(57)【要約】  非線形性受動トランスポンダ（１０、１００）を使用する無線電磁式追跡システムが提供される。トランスポンダ（１０、１００）は、ダイオード（４０、１４０）に並列に接続されたコイル（５０、１５０）を使用する。トランスポンダ（１０、１００）は、励起信号がトランスポンダ（１０、１００）のコイル（５０、１５０）に入射したときに応答信号を送出する。トランスポンダ回路にダイオード（４０、１４０）を含めることにより、トランスポンダ（１０、１００）によって送出される応答信号の波形に非線形特徴が導入される。この非線形特徴は、トランスポンダ回路の容量レベルを変更することによって変化させることができる。応答信号の非線形特徴を利用して、励起信号および応答信号の両方が受信機で受信されたときに、これらの信号を見分けることができる。この非線形特徴は、トランスポンダ（１０、１００）から受信機に送信されるデータを符号化するシステムで利用することもできる。
2007521755.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線電磁式追跡システムにおけるトランスポンダ（１０、１００）であって、
無線電磁式追跡システム内で信号を送信するコイル（５０、１５０）と、
前記コイル（５０、１５０）に並列に接続された整流デバイス（４０、１４０）とを備える、トランスポンダ（１０、１００）。
【請求項２】
前記整流デバイス（４０、１４０）はダイオードである、請求項１に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項３】
前記コイル（５０、１５０）に並列に接続されたコンデンサ（１６０）をさらに備える、請求項１に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項４】
前記整流デバイス（４０、１４０）に直列に接続されたスイッチ（７０、１７０）をさらに備える、請求項１に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項５】
前記整流デバイス（４０、１４０）または前記コンデンサ（１６０）に直列に接続されたスイッチ（７０、１７０、１８０）をさらに備える、請求項３に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項６】
前記スイッチ（７０、１７０）の動作を制御するコントローラをさらに備える、請求項４に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項７】
前記スイッチ（７０、１７０、１８０）の動作を制御するコントローラをさらに備える、請求項５に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項８】
無線電磁式追跡システムにおいてトランスポンダ（１０、１００）を追跡する方法であって、
無線電磁式追跡システムにおけるトランスポンダ（１０、１００）内のコイル（５０、１５０）で第１信号を受信するステップと、
前記コイル（５０、１５０）に並列に接続されたダイオード（４０、１４０）で前記第１信号を整流するステップとを含む、方法。
【請求項９】
前記コイル（５０、１５０）から第２信号を送信するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記コイル（５０、１５０）に並列に接続されたコンデンサ（１６０）で前記トランスポンダ（１０、１００）の前記容量を変化させるステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記ダイオード（４０、１４０）または前記コンデンサ（１６０）に直列に接続されたスイッチ（７０、１７０、１８０）を動作させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
コントローラで前記スイッチ（７０、１７０、１８０）の前記動作を制御するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
無線電磁式追跡システムにおけるトランスポンダ（１０、１００）であって、
無線電磁式追跡システム内で信号を送信するコア（２０、１２０）と、
前記コア（２０、１２０）の周りに巻き付けられたコイル（５０、１５０）と、
前記コイル（５０、１５０）に接続されたダイオード（４０、１４０）とを備える、トランスポンダ（１０、１００）。
【請求項１４】
前記コイル（５０、１５０）に接続されたコンデンサ（１６０）をさらに備える、請求項１３に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項１５】
無線電磁式追跡システムにおいてトランスポンダ（１０、１００）を追跡する方法であって、
無線電磁式追跡システムにおけるトランスポンダ（１０、１００）で第１信号を受信するステップを含み、前記第１信号は第１周波数で受信され、前記方法はさらに、
前記トランスポンダ（１０、１００）から第２信号を送信するステップを含み、前記第２信号は第２周波数を含む、方法。
【請求項１６】
ダイオード（４０、１４０）で前記第１信号を整流するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
１つのダイオード（４０、１４０）だけで前記第１信号を整流するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２周波数に基づいて前記トランスポンダ（１０、１００）を識別するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記トランスポンダ（１０、１００）の前記容量を変化させるステップをさらに含み、前記容量変化が前記第２周波数を変化する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２周波数に基づいて前記トランスポンダ（１０、１００）を識別するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
無線電磁式追跡システムにおいてデータを送信する方法であって、
無線電磁式追跡システム内のトランスポンダ（１０、１００）から、少なくとも第１周波数および第２周波数を含む信号を送信するステップと、
少なくとも前記第２周波数を変化させて、少なくとも前記第２周波数の変化を生成するステップと、
少なくとも前記第２周波数の前記変化に基づいて前記信号中のデータを符号化するステップとを含む、方法。
【請求項２２】
無線電磁式追跡システムにおいてトランスポンダ（１０、１００）を追跡する方法であって、
無線電磁式追跡システム内のトランスポンダ（１０、１００）で第１信号を受信するステップを含み、前記第１信号は第１周波数で受信され、前記方法はさらに、
前記トランスポンダ（１０、１００）から第２信号を送信するステップを含み、前記第２信号は前記第１周波数および第２周波数を含む、方法。
【請求項２３】
ダイオード（４０、１４０）で前記第１信号を整流するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
１つのダイオード（４０、１４０）だけで前記第１信号を整流するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２周波数に基づいて前記トランスポンダ（１０、１００）を識別するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記トランスポンダ（１０、１００）の前記容量を変化させるステップをさらに含み、前記容量変化により、前記第２周波数が変化する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２周波数に基づいて前記トランスポンダ（１０、１００）を識別するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
無線電磁式追跡システムにおけるトランスポンダ（１０、１００）であって、
無線電磁式追跡システム内で信号を送信するコイル（５０、１５０）と、
前記コイル（５０、１５０）に並列に接続されたスイッチングデバイス（７０、１７０、１８０）とを備える、トランスポンダ（１０、１００）。
【請求項２９】
前記スイッチングデバイス（７０、１７０、１８０）はスイッチングダイオードである、請求項２８に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項３０】
前記スイッチングデバイス（７０、１７０、１８０）は同期整流器である、請求項２８に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項３１】
前記スイッチングデバイス（７０、１７０、１８０）はトランジスタである、請求項２８に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項３２】
前記コイル（５０、１５０）に並列に接続されたコンデンサ（１６０）をさらに備える、請求項２８に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項３３】
前記コンデンサ（１６０）に直列に接続されたスイッチ（１８０）をさらに備える、請求項３２に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【請求項３４】
前記スイッチ（１８０）の前記動作を制御するコントローラをさらに備える、請求項３３に記載のトランスポンダ（１０、１００）。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
該当せず
連邦政府援助による研究または開発に関する記載
該当せず
コンパクトディスクの形の資料の参照
該当せず
【技術分野】
【０００２】
本発明は、一般に、電磁式追跡システムに関する。より詳細には、本発明は、信号を送出するトランスポンダに対応する電磁式追跡システムであって、送出される信号の一部は、励起信号には含まれない追加の周波数を含む追跡システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
医療処置の多くは、ドリル、カテーテル、メス、スコープ、シャントその他の器具などの医療機器を必要とする。場合によっては、医用画像またはビデオ用のシステムを使用して、これらの機器の位置決め情報を提供することができる。しかし、医療従事者は、医療処置を実施するときに、このような医用画像システムを利用しないことが多い。例えば、機器を追跡するのに医用画像システムを使用することは、衛生および安全上の理由（例えば、放射線量の問題）、金銭的な制限、物理的なスペースの制約、その他の問題により制限されることがある。
【０００４】
医用画像システムの使用に関する制限を補償するために、医用画像システムを限定的にしか使用することを必要としない追跡システムを使用することができる。例えば、患者または基準座標系に関する医療機器の位置情報を提供する追跡システムを使用し得る。このようなシステムでは、固定した患者のＸ線を取得し、次いで、このＸ線画像に座標系を重ね合わせることができる。その後、得られたＸ線−座標系を用いて、患者の解剖学的なマップが得られる。その後で、医療従事者は、医療機器が自分の視野内にないときに、追跡システムを使用して、Ｘ線画像に重ね合わされた座標系に関する医療機器の位置を確認することができる。
【０００５】
この追跡システムにより、医療従事者は、患者の解剖学的な構造を可視化することができ、機器の位置および向きを追跡し得る。この追跡システムを使用して、機器が所望の場所に位置決めされる時点を判断することができ、医療従事者は、所望の部位または損傷部位を位置決定し、他の構造を避けながらその部位に対して手術を行うことができる。この追跡システムを使用して、医療処置の終了時にこれらの機器が患者から取り外されたかを確認することもできる。患者の体内での医療機器の位置決定精度が高くなることにより、患者への影響がより少ないより小型の機器の制御の改善が容易になることによって、侵襲がより少ない医療処置が実現される。より小型の機器の制御および精度を改善することにより、開腹手術のようなより侵襲性の高い処置に関連する危険を少なくすることもできる。
【０００６】
追跡システムを使用して、様々な応用例で医療機器以外の物品の位置を追跡することもできる。例えば、科学捜査またはセキュリティの応用例で、追跡技術を利用することができる。小売店では、追跡技術を利用して商品の盗難を防止する。このような場合、商品に受動トランスポンダを配置し、小売店の設備内の要所に送信機を設置する。この送信機は、トランスポンダからの応答が生成されるように設計された周波数で励起信号を送出する。トランスポンダを担持する商品が送信機の送信範囲内に置かれると、このトランスポンダは応答信号を生成し、この応答信号は受信機によって拾われる。次いで、受信機は、応答信号の特徴に基づいてこのトランスポンダの場所を求める。
【０００７】
追跡システムは、バーチャルリアリティ用のシステムまたはシミュレータで同様に使用される。人または物体に１つまたは複数のトランスポンダが配置される。送信機は励起信号を送出し、トランスポンダは応答信号を生成する。この応答信号は、受信機によって拾われる。次いで、トランスポンダによって送出された信号を使用して、模擬環境で人または物体の位置を監視することができる。
【０００８】
ある種の既存の電磁式追跡システムは、共通の装置またはボックスに結線された送信機および受信機を有する。送信機および受信機が共通の装置に結線されたシステムでは、追跡される物体は、追跡を実施するこれらのコンポーネントと同じ装置に配線される。そのため、追跡される物体の移動範囲が制限される。
【０００９】
無線電磁式追跡システムでは、送信機または受信機との接続による制限を受けずに、追跡される物体は自由に移動することができる。トランスポンダに電池その他の電源を取り付けることに関連する容積を減らすために、受動トランスポンダは、他の装置からの電力の結合および受信の手段としてコイルを使用することができる。
【００１０】
一般に、トランスポンダは、装置の動きを追跡するために、その装置上または装置内に配置される。トランスポンダの場所を求めるために、送信機は、トランスポンダに入射する励起信号を生成する。トランスポンダに励起信号が入射すると、トランスポンダは応答信号を送出する。受動トランスポンダを有するシステムでは、応答信号は一般に、励起信号と同じ周波数で送出される。
【００１１】
トランスポンダから送出された応答信号および送信機から送出された励起信号は、受信コイルに入射する。一般に、受動トランスポンダを使用する追跡システムでは、これら両方の信号が受信機で受信されるとき、励起信号は応答信号よりもはるかに強い。応答信号は励起信号と同じ周波数で送出され、応答信号は励起信号よりもはるかに弱いので、応答信号を正確に分離し、測定することは難しい。
【００１２】
そのため、応答信号の分離および測定を改善する追跡システムが、極めて望ましい。さらに、トランスポンダから受信機にデータを送信し得る改善された追跡システムが、極めて望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の好ましい実施形態は、非線形受動トランスポンダを使用する無線電磁式追跡システムを提供する。このトランスポンダは、非線形デバイスと並列に接続されたコイルを使用する。このトランスポンダは、励起信号がトランスポンダのコイルに入射したときに応答信号を送出する。トランスポンダ回路に非線形デバイスを含めると、トランスポンダによって送出される応答信号の波形に非線形な特徴が導入される。この非線形波形の特徴は、トランスポンダ回路の容量レベルを変更することによって変えることができる。応答信号の非線形特徴を利用して、励起信号および応答信号が受信機で受信されるときに、それらを見分けることができる。この非線形特徴は、トランスポンダから受信機に送信されるデータを符号化するシステムでも利用し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に、本発明の実施形態による非線形受動トランスポンダ１０を示す。トランスポンダ１０は、コア２０、端子３０、ダイオード４０、およびコイル５０を含む。コイル５０は、コア２０の周りで巻かれる。コア２０は、その両端に、コイル５０の巻き線の集結部を収容するフランジを有する。コイル５０の導線の２つの端部は、コア２０のフランジの一方に取り付けられた２つの端子３０に接続される。ダイオード４０は、２つの端子３０の両端間に接続される。ある実施形態では、ダイオード４０は、図２の回路図に示すように、コイル５０と並列に接続される。
【００１５】
動作において、トランスポンダ１０は、（図示しない）追跡システムで使用することができる。追跡システムでは、送信機は励起信号を送出する。この励起信号は、振幅変調波、周波数変調波、位相変調波、または連続波など、様々なタイプの信号の１つとし得る。送信機によって送出される励起信号は、トランスポンダ１０のコイル５０内で信号を誘起する。送信機によって送出された励起信号に応答して、トランスポンダ１０は、応答信号を送出する。
【００１６】
ダイオード４０がトランスポンダ１０に接続されていないと、トランスポンダ１０によって送出される応答信号は、送信機によって送出された励起信号と同じ周波数で送出されることになる。図１および図２に示すように、ダイオード４０がトランスポンダ１０に接続されると、ダイオード４０は、図１および図２に示すトランスポンダに非線形特徴を導入する。ダイオード４０の非線形特徴のために、トランスポンダ１０によって送出される応答信号の一部は、送信機によって送出される励起信号には含まれない１つまたは複数の追加の周波数を含む。
【００１７】
この応答信号の一部に含まれる追加の周波数により、送信機およびトランスポンダ１０の両方からの信号を受信する受信機は、送信機によって送出された励起信号と、トランスポンダ１０によって送出された応答信号とをより容易に見分けることができる。受信機が応答信号を識別した後で、応答信号の特徴を利用して、トランスポンダの位置、向き、および利得を計算することができる。
【００１８】
トランスポンダ１０によって送出される応答信号の一部に含まれる追加の周波数を利用して、受信機にデータを送信することもできる。トランスポンダ１０にコントローラを接続することによって、トランスポンダ１０によって送出される応答信号の特徴を制御し得る。例えば、このコントローラは、図５に示すように、スイッチ７０を開閉することによって、トランスポンダ１０とダイオード４０を電気的に接続し、また切断することができる。スイッチ７０を操作することによって、トランスポンダ１０とダイオード４０の接続／切断を行うと、トランスポンダ１０によって送出される応答信号の波形が変わる。
【００１９】
トランスポンダ回路１０にコンポーネントを組み入れ、また切り離すときに生じる応答信号の様々な状態に値を割り当てることができる。これら様々な状態に割り当てられる値は、応答信号が所与の状態のままでいる持続時間にも依存する。これら様々な状態に割り当てられた値は、トランスポンダ１０から受信機に送信するためのデータを符号化するシステムで利用し得る。例えば、ダイオードがトランスポンダ回路１０に接続されたときの応答信号の状態は、「１」または「オン」を表し、ダイオードがトランスポンダ回路から切り離されたときの応答信号の状態は、「０」または「オフ」を表し得る。このように、ダイオードをトランスポンダ回路１０に組み入れ、またそれから切り離し、応答信号を変化させることによってデータを送信することができる。
【００２０】
受信機は、トランスポンダ１０によって送出される応答信号の変動を検出し識別するシステムに接続することができる。応答信号の様々な状態に割り当てられた値を用いて、受信機端のシステムは、応答信号の変化を、先に述べた１および０などのデータに変換することができる。
【００２１】
代替実施形態では、ダイオード４０、あるいはダイオード４０およびスイッチ７０の代わりに、トランジスタまたは同期整流器など、別のタイプの非線形デバイスを使用することによって、応答信号に非線形性を導入することができる。このように、このデバイスを使用して、特定の物品を追跡し、図１、図２、および図５に示す実施形態に類似の符号を送信し得る。
【００２２】
図３に、本発明の実施形態による非線形受動トランスポンダ１００を示す。トランスポンダ１００は、コア１２０、端子１３０、ダイオード１４０、コイル１５０、およびコンデンサ１６０を含む。コイル１５０は、コア１２０の周りで巻かれる。コア１２０は、その両端に、コイル１５０の巻き線の集結部を収容するフランジを有する。コイル１５０の導線の２つの端部は、コア１２０のフランジの一方に取り付けられた２つの端子１３０に接続される。ダイオード１４０は、２つの端子１３０の両端間に接続される。コンデンサ１６０も、２つの端子１６０の両端間に接続される。ある実施形態では、ダイオード１４０、コンデンサ１６０、およびコイル１５０は、図４の回路図で示すように並列に接続される。
【００２３】
動作において、トランスポンダ１００は、図１のトランスポンダ１０と同様に動作をする。すなわち、トランスポンダ１００は、（図示しない）追跡システムで使用することができる。送信機によって送出される励起信号は、トランスポンダ１００のコイル１５０内で信号を誘起する。送信機によって送出された励起信号に応答して、トランスポンダ１００は、応答信号を送出する。
【００２４】
ダイオード１４０がトランスポンダ１００に接続されていないと、トランスポンダ１００によって送出される応答信号は、送信機によって送出される励起信号と同じ周波数で送出される。図３および図４に示すように、ダイオード１４０がトランスポンダ１００に接続されると、ダイオード１４０は、図３および図４に示すトランスポンダ１００に非線形特徴を導入する。ダイオード１４０の非線形特徴のために、トランスポンダ１００によって送出される応答信号の一部は、送信機によって送出される励起信号には含まれない１つまたは複数の追加の周波数を含む。
【００２５】
この応答信号の一部に含まれる追加の周波数により、送信機およびトランスポンダ１００の両方からの信号を受信する受信機は、送信機によって送出された励起信号と、トランスポンダ１００によって送出された応答信号とをより容易に見分けることができる。受信機が応答信号を識別した後で、応答信号の特徴を利用して、トランスポンダの位置、向き、および利得を計算することができる。
【００２６】
トランスポンダ１００によって送出される応答信号の一部に含まれる追加の周波数を利用して、受信機にデータを送信することもできる。トランスポンダ１００にコントローラを接続することによって、トランスポンダ１００によって送出される応答信号の特徴を制御し得る。例えば、このコントローラは、図６に示すように、スイッチ１７０、１８０を開閉することによって、トランスポンダ１００とダイオード１４０またはコンデンサ１６０とを電気的に接続し、また切断することができる。スイッチ１７０、１８０を操作することによって、トランスポンダ１００とダイオード１４０またはコンデンサ１６０の接続／切断を行うことにより、トランスポンダ１００によって送出される応答信号の波形を変えることができる。
【００２７】
コンデンサ１６０の容量レベルを変化させることにより、トランスポンダ１００によって送出される応答信号の一部に存在する追加の周波数の特徴が改変される。例えば、所与のトランスポンダ構成についての様々な高調波レベルにおける電圧および電流の値は、コンデンサ１６０の容量が変わると変化することになる。高調波レベルおよびその他の波形特徴のこれらの変化を利用して、容量レベルが異なるコンデンサ１６０が取り付けられた様々なトランスポンダ１００を見分けることができる。あるトランスポンダと別のトランスポンダを見分けることができると、追跡システムは、トランスポンダが取り付けられた異なる装置を追跡し識別することができる。
【００２８】
トランスポンダ回路１００にコンポーネントを組み入れ、また切り離すときに生じる応答信号の様々な状態に値を割り当てることができる。これら様々な状態に割り当てられる値は、応答信号が所与の状態のままでいる持続時間にも依存する。これら様々な状態に割り当てられた値は、トランスポンダ１００から受信機に送信するためのデータを符号化するシステムで利用し得る。例えば、ダイオード１４０がトランスポンダ回路１００に組み入れられたときの応答信号の状態は、「１」または「オン」を表し、ダイオード１４０がトランスポンダ回路から切り離されたときの応答信号の状態は、「０」または「オフ」を表し得る。さらに、コンデンサ１６０が組み入れられるか、または切り離されたときの応答信号の状態は、単独で、あるいはダイオード１４０の切替えと組み合わせて、「０」、「１」、「２」、「３」などの割当て値を表し得る。このように、トランスポンダ回路１００からダイオード１４０および／またはコンデンサ１６０を切り離し、応答信号を変化させることによってデータを送信することができる。
【００２９】
受信機は、トランスポンダ１００によって送出される応答信号の変動を検出し識別するシステムに接続することができる。そのため、ダイオード１４０またはコンデンサ１６０を、トランスポンダ回路１００に電気的に組み入れ、またそれから切り離すことを利用して、トランスポンダ１００から受信機に符号化したデータを送信し得る。応答信号の様々な状態に割り当てられた値を用いて、受信機端のシステムは、応答信号の変動を、先に述べた１および０などのデータに変換することができる。
【００３０】
代替実施形態では、ダイオード１４０、あるいはダイオード１４０およびスイッチ１８０の代わりに、トランジスタまたは同期整流器など、別のタイプの非線形デバイスを使用することによって、応答信号に非線形性を導入することができる。このように、このデバイスを使用して、特定の物品を追跡し、図３、図４、および図６に示す実施形態に類似の符号を送信し得る。
【００３１】
ある種の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、均等物で置き換えることができることが当業者には理解されよう。例えば、ダイオード４０、１４０の代わりに、トランジスタまたは同期整流器など、別のタイプのスイッチングデバイスまたは非線形デバイスを使用して、応答信号に非線形性を導入し得る。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況または材料を適合させるために、多くの改変を加えることができる。したがって、本発明は、ここで開示した特定の実施形態に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態による非線形性受動トランスポンダを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による図１に示す非線形性受動トランスポンダの回路図である。
【図３】本発明の実施形態による非線形性受動トランスポンダを示す図である。
【図４】本発明の実施形態による図３に示す非線形性受動トランスポンダの回路図である。
【図５】本発明の実施形態による非線形性受動トランスポンダの回路図である。
【図６】本発明の実施形態による非線形性受動トランスポンダの回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2007521755.tif 000009
2007521755.tif 000010
2007521755.tif 000011
2007521755.tif 000012
2007521755.tif 000013