测量收发器位置的射频定位方法与流程

一种射频定位方法，通过定位标签及收发器的双向信号传输定位收发器的坐标位置。

背景技术：

应用于手术定位的定位技术包含机械式定位(mechanicalpositioning)、超音波定位(ultrasoundpositioning)、电磁定位(electromagneticpositioning)、光学定位(opticalpositioning)、射频定位(radiofrequencypositioning)及x光与ct定位等。目前市面上应用于手术导引(surgicalnavigation)的定位技术产品，大多数采用光学定位技术中的红外线定位，由光学探头(opticalprobe)及嵌入反光球(reflectivesphere)的参考框架(dynamicreferenceframe,drf)组成，通过将参考框架安装于手术器械及患部上，利用光学技术追踪手术器械及患部的相对位置，再通过手术导引软体协助医师精准操作器械，然而临床资料显示，光学定位技术存在直视性遮蔽问题且参考框架体积大，手术空间易受局限，装置普遍而言较为笨重，且容易影响医师操作器械手感。

而射频定位技术产品，包含有多个收发器与定位标签，通过将多个收发器安装于已知位置，多个定位标签安装于欲定位的目标，再通过收发器位置追踪定位标签的位置。与光学定位装置相比，射频定位技术产品减少了直视性遮蔽的问题，然而收发器构造复杂，难以将各收发器实际的天线几何中心精准安装于已知位置，而电路传递信号所造成的延迟，亦使得收发器天线相位中心不在天线几何中心上，因而造成定位误差，且各收发器的安装调校耗时，造成操作不便。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种射频定位方法，利用无线射频的信号传输来测量收发器位置。

为达成前述目的，本发明的射频定位方法包含有：

计算至少一定位标签设置于多个相异已知坐标位置时与多个收发器的相对距离，当该至少一定位标签设置于各已知坐标位置时，进行以下步骤：

由多个收发器通过各该收发器中的一发射电路产生一发射信号，并通过与该发射电路相连接的一发射天线产生与该发射信号相对应的一发射信号电磁波向外传输；

该至少一定位标签中一标签电路通过与其相连接的一标签天线撷取该发射信号电磁波，并加入该标签天线的一识别码，再由该标签天线产生一调变信号电磁波对外传输；

各该收发器中的一接收电路通过与其连接的一接收天线接收该调变信号电磁波，该接收电路根据该调变信号电磁波产生一调变信号，并传送至与各该收发器连接的一处理单元；

该处理单元接收该调变信号后，通过该处理单元中的一辨识电路产生一识别信号，而该处理单元中的多个处理电路通过该识别信号，各该处理电路将该调变信号解调变，产生一接收信号；

各该处理电路比对该发射信号及该接收信号的频率得到一频率差，亦可将该发射信号与该接收信号混频产生一中频信号，再将该频率差或该中频信号传输至与该处理单元连接的一运算主机，供该运算主机进行运算；以及

该运算主机通过该频率差，根据距离d的计算公式计算该定位标签中该标签天线与该收发器的相对距离，或是该运算主机比对该中频信号与对应该中频信号的一初始中频信号，获得一相位差，并根据距离变化量的计算公式计算该收发器与该定位标签中该标签天线的距离变化量，其中，上式中的d代表距离、c代表电磁波速度、δf代表频率差、(df/dt)代表每单位时间的频率变化量、δd代表距离变化量、λ代表波长、δф代表相位差、π代表圆周率；

该运算主机根据该至少一定位标签设置于多个相异已知坐标位置时与各该收发器的该相对距离或该距离变化量，计算各该收发器的坐标位置。

本发明通过该至少一定位标签与多个收发器双向电磁波信号传输，计算各该收发器的坐标位置，可应用于射频定位装置的初始化，而定位标签的体积较收发器小、移动方便，且不须精准安装各该收发器于指定位置，而是通过各该收发器的真实安装位置与该至少一定位标签坐标位置的相对距离或距离变化量进行射频定位演算，能减少将各该收发器精准安装于指定位置的繁复流程，以及因电路延迟使得收发器天线的相位中心不在收发器几何中心上导致的定位运算误差，提高射频定位装置安装的便利性及定位准确度。

附图说明

图1：本发明测量收发器位置的射频定位方法的流程图；

图2：本发明定位标签的电路方块图；

图3：本发明收发器的电路方块图；

图4：本发明处理单元的电路方块图；

图5：发射信号tx与接收信号rx的频率差δf的示意图。；

图6a：不同频率的发射信号的波形示意图；

图6b：不同时段的发射信号的波形示意图；

图6c：不同频率、不同时段的发射信号的波形示意图；

图7：本发明应用于三维空间的第一实施例示意图；

图8：本发明应用于三维空间的第二实施例示意图；

图9：本发明应用于手术器械定位的示意图。

符号说明

10定位标签

11标签电路

12标签天线

20、20a、20b、20c、20d收发器

21、21a、21b、21c、21d发射电路

22、22a、22b、22c、22d接收电路

23、23a、23b、23c、23d发射天线

24、24a、24b、24c、24d接收天线

30信号模块

31处理单元

311辨识电路

312、312a、312b、312c、312d处理电路

32多工器

33模拟数字转换器

40运算主机

tx、tx1、tx2、tx3、tx4发射信号

rx接收信号

if1初始中频信号

if中频信号

具体实施方式

请参看图1，为本发明测量收发器位置的射频定位方法的流程图：

s101：如图2及图3所示，计算至少一定位标签10设置于多个相异已知的坐标位置时与多个收发器20的距离，当该至少一定位标签10设置于各坐标位置时，本步骤进行以下步骤s102～s107，其中，该至少一定位标签10包含有至少一标签电路11，且各该标签电路11连接与其对应的一标签天线12，该至少一定位标签10亦可包含多个标签电路11及与各标签电路11相对应的标签天线12，例如在同一个定位标签中包含有三个标签电路11与三个分别对应的该标签天线12，而各该收发器20包含有一发射电路21及一接收电路22，该发射电路21连接一发射天线23，该接收电路22连接一接收天线24。

s102：由各该收发器20中的该发射电路21产生一发射信号并通过该发射天线23产生与该发射信号相对应的一发射信号电磁波向外传输。

s103：该至少一定位标签10中的该标签电路11通过该标签天线12撷取该些收发器20所传输的该发射信号电磁波，并加入该标签天线12的一识别码，再通过该标签天线12产生一调变信号电磁波对外传输。

s104：各该收发器20中的该接收电路22通过该接收天线24接收该调变信号电磁波，该接收电路22根据该调变信号电磁波产生一调变信号，并传送至与该些收发器20连接的一处理单元31。

s105：进一步参看图4所示，该处理单元31具有一辨识电路311及多个处理电路312，该处理单元31接收该调变信号后，该些处理电路312通过该辨识电路311产生的一识别信号将该调变信号解调变，产生一接收信号，其中，该处理单元31中该些处理电路312的数量与该些收发器20的数量相等，各该处理电路312负责接收与其相对应的收发器20所传输的信号。

s106：请参看图5，该处理电路312可比对该发射信号tx及该接收信号rx的频率得到一频率差δf，亦可将该发射信号tx与该接收信号rx混频后获得一中频信号if，再将该频率差δf或该中频信号if传输至一运算主机40，供该运算主机40进行运算。

s107：该运算主机40通过该频率差，根据距离d的计算公式计算该至少一定位标签10中该标签天线12与各该收发器20的相对距离，或是该运算主机40比对该中频信号if与对应该中频信号if的一初始中频信号if1，获得一相位差δф，并根据距离变化量的计算公式计算各该收发器20与该至少一定位标签10中该标签天线12的距离变化量。

s108：该运算主机40根据该至少一定位标签10中该标签天线12与各该收发器20的相对距离或距离变化量计算各该收发器20的坐标位置。

在步骤s101中，可以将一个定位标签10依序设置于多个相异已知坐标位置进行步骤s102～s107，亦可由多个定位标签10设置于多个相异已知坐标位置，当各该定位标签10设置于各已知坐标位置时进行步骤s102～s107。

在步骤s106中，该处理单元31中的各该处理电路312可将第一个发射信号与第一个接收信号混频所得到的一中频信号定义为一初始中频信号if1。

在步骤s108中，该运算主机40根据该至少一定位标签10的多个相异已知坐标位置与各该收发器20的相对距离或距离变化量进行各该收发器20的坐标位置运算，其中该多个相异已知坐标位置的数量是视该至少一定位标签10与各该收发器20实际应用情形架设于二维空间中或三维空间中，当定位标签10与该收发器20装设在二维空间中，因为需求解该收发器20的坐标(xa,ya)，由于含有xa及ya两个待求解变数，至少需要由三个相异的该定位标签10的坐标位置与该收发器20的坐标位置关系组成三组二次方程式求解。而以三维空间中求解该收发器20坐标(xa,ya,za)为例，由于含有xa、ya、za三个待求解变数，至少需要由各该定位标签10的四个相异坐标位置与该收发器20的坐标位置关系组成四组二次方程式求解，且当相异已知坐标位置数愈多，由该定位标签10的坐标位置与各该收发器20的坐标位置关系组成的方程式亦愈多，步骤s108中求解各该收发器20坐标位置的精确度也愈高。

本发明射频定位方法中该发射信号通过频率调变，为了能够区别各该收发器20所产生的发射信号，每个发射电路21会设计成不同的频率调变区间，如图6a所示，以使用三个该收发器20为例，则三组发射信号tx1～tx3可以采用不同的频率调变区间，达到分频多工；亦可如图6b所示，以使用四个该收发器20为例，将每个发射电路21设计成在不同时段依序产生发射信号tx1～tx4，达到分时多工；又或者如图6c所示，以使用四个该收发器20为例，四组发射信号tx1～tx4以分时分频的方式加以区分，使得同时间或同频率的发射信号不会重叠，达到区隔识别的目的。

请参考图7所示，以下以四个收发器20a～20d于三维环境中分时多工运作，说明上述步骤s102～s107的第一实施例，以频率差测量收发器20坐标位置方法的实际应用，而三维环境中至少需要四个相异的该定位标签10的坐标位置求解收发器20的坐标位置，本实施例中以六个相异的一定位标签10的已知坐标位置为例，且该定位标签10包含有一标签电路11及一标签天线12。在环境中摆放该定位标签10于一第一已知位置(x1,y1,z1)，并固定设置第一～第四收发器20a～20d于位置(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)、(xd,yd,zd)，而该些第一～第四收发器20a～20d与一处理单元31连接，该处理单元31中包含一辨识电路311及与各该收发器20a～20d相对应的各处理电路312a～312d，且该处理单元31与一运算主机40连接。

首先，该第一收发器20a中的该发射电路21a产生一发射信号sa，并通过与其连接的该发射天线23a发射与该发射信号sa相对应的发射信号电磁波ea，且该发射信号sa亦会传送至该处理电路312a；该定位标签10通过该标签天线12接收该发射信号电磁波ea后，由该标签电路11加入该标签天线12的一识别码，再由该标签天线12产生一调变信号电磁波eat1向外传输；该接收天线24a接收该调变信号电磁波eat1，接着该接收电路22a产生与该调变信号电磁波eat1相对应的一调变信号sat1并传送至该处理电路312a；该处理电路312a通过该辨识电路311的一识别信号对该调变信号sat1进行解调变，产生一接收信号sat1'；该处理电路312a比对该发射信号sa与该接收信号sat1'的频率得到一频率差δfa1，该处理单元31将该频率差δfa1传送至该运算主机40。

同理，该第一收发器20a的该发射天线23a产生发射信号电磁波ea后，该些第二～第四收发器20b、20c、20d中的该些发射电路21b～21d依序产生发射信号sb、sc、sd，并通过与其连接的各发射天线23b～23d输出发射信号电磁波eb、ec、ed；该定位标签10通过该标签天线12依序接收该些发射信号电磁波eb、ec、ed，由该标签电路11加入该标签天线12的一识别码，再通过该标签天线12产生调变信号电磁波ebt1、ect1、edt1向外传输；该些接收天线24b～24d接收该些调变信号电磁波ebt1、ect1、edt1，接着该些接收电路22b～22d产生分别与该些调变信号电磁波ebt1、ect1、edt1相对应的调变信号sbt1、sct1、sdt1并传送至处理电路312b～312d；该些处理电路312b～312d通过该辨识电路311的该识别信号对该些调变信号sbt1、sct1、sdt1进行解调变，产生接收信号sbt1'、sct1'、sdt1'；该些处理电路312b～312d分别比对该些发射信号sb、sc、sd及与其对应的该些接收信号sbt1'、sct1'、sdt1'的频率得到频率差δfb1、δfc1、δfd1，该处理单元31将该些频率差δfb1、δfc1、δfd1传送至该运算主机40。

接着，将该定位标签10依序放置于一第二已知位置(x2,y2,z2)、一第三已知位置(x3,y3,z3)、一第四已知位置(x4,y4,z4)、一第五已知位置(x5,y5,z5)、一第六已知位置(x6,y6,z6)上，重复上述流程s102～s106，得到该定位标签10置于第二～第六已知坐标(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)时，该第一收发器20a的发射信号与接收信号的频率差δfa2、δfa3、δfa4、δfa5、δfa6，该第二收发器20b的发射信号与接收信号的频率差δfb2、δfb3、δfb4、δfb5、δfb6，该第三收发器20c的发射信号与接收信号的频率差δfc2、δfc3、δfc4、δfc5、δfc6，该第四收发器20d的发射信号与接收信号的频率差δfd2、δfd3、δfd4、δfd5、δfd6，并将该些频率差δfa2～δfa6、δfb2～δfb6、δfc2～δfc6、δfd2～δfd6传送至该运算主机40。

以测量该第一收发器20a的坐标位置(xa,ya,za)为例，上述第一实施例中，该运算主机40可由该些频率差δfa1～δfa6根据公式得知该第一收发器20a其坐标位置(xa,ya,za)分别与第一～第六已知坐标位置(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)的距离da1、da2、da3、da4、da5、da6。

请参考图8所示，以下以四个收发器20a～20d于三维环境中分时多工运作，说明上述步骤s102～s107的第二实施例，以相位差测量收发器20坐标位置方法的实际应用，而三维环境中至少需要四个相异的该定位标签10的坐标位置求解收发器20的坐标位置，本实施例中以六个相异的一定位标签10的坐标位置为例，且该定位标签10包含有一标签电路11及一标签天线12。在环境中摆放该定位标签10于一第一已知位置(x1,y1,z1)，并固定设置第一～第四收发器20a～20d于位置(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)、(xd,yd,zd)，而该些第一～第四收发器20a～20d与一信号模块30连接，该信号模块30与一运算主机40连接，其中，该信号模块30包含有一处理单元31、一多工器32及一模拟数字转换器33，该多工器32分别与该处理单元31及该模拟数字转换器33连接，而该处理单元31中包含一辨识电路311及与各该收发器20a～20d相对应的各处理电路312a～312d。

该第一收发器20a中的该发射电路21a产生一发射信号sa，并通过与其连接的该发射天线23a产生发射信号电磁波ea，且该发射信号sa亦会传送至该处理电路312a；该定位标签10通过该标签天线12接收该发射信号电磁波ea，由该标签电路11加入该标签天线12的一识别码，再由该标签天线12产生一调变信号电磁波eat1向外传输；该接收天线24a接收该调变信号电磁波eat1，该接收电路22a产生与该调变信号电磁波eat1相对应的一调变信号sat1并传送至该处理电路312a；该处理电路312a通过该辨识电路311的一识别信号对该调变信号sat1进行解调变，产生一接收信号sat1'；该处理电路312a将该发射信号sa及该接收信号sat1'混频得到一初始中频信号sat1"，该信号模块30将该初始中频信号sat1"传送至该运算主机40。

同理，该第一收发器20a的该发射天线23a产生发射信号电磁波ea后，该些第二～第四收发器20b、20c、20d中的该些发射电路21b～21d依序产生发射信号sb、sc、sd，并通过与其连接的各发射天线23b～23d产生发射信号电磁波eb、ec、ed；该定位标签10依序接收该些发射信号电磁波eb、ec、ed，由该标签电路11加入该标签天线12的该识别码，再通过该标签天线12产生调变信号电磁波ebt1、ect1、edt1向外传输；该些接收天线24b～24d接收该些调变信号电磁波ebt1、ect1、edt1，该些接收电路22b～22d产生分别与该些调变信号电磁波ebt1、ect1、edt1相对应的调变信号sbt1、sct1、sdt1并传送至处理电路312b～312d；该些处理电路312b～312d通过该辨识电路311的该识别信号对该些调变信号sbt1、sct1、sdt1进行解调变，产生接收信号sbt1'、sct1'、sdt1'；该些处理电路312b～312d将各该发射信号sb、sc、sd及各该接收信号sbt1'、sct1'、sdt1'混频得到初始中频信号sbt1"、sct1"、sdt1"，该信号模块30将该些初始中频信号sbt1"、sct1"、sdt1"传送至该运算主机40。

将该定位标签10放置于一第二已知坐标(x2,y2,z2)，该第一收发器20a中的该发射电路21a产生一发射信号sa，并通过与其连接的该发射天线23a产生发射信号电磁波ea，且该发射信号sa亦会传送至该处理电路312a；该定位标签10通过该标签天线12接收该发射信号电磁波ea，由该标签电路11加入该标签天线12的一识别码，再由该标签天线12产生一调变信号电磁波eat2向外传输；该接收天线24a接收该调变信号电磁波eat2，该接收电路22a产生与该调变信号电磁波eat2相对应的一调变信号sat2并传送至该处理电路312a；该处理电路312a通过该辨识电路311的一识别信号对该调变信号sat2进行解调变，产生一接收信号sat2'；该处理电路312a将该发射信号sa及该接收信号sat2'混频得到一中频信号sat2"，该信号模块30将中频信号sat2"传送至该运算主机40。

同理，该第一收发器20a的该发射天线23a产生发射信号电磁波ea后，该些第二～第四收发器20b、20c、20d中的该些发射电路21b～21d依序产生发射信号sb、sc、sd，并通过与其连接的各发射天线23b～23d产生发射信号电磁波eb、ec、ed；该定位标签10依序接收该些发射信号电磁波eb、ec、ed，由该标签电路11加入该标签天线12的该识别码，再通过该标签天线12产生调变信号电磁波ebt2、ect2、edt2向外传输；该些接收天线24b～24d接收该些调变信号电磁波ebt2、ect2、edt2，该些接收电路22b～22d产生分别与该些调变信号电磁波ebt2、ect2、edt2相对应的调变信号sbt2、sct2、sdt2并传送至处理电路312b～312d；该些处理电路312b～312d通过该辨识电路311的该识别信号对该些调变信号sbt2、sct2、sdt2进行解调变，产生接收信号sbt2'、sct2'、sdt2'；该些处理电路312b～312d将各该发射信号sb、sc、sd及各该接收信号sbt2'、sct2'、sdt2'混频得到中频信号sbt2"、sct2"、sdt2"，该信号模块30将该些中频信号sbt2"、sct2"、sdt2"传送至该运算主机40。

将该定位标签10依序放置于一第三已知坐标(x3,y3,z3)、一第四已知坐标(x4,y4,z4)、一第五已知坐标(x5,y5,z5)、一第六已知坐标(x6,y6,z6)上，重复上述流程s102～s106，得到该定位标签10于第三～第六已知坐标(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)时，该第一收发器20a的中频信号sat3"、sat4"、sat5"、sat6"，该第二收发器20b的中频信号sbt3"、sbt4"、sbt5"、sbt6"，该第三收发器20c的中频信号sct3"、sct4"、sct5"、sct6"，该第四收发器20d的中频信号sdt3"、sdt4"、sdt5"、sdt6"，并将该些中频信号sat3"～sat6"、sbt3"～sbt6"、sct3"～sct6"、sdt3"～sdt6"传送至该运算主机40。

该运算主机40将该第一收发器20a的各该中频信号sat2"、sat3"、sat4"、sat5"、sat6"与该初始中频信号sat1"比对，得到相位差δфa2、δфa3、δфa4、δфa5、δфa6，将该第二收发器20b的各该中频信号sbt2"、sbt3"、sbt4"、sbt5"、sbt6"与该初始中频信号sbt1"比对，得到相位差δфb2、δфb3、δфb4、δфb5、δфb6，将该第三收发器20c的各该中频信号sct2"、sct3"、sct4"、sct5"、sct6"与该初始中频信号sct1"比对，得到相位差δфc2、δфc3、δфc4、δфc5、δфc6，将该第四收发器20d的各该中频信号sdt2"、sdt3"、sdt4"、sdt5"、sdt6"与该初始中频信号sdt1"比对，得到相位差δфd2、δфd3、δфd4、δфd5、δфd6。

以测量该第一收发器20a的坐标位置(xa,ya,za)为例，上述第二实施例中，该运算主机40可由该些相位差δфa2～δфa6根据公式δd＝λδф/2π，得知该定位标签10于第二～第六坐标位置(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)、(x5,y5,z5)、(x6,y6,z6)时分别与第一坐标位置(x1,y1,z1)的距离变化量δda2、δda3、δda4、δda5、δda6。

在步骤s108中，上述第一实施例中该运算主机40由下列关系矩阵得知该第一收发器20a的坐标位置(xa,ya,za)：

在步骤s108中，上述第二实施例中该运算主机40由下列关系矩阵得知该第一收发器20a的坐标位置(xa,ya,za)：

同理，步骤s108中，该运算主机40可由上述方法得知第一实施例及第二实施例中第二～第四收发器20b～20d的关系矩阵，藉此计算第二～第四收发器20b～20d的坐标位置(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)、(xd,yd,zd)。

综上所述，本发明可基于定位标签10与收发器20之间双向电磁波信号传输，定位找出收发器20的坐标位置。进一步参看图9所示，本发明方法可应用于手术定位装置的术前架设流程中，不需精准的安装该些收发器20于指定位置，而是通过该些收发器20的发射信号及接收信号进行射频定位演算，测量该些收发器20的真实坐标位置，在该些收发器20位置固定的情形下，根据该些收发器20的坐标位置信息供手术定位装置于手术中精准运算安装于手术器械及病患患部的定位标签10的位置，以减少将收发器20精准安装于指定位置的繁复流程，以及因电路延迟使得收发器20天线的相位中心不在收发器20几何中心上导致的运算误差，使医生能更精准的操作器械，提升施术品质。