ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ
WIRELESS COMMUNICATION LOCATION DETERMINING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к определению местоположения посредством беспроводной связи. Раскрывается схема радиочастотного транспондера, который может быть прикреплен к объектам, как правило, для отслеживания их местоположения. Схема радиочастотного транспондера может быть использована в широком спектре отраслей промышленности, включая потребительские товары и медицинские приспособления. В одном конкретном применении схема радиочастотного транспондера может быть прикреплена к медицинскому приспособлению, такому как катетер или игла, чтобы отслеживать его местоположение в ультразвуковом поле ультразвукового зонда для формирования изображения. Также раскрывается система для отслеживания схемы радиочастотного транспондера.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во многих областях промышленности выгодно иметь возможность отслеживать местоположение объекта. Дополнительные преимущества появляются благодаря возможности делать это беспроводным способом. В области медицины, в частности, полезно отслеживать беспроводным способом местоположение интервенционных приспособлений, таких как катетеры и иглы для того, чтобы определять их местоположение в обследуемом участке, во время медицинской процедуры. Местоположение интервенционного приспособления может в результате быть отображено на соответствующее медицинское изображение обследуемого участка, такое как ультразвуковое, изображение компьютерной томографии, т.е. КТ, изображение позитронно-эмиссионной томографии, т.е. ПЭТ, изображение однофотонно-эмиссионной компьютерной томографии, т.е. ОФЭКТ. Такое отображение может улучшить видимость отслеживаемого приспособления, а также улучшить идентификацию его местоположения относительно особенностей в медицинском изображении.
Документ US7575550B1 описывает устройство для определения расположения объекта относительно системы координат. Устройство включает в себя генератор поля, который генерирует электромагнитное поле в окрестности объекта и измерительный преобразователь, который прикрепляется к объекту. Измерительный преобразователь вибрирует с заданной частотой вибраций в соответствии с принципами, раскрытыми в документе US3713133A, и излучает энергию, реагируя на взаимодействие электромагнитного поля с ним. Детектор в окрестности объекта используется для обнаружения энергии, излученной измерительным преобразователем, и генерирования сигналов в ответ на это. Процессор сигналов также включается для приема и обработки сигналов детектора для определения координат объекта.
Недостатки известных систем слежения включают в себя необходимость использования генераторов высокой мощности и измерительных преобразователей для того, чтобы выполнять точное отслеживание, особенно когда расстояние между системой слежения и отслеживаемым объектом велико. Более того, существующие системы могут быть несколько трудными для миниатюризации.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1
Для этой цели предлагается система SY для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера, соответствующего блоку UEU ультразвукового излучателя на основе радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера. Система включает в себя модуль RFE радиочастотного излучателя, модуль RFD радиочастотного детектора, модуль UEU ультразвукового излучателя и модуль PDU определения местоположения. Модуль RFE радиочастотного излучателя выполняется с возможностью излучать радиочастотные сигналы для питания схемы RTС радиочастотного транспондера. Модуль RFD радиочастотного детектора выполняется с возможностью обнаруживать радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера. Модуль UEU ультразвукового излучателя выполняется с возможностью излучать ультразвуковые сигналы для модуляции радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера. Кроме того, модуль PDU определения местоположения находится в функциональной связи с модулем RFD радиочастотного детектора и с модулем UEU ультразвукового излучателя и выполняется с возможностью определять местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера, соответствующей модулю UEU ультразвукового излучателя на основе временной разности ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU ультразвукового излучателя и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера.
1
1
1
1
1
8
Для того чтобы отслеживать местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера, радиочастотные сигналы, излученные модулем RFE радиочастотного излучателя, питают, т.е. обеспечивают мощностью схему RTC радиочастотного транспондера. Ультразвуковые сигналы, излученные модулем UEU ультразвукового излучателя, модулируют радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой радиочастотного транспондера. Модуль RFD радиочастотного детектора обнаруживает радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера. Временная задержка между излучением ультразвукового сигнала, который, в конечном счете, модулирует радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой радиочастотного транспондера, и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера определяется в данном документе как ΔT. Временная задержка ΔT равна сумме периода времени, в течении которого ультразвуковой сигнал проходит от модуля UEU ультразвукового излучателя к схеме RTC радиочастотного транспондера, и периода времени, в течении которого модулированный радиочастотный сигнал проходит от схемы RTC радиочастотного транспондера к модулю RFD радиочастотного детектора. Из-за огромной разницы между скоростью распространения радиочастотного излучения при 3×10 м/с и скоростью распространения ультразвука приблизительно около 330 м/с на воздухе, временная задержка ΔT по существу равна периоду времени, в течении которого ультразвуковой сигнал проходит от модуля UEU ультразвукового излучателя к схеме RTC радиочастотного транспондера. Такая же существенная эквивалентность имеет место, когда схема RTC радиочастотного транспондера погружается или внедряется в другие среды, включая человеческий организм, чей состав на водной основе обеспечивает скорость распространения ультразвука приблизительно 1500 м/с. Таким образом, местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя или, более конкретно, пространство или расстояние между модулем UEU ультразвукового излучателя и схемой RTC радиочастотного транспондера, может быть определено на основе этой временной разности ΔT. Это пространство может быть рассчитано путем умножения временной разности ΔT на скорость распространения ультразвука в среде между модулем UEU ультразвукового излучателя и схемой RTC высокочастотного транспондера.
1
В другой конфигурации вместо того, чтобы основываться на вышеупомянутой временной разности ΔT или, на самом деле, в дополнение к тому, чтобы основываться на этой временной разнице, определяемое местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя может включать в себя угловое местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя. Это угловое местоположение может, например, быть определено на основе направления излучения ультразвуковых сигналов модулем UEU ультразвукового излучателя. Это угловое местоположение может альтернативно или дополнительно быть основано на угловой чувствительности ультразвукового детектора UD в схеме RTC радиочастотного транспондера. При использовании в сочетании с информацией о временной задержке это угловое местоположение позволяет определить местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя в трех измерениях.
В соответствии с одним аспектом данного изобретения, модуль UEU ультразвукового излучателя выполняется с возможностью излучать ультразвуковые сигналы с частотой, которая больше или равна 40 кГц. Известно, что ультразвуковые сигналы на частотах ниже примерно 30 кГц вызывают механическую вибрацию в некоторых структурах. Используя ультразвуковые частоты, которые больше или равны 40 кГц, можно устранить помехи, касающиеся аспектов определения местоположения системы. Использование более высоких частотных диапазонов также означает, что используются ультразвуковые сигналы с более короткой длиной волны. Это может обеспечить еще большую точность определения местоположения.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения модуль RFE радиочастотного излучателя системы SY включает в себя антенну модуля радиочастотного излучателя для передачи радиочастотных сигналов в схему RTC радиочастотного транспондера. Кроме того, антенна модуля радиочастотного излучателя соединяется с модулем RFE радиочастотного излучателя и с модулем RFD радиочастотного детектора, так что антенна модуля радиочастотного излучателя также служит в качестве входа для модуля RFD радиочастотного детектора для обнаружения радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера. Благодаря использованию антенны модуля радиочастотного излучателя как для передачи, так и для приема радиочастотных сигналов, сложность электронных схем снижается.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения схема RTC радиочастотного транспондера имеет частоту механического резонанса. Кроме того, модуль UEU ультразвукового излучателя выполняется с возможностью излучать ультразвуковые сигналы на частоте, которая отличается от частоты механического резонанса схемы RTC радиочастотного транспондера. Тем самым избегаются индуцированные ультразвуком механические вибрации схемы RTC радиочастотного транспондера, по существу устраняя риск того, что такие индуцированные ультразвуком механические колебания, помешают модуляции радиочастотного сигнала, который обнаруживается модулем RFD радиочастотного детектора.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения модуляция включает в себя, по меньшей мере, одно из следующих: 1) изменение частоты радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; 2) изменение фазы радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; 3) изменение амплитуды радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; 4) изменение импульсной последовательности радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; 5) изменение кода, закодированного в радиочастотных сигналах, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера.
a1..an
a1..an
a1..an
В соответствии с другим аспектом данного изобретения модуль UEU2, UEU3 ультразвукового излучателя включает в себя множество ультразвуковых излучателей UE. Каждый из излучателей излучает ультразвуковые сигналы для того, чтобы обеспечить установку времени, набор временных разностей ΔT. Модуль PDU2, PDU3 определения местоположения определяет местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера на основе набора временных разностей ΔT между излучением ультразвукового сигнала каждым из множества ультразвуковых излучателей в модуле UEU2, UEU3 ультразвукового излучателя, и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора его соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера. Преимущественно повышается точность определяемого местоположения.
3
1
2
В соответствии с другим аспектом данного изобретения предлагается, по меньшей мере, второй модуль RFD2 радиочастотного детектора. Кроме того, местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля RFD радиочастотного детектора и, по меньшей мере, второго модуля RFD2 радиочастотного детектора определяется на основе временной задержки ΔT между временной разностью ΔT, определенной выше, и временной разностью ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU ультразвукового излучателя и обнаружением, по меньшей мере, вторым модулем RFD2 радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера. Преимущественно это повышает точность определяемого местоположения.
В соответствии с другим аспектом данного изобретения раскрывается схема RTC радиочастотного транспондера. Преимущественно схема RTC радиочастотного транспондера электрически модулирует радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера, тем самым улучшая непрерывность в определении местоположения. Кроме того, электрическая модуляция повышает свободу проектирования, позволяя миниатюризировать RTC.
В соответствии с другим аспектом раскрывается беспроводной модуль WU. Беспроводной модуль включает в себя схему RTC радиочастотного транспондера и 1) эталонный модуль FID для его отслеживания магнитной системой слежения или оптической, или ультразвуковой, или рентгеновской, или КТ, или ПЭТ, или ОФЭКТ системой формирования изображения 2) модуль TU трансивера, реагирующий на, по меньшей мере, одно из: ультразвуковое, электромагнитное, радиочастотное, микроволновое, инфракрасное и оптическое излучение. Эталонный модуль FID или модуль TU трансивера удерживается в закрепленном положении относительно схемы RTC радиочастотного транспондера; т.е. он механически соединяется со схемой RTC радиочастотного транспондера.
В соответствии с другим аспектом раскрывается устройство TA отслеживания. Устройство TA отслеживания включает в себя беспроводной модуль WU, систему SY и систему WUTS отслеживания беспроводного модуля, содержащую или 1) систему FTS отслеживания эталонного модуля, или 2) модуль TTU отслеживания трансивера, выполненный с возможностью определять местоположение беспроводного модуля WU на основе сигналов, передаваемых между 1) системой FTS отслеживания эталонного модуля и эталонным модулем FID, или между 2) модулем TTU отслеживания трансивера и модулем трансивера TU соответственно. Система FTS отслеживания эталонного модуля представляет собой или магнитную систему отслеживания, или оптическую, или ультразвуковую, или рентгеновскую, или КТ, или ПЭТ, или ОФЭКТ систему формирования изображения, и выполняется с возможностью предоставлять изображение, которое включает в себя местоположение эталонного модуля FID.
В соответствии с другим аспектом, раскрывается устройство RA регистрации. Устройство RA регистрации включает в себя систему SY; в которой модуль UEU ультразвукового излучателя системы SY дополнительно включает в себя 1) эталонный модуль FID для его отслеживания оптической системой формирования изображения или 2) модуль TU трансивера, реагирующий, по меньшей мере, на одно из: ультразвуковое, электромагнитное, радиочастотное, микроволновое, инфракрасное и оптическое излучение; и в которой эталонный модуль FID или модуль TU трансивера удерживаются в закрепленном положении относительно модуля UEU ультразвукового излучателя. Устройство RA регистрации дополнительно включает в себя модуль ULDU определения местоположения модуля ультразвукового излучателя, содержащий или 1) систему FTS отслеживания эталонного модуля, или 2) модуль TTU отслеживания трансивера, выполненный с возможностью определять местоположение модуля UEU ультразвукового излучателя на основе сигналов, передаваемых между 1) системой FTS отслеживания эталонного модуля и эталонным модулем FID, или между 2) модулем TTU отслеживания трансивера и модулем TU трансивера, соответственно. В этом аспекте система FTS отслеживания эталонного модуля представляет собой оптическую систему формирования изображения и выполняется с возможностью предоставлять изображение, которое включает в себя местоположение эталонного модуля FID.
Другие аспекты данного изобретения, включая этапы способа и компьютерный программный продукт, определяются в независимых пунктах формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует первый вариант осуществления устройства PDA определения местоположения, которое включает в себя систему SY для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя, вместе со схемой RTC радиочастотного транспондера.
Фиг. 2 иллюстрирует схему RTC радиочастотного транспондера, включающую в себя антенну AN, ультразвуковой детектор UD и модулятор MOD.
Фиг. 3 иллюстрирует схему RTC радиочастотного транспондера, в которой модуляция обеспечивается варакторным диодом VAR1, который образует часть последовательной резонансной LCR-схемы.
Фиг. 4 иллюстрирует различные этапы способа, согласно способу определения местоположения, которые могут быть использованы системой SY, показанной на фиг. 1.
Фиг. 5 иллюстрирует на фиг. 5А еще одну иллюстративную схему RTC радиочастотного транспондера вместе с иллюстративным радиочастотным излучателем RFE и иллюстративным радиочастотным детектором RFD; а на фиг. 5B - еще одну иллюстративную схему RTC радиочастотного транспондера, которая использует модуляцию нагрузки для модуляции обратного рассеянного излучения.
Фиг. 6 иллюстрирует иллюстративный схематичный чертеж схемы фазового модулятора.
Фиг. 7 иллюстрирует беспроводную метку WT, содержащую схему RTC радиочастотного транспондера и подложку S.
Фиг. 8 иллюстрирует медицинскую иглу NDL, которая включает в себя схему RTC радиочастотного транспондера.
Фиг. 9 иллюстрирует второй вариант осуществления устройства PDA2 определения местоположения, которое включает в себя систему SY2 для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU2 ультразвукового излучателя, вместе со схемой RTC радиочастотного транспондера.
Фиг. 10 иллюстрирует третий вариант осуществления устройства PDA3 определения местоположения, которое включает в себя систему SY3 для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU3 ультразвукового излучателя, вместе со схемой RTC радиочастотного транспондера.
Фиг. 11 иллюстрирует четвертый вариант осуществления устройства PDA4 определения местоположения, которое включает в себя систему SY4 для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU3 ультразвукового излучателя, вместе со схемой RTC радиочастотного транспондера.
Фиг. 12 иллюстрирует устройство TA отслеживания, которое включает в себя систему SY для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU3 ультразвукового излучателя, систему WUTS отслеживания беспроводного модуля и беспроводной модуль WU, которое включает в себя схему RTC радиочастотного транспондера и эталонный модуль FID или модуль TU трансивера.
Фиг. 13 иллюстрирует устройство RA регистрации, которое включает в себя систему SY, в которой модуль UEU ультразвукового излучателя системы SY включает в себя эталонный модуль FID или модуль TU трансивера, и модуль ULDU определения местоположения модуля ультразвукового излучателя, который имеет соответствующую систему FTS отслеживания эталонного модуля или модуль TTU отслеживания трансивера.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для того чтобы проиллюстрировать принципы настоящего изобретения, описываются различные варианты осуществления, в которых схема RTC радиочастотного транспондера прикрепляется к медицинской игле, а система SY используется для отслеживания медицинской иглы посредством местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера. В области применений, связанных с медициной также предполагается присоединять схему RTC радиочастотного транспондера к другим медицинским или интервенционным приспособлениям, таким как катетер, проволочный направитель, зонд, эндоскоп, электрод, робот, фильтрующее приспособление, приспособление надувного баллона, стент, митральный зажим, приспособление закрывания левого ушка предсердия, аортальный клапан, кардиостимулятор, внутривенный катетер, катетер для дренирования, хирургический инструмент, такой как приспособление лигирования тканей или приспособление для разрезания ткани для использования в их отслеживании. Однако следует признать, что схема RTC радиочастотного транспондера может быть прикреплена к объектам в целом для отслеживания их местоположения. Кроме того, в то время как приводятся примеры, в которых местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера отслеживается, когда оно погружается или внедряется в воздушные или водные среды, следует признать, что отслеживание может осуществляться таким же образом, когда схема RTC радиочастотного транспондера погружается или внедряется в среду целиком. Таким образом, изобретение находит более широкое применение в таких областях, как радиочастотная идентификация, то есть метки RFID используются в настоящее время, в частности, в целях отслеживания объектов, обеспечения безопасности, оплаты и аутентификации.
Фиг. 1 иллюстрирует первый вариант осуществления устройства PDA определения местоположения, которое включает в себя систему SY для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя, вместе со схемой RTC радиочастотного транспондера. Система SY включает в себя модуль RFE радиочастотного излучателя, модуль RFD радиочастотного детектора, модуль UEU ультразвукового излучателя и модуль PDU определения местоположения.
Модуль RFE радиочастотного излучателя, показанный на фиг. 1 выполняется с возможностью излучать радиочастотные сигналы для питания схемы RTC радиочастотного транспондера. Радиочастотные сигналы обычно распознаются как находящиеся в диапазоне частот от примерно 3 кГц до примерно 300 ГГц. Радиочастотные сигналы в этом частотном диапазоне подходят для модуля RFE радиочастотного излучателя, поскольку они могут быть использованы для питания, то есть для передачи мощности в схему радиочастотного транспондера. Как описывается ниже, для обеспечения требуемой передачи мощности в схему RTC радиочастотного транспондера рассматриваются такие технологии, как технологии, используемые в радиочастотной идентификации, то есть технология RFID, ближняя полевая связь, то есть технология NFC и технология беспроводной передачи мощности. Излучаемые радиочастотные сигналы могут быть импульсными или непрерывными; последний предпочтительнее ввиду более простой конструкции.
Радиочастотный излучатель RFE, показанный на фиг. 1, может включать в себя антенну (не показана на фиг. 1) для излучения радиочастотных сигналов. Для этой цели подходят различные типы антенн, включая полосковую, щелевую, патч-антенну, рамочную, монопольную или дипольную антенну. Также предполагается, что радиочастотный излучатель RFE может включать в себя антенный массив, в котором фаза сигналов, передаваемых каждой антенне в массиве, устанавливается с использованием известных технологий формирования лучей для управления направлением радиочастотных излучений, излучаемых радиочастотным излучателем RFE. Улучшенная направленность, предлагаемая такими технологиями формирования лучей, может преимущественным образом снизить помехи из-за близко расположенных электронных систем или уменьшить мощность радиочастотных излучений. Предпочтительно антенна снабжается индуктором в виде проводящей катушки. Это может быть выполнено для передачи электрической мощности в соответствующую проводящую катушку в схеме RTC радиочастотного транспондера. Таким образом, антенна в схеме RTC радиочастотного транспондера может работать аналогично антенне в известных системах RFID или NFC. Используя принципы RFID и NFC беспроводной передачи мощности, передача энергии между модулем RFE радиочастотного излучателя и схемой RTC радиочастотного транспондера может быть обеспечена в основном магнитной связью между двумя индуктивными катушками. Предполагается также передача мощности посредством емкостной связи из модуля радиочастотного излучателя в схему RTC радиочастотного транспондера или посредством сочетания емкостной и индуктивной связи способом, аналогичным тому, что используется в технологии RFID, в которой, например, в поле дальней зоны, передача мощности обычно происходит посредством комбинации этих процессов.
Опционально радиочастотный излучатель RFE, показанный на фиг. 1 может использовать общую антенну совместно с модулем RFD радиочастотного детектора, показанным на фиг. 1. Далее модуль RFE радиочастотного излучателя системы SY может включать в себя антенну модуля радиочастотного излучателя для передачи радиочастотных сигналов в схему RTC радиочастотного транспондера. Кроме того, антенна модуля радиочастотного излучателя может быть соединена как с модулем RFE радиочастотного излучателя, так и с модулем RFD радиочастотного детектора, так что антенна модуля радиочастотного излучателя дополнительно служит в качестве входа для модуля RFD радиочастотного детектора для обнаружения радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера. Соединение, или, более конкретно, электрическое соединение, может включать в себя жесткий монтаж как модуля RFE радиочастотного излучателя, так и модуля RFE радиочастотного детектора или может включать в себя ключ, такой как механический или транзисторный ключ для переключения между двумя модулями. Благодаря использованию антенны модуля радиочастотного излучателя для обнаружения и считывания или для радиочастотных сигналов, сложность электронных схем снижается.
Вообще говоря, точная частота радиочастотных сигналов, излучаемых радиочастотным излучателем RFE, показанным на фиг. 1, не является критичной, и другие факторы, такие как наличие существующего оборудования и размер радиочастотной антенны в модуле RFE радиочастотного излучателя, который передает и в схеме RTC радиочастотного транспондера, влияют на фактическую частоту, которая используется. Таким образом, частоты радиодиапазона, обычно определяемые как диапазоны от 3 кГц до 300 ГГц, подходят для частоты радиочастотных сигналов, излучаемых радиочастотным излучателем RFE. Для обеспечения эффективной передачи мощности в схему радиочастотного транспондера предпочтительно, чтобы схема RTC радиочастотного транспондера имела резонансную частоту, и предпочтительно, чтобы радиочастотные сигналы, излучаемые модулем RFE радиочастотного излучателя, имели ширину полосы пропускания, которая включает в себя эту резонансную частоту. В водяных средах, уменьшение глубины проникновения с увеличением частоты способствует использованию более низких частот в этом диапазоне. По практическим соображениям предпочтительный частотный диапазон радиочастотных сигналов, излучаемых модулем RFE радиочастотного излучателя, составляет от 1 МГц до 1000 МГц, или от 2 МГц до 300 МГц или от 10 МГц до 100 МГц. Конкретные частоты 252 МГц и 800 МГц преимущественно ограничивают помехи от GSM-связи и имеют соответственно приемлемо высокое проникновение магнитного поля в воду.
Возвращаясь к фиг. 1, модуль RFD радиочастотного детектора, показанный на фиг. 1, выполняется с возможностью обнаруживать радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера. Кроме того, модуль UEU ультразвукового излучателя выполняется с возможностью излучать ультразвуковые сигналы для модуляции радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера. Таким образом, при работе схема RTC радиочастотного транспондера принимает радиочастотные сигналы, которые были излучены модулем RFE радиочастотного излучателя. Схема RTC радиочастотного транспондера питается или получает мощность посредством этих принятых радиочастотных сигналов. Схема RTC радиочастотного транспондера также принимает ультразвуковые сигналы от модуля UEU ультразвукового излучателя, и эти ультразвуковые сигналы модулируют радиочастотные сигналы, которые излучаются или отражаются схемой RTC радиочастотного транспондера.
Хотя это и не проиллюстрировано, опционально модуль RFD радиочастотного детектора и/или модуль PDU определения местоположения, дополнительно может быть в функциональной связи с модулем RFE радиочастотного излучателя, и выполняется с возможностью принимать от него сигнал синхронизации. Было обнаружено, что это приводит к улучшенной чувствительности и, следовательно, точности позиционирования схемы RTC радиочастотного транспондера. Сигналом синхронизации может быть, например, исходный немодулированный радиочастотный сигнал, излученный модулем RFE радиочастотного излучателя. Этот сигнал может быть, например, принят от модуля RFE радиочастотного излучателя с помощью проводной линии связи и использован для демодуляции радиочастотных сигналов, излученных или отраженных RTC схемой радиочастотного транспондера. Альтернативно, такой сигнал синхронизации может быть обнаружен как часть радиочастотного сигнала, обнаруженного модулем RFD радиочастотного детектора, и восстановлен с использованием известных технологий восстановления несущего радиочастотного сигнала.
Ультразвуковые сигналы обычно распознаются как звуковые сигналы, которые выше примерно 20 кГц. Этот широкий диапазон ультразвуковых сигналов в целом подходит для ультразвуковых излучений модуля UEU ультразвукового излучателя. Из-за увеличения затухания ультразвука на высоких частотах в водяных средах, предпочтительно использовать более низкие частоты в этом диапазоне, чтобы обеспечить работу при малой мощности в таких средах. Другие факторы, включающие в себя поступление ультразвуковых сигналов от существующего оборудования, также могут влиять на выбор ультразвуковой частоты. Многие, например, магнитострикционные, ультразвуковые измерительные преобразователи легко доступны в диапазоне 20-40 кГц и подходят для этой цели. Пьезоэлектрические измерительные преобразователи также пригодны, как и микро-электро-механические системы, то есть MEMS или емкостный ультразвуковой измерительный преобразователь микро-машинного изготовления, то есть преобразователи типа CMUT, причем последний хорошо подходит для генерирования ультразвуковых сигналов в МГц диапазоне. Кроме того, зонд ультразвуковой системы формирования изображения обычно работает в диапазоне частот от 1 до 20 МГц, и, как описано ниже в одном варианте осуществления, этот зонд может также служить в качестве модуля UEU ультразвукового излучателя. Различные побочные эффекты, в том числе затухание в водяных средах и доступность современного оборудования, приводят к предпочтительному диапазону частот для ультразвуковых излучений модуля UEU ультразвукового излучателя от 100 кГц - 50 МГц или от 1 МГц - 20 МГц.
Во избежание риска того, что механические вибрации схемы RTC радиочастотного транспондера, вызванные принятыми ультразвуковыми сигналами, помешают предполагаемой для использования электрической модуляции радиочастотного сигнала, которая в конечном счете обнаруживается модулем RFD радиочастотного детектора, предпочтительно, чтобы модуль UEU ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 1, выполнялся с возможностью излучать ультразвуковые сигналы на частоте, которая отличается от частоты механического резонанса схемы RTC радиочастотного транспондера. Кроме того, когда схема RTC радиочастотного транспондера, как описано ниже, включается в беспроводную метку, также предпочтительно, чтобы модуль UEU ультразвукового излучателя выполнялся с возможностью излучать ультразвуковые сигналы на частоте, которая отличается от частоты механического резонанса беспроводной метки. Под термином «отличается» подразумевается то, что абсолютное значение разности между этими частотами, выраженное как отношение частоты механического резонанса, предпочтительно превышает 10%, или 20%, или 50%, или 100%. Известная система отслеживания местоположения, раскрытая в документе US3713133A, приведенном выше, раскрывает метку с механическим резонансом с резонансной частотой 20 кГц или 30 кГц. Таким образом, в настоящем изобретении может быть полезным использовать ультразвуковые частоты, превышающие 30 кГц, чтобы предотвратить риск таких механических вибраций, мешающих требуемой электрической модуляции с помощью схемы RTC радиочастотного транспондера. Таким образом, в настоящем изобретении может оказаться полезным, чтобы модуль UEU ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 1 выполнялся с возможностью излучать ультразвуковые частоты, которые больше или равны 40 кГц, то есть ≥ 40 кГц, или ≥ 50 кГц, или ≥ 75 кГц, или ≥ 100 кГц, или ≥ 200 кГц, или ≥ 500 кГц, или ≥ 1 МГц, или ≥ 2 МГц, или ≥ 5 МГц или ≥ 10 МГц. Соответствующая схема RTC радиочастотного транспондера, которая используется совместно с модулем ультразвукового излучателя, может опционально включать в себя электрический фильтр, который выполняется с возможностью ослаблять ультразвуковые сигналы, которые меньше, чем описанные выше диапазоны, то есть менее 40 кГц и т.д. Это может быть использовано для предотвращения самопроизвольной активации схемы радиочастотного транспондера из-за случайных ультразвуковых сигналов.
Более подробно, в одном примере реализации, схема RTC радиочастотного транспондера, показанная на фиг. 1, может быть обеспечена схемой RTC радиочастотного транспондера, показанной на фиг. 2. Фиг. 2 иллюстрирует схему RTC радиочастотного транспондера, включающую в себя антенну AN, ультразвуковой детектор UD и модулятор MOD. Антенна AN, показанная на фиг. 2 преобразует радиочастотные сигналы, которые были излучены модулем RFE радиочастотного излучателя, показанным на фиг. 1, в первые электрические сигналы для питания схемы RTC радиочастотного транспондера, показанной на фиг. 2. Антенна AN может быть предусмотрена одним из вариантов антенны, описанных выше в отношении антенны модуля RFE радиочастотного излучателя. Таким образом, антенна AN служит для обеспечения беспроводной передачи мощности в схему RTC радиочастотного транспондера. В предпочтительном варианте осуществления антенна AN обеспечивается индуктором в виде проводящей катушки, которая выполняется с возможностью принимать электрическую мощность от соответствующего индуктора в модуле RFE радиочастотного излучателя.
Ультразвуковой детектор UD, показанный на фиг. 2, выполняется с возможностью преобразовывать принятые ультразвуковые сигналы во вторые электрические сигналы. Таким образом, при работе ультразвуковой детектор UD принимает ультразвуковые сигналы от модуля UEU ультразвукового излучателя, показанного на фиг. 1, и преобразует эти сигналы во вторые электрические сигналы. Различные типы ультразвуковых детекторов подходят для использования в качестве ультразвукового детектора UD, показанного на фиг. 2, включая пьезоэлектрические, пьезорезистивные и емкостные детекторы. Более конкретно, также могут использоваться ультразвуковые детекторы типа MEMS или CMUT. Подходящие пьезоэлектрические материалы включают в себя полимерные пьезоэлектрические материалы, такие как поливинилиденфторид, сополимер PVDF, такой как трифторэтилен поливинилиденфторида, или терполимер PVDF, такой как P(VDF-TrFE-CTFE). Полимерные пьезоэлектрические материалы обладают высокой гибкостью и поэтому могут быть конформно прикреплены к поверхностям, имеющим не плоскую топографию.
Модулятор MOD, показанный на фиг. 2 выполняется с возможностью принимать вторые электрические сигналы, которые были сгенерированы ультразвуковым детектором UD, и инициировать антенну AN к излучению или отражению радиочастотных сигналов, которые модулируются на основе вторых электрических сигналов. Другими словами, схема RTC радиочастотного транспондера выполняется с возможностью излучать или отражать радиосигналы, которые электрически модулируются на основе принятых ультразвуковых сигналов.
1
1
Возвращаясь к фиг. 1, модуль PDU определения местоположения находится в функциональной связи с модулем RFD радиочастотного детектора и с модулем UEU ультразвукового излучателя. Кроме того, модуль PDU определения местоположения выполняется с возможностью определять местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя UEU на основе временной разности ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU ультразвукового излучателя UEU и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера. В предпочтительной конфигурации модуль PDU определения местоположения периодически запускает модуль UEU ультразвукового излучателя для генерации ультразвукового сигнала и затем отслеживает время между сигналом запуска и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера. В другой конфигурации модуль UEU ультразвукового излучателя периодически выпускает ультразвуковые сигналы и подает опорный синхронизирующий сигнал в модуль PDU определения местоположения, от которого определяется временная разность ΔT. Несомненно, возможны также и другие конфигурации. Модуль PDU определения местоположения может, например, быть предоставлен в виде электронной схемы или процессора.
Фиг. 4 иллюстрирует различные этапы способа, согласно способу определения местоположения, которые могут быть использованы системой SY, показанной на фиг. 1. Хотя это и проиллюстрировано в линейном виде, тем не менее, некоторые из этапов способа могут выполняться одновременно. Рассматривая фиг. 4, способ может включать в себя этапы:
M1: инициирование модуля RFE радиочастотного излучателя к излучению радиочастотных сигналов для питания схемы RTC радиочастотного транспондера.
M2: инициирование модуля RFD радиочастотного детектора к обнаружению радиосигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера.
M3: инициирование модуля UEU ультразвукового излучателя к излучению ультразвуковых сигналов для модуляции радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; и
1
M4: определение местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя на основе временной разности ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU ультразвукового излучателя и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера.
Способ может дополнительно включать в себя результат вышеуказанного этапа способа:
инициирование модуля UEU ультразвукового излучателя к излучению ультразвуковых сигналов для модуляции радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера;
который приводит к тому, что радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера, модулируются в ответ на излученные ультразвуковые сигналы.
Кроме того, описанные выше этапы способа и/или другие этапы способа, раскрытые в данном документе, могут быть записаны в виде команд, которые при их выполнении на процессоре заставляют данный процессор выполнять эти этапы способа. Компьютерный программный продукт может быть предоставлен специализированным оборудованием, а также оборудованием, способным выполнять программное обеспечение совместно с соответствующим программным обеспечением. В случае, когда он предоставлен с помощью процессора, функции могут быть предоставлены одним специализированным процессором, одним общим процессором или множеством отдельных процессоров, некоторые из которых могут совместно использоваться. Более того, явное использование термина «процессор» или «контроллер» не должно истолковываться как относящееся исключительно к оборудованию, способному выполнять программное обеспечение, и может включать в себя, без ограничения, оборудование цифрового, сигнального процессора «DSP», постоянное запоминающее устройство «ROM», для хранения программного обеспечения, оперативное запоминающее устройство «RAM», энергонезависимый носитель и т.д. Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения могут принимать форму компьютерного программного продукта, доступного из носителя данных, используемого или читаемого компьютером, предоставляющего программный код для использования компьютером или связи с компьютером, или любой системой исполнения команд. Для целей этого описания, носителем данных, используемым или читаемым компьютером может быть любое устройство, которое может включать в себя, хранить, обмениваться, распространять или переносить программу для использования системой выполнения команд или связи с системой выполнения команд, устройством или приспособлением. Средой для хранения может быть электронная, магнитная, оптическая, электромагнитная, инфракрасная или полупроводниковая система, устройство или приспособление, или среда распространения. Примеры читаемой компьютером среды для хранения включают в себя полупроводниковое или твердотельное запоминающее устройство, магнитную ленту, съемную компьютерную дискету, оперативное запоминающее устройство «RAM», постоянное запоминающее устройство «ROM», жесткий магнитный диск и оптический диск. Современные примеры оптических дисков включают в себя компакт-диск - запоминающее устройство только для чтения «CD-ROM», компакт-диск - чтение/запись «CD-R/W», Blu-Ray™ и DVD.
1
1
1
1
1
8
Как проиллюстрировано на фиг. 1, временная задержка между излучением ультразвукового сигнала, который, в конечном счете, модулирует радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера, и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера, определяется в данном документе как ΔT. Временная задержка ΔT равна сумме периода времени для того, чтобы ультразвуковой сигнал прошел от модуля UEU ультразвукового излучателя к схеме RTC радиочастотного транспондера, и периода времени для того, чтобы модулированный радиочастотный сигнал прошел от схемы RTC радиочастотного транспондера к модулю RFD радиочастотного детектора. Из-за огромной разницы между скоростью распространения радиочастотного излучения при 3×10 м/с и скоростью распространения ультразвука при приблизительно 330 м/с в воздухе, временная задержка ΔT, по существу, равна периоду времени для того, чтобы ультразвуковой сигнал прошел от модуля UEU ультразвукового излучателя к схеме RTC радиочастотного транспондера. Таким образом, местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя или, более конкретно, пространство или расстояние между модулем UEU ультразвукового излучателя и схемой RTC радиочастотного транспондера, может быть определено на основе этой временной разности ΔT. Оно может быть рассчитано посредством умножения временной разности ΔT на скорость распространения ультразвука в среде между модулем UEU ультразвукового излучателя и схемой RTC радиочастотного транспондера. Аналогичным образом, большие различия в скоростях распространения радиочастотного излучения и ультразвука в других средах, включая человеческий организм, который в значительной степени основан на воде, позволяют определить местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя таким же образом, когда схема RTC радиочастотного транспондера погружается в среду целиком.
1
Например, в одном рассмотренном устройстве расстояние между модулем UEU ультразвукового излучателя и схемой RTC радиочастотного транспондера составляет 0,15 м, а среда между ними представляет собой воду, имеющую скорость распространения ультразвука 1480 м/с при 3 МГц. Иллюстративное расстояние между схемой RTC радиочастотного транспондера и модулем RFD радиочастотного детектора составляет 0,25 м. Временная разность ΔT составляет, таким образом, 101 микросекунду + 0,8 наносекунды и может быть аппроксимирована только до первого члена, то есть до 101 мкс, с незначительной ошибкой позиционирования.
1
В другой конфигурации вместо того, чтобы основываться на вышеупомянутой временной разности ΔT, или даже в дополнение к тому, чтобы основываться на этой временной разности, местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя может включать в себя угловое местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя. Это угловое местоположение может быть, например, определено на основе направления излучения ультразвуковых сигналов модулем UEU ультразвукового излучателя. В одном примере реализации предполагается обеспечить модуль UEU ультразвукового излучателя с помощью ультразвуковых излучателей в виде массива. Таковые могут быть обеспечены массивом ультразвуковых излучателей ультразвуковой системы формирования изображения с формированием луча, типа, описанного в данном документе. Используя технологии формирования луча, множество ультразвуковых излучателей могут быть выполнены с возможностью генерировать множество лучей, каждый из которых имеет заданный угол излучения, соответствующий модулю UEU ультразвукового излучателя. Угловое местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя может впоследствии быть определено путем идентификации конкретного луча, который был активирован, когда схема RTC радиочастотного транспондера инициировалась к модуляции в радиочастотном сигнале, который был излучен или отражен схемой RTC радиочастотного транспондера.
a1..an
В другой конфигурации, которая описана ниже со ссылкой на фиг. 9 и фиг. 10, модуль UEU ультразвукового излучателя включает в себя множество ультразвуковых излучателей, а местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя определяется на основе набора временных разностей ΔT между излучением ультразвукового сигнала каждым из множества ультразвуковых излучателей в модуле UEU ультразвукового излучателя и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора его соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера.
Угловое местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя может альтернативно или дополнительно определяться на основе угловой чувствительности ультразвукового детектора UD в схеме RTC радиочастотного транспондера. Например, акустический отбор может быть использован для управления угловым диапазоном, в пределах которого ультразвуковой детектор UD чувствителен к ультразвуковым сигналам. Кроме того, предполагается также включить множество ультразвуковых детекторных элементов в ультразвуковом детекторе UD в схему RTC радиочастотного транспондера и включить модуль регулировки фазы, выполненный с возможностью обеспечивать заданную фазовую задержку для ультразвуковых сигналов, обнаруженных каждым элементом детектора в массиве, и модуль суммирования сигналов, выполненный с возможностью предоставлять взвешенную сумму задержанных по фазе ультразвуковых сигналов. При этом угловая чувствительность ультразвукового детектора UD в схеме RTC радиочастотного транспондера может регулироваться, чтобы определять угловое местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя.
Возвращаясь к схеме RTC радиочастотного транспондера, показанного на фиг. 2; модулятор MOD может включать в себя электрические схемы или процессор, который использует один из следующих иллюстративных технологий: 1) изменение частоты радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; 2) изменение фазы радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; 3) изменение амплитуды радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; 4) изменение импульсной последовательности радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; 5) изменение кода, закодированного в радиочастотных сигналах, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера. Комбинация этих технологий или даже других технологий модуляции также может быть реализована модулятором MOD. Предпочтительно, чтобы параметр, который изменяется, непрерывно изменялся в пределах заданного диапазона аналоговым способом, хотя также предполагается цифровое переключение параметра между одним из множества дискретных уровней. Соответствующая схема RTC радиочастотного транспондера, показанная на фиг. 1, может, конечно, также использовать одну или более из этих технологий модуляции.
Вышеупомянутые технологии модуляции могут использоваться различными схемами, составляющими схему RTC радиочастотного транспондера для того, чтобы модулировать или их отражения радиочастотных сигналов, или чтобы модулировать их излучаемые радиочастотные сигналы. Отражение радиочастотных сигналов можно, например, модулировать, используя технологии, обычно используемые в области технологий RFID и NFC, такие как модуляция нагрузки или отраженное обратное рассеяние. Излучаемые радиочастотные сигналы могут модулироваться с использованием других известных схем, таких как схемы из области технологии NFC. Технологии модуляции отражения и излучения могут также использовать принципы, которые известны в области радиочастотной связи в целом. Таким образом, различные электронные компоненты могут использоваться в схеме RTC радиочастотного транспондера, включая пассивные и активные электронные компоненты и, опционально, один или более процессоров. В настоящем изобретении схемы, составляющие схему RTC радиочастотного транспондера дополнительно включают в себя совокупность схем, которые обеспечивает требуемую модуляцию в ответ на обнаруженные ультразвуковые сигналы.
Рассмотрим прежде всего использование модуляции отражения в схеме радиочастотного транспондера. Это может быть использовано с помощью каждой из вышеперечисленных схем радиочастотной модуляции. В данном случае могут быть использованы технологии модуляции нагрузки или модуляции излучения обратного рассеяния, которые известны из области RFID. При модуляции нагрузки радиочастотный излучатель, такой как радиочастотный излучатель RFE, генерирует радиочастотное поле, которое используется для подачи мощности в схему радиочастотного транспондера. Энергия передается в схему за счет свойства ширины полосы частот, излучаемых радиочастотным излучателем, перекрывающейся с резонансной частотой схемы радиочастотного транспондера. Схема радиочастотного транспондера вслед за этим использует эту мощность для модуляции собственного импеданса. Эта модуляция в импедансе или нагрузке «видится» радиочастотным излучателем или радиочастотным детектором. Модуляция нагрузки производится в соответствии с требуемым одноразрядным или многоразрядным кодом, который требуется передать на радиочастотный излучатель или радиочастотный детектор. Фактически, радиочастотное отражение схемы радиочастотного транспондера модулируется путем модуляции ее импеданса. Предпочтительная электрическая схема, которая использует технологию модуляции отражения, показывается на фиг. 3. Фиг. 3 иллюстрирует схему RTC радиочастотного транспондера, в которой модуляция обеспечивается варакторным диодом VAR1, который является частью последовательной резонансной LCR-схемы. Последовательная, резонансная LCR-схема, показанная на фиг. 3 имеет резонансную частоту, определенную в соответствии с уравнением:
Уравнение 1
D
На фиг. 3 емкость ультразвукового детектора UD и внутренняя паразитная емкость варакторного диода VAR1 обеспечивают емкость C в уравнении 1. Ультразвуковые детекторы, в частности емкостные ультразвуковые детекторы, магнитострикционные детекторы, MEMS и CMUT детекторы, по своей природе, имеют такую паразитную емкость. Дополнительные конденсаторы могут быть включены в схему, показанную на фиг. 3, для подстройки резонансной частоты. Варакторный диод VAR1 выполняет модуляцию, причем варактор представляет собой электронный компонент, имеющий емкость, которая изменяется с помощью напряжения смещения V на нем. Индуктивность L в уравнении 1 обеспечивается индуктивностью антенны AN, показанной на фиг. 3. В этой конкретной схеме, антенна AN служит как для приема радиочастотных сигналов от радиочастотного излучателя RFE, так и для отражения радиочастотных сигналов от схемы RTC радиочастотного транспондера. Сопротивление в последовательной резонансной LCR-схеме обеспечивается собственным паразитным сопротивлением электрических проводников, соединяющих компоненты, хотя также могут быть предусмотрены дополнительные специализированные резисторы.
ElRes1
D
D1
D
ElRes1
ElRes1
ElRes1
D
D1
D2
ElRes2
При работе схема, показанная на фиг. 3, принимает радиочастотные сигналы через антенну AN за счет магнитной или емкостной связи, или их комбинацию из радиочастотного излучателя RFE. Эти радиочастотные сигналы, в частности, их магнитная составляющая, в случае ближнего поля, таким образом, питают схему RTC радиочастотного транспондера. Резонансная схема имеет частоту электрического резонанса, например F, определяемую вышеприведенным уравнением 1, когда напряжение V на варакторном диоде VAR1 равно первому напряжению V. Напряжение V управляется, по меньшей мере, частично, электрическими сигналами, генерируемыми ультразвуковым детектором UD. Для обеспечения эффективной передачи мощности предпочтительно, чтобы радиочастотные сигналы, излучаемые модулем RFE радиочастотного излучателя, имели ширину полосы пропускания, которая перекрывается с частотой электрического резонанса схемы RTC радиочастотного транспондера, то есть F. В первом рабочем режиме, при отсутствии ультразвуковых сигналов от модуля UEU ультразвукового излучателя, резонансная схема, которая питается радиочастотными сигналами от радиочастотного излучателя RFE, резонирует с частотой электрического резонанса F. Этот резонанс видится как импеданс радиочастотным излучателем RFE и работает для отражения некоторых излучаемых радиочастотных сигналов. Эти радиочастотные сигналы при F могут быть впоследствии обнаружены детектором, таким как модуль RFD радиочастотного детектора, показанный на фиг. 1. Когда ультразвуковой детектор UD принимает ультразвуковые сигналы от модуля UEU ультразвукового излучателя, электрические сигналы, генерируемые ультразвуковым детектором UD, изменяют напряжение V на варакторном диоде VAR1 с первого напряжения V до второго напряжения V. Вследствие чего, резонансная схема имеет вторую частоту электрического резонанса F; эта частота определяется в соответствии с уравнением 1. В этом втором рабочем режиме резонансная схема представляет собой другой импеданс для радиочастотных сигналов, излучаемых модулем RFE радиочастотного излучателя, и, таким образом, другое отражение для этих сигналов. Другими словами, варакторный диод в схеме RTC радиочастотного транспондера, показанной на фиг. 3, работает как модулятор, который модулирует отражение схемы радиочастотного транспондера для радиочастотных сигналов. Более конкретно, варакторный диод можно предусматривать для модуляции, как частоты, так и амплитуды радиочастотных сигналов, отраженных схемой радиочастотного транспондера.
Следует отметить, что, хотя символ индуктора показывается на фиг. 3 для представления индуктивности в уравнении 1, этот индуктор может быть обеспечен антенной AN в виде короткой длины или петли из проводника с низким или паразитным значением индуктивности. В частности, на высоких частотах паразитная индуктивность такого проводника обычно достаточна для обеспечения требуемой передачи энергии и резонанса в соответствии с уравнением 1.
Кроме того, фиг. 3 иллюстрирует только одну конкретную электрическую схему для обеспечения модуляции отражения. Альтернативные схемы той, что показана на фиг. 3 также могут быть использованы, при которых резонансный контур или резонансная схема расстраивается, чтобы обеспечить требуемое изменение в отражении. К ним относятся параллельные резонансные LCR-схемы, в которых ультразвуковой детектор преобразует полученные ультразвуковые сигналы в электрические сигналы, которые используются для изменения напряжения на варакторном диоде и тем самым изменяют резонансную частоту схемы. Более того, такие схемы могут включать в себя дополнительные электронные компоненты, такие как ключи на базе полевых транзисторов и резисторы, как описано ниже.
0
0
0
0
0
0
1
2
1
1
1
1
1
1
1
2
2
1
1
1
1
Фиг. 5A иллюстрирует еще одну иллюстративную схему RTC радиочастотного транспондера вместе с иллюстративным радиочастотным излучателем RFE и иллюстративным радиочастотным детектором RFD. Схема, показанная на фиг. 5А, использует модуляцию нагрузки для изменения ее отражения для радиочастотных сигналов. В схеме, показанной на фиг. 5А генератор Osc генерирует радиочастотные сигналы, которые связываются с катушкой излучателя, т.е. антенной, через резистор R и конденсатор C. Конденсатор C может быть использован для подстройки резонансной частоты электрической схемы, определенной конденсатором C и индуктивностью катушки излучателя. Генератор Osc, резистор R, конденсатор C и катушка излучателя вместе образуют радиочастотный излучатель RFE. При работе катушка излучателя излучает радиочастотные сигналы в виде осциллирующего магнитного поля H, некоторые из которых радиочастотные сигналы связываются с соответствующей катушкой приемника, то есть антенной L1, которая является частью схемы RTC радиочастотного транспондера. Схема RTC радиочастотного транспондера включает в себя диод D и конденсатор C, которые вместе выпрямляют и сглаживают обнаруженные радиочастотные сигналы для генерирования сглаженного электропитания на выводах Vdd-Gnd. Конденсатор C может быть использован для подстройки резонансной частоты электрической схемы, определенной конденсатором C и индуктивностью катушки L. Иллюстративная схема RTC радиочастотного транспондера, таким образом, представлена в форме параллельного LCR-резонатора и может иметь резонансную частоту параллельного LCR, определенную частично значениями L и C. Выводы Vdd-Gnd подводят питание на модулятор MOD, чьи данные выводятся на вывод DAT, чтобы управлять ключом Т на базе полевого транзистора. Схема RTC радиочастотного транспондера, показанная на фиг. 5А, использует принцип модуляции нагрузки, описанный выше, для модуляции ее отражения для радиочастотных сигналов, так что радиочастотное излучение от радиочастотного излучателя RFD рассеивается обратно на радиочастотный детектор RFD схемой RTC радиочастотного транспондера. Кроме того, данные на выводе DAT, которые выводится из модулятора MOD, переключают ключ Т на базе полевого транзистора, который изменяет импеданс нагрузки, видимый радиочастотным детектором RFD в соответствии с данными. В одной реализации данные на выводе DAT могут представлять собой один бит данных, который выводится модулятором MOD в ответ на обнаруженные ультразвуковые сигналы, которые были излучены модулем UEU ультразвукового излучателя, показанным на фиг. 1. В этой реализации модулятор MOD может, например, включать в себя ультразвуковой детектор UD и ключ T на базе полевого транзистора, которые соединяются последовательно, как проиллюстрировано на фиг. 5B, для генерации требуемых одноразрядных данных на вывод DAT, то есть логической 1 или логического 0. Альтернативные реализации модулятора MOD могут включать в себя, например, запоминающее устройство и регистр сдвига, которые выполняются с возможностью последовательно выводить многоразрядное слово данных, то есть кода, из запоминающего устройства на вывод DAT, запускаемого таким образом ультразвуковым импульсом. Кроме того, в дополнение к цифровому переключению, ключ на базе полевого транзистора может быть использован в аналоговом режиме для обеспечения аналогового изменения в отражении в ответ на входной ультразвуковой сигнал. В другой реализации иллюстративная, последовательная схема ключа Т на базе полевого транзистора и резистора, показанная на фиг. 5B, может быть использована в схеме, показанной на фиг. 5A, для управления генератором, управляемым напряжением, или фазовращателем в модуляторе MOD для осуществления передачи одноразрядных или многоразрядных данных на радиочастотный детектор RFD посредством модуляции фазового сдвига или частотной модуляции «частотной манипуляции» соответственно. Следует отметить, что во всех электронных схемах, раскрытых в данном документе, биполярные ключи могут, при необходимости, быть использованы для замены проиллюстрированных ключей на базе полевых транзисторов. Когда используются биполярные ключи, возможно, более целесообразно подключать их последовательно в схеме, нежели шунтировать катушку L. Таким образом, выводы коллектора и эмиттера биполярного ключа, показанного на фиг. 5А могут быть соединены последовательно между диодом D и катушкой L с ультразвуковым детектором, соединенным между его базой и эмиттером в качестве альтернативы полевому транзистору Т.
1
Чтобы обнаружить радиочастотные сигналы, отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера, схема RFD радиочастотного детектора, показанная на фиг. 5A, может включать в себя полосовой фильтр BPF, усилитель AMP и демодулятор DEMOD. Как отмечено выше, переключение ключа Т на базе полевого транзистора, показанного на фиг. 5А, модулирует импеданс нагрузки, видимый радиочастотным детектором RFD. Это вызывает соответствующую модуляцию обратного рассеянного излучения, т.е. модуляцию излучения, отраженного схемой RTC радиочастотного транспондера. Обратное рассеянное излучение обнаруживается как модулированный радиочастотный сигнал с помощью катушки радиочастотного излучателя или антенны радиочастотного излучателя RFE. Модулированный сигнал фильтруется полосовым фильтром BPF для уменьшения помех и шумов, усиливается усилителем AMP и затем демодулируется демодулятором DEMOD, чтобы обеспечить исходный сигнал модуляции, который возник на выводе DAT, на выводе DAT'.
Временная задержка между обнаружением демодулированного сигнала на выводе DAT' и сигналом, который инициировал модуль UEU ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 1, к излучению ультразвукового импульса, может быть вследствие этого вычислена в модуле PDU определения местоположения, чтобы определить пространство между модулем UEU ультразвукового излучателя, который излучил ультразвуковой импульс и схемой RTC радиочастотного транспондера. Выбор схемы DEMOD демодуляции, показанной на фиг. 5А, соответствует используемому типу модуляции, и для этой цели могут быть выбраны различные схемы, указанные в приведенных выше справочниках. Более того, хотя в реализации, показанной на фиг. 5А, схема радиочастотного излучателя RFE и схема радиочастотного детектора RFD совместно используют антенну или катушку, могут быть также использованы другие реализации, в которых схема радиочастотного излучателя RFE и схема радиочастотного детектора RFD имеют отдельные антенны.
1
2
1
1
mod
1
1
2
1
2
Фиг. 5B иллюстрирует еще одну иллюстративную схему RTC радиочастотного транспондера, которая использует модуляцию нагрузки для модуляции обратного рассеянного излучения. Схема RTC радиочастотного транспондера, показанная на фиг. 5В может быть использована вместо одноименного элемента RTC, показанного на фиг. 5А, для обеспечения модуляции отражения. При работе, катушка L схемы RTC радиочастотного транспондера, показанной на фиг. 5В, перехватывает линии H магнитного поля, изображенные на фиг. 5А, и преобразует их в электрический ток. Электрический ток выпрямляется диодами D1-D4 полномостового выпрямителя и сглаживается конденсатором C для генерирования сглаженного электропитания на выводах Vdd-Gnd. Схема RTC радиочастотного транспондера, показанная на фиг. 5B, может иметь резонансную частоту, определенную частично значениями L и C. Выводы Vdd-Gnd подводят питание на модулятор MOD. Вывод выхода данных модулятора MOD, DAT управляет ключом Т на базе полевого транзистора. При работе, схема, показанная на фиг. 5В, включает в себя счетчик деления на n - DIV N CTR, который обеспечивает сигнал на частоте, которая составляет 1/n часть от частоты радиочастотного сигнала, обнаруженного схемой RTC радиочастотного транспондера. Логическое И-НЕ этого сигнала и данные на выводе DAT затем используются для переключения ключа Т на базе полевого транзистора для, как показано на фиг. 5A, изменения импеданса нагрузки, видимого радиочастотным детектором RFD, показанным на фиг. 5A. В проиллюстрированной реализации данные на выводе DAT представляют собой один бит данных, который генерируется модулятором MOD в ответ на ультразвуковые сигналы, которые обнаруживаются ультразвуковым детектором UD. При этом обнаруженный ультразвуковой импульс инициирует высокий сигнал на входе ключа Т на базе полевого транзистора. Это вызывает появление низкого сигнала на выводе DAT. Несколько ультразвуковых импульсов могут запускать DAT несколько раз таким же образом. При этом одноразрядное слово данных на выводе DAT, то есть логическая 1 или логический 0, инициирует ключ T на базе полевого транзистора к модуляции обратного рассеянного радиочастотного сигнала, который обнаруживается радиочастотным детектором RFD, показанным на фиг. 5A, и тем самым сигнализирует радиочастотному детектору RFD о том, что ультразвуковой импульс был обнаружен схемой RTC радиочастотного транспондера. В реализации, показанной на фиг. 5B, счетчик деления на n синхронизирует обнаруженный сигнал с излучаемым сигналом, что помогает процессу демодуляции в радиочастотном детекторе RFD. В частности, он обеспечивает два сигнала боковой полосы, сдвинутых по частоте, при частотном разделении, определяемом обнаруженной частотой, деленной на n, при этом амплитуда сигналов боковой полосы управляется значением данных на выводе DAT. Таким образом, схема, показанная на фиг. 5B, обеспечивает амплитудную модуляцию сдвинутых по частоте сигналов боковой полосы частот. Как описано с привязкой к фиг. 5А, варианты схемы, показанной на фиг. 5В, могут включать в себя, например, запоминающее устройство и регистр сдвига в модуляторе MOD, который последовательно выдает многоразрядное слово данных, т.е. код, на вывод DAT, когда ультразвуковой детектор обнаруживает ультразвуковой импульс. В другой реализации, обнаружение ультразвукового сигнала посредством иллюстративной, последовательной схемы ключа Т на базе полевого транзистора и резистора, показанной на фиг. 5B, может вместе с тем быть организовано для управления генератором, управляемым напряжением, или фазовращателем в модуляторе MOD для обеспечения передачи одноразрядных или многоразрядных данных на радиочастотный детектор RFD посредством модуляции фазового сдвига или частотной модуляции «частотной манипуляции» соответственно.
2
2
1
Фиг. 6 иллюстрирует иллюстративный схематический чертеж схемы фазового модулятора. Схема фазового модулятора, показанная на фиг. 6, может быть использована для реализации модулятора MOD, показанного на фиг. 5A и фиг. 5B в качестве альтернативы описанным выше модуляторам. Фиг. 6 реализует так называемую фазовую манипуляцию (PSK), технологию, в которой модулируется фаза радиочастотного сигнала. Схема, показанная на фиг. 6, может быть соединена с ультразвуковым детектором UD для осуществления фазовой модуляции радиочастотного сигнала, отраженного схемой RTC радиочастотного транспондера. Иллюстративная схема, показанная на фиг. 6, может обеспечиваться мощностью посредством выпрямленных сигналов, подаваемых на силовые выводы Vdd и Gnd с любой из схем, показанных на фиг. 5А и фиг. 5В. На фиг. 6 радиочастотный генератор Osc обеспечивает два взаимно сдвинутых по фазе сигнала Cos(wt) и Sin(wt). Умножители M1, M2 сигналов умножают взаимно по фазе отфильтрованные сигналы на синфазный сигнал I(t) и квадратурный сигнал Q(t) соответственно. Затем умноженные сигналы суммируются в модуле Sigma для получения выходного сигнала на выводе Sig Out. Вывод Sig Out соответствует выводу DAT данных, показанному на фиг. 5A или фиг. 5B. Синфазный сигнал I(t) и квадратурный сигнал Q(t) принимаются от двухразрядного последовательно-параллельного преобразователя 2 Bit Ser-Par conv. Двухразрядный последовательно-параллельный преобразователь 2 Bit Ser-Par conv вводит одноразрядное или многоразрядное слово на выводе Bin i/p и разделяет последовательные входные биты на выходные сигналы I(t) и Q(t), чтобы генерировать требуемую фазовую модуляцию на выводе Sig Out. Для передачи одноразрядного слова с помощью схемы, показанной на фиг. 6, сигналы, посылаемые на выходы I(t) и Q(t), могут быть, например, одинаковыми. Для модуляции отражения схемы RTC радиочастотного транспондера, вывод Bin i/p модулятора, согласно фиг. 6, может быть подключен к выходному выводу DAT ключа T на базе полевого транзистора, показанного на фиг. 5B, с помощью регистра сдвига и запоминающего устройства, которое хранит многоразрядное слово. При работе, обнаружение ультразвукового импульса ультразвуковым детектором UD, показанным на фиг. 5B, инициирует выходной вывод DAT ключа Т на базе полевого транзистора, к запуску последовательного смещения многоразрядного слова из запоминающего устройства и на вывод Bin i/p модулятора, показанного на фиг. 6, через регистр сдвига. Далее, модулированный сигнал с фазовым сдвигом на выводе Sig Out, показанном на фиг. 6, может в след за этим запускать ключ T на базе полевого транзистора в схеме RTC радиочастотного транспондера, показанной на фиг. 5A, или на фиг. 5B, чтобы модулировать сигналы, отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера. Затем модулированные сигналы обнаруживаются схемой RFD радиочастотного детектора, показанной на фиг. 5A, и переданный код восстанавливается на выводе DAT'. Одноразрядный код может быть передан этим устройством таким же способом.
Таким образом, как описано выше, множество электрических схем может быть использовано схемой RTC радиочастотного транспондера для модуляции сигналов, отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера.
Похожие описанным выше амплитудная модуляция, частотная модуляция, фазовая модуляция и принципы кодирования могут также быть использованы для модуляции сигналов, излученных схемой радиочастотного транспондера, такой как схема RTC радиочастотного транспондера, показанная на фиг. 1. В этом контексте различные электрические схемы, которые известны для использования как в RFID, так и в NFC могут быть адаптированы, используя обычную практику проектирования электронных схем, для включения ультразвукового детектора, чтобы обеспечить требуемую модуляцию радиочастотных сигналов, излученных в ответ на обнаруженные ультразвуковые сигналы. Они могут включать в себя электрические схемы, которые непрерывно излучают радиочастотные сигналы, с модуляцией излучаемых радиочастотных сигналов, изменяемых в соответствии с обнаруженным ультразвуковым сигналом, и электрические схемы, которые излучают радиочастотные сигналы с заданной модуляцией, когда запускаются для этого обнаруженным ультразвуковым сигналом. Для этой цели принципы, известные из справочников, таких как «Руководство по RFID - Основы и применения в бесконтактных смарт-картах, радиочастотная идентификация и ближняя полевая связь, Третье издание, Клаус Финкензеллер, Giesecke&Devrient GmbH, Мюнхен, Германия, WILEY, 2010, ISBN: 978-0-470-69506-7» и «Руководство по радиочастотному и микроволновому излучению, 2001, ответственный редактор Майк Голио, CRC-пресс, ISBN 13:978-1-4200-3676-3», могут быть адаптированы для включения требуемой частотной модуляции, фазовой модуляции или кодирования радиочастотных сигналов, излученных схемой RTC радиочастотного транспондера в ответ на обнаруженные ультразвуковые сигналы. В соответствии с настоящим изобретением эти схемы радиочастотного транспондера разделяют концепцию использования модуля RFE радиочастотного излучателя в качестве источника мощности для схемы RTC радиочастотного транспондера, как было описано в отношении модуляции отражения, и того, что модуляция обеспечивается в ответ на ультразвуковые сигналы, которые обнаруживаются ультразвуковым детектором UD. В отличие от вышеописанных схем модуляции отражения, схемы радиочастотного транспондера, которые модулируют излученные радиочастотные сигналы, могут генерировать достаточный ток в своих антеннах AN для того, чтобы результирующий радиочастотный сигнал мог быть обнаружен приемной антенной модуля RFD радиочастотного детектора.
Кроме того, известные электронные схемы трансиверов и транспондеров, которые используются в области NFC, такие как схемы, которые раскрыты в документах US2011/0043429A1 и US2010/0167644A1, могут быть адаптированы аналогично описанным выше схемам для включения ультразвукового детектора UD, чтобы обеспечить любую из требуемых: частотную модуляцию, амплитудную модуляцию, фазовую модуляцию или кодирование радиочастотных сигналов, излученных схемой RTC радиочастотного транспондера. В таких схемах типа NFC обмен данными между коммуникаторами NFC может осуществляться в пределах «активного» режима связи, в котором коммуникатор NFC, т.е. радиочастотный излучатель RFE, передает переменное магнитное поле, которое модулируется данными, подлежащими передаче, а принимающий NFC коммуникатор, т.е. схема RTC радиочастотного транспондера, реагирует посредством передачи или генерации своего собственного модулированного магнитного поля, или в пределах «пассивного» режима связи, в котором один коммуникатор NFC, т.е. радиочастотный излучатель RFE, передает переменное магнитное поле и поддерживает это поле, а отвечающий коммуникатор NFC, т.е. схема RTC радиочастотного транспондера, модулирует магнитное поле, к которому она индуктивно привязывается, используя данные, подлежащие обмену, например, путем модуляции нагрузки на индуктивной связи, т.е. модуляции нагрузки. Сочетание модуляции нагрузки для модуляции отраженных радиочастотных сигналов и модуляции излученных радиочастотных сигналов может, таким образом, также использоваться благодаря этим схемам. Кроме того, любой из вышеприведенных принципов проектирования схем может быть скомбинирован при необходимости для обеспечения требуемой частотной модуляции, фазовой модуляции или кодирования радиочастотных сигналов, отраженных или излученных схемой RTC радиочастотного транспондера.
1
1
Возвращаясь к фиг. 1, конструкция соответствующего модуля RFD радиочастотного детектора, показанного на фиг. 1, который обнаруживает радиочастотные сигналы, излученный или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера, четко соответствует конкретной технологии модуляции, используемой схемой RTC радиочастотного транспондера. Модуль PDU определения местоположения вслед за этим отслеживает время, при котором модуль UEU ультразвукового излучателя излучил соответствующий ультразвуковой сигнал и время любого изменения в модуляции, чтобы определить временную разность ΔT и, таким образом, определить местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя. Таким образом, различные, известные технологии демодуляции из области радиочастотной связи могут быть включены в модуль RFD радиочастотного детектора для определения времени модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера. Когда имеет место (1) частота радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера, которая модулируется схемой RTC радиочастотного транспондера, то модуль RFD радиочастотного детектора может, например, включать в себя демодулятор, содержащий микшер, который выполняется с возможностью смешивать обнаруженный радиочастотный сигнал с радиочастотным сигналом, имеющим частоту, соответствующую ожидаемой частоте модуля RFD радиочастотного детектора, в отсутствие ультразвукового сигнала. Результат смешивания включает в себя разностную частоту, которая имеется при постоянном токе в отсутствие ультразвукового сигнала. Когда ультразвуковой сигнал обнаруживается модулем RFD радиочастотного детектора, разностная частота будет смещаться от той, что при постоянном токе. Таким образом, время обнаружения модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженным схемой RTC радиочастотного транспондера, может быть определено путем наблюдения за временем любых изменений в этой разностной частоте и, таким образом, использовано для определения требуемой временной разности ΔT. Такой демодулятор может быть обеспечен электронной схемой или процессором.
Аналогично, когда имеет место (2) фаза радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера, которая модулируется схемой RTC радиочастотного транспондера, то различные, известные технологии обнаружения фаз, включая так называемые схемы фазовой автоподстройки, ФАПЧ, или схемы усилителя синхронного детектирования могут быть использованы в демодуляторе. Чтобы обнаружить (3) изменения амплитуды, демодулятор может использовать так называемую фазовую автоподстройку, ФАПЧ, или усилитель синхронного детектирования. Когда имеет место (4) импульсная последовательность или (5) код в радиочастотных сигналах, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера, который модулируется схемой RTC радиочастотного транспондера, демодулятор может включать в себя, например, синхронизированные схемы обнаружения для восстановления сигналов, промодулированных по амплитуде, частоте или фазе и, опционально, регистр сдвига, который синхронизируется обнаруженной импульсной последовательностью для восстановления исходного кода. Опять же, в любом из этих технологий такие демодуляторы могут быть предоставлены электронными схемами или процессором.
1
Таким образом, в целом, и со ссылкой на фиг. 1, предлагается система SY для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя на основе радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера. Система включает в себя модуль RFE радиочастотного излучателя, модуль RFD радиочастотного детектора, модуль UEU ультразвукового излучателя и модуль PDU определения местоположения. Модуль RFE радиочастотного излучателя выполняется с возможностью излучать радиочастотные сигналы для питания схемы RTC радиочастотного транспондера. Модуль RFD радиочастотного детектора выполняется с возможностью обнаруживать радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера. Модуль UEU ультразвукового излучателя выполняется с возможностью излучать ультразвуковые сигналы для модуляции радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера. Кроме того, модуль PDU определения местоположения находится в функциональной связи с модулем RFD радиочастотного детектора и с модулем UEU ультразвукового излучателя и выполняется с возможностью определять местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя на основе временной разности ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU ультразвукового излучателя и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера.
Схема RTC радиочастотного транспондера, описанная выше, может, как уже упоминалось, быть присоединена к широкому разнообразию объектов, чтобы облегчить их отслеживание через обнаруженное местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера.
В одном примере реализации схема RTC радиочастотного транспондера может быть прикреплена к подложке для отслеживания подложки или отслеживания объекта, к которому прикрепляется подложка. Фиг. 7 иллюстрирует беспроводную метку WT, содержащую схему RTC радиочастотного транспондера и подложку S. Схема RTC радиочастотного транспондера прикрепляется к подложке S. Схема RTC радиочастотного транспондера, показанная на фиг. 7, включает в себя антенну AN, модулятор MOD и ультразвуковой детектор UD. Кроме того, как описано выше, когда схема RTC радиочастотного транспондера RTC прикрепляется к подложке таким способом, предпочтительно, чтобы частота принимаемых ультразвуковых сигналов, которые вызывают модуляцию радиочастотных сигналов, излученных или отраженных, по меньшей мере, одной антенной AN, то есть частота ультразвуковых сигналов, излученных или отраженных модулем UEU ультразвукового излучателя, отличалась от частоты механического резонанса беспроводной метки, или схемы RTC радиочастотного транспондера, или подложки S. При этом нежелательные, вызванные ультразвуком механические вибрации устраняются в этих элементах, тем самым предотвращая то, что такие вызванные ультразвуком механические вибрации помешают модуляции радиочастотного сигнала, который обнаруживается модулем RFD радиочастотного детектора. Под термином «отличалась» подразумевается, что абсолютная величина разности между этими частотами, выраженная как отношение частоты механического резонанса, предпочтительно превышает 10%, или 20%, или 50%, или 100%. Кроме того, как описано выше, таких нежелательных механических вибраций можно избежать с помощью беспроводной метки, используя ультразвуковые сигналы с частотами, которые больше или равны 40 кГц или более.
В другом примере реализации, схема RTC радиочастотного транспондера может быть прикреплена непосредственно к объекту, который подлежит отслеживанию. Фиг. 8 иллюстрирует медицинскую иглу NDL, которая содержит схему RTC радиочастотного транспондера. Схема RTC радиочастотного транспондера, показанная на фиг. 8 включает в себя антенну AN в виде проводника, который обертывается вокруг медицинской иглы NDL в виде спирали вместе с модулятором MOD и ультразвуковым детектором UD. Для прикрепления схемы RTC радиочастотного транспондера к медицинской игле NDL можно использовать различные технологии на основе клея, покрытия или ламинирования. Как описано в другом месте, вместо спирального проводника можно использовать другие типы антенн AN.
a1..an
a1..an
Фиг. 9 иллюстрирует второй вариант осуществления устройства PDA2 определения местоположения, который включает в себя систему SY2 для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU2 ультразвукового излучателя, вместе со схемой RTC радиочастотного транспондера. Элементы в устройстве PDA2 определения местоположения, показанном на фиг. 9, соответствуют элементам, описанным выше, в отношении устройства PDA определения местоположения, показанного на фиг. 1. Кроме того, модуль UEU2 ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 9, включает в себя множество ультразвуковых излучателей UE; и модуль PDU2 определения местоположения выполняется с возможностью определять местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU2 ультразвукового излучателя на основе набора временных разностей ΔT между излучением ультразвукового сигнала каждым из множества ультразвуковых излучателей в модуле UEU2 ультразвукового излучателя и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора его соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера.
a1..an
a1..an
При работе, устройство PDA2 определения местоположения, показанное на фиг. 9, работает во многом так же, как описано в отношении фиг. 1. Кроме того, каждый из множества ультразвуковых излучателей UE, излучает ультразвуковой сигнал, который вызывает соответствующую модуляцию в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера, и, таким образом, в сигнале, обнаруженном модулем RFD радиочастотного детектора. Таким образом, ультразвуковые излучатели генерируют соответствующий набор временных задержек ΔT, как проиллюстрировано на фиг. 9. Используя триангуляцию, эти временные задержки могут быть использованы для предоставления дополнительной информации о местоположении, касающейся местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU2 ультразвукового излучателя. В одном примере конфигурации, временные задержки, предоставляемые двумя пространственно разделенными ультразвуковыми излучателями, определяют дугу, на которой схема RTC радиочастотного транспондера находится относительно модуля UEU2 ультразвукового излучателя. В другой иллюстративной конфигурации могут быть использованы три ультразвуковых излучателя, в которых один из излучателей располагается вдали от оси, проходящей через два других излучателя. Используя триангуляцию, три соответствующие временные задержки, предоставляемые таким устройством излучателя, могут быть использованы для идентификации точки в пространстве, в которой схема RTC радиочастотного транспондера находится относительно модуля UEU2 ультразвукового излучателя. Другими словами, множество излучателей может быть использовано для предоставления информации об угловом местоположении схемы RTC радиочастотного транспондера соответствующем модулю UEU2 ультразвукового излучателя.
Чтобы улучшить различение между каждым из ультразвуковых излучателей в модуле UEU2 ультразвукового излучателя, каждый ультразвуковой излучатель в UEU2 может, например, последовательно запускаться, чтобы излучать собственный ультразвуковой сигнал. Альтернативно, каждый ультразвуковой излучатель в UEU2 может, например, быть инициирован к излучению ультразвукового сигнала, который имеет другую частоту, или длительность, или импульсную последовательность относительно ультразвуковых сигналов, излучаемых другими ультразвуковыми излучателями. Предпочтительно, все ультразвуковые излучатели в модуле UEU2 ультразвукового излучателя синхронизируются с общими часами. Использование общих часов может улучшить восстановление радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; отчасти потому, что каждый излучаемый ультразвуковой сигнал может быть отслежен по эталонному моменту времени.
a1..an
a1..an
Модуль UEU2 ультразвукового излучателя, описанный с привязкой к фиг. 9, может быть предоставлен множеством отдельных ультразвуковых излучателей, которые располагаются, как описано выше. В предпочтительной конфигурации модуль UEU2 ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 9, предоставляется посредством ультразвукового зонда для формирования изображения, который включает в себя множество ультразвуковых излучателей UE. Ультразвуковые зонды для формирования изображения, такие как зонд для формирования 2D-изображения, зонд для формирования 3D-изображения, трансэзофагеальный зонд TEE, трансторакальный зонд TTE, трансназальный зонд TNE, внутрисердечный зонд ICE, обычно включают в себя или одномерный массив, или двумерный массив ультразвуковых излучателей. Таким образом, ультразвуковые излучатели ультразвукового зонда для формирования изображения могут быть использованы для генерирования требуемого набора временных разностей ΔT, описанного выше.
Ультразвуковые зонды для формирования изображения обычно используют технологии формирования луча для генерирования множества ультразвуковых лучей для зондирования обследуемого участка. Использование такого ультразвукового зонда для формирования изображения с формированием луча, такого как модуль UEU2 ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 9, или, например, модуль UEU ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 1, предлагает другие возможности для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля ультразвукового излучателя. Эти возможности описываются теперь со ссылкой на третий вариант осуществления, проиллюстрированный на фиг. 10.
a1..an
a1..an
Фиг. 10 иллюстрирует третий вариант осуществления устройства PDA3 определения местоположения, который включает в себя систему SY3 для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU3 ультразвукового излучателя, вместе со схемой RTC радиочастотного транспондера. Схема RTC радиочастотного транспондера прикрепляется к иллюстративной медицинской игле NDL, показанной на фиг. 10, и может быть использована для отслеживания местоположения медицинской иглы через обнаруженное местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера. Очевидно, что другие объекты, включая медицинские или интервенционные приспособления, могут быть отслежены так же, как и медицинская игла NDL. Модуль UEU3 ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 10, предоставляется посредством ультразвукового зонда для формирования изображения ультразвуковой системы для формирования изображения с формированием луча и может быть, например, одним из типов зондов для формирования изображения, описанных выше. Такая ультразвуковая система для формирования изображения с формированием луча использует массив ультразвуковых излучателей UE, не показанных на фиг. 10, для генерирования множества ультразвуковых лучей B, чтобы обеспечить ультразвуковое изображение, соответствующее обследуемому участку ROI.
a1..an
Модуль UEU3 ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 10, соответствует обычному ультразвуковому видеозонду для формирования изображения и может включать в себя электронную схему возбуждения и схему приемника, не показанную, которая выполняется с возможностью усиливать и/или подстраивать фазу сигналов, передаваемых или принимаемых модулем UEU3 ультразвукового излучателя для генерирования и обнаружения ультразвуковых сигналов в лучах B.
ak
ak
ak
При работе модуль PDU3 определения местоположения, показанный на фиг. 10, может быть использован для отслеживания местоположения медицинской иглы NDL через местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU3 ультразвукового излучателя. Это местоположение может включать в себя пространство или расстояние между модулем UEU3 ультразвукового излучателя и схемой RTC радиочастотного транспондера, и/или схемой RTC радиочастотного транспондера с угловым местоположением, соответствующим модулю UEU3 ультразвукового излучателя. Пространство или расстояние D может быть определено на основе временной разности ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU3 ультразвукового излучателя, соответствующим конкретному лучу, k, и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера. Другими словами, это определяется так же, как описано с привязкой к фиг. 1, за исключением того, что это выполняется для конкретного ультразвукового луча k. Схема RTC радиочастотного транспондера с угловым местоположением, соответствующим модулю UEU3 ультразвукового излучателя, может быть определена путем идентификации конкретного ультразвукового луча B, в котором схема RTC радиочастотного транспондера находилась во время соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, который был обнаружен модулем RFD радиочастотного детектора.
Более конкретно, угловое местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU3 ультразвукового излучателя может быть определено путем сопоставления ультразвуковых сигналов, излученных модулем UEU3 ультразвукового излучателя, с модулированными радиочастотными сигналами, обнаруженными модулем RFD радиочастотного детектора. С практической точки зрения это сопоставление может включать в себя следующие этапы:
a1..an
построение матрицы возможных местоположений для схемы радиочастотного транспондера в пределах множества ультразвуковых лучей B ультразвукового зонда UEU3 для формирования изображения с формированием луча;
ak
ak
для каждого возможного местоположения, сравнение измеренной величины модуляции и/или временной разности ΔT радиочастотного сигнала, обнаруженного модулем RFD радиочастотного детектора с ожидаемой величиной модуляции и/или временной разности ΔT радиочастотного сигнала, обнаруженного модулем RFD радиочастотного детектора соответственно; и
идентификация на основе этапа сравнения наиболее вероятного местоположения из матрицы возможных местоположений для схемы радиочастотного транспондера.
Другие способы и алгоритмы для определения местоположения радиочастотного детектора также могут быть использованы для выполнения вышеуказанного сопоставления.
a1..an
Определив, таким образом, местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU3 ультразвукового излучателя, наиболее вероятное местоположение может быть указано в соответствующем ультразвуковом изображении обследуемого участка ROI, обеспеченного модулем UEU3 ультразвукового излучателя. Обеспечивает преимущество то, что местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера самоадресуется к ультразвуковому изображению, поскольку местоположение определяется с привязкой к лучам B ультразвуковой системы для формирования изображения с формированием луча.
3
1
2
Фиг. 11 иллюстрирует четвертый вариант осуществления устройства PDA4 определения местоположения, которое включает в себя систему SY4 для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя, вместе со схемой RTC радиочастотного транспондера. По сравнению с устройством PDA определения местоположения, описанным с привязкой к фиг. 1, устройство PDA4 определения местоположения дополнительно включает в себя второй модуль RFD2 радиочастотного детектора. RFD2 работает так же, как модуль RFD радиочастотного детектора, который был описан с привязкой к фиг. 1, и предпочтительно размещается отдельно по отношению к модулю RFD радиочастотного детектора. По сравнению с модулем PDU определения местоположения, описанным с привязкой к фиг. 1, модуль PDU4 определения местоположения дополнительно выполняется с возможностью определять местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля RFD радиочастотного детектора и, по меньшей мере, второго модуля RFD2 радиочастотного детектора. Это местоположение основывается на временной задержке ΔT между временной разностью ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU ультразвукового излучателя и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера и временной разностью ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU ультразвукового излучателя и обнаружением, по меньшей мере, вторым модулем RFD2 радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера. Во всем остальном элементы, показанные на фиг. 11 работают так же, как и соответствующие элементы, показанные на фиг. 1.
1
2
3
3
3
3
Таким образом, в использовании, вариант осуществления, показанный на фиг. 11, не только определяет местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя, но также использует временную задержку между ΔT и ΔT, показанную на фиг. 11, чтобы предоставить местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера, соответствующее модулям RFD и RFD2 радиочастотных детекторов. Временная задержка ΔT указывает на разность в расстоянии D между схемой RTC радиочастотного транспондера и модулями RFD, RFD2 радиочастотных детекторов. Расстояние D может быть определено путем умножения временной задержки ΔT на скорость света, поскольку модули радиочастотных детекторов реагируют на радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера. При этом улучшенное позиционирование схемы радиочастотного транспондера может быть обеспечено на основе заданных местоположений радиочастотного детектора RFD и радиочастотного детектора RFD2.
Фиг. 12 иллюстрирует устройство TA отслеживания, которое включает в себя систему SY для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя, систему WUTS отслеживания беспроводного модуля и беспроводной модуль WU, который включает в себя схему RTC радиочастотного транспондера и эталонный модуль FID или модуль TU трансивера. Система SY, показанная на фиг. 12, соответствует системе, описанной выше со ссылкой на фиг. 1, и работает таким же образом, чтобы определять местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера. По сравнению с фиг. 1 дополнительный эталонный модуль FID или модуль TU трансивера удерживается в фиксированном местоположении относительно схемы RTC радиочастотного транспондера, причем два модуля определяют беспроводной модуль WU. Таким образом, два модуля механически соединяются друг с другом. Когда эталонный модуль FID используется в беспроводном модуле WU, эталонным модулем может быть любое устройство, которое способно отслеживаться магнитной системой слежения или оптической, или ультразвуковой, или рентгеновской, или КТ или ПЭТ или ОФЭКТ системой формирования изображения. Примеры таких эталонных модулей включают в себя магнит или электромагнит, оптические ретрорефлекторы, оптические излучатели, такие как видимые или инфракрасные светоизлучающие диоды; ультразвуковые эталонные модули, выполненные с возможностью обеспечивать характеристику отражения ультразвука, например, изготовленные из золота, углерода и полимеров; «зерна» или катушки, которые обнаруживаются в рентгеновском или КТ-изображении посредством их абсорбции в единицах Хаунсфилда и которые обычно образуются из таких материалов, как золото или углерод; и радиоактивные маркеры, которые могут быть обнаружены в ядерном изображении ПЭТ или ОФЭКТ системы формирования изображения. Когда модуль трансивера TU используется в беспроводном модуле WU, это может быть любой модуль, который способен принимать сигналы зонда и излучать в ответ на них обратные сигналы одного или более из излучений: ультразвуковых, электромагнитных, радиочастотных, микроволновых, инфракрасных и оптических. Такой модуль трансивера обычно представляет собой электронную схему. В одном примере, модуль TU трансивера представляет собой радиочастотный трансивер, работающий в соответствии с принципами связи RFID или NFC. Таким образом, модуль TU трансивера может включать в себя пассивную метку RFID, которая выполняет модуляцию нагрузки в ответ на принятый электромагнитный сигнал зонда. Соответствующий модуль TTU отслеживания трансивера может включать в себя электронную схему, которая генерирует электромагнитные сигналы на резонансной частоте метки RFID, и которая определяет пространство до эталонного модуля на основе интенсивности сигнала или времени пролета, как описано выше. Множество таких генераторов системы FTS отслеживания эталонного модуля и/или детекторов могут располагаться в пространственно разделенной конфигурации, чтобы триангулировать местоположение эталонного модуля. В другом примере модуль TU трансивера включает в себя ультразвуковой детектор, который после приема ультразвукового импульса зонда заданной частоты излучает ультразвуковой, или оптический, или радиочастотный обратный импульс для указания своего местоположения. В другой реализации, модуль TU трансивера может включать в себя активную электронную схему, которая чувствительна к ультразвуковым сигналам и которая генерирует в ответ на них обратный ультразвуковой сигнал. Соответствующий модуль TTU отслеживания трансивера может включать в себя генератор сигналов, который генерирует сигнал зонда, и соответствующую схему детектора, которая усиливает обнаруженный обратный сигнал. Пространство между модулем TTU отслеживания трансивера и модулем TU трансивера может быть определено на основе времени пролета между сгенерированными и обнаруженными сигналами, которое указывает на удвоенное пространство между модулем TTU отслеживания трансивера и трансивером. Скорость распространения ультразвуковых сигналов выгодным образом приводит к временной задержке, которая может быть измерена с помощью недорогой электроники. Несколько таких схем детекторов и/или генераторов могут быть расположены в пространственно разделенной конфигурации, чтобы триангулировать местоположение трансивера на основе соответствующих времен пролета.
Система WUTS отслеживания беспроводного модуля, показанная на фиг. 12, включает в себя соответствующую систему отслеживания для отслеживания местоположения эталонного модуля FID или модуля TU трансивера; т.е. систему FTS отслеживания эталонного модуля или модуль TTU отслеживания трансивера. Система FTS отслеживания эталонного модуля или модуль TTU отслеживания трансивера выполняется с возможностью определять местоположение беспроводного модуля WU на основе сигналов, передаваемых между 1) системой FTS отслеживания эталонного модуля и эталонным модулем FID или между 2) модулем TTU отслеживания трансивера и модулем TU трансивера, соответственно. Когда используется система FTS отслеживания эталонного модуля, это или магнитная система отслеживания, или оптическая, или ультразвуковая, или рентгеновская, или КТ, или ПЭТ, или ОФЭКТ система формирования изображения, которая выполняется с возможностью обеспечивать формирование изображения, которое включает в себя местоположение эталонного модуля FID. Например, когда используется эталонный модуль на основе светоизлучающего диода, может использоваться оптическая система или система отслеживания на основе камеры, для идентификации углового местоположения эталонного модуля на основе светоизлучающего диода в оптическом изображении. Множество таких камер, расположенных вокруг эталонного модуля на основе светоизлучающего диода, может быть использовано для определения трехмерного местоположения эталонного модуля с помощью триангуляции. Магнитная система отслеживания может быть использована для получения магнитного изображения, т.е. 2D-карты или 3D-карты, которая включает в себя местоположение магнитного или электромагнитного эталонного модуля FID. Когда используется модуль TTU отслеживания трансивера, этот модуль может быть использован для определения ориентации и/или пространства между модулем TTU отслеживания трансивера и модулем TU трансивера. Это может быть, например, основано на временной задержке между эмиссией излучения для запуска и обнаружением излучения, принимаемого от модуля TU трансивера в ответ на излучение для запуска. Кроме того, местоположение может дополнительно или альтернативно основываться на интенсивности излучения, принимаемого из модуля трансивера TU, или его положение может быть триангулировано с использованием нескольких разделенных детекторов для обнаружения излучения, принимаемого из модуля TU трансивера. Продолжая приведенный выше пример модуля TU трансивера, работающего в соответствии с принципами связи RFID или NFC; местоположение модуля трансивера может быть триангулировано в трех измерениях с использованием нескольких блоков считывателя RFID.
Таким образом, беспроводной модуль WU, показанный на фиг. 12, может отслеживаться с помощью двух отдельных систем отслеживания: системой WUTS отслеживания беспроводного модуля и модулем PDU определения местоположения. Это может быть использовано для обеспечения избыточности.
В одном примере реализации, устройство TA отслеживания, показанное на фиг. 12, может быть использовано для совместной регистрации двух изображений. В этой реализации модуль UEU ультразвукового излучателя представляет собой ультразвуковой датчик для формирования изображения, имеющий систему UFCS координат ультразвукового поля. Таким образом, ультразвуковой датчик для формирования изображения может обеспечить первое изображение. Система UFCS координат ультразвукового поля, например, может быть определена относительно точки на модуле UEU ультразвукового излучателя и может быть, например, определена в полярной, или декартовой, или любой другой системе координат. Кроме того, система FTS отслеживания эталонного модуля, показанная на фиг. 12, может представлять собой магнитную систему отслеживания, или оптическую, или ультразвуковую, или рентгеновскую, или КТ, или ПЭТ, или ОФЕКТ систему формирования изображения, которая выполняется с возможностью обеспечивать второе изображение. Два изображения могут быть совместно зарегистрированы с использованием следующих этапов способа, которые могут быть сохранены в виде команд на читаемом компьютером носителе данных для их выполнения на процессоре, управляющем устройством TA отслеживания:
- генерирование с помощью ультразвукового зонда для формирования изображения ультразвукового изображения в системе UFCS координат ультразвукового поля;
- генерирование с помощью системы FTS отслеживания эталонного модуля магнитного, или оптического, или ультразвукового, или рентгеновского, или КТ, или ПЭТ, или ОФЕКТ изображения, которое включает в себя местоположение эталонного модуля FID;
- инициирование модуля RFE радиочастотного излучателя к излучению радиочастотных сигналов для питания схемы RTC радиочастотного транспондера;
- инициирование модуля RFD детектора к обнаружению радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера;
- инициирование модуля UEU ультразвукового излучателя к излучению ультразвуковых сигналов для модуляции радиочастотных сигналов, излученных или отраженных схемой RTC радиочастотного транспондера; и
1
- определение местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя на основе временной разности ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU ультразвукового излучателя и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера; и
- отображение ультразвукового изображения на изображение, сгенерированное системой FTS отслеживания эталонного модуля, путем перевода системы UFCS координат ультразвукового поля в систему координат системы FTS отслеживания эталонного модуля на основе определенного местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя и на основе местоположения эталонного модуля FID в изображении, сгенерированном системой FTS отслеживания эталонного модуля.
Фиг. 13 иллюстрирует устройство RA регистрации, которое включает в себя систему SY, в которой модуль UEU ультразвукового излучателя системы SY включает в себя эталонный модуль FID или модуль TU трансивера и модуль ULDU определения местоположения модуля ультразвукового излучателя, который имеет соответствующую систему FTS отслеживания эталонного модуля или модуль TTU отслеживания трансивера. Система SY, показанная на фиг. 13, соответствует системе, описанной выше со ссылкой на фиг. 1, и работает таким же образом, чтобы определить местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера. Как проиллюстрировано на фиг. 13, модуль UEU ультразвукового излучателя системы SY дополнительно включает в себя 1) эталонный модуль FID или 2) модуль TU трансивера. Эталонный модуль/модуль трансивера механически соединяется с модулем UEU ультразвукового излучателя. Когда используется эталонный модуль FID, то эталонный модуль может быть любым эталонным модулем, который подходит для отслеживания с помощью системы формирования оптического изображения. Подходящие эталонные модули описываются выше с привязкой к фиг. 12. Альтернативно может быть использован модуль TU трансивера, как описано с привязкой к фиг. 12. Устройство RA регистрации, показанное на фиг. 13, также включает в себя модуль ULDU определения местоположения модуля ультразвукового излучателя, который имеет соответствующую 1) систему FTS отслеживания эталонного модуля или 2) модуль TTU отслеживания трансивера, выполненный с возможностью определять местоположение модуля UEU ультразвукового излучателя на основе сигналов, передаваемых между 1) системой FTS отслеживания эталонного модуля и эталонным модулем FID или между 2) модулем TTU отслеживания трансивера и модулем TU трансивера соответственно. Модуль TTU отслеживания трансивера может быть любым из соответствующих модулей, описанных с привязкой к фиг. 12. Система FTS отслеживания эталонного модуля, показанная на фиг. 13, представляет собой оптическую систему формирования изображения и выполняется с возможностью обеспечивать изображение, которое включает в себя местоположение эталонного модуля FID.
a1..an
a1..an
Как показано на фиг. 13, в некоторых реализациях может оказаться полезным отображать местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера, как определено в системе координат модуля UEU ультразвукового излучателя, в систему координат модуля ULDU определения местоположения модуля ультразвукового излучателя. Последняя система координат может служить в качестве глобальной эталонной системы координат. Это полезно, когда, например, модуль UEU ультразвукового излучателя является мобильным модулем, таким как, например, ультразвуковой зонд для формирования изображения. При этом раскрывается машиноисполняемый способ отображения для использования в процессоре, который управляет устройством RA регистрации, показанным на фиг. 13. Этот способ может быть, например, реализован тем же процессором, который реализует способ определения местоположения, используемый вышеописанным модулем PDU определения местоположения или отдельным процессором. В одной реализации модуль UEU ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 13, может быть ультразвуковым зондом для формирования изображения, имеющим систему UFCS координат ультразвукового поля, как описано с привязкой к фиг. 12. Устройство RA регистрации, показанное на фиг. 13, может быть использовано для отображения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера, как определенного в системе UFCS координат модуля UEU ультразвукового излучателя, в систему ULDUCS координат модуля ULDU определения местоположения модуля ультразвукового излучателя. Система ULDUCS координат может быть полярной, или декартовой, или любой другой системой координат и может иметь эталонную точку, отличную от точки UFCS. Система ULDUCS координат может, например, иметь фиксированную эталонную точку, тогда как UFCS система координат может быть подвижной в пространстве, особенно когда определена в отношении мобильного ультразвукового зонда для формирования изображений. Как описано со ссылкой на фиг. 9, когда модуль UEU2 ультразвукового излучателя, показанный на фиг. 9, представляет собой ультразвуковой зонд для формирования изображения, UEU2 может быть использован для точного определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU2 ультразвукового излучателя на основе набора временных разностей ΔT между излучением ультразвукового сигнала каждым из множества ультразвуковых излучателей UEв модуле UEU2 ультразвукового излучателя и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора его соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера. Реализуемый компьютером способ отображения может включать в себя следующие этапы:
- передача от модуля TTU отслеживания трансивера модуля ULDU определения местоположения модуля ультразвукового излучателя сигналов зонда для генерирования обратного сигнала от модуля TU трансивера;
- обнаружение с помощью модуля TTU отслеживания трансивера обратных сигналов, сгенерированных в ответ на переданные сигналы зонда;
- вычисление на основе сигналов зонда и обратных сигналов местоположения модуля UEU, UEU2, UEU3 ультразвукового излучателя соответствующего модулю ULDU определения местоположения модуля ультразвукового излучателя в системе координат модуля ULDUCS определения местоположения модуля ультразвукового излучателя;
- отображение местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя, как определено модулем PDU определения местоположения системы SY в системе UFCS координат ультразвукового поля, в систему координат модуля ULDUCS определения местоположения модуля ультразвукового излучателя на основе местоположения модуля UEU ультразвукового излучателя относительно модуля ULDU определения местоположения модуля ультразвукового излучателя.
1
Таким образом, была описана система для определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя, в котором ультразвуковые сигналы, излученные модулем UEU ультразвукового излучателя, модулируют радиочастотные сигналы, излученные или отраженные схемой RTC радиочастотного транспондера. Местоположение схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя определяется вслед за этим на основе временной разности ΔT между излучением ультразвукового сигнала модулем UEU ультразвукового излучателя и обнаружением модулем RFD радиочастотного детектора соответствующей модуляции в радиочастотном сигнале, излученном или отраженном схемой RTC радиочастотного транспондера.
Хотя изобретение и было подробно проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и вышеприведенном описании в отношении различных медицинских приспособлений, такие иллюстрации и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничительные; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления и может быть использовано для определения местоположения объектов в целом. Кроме того, следует понимать, что различные примеры и варианты осуществления, проиллюстрированные в данном документе, могут быть объединены для обеспечения различных устройств и способов определения местоположения схемы RTC радиочастотного транспондера относительно модуля UEU ультразвукового излучателя.