨识功能，于椎节设置定位天线标记，通过独立追踪设置定位天线标记的椎节而非使用数值推算方式将全部脊椎视为刚体，进而提升医学影像注册精度与速度(加速演算收敛)，且本发明能拥有足够操作带宽以涵盖fmcw扫频范围(24ghz-24.4ghz)，加强室内定位精准度达到mm等级误差，提升手术植入物施打安全性与精准度，另外本发明加入切换调变机制，在频谱上将可以区隔环境杂波与目标物的回波信号，降低环境干扰，同时本导航系统适用于长节脊椎手术(脊椎侧弯矫正、多节脊椎骨折)，使施术不受大型红外线反光球定位标记器械限制。

本发明影像导引手术除了能够提供外科医生于器械使用时更具立体感、更多病灶数据及精确的影像信息之外，更能完整规划手术前步骤与预习，达到手术中实时影像导引与病灶处显影，以及手术后的评估实习医生教学与研究使用，且目前先针对以脊椎手术为临床应用方向，改善现有脊椎手术导航系统直视性遮蔽问题，此外人体电磁吸收率影响定位精度，突破体内定位追踪技术瓶颈，未来根据此室内定位技术，朝向notes手术应用或者腹腔手术应用，针对病患的病灶产生定位功能，缩短手术时间，也减少手术风险的可能性。

本发明可有效提升医师执行脊椎手术安全性与施术质量，同时降低手术中穿透式医学影像使用量并减轻医护人员游离辐射吸收量；另外医学影像导航技术为未来智能手术辅助系统主要核心基础，未来进一步结合手术机械臂与高聚焦式穿透性治疗设备(hifu、伽玛刀、质子治疗)可实现高精准治疗，降低患者术后并发症与影响。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。