TWI580987B - A positioning algorithm for calculating the positioning distance - Google Patents

Description

用於計算定位距離的定位演算法

本發明係關於一種用於計算定位距離的定位演算法，特別是一種利用無線通信方式將定位訊號收發單元所發射調頻頻率與定位標所反射該調頻頻率的一頻率差，透過以計算距離及定位座標的演算法。

目前由於線性調頻連續波雷達系統，回波差頻訊號會因目標距離越遠，訊號強度會逐漸變小甚至遠低於近場雜訊準位，這代表著高度感測器系統降落接近地面時，會無法正確解算目標高度，造成距離偵測能力下降。

習知技藝中，如歐洲專利號EP1602939 A1揭示一種利用調製連續波(FM-CW)方法的頻率，從雷達技術已知一種放射線定位系統，並結合包括一個無源天線，其阻抗通過其在標籤中產生的副載波的裝置所調製的標籤。在擴展的實施方式中，由子載波的調製的裝置，所述標籤的識別號碼被轉移到詢問單元。應用領域：跟踪失控，寵物，牛，貨物和人類，生物遙測等移動紀錄。

上述技藝中，並無進一步揭露如何達到骨科手術 所需定位回饋精度需求以及3D定位。

本發明目的係以提供一種用於計算定位距離的定位演算法，其藉由可調頻定位訊號收發單元發射調頻訊號至植於脊椎每一椎節上的定位標，當定位標將調頻訊號反射後，藉由發射與接收時調頻訊號的頻率差來計算該距離並且完成座標定位，藉此，可獨立追蹤並即時運算其脊椎的姿態與位置，避免將脊椎視為一剛體，且提升施術椎節定位精度，提升施打椎弓根骨釘精準性與安全性。

本發明用於計算定位距離的定位演算法，其步驟如下：透過一定位訊號收發單元傳送一調頻頻率訊號至一定位標；由該定位標接收該該調頻頻率訊號後傳送一定位標頻率訊號至該定位訊號收發單元；依據該調頻頻率訊號與該定位標頻率訊號，以透過一頻率調制連續波(Frequency modulated continuous waveform；FMCW)定位演算法計算該定位訊號收發單元與該定位標之一距離值；利用一相位干涉解析演算法以提高該定位標頻率訊號精準度；以及結合一三角定位法，取得該定位訊號收發單元與該定位標的一空間定位座標。

本專利針對近場雜訊及目標訊號強度產生衰減及遭遇干擾之問題，引據迴旋積分、視窗函數、FFT以及地面目標之雷達接收功率損耗與距離平方之特性，以軟體演算建 構訊號補償方式，模擬結果證明設計方案有效，除改善雜訊外，同時增強訊號強度，獲得正確訊息且誤差低，符合測距精度可接受範圍，促使整體系統運用層面更為提升。

10‧‧‧定位模組

11‧‧‧脊椎

12‧‧‧定位標

12A、12B‧‧‧天線

12A1、12B1‧‧‧定位標頻率訊號

13A、13B‧‧‧天線

13A1、13B1‧‧‧器械頻率訊號

121‧‧‧定位標頻率訊號

121A‧‧‧識別碼

13‧‧‧手術器械

131‧‧‧器械頻率訊號

131A‧‧‧器械識別碼

14‧‧‧定位訊號收發單元

141‧‧‧調頻頻率訊號

L1、L11‧‧‧定位標距離

L2、L21‧‧‧器械距離

20‧‧‧處理單元

30‧‧‧手術影像

31‧‧‧脊椎影像

311‧‧‧脊椎空間座標

32‧‧‧手術器械影像

321‧‧‧器械空間座標

S710~S760‧‧‧步驟流程

D1、D2‧‧‧訊號差

T1‧‧‧時間

S1、S2‧‧‧角度

圖1係本發明應用於手術導航作業的示意圖。

圖2係本發明應用於手術導航作業的方塊圖。

圖3A及圖3B係本發明之調頻頻率訊號示意圖。

圖4係本發明應用於手術導航作業的影像示意圖。

圖5係本發明應用於手術導航作業之定位標天線示意圖。

圖6係本發明應用於手術導航作業之手術器械天線示意圖。

圖7係本發明用於計算定位距離的定位演算法之步驟流程圖。

為了讓本創作之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參閱圖1至圖7，圖1係本發明應用於手術導航作業的示意圖，圖2係本發明應用於手術導航作業的方塊圖，圖3A及圖3B係本發明之手術導航作業的調頻頻率訊號示意圖，圖4係本發明應用於手術導航作業的影像示意圖，圖5係本發明應用於手術導航作業之定位標天線示意圖，圖6係本發明應用於手術導航作業之手術器械天線示意圖，圖7係本發明 用於計算定位距離的定位演算法之步驟流程圖。

首先，在脊椎手術前已先拍攝脊椎CT(Computed tomography)影像後，再拍攝已植入於脊椎上之本發明所述的定位標12之C-arm影像，接著將二影像疊合為手術影像30，因此手術影像30可包括脊椎影像31及手術器械影像32，接著再匯入本發明所述的用於計算定位距離的定位模組以利進行手術導航作業，本發明定位模組10包括：定位訊號收發單元14，用以發射調頻頻率訊號141至該複數個定位標12及手術器械13。

更進一步來說，定位訊號收發單元14的掃頻範圍為24-24.4GHz，定位訊號收發單元14加入切換調變機制，在頻譜上可以區隔環境雜波與目標物之回波訊號，降低環境干擾，更進一步來說，透過定位訊號收發單元14的調變機制，使定位訊號收發單元14所發出的頻率訊號都具備有可調變的特質。

首先步驟S710，複數個定位標12，其分別設置於脊椎11的一椎節上，每一定位標12用以接收該調頻頻率訊號141後，回傳定位標頻率訊號121至該定位訊號收發單元14，該定位訊號收發單元14接收定位標頻率訊號121，其中該定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號141為相同波形，更詳細而言，該些定位標12內具有天線，當該天線接收到調頻頻率訊號141後將該訊號反射回該定位訊號收發單元14，因此定位標 頻率訊號121與該調頻頻率訊號141為相同波形。

另外，手術器械13，用以接收該調頻頻率訊號141後，回傳該器械頻率訊號131至該定位訊號收發單元14，該定位訊號收發單元14接收器械頻率訊號131，其中該器械頻率訊號131與該調頻頻率訊號141為相同波形，更詳細而言，該手術器械13內具有天線，當該天線接收到調頻頻率訊號141後將該訊號反射回該定位訊號收發單元14，因此器械頻率訊號131與該調頻頻率訊號141為相同波形。

接著步驟S720，處理單元20，電性連接該定位訊號收發單元14，請參考圖3A，根據定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號141的訊號差D1也就是所謂拍頻，以演算法計算該些定位標12與該定位訊號收發單元14間的定位標距離L1，其中該演算法為頻率調制連續波(Frequency modulated continuous waveform；FMCW)定位演算法，該處理單元20根據同一時間T1所接收到定位標頻率訊號121與該調頻頻率訊號141之間的訊號差D1也就是拍頻，來計算該定位標距離L1，並根據該定位標距離L1計算出脊椎空間座標311。

上述中，以該演算法計算該些定位標12與該定位訊號收發單元14間的定位標距離L1時，主要是先拍頻測距演算法取得接近真實距離的一半波長誤差值，接著步驟S730，再利用一相位干涉解析演算法依據該距離值與該半波長誤差值，計算出該定位訊號收發單元與該定位標達到空間定位座 標， 更進一步說明，該相位干涉演算法算式如下：s _b (t)=B cos(2π(f _o -πα _o τ+α _o t)τ)

當雷達載波頻率(fo)遠大於拍頻頻率(α ot)，fo>>α aot，所以可簡化為：=2π f _o τ-π²α₀τ² 2π f _o τ；又可得知該雷達精準度為，因λ為雷達載波波長，準確度可進一步改進為。

上述中，詳細而言，因傳輸速度快，時間差極小，因此本發明取同一時間T1做為取樣。

於一實施例中，步驟S740，該定位訊號收發單元14為至少二定位訊號收發單元14，其分別設置於該脊椎11周緣，該處理單元20根據二定位訊號收發單元14所接收到的該二定位標頻率訊號121計算所對應的該二定位標距離L1、L11，再以三角定位法計算出該脊椎空間座標311。

另外，處理單元20根據器械頻率訊號131與該調頻頻率訊號141的訊號差D2，以頻率調制連續波定位演算法計算該手術器械13與該定位訊號收發單元14的器械距離L2，根據並根據該器械距離L2計算出器械空間座標321。

於一實施例中，該定位訊號收發單元14為至少二定位訊號收發單元14，其分別設置於該手術器械13周緣，該處理單元20根據二定位訊號收發單元14所接收到的該二器械 頻率訊號131計算所對應的該二器械距離L2、L21，再以三角定位法計算出該器械空間座標321。

上述中，本發明空間定位座標，例如以定位訊號收發單元為三收發定位訊號收發單元為例，該空間定位座標為(X,Y)，其座標解為： 其中三收發定位訊號收發單元座標分別為(X _a ,Y _a ),(X _b ,Y _b )及(X _c ,Y _c )，三收發定位訊號收發單元與該定位標距離為d _a ，d _b 及d_c。

進一步地，請參考圖4，該些定位標12更包括識別碼121A，該手術器械13更包括器械識別碼131A(圖4符號有誤)，該定位訊號收發單元14用以接收該識別碼121A及該器械識別碼131A後，該處理單元20將該識別碼121A定義到相對應的該脊椎空間座標311，該處理單元20將該器械識別碼131A定義到相對應的該器械空間座標321，就由該識別碼121A及該器械識別碼131A可確認所對應的定位標12及手術器械13是否正確。

進一步說明，請參閱圖5，每一定位標12更進一步包括至少二天線12A、12B，其接收該調頻頻率訊號141後，回傳該二定位標頻率訊號12A1、12B1至該定位訊號收發單元14，該處理單元20藉由該二定位標頻率訊號12A1、12B1計算 出該二天線12A、12B與定位訊號收發單元14之距離，以此計算出該定位標12植入脊椎與一預設施行手術導航路徑之間的角度S1，以確認該定位標植入植椎是否與預設施行手術導航路徑相同。

另外，請參閱圖6，該手術器械13更進一步包括至少二器械天線13A、13B，其接收該調頻頻率訊號141後，回傳該二器械頻率訊號13A1、13B1至該定位訊號收發單元14，該處理單元20藉由該二器械頻率訊號13A1、13B1計算出該器械二天線13A、13B與定位訊號收發單元14之距離，以此計算出該手術器械與預設施行手術導航路徑之間的角度S2，以確認該手術器械的操作是否與預設施行手術導航路徑相同。

如上述，利用本發明，在脊椎手術前可先匯入術前規劃資訊，接著根據該脊椎空間座標、該器械空間座標及定位標和手術器械角度等資料來進行手術導航作業。

本發明利用無線定位技術實現多椎節定位追蹤導航手術技術，透過調頻式射頻定位技術加上識別碼辨識功能，於椎節設置定位天線標記，透過獨立追蹤設置定位天線標記之椎節而非使用數值推算方式將全部脊椎視為剛體，進而提升醫學影像註冊精度與速度(加速演算收斂)，提升手術植入物施打安全性與精準度，同時本導航系統適用於長節脊椎手術(脊椎側彎矯正、多節脊椎骨折)，使施術不受大型紅外線反光球定位標記器械限制。

本發明可有效提升醫師執行脊椎手術安全性與施術品質，同時降低手術中穿透式醫學影像使用量並減輕醫護人員游離輻射吸收量；另外醫學影像導航技術為未來智能手術輔助系統主要核心基礎，未來進一步結合手術機械臂與高聚焦式穿透性治療設備(HIFU、伽瑪刀、質子治療)可實現高精準治療，降低患者術後併發症與影響。

綜上所述，乃僅記載本創作為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本創作專利實施之範圍。即凡與本創作專利申請範圍文義相符，或依本創作專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本創作專利範圍所涵蓋。

S710~S740‧‧‧步驟流程

Claims (5)

1. 一種用於計算定位距離的定位演算法，其步驟如下：透過一定位訊號收發單元傳送一調頻頻率訊號至一定位標；由該定位標接收該調頻頻率訊號後傳送一定位標頻率訊號至該定位訊號收發單元；依據該調頻頻率訊號與該定位標頻率訊號，以透過一頻率調制連續波(Frequency modulated continuous waveform；FMCW)定位演算法計算該定位訊號收發單元與該定位標之一距離值；利用一相位干涉解析演算法以提高該定位標頻率訊號精準度；以及結合一三角定位法，取得該定位訊號收發單元與該定位標的一空間定位座標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之用於計算定位距離的定位演算法，該調頻頻率訊號與該定位標頻率訊號，以透過一頻率調制連續波(Frequency modulated continuous waveform；FMCW)定位演算法計算該定位訊號收發單元與該定位標之該距離值步驟中，是根據同一時間所接收到該定位標頻率訊號與該調頻頻率訊號的拍頻來計算該距離值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之用於計算定位距離的定位演算法，其中該相位干涉解析演算法為 s _b (t)=B cos(2π(f _o -πα _o τ+α _o t)τ)，該精準度為
4. 如申請專利範圍第1項所述之用於計算定位距離的定位演算法，其中調頻頻率訊號24至24.4GHz。
5. 如申請專利範圍第3項所述之用於計算定位距離的定位演算法，其中該定位訊號收發單元為三收發定位訊號收發單元，該空間定位座標為(X,Y)，其座標解為： 其中三收發定位訊號收發單元座標分別為(X _a ,Y _a ),(X _b ,Y _b )及(X _c ,Y _c )，三收發定位訊號收發單元與該定位標距離為d _a ，d _b 及d _c 。