视觉跟踪系统和跟踪识别器间传输数据的可见光通信系统技术方案

光学跟踪系统包括至少一个跟踪阵列，用于生成数据并且在1至2,000MB/s之间的速率下光传输数据。还提供了用于光接收在1至2,000MB/s之间的速率下光传输的数据的至少一个跟踪器。该跟踪系统不仅用于快速地跟踪对象和发送跟踪信息，还向用户或手术室的其他元件提供与例如是计算机辅助设备的外部设备相关的附加信息。利用光学跟踪系统，使例如是全膝关节置换术(TKA)等矫形外科手术的执行获得更加高效和更好的结果。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】视觉跟踪系统和跟踪识别器间传输数据的可见光通信系统相关申请本申请要求于2014年11月21日提交的申请号为62/083,052的美国临时申请的优先权；其内容通过全文引用的方式并入本文。
本公开通常涉及可见光通信系统，尤其涉及在外科手术设置中的跟踪系统和跟踪标记之间的数据传输。
技术介绍
跟踪和导航系统已经用于各种应用场合，以在空间中对物体进行精确定位、跟踪和导航。在医学领域，跟踪系统已经与医疗装置一起使用，以辅助外科医生执行精确手术。在所属
中已经公知在手术室内跟踪对象的典型配置和方法。这样的方法之一是利用光学信号(光、射频、红外线、声音等)和光学接收器(光电二极管、CMOS或CCD摄像机)来定位医疗器械相对于患者解剖的位置和方向。考虑其准确性和适应性，通常采用光学跟踪系统。光学跟踪系统通常包括以下物件。发射或反射光信号的三个或三个以上的有源或者无源标记，在跟踪阵列上按照已知的几何形状布置。两个或两个以上的光学接收器，安置在手术室中远离患者的位置，以接收发射的信号或者从标记处反射的信号。处理单元，联接至光学接收器，分析输入信号以计算跟踪阵列的位置和方向。跟踪阵列都被固定至患者的解剖位置和医疗设备处。使用所属
悉知的技术能够计算得到光学传感器、跟踪阵列、患者的解剖以及医疗设备的相对于彼此的坐标系。在手术期间，标记会定期地发射或者反射信号，信号被光学传感器捕获和处理，以计算医疗设备相对于感兴趣的患者解剖的位置和方向。上述跟踪系统已用在各种医疗应用上。例如，标记阵列已经附属到手持式装置，如Stryker制造的ES2脊柱固定系统。外科医生可以在手术室内的显示监视器上看见椎弓根螺钉相对于患者椎骨的位置。另一个应用是使用具有半主动式计算机辅助装置的跟踪系统，例如由Mako制造的RIO机器臂交互式矫形系统，其在全髋关节置换术中的髋臼制备期间提供关于铰刀的位置和方向的视觉反馈。类似地，跟踪系统可与全主动式计算机辅助设备配合使用，以提供发送至控制单元的定位信息，控制单元引导设备相对于患者解剖的运动。目前，从标记处发射或反射的信号仅提供准确地检测标识物在空间中的位置和从背景中(信噪比)识别标识物的手段。但是，发光二极管(LED)技术已经取得了新的进展，提供了以相较于先前可行的更高得速率传输数据，从而能够提供多个有价值的应用，尤其是在医疗环境方面。最近，使用由LED和例如CCD或CMOS摄像机的光学传感器发射的可见光来传输数据的速率已经证实高于1.6Gbit/s。由于所需部件的小尺寸以及通过电连接长距离发送信号的能力，这种技术每天都出现几种新的应用。例如，LED现在可以放置在家庭、购物中心、百货公司或办公场所的不同位置，从而将数据传输至计算机、蜂窝电话、传真机等。流化数据可以将用户连接到互联网，发送广告，提供位置信息等。此外，使用可见光传输数据相对于传统的无线电射频具有很多优势。无线电波可能对周围的电子设备造成电磁干扰，并可能穿透墙壁，这是一种潜在的安全隐患。但是，光受视线的限制，不存在电磁干扰的风险，并且与无线电波相比具有大约10,000倍的可用带宽。考虑到传统的光学跟踪系统已经包括LED标记和光学传感器，该系统可以被修改为以超过500Mb/秒的理论速率来发送跟踪信息和附加信息，以作多个功能使用。不幸的是，手术环境的复杂性和与手术相关的高耐受性妨碍了在手术环境中的LED数据传输。因此，存在对基于光的数据传输系统的需求。在机器臂手术的领域，也存在对这种系统的需要。
技术实现思路
光学跟踪系统包括用于生成数据并且在1至2,000MB/s的速率下光传输数据的至少一个跟踪阵列。还提供了至少一个跟踪器，用于对1至2,000MB/s的速率下光传输的数据进行光接收。该跟踪系统不仅用于快速地跟踪对象和发送跟踪信息，还用于向用户或手术室的其他元件提供与外部设备相关的附加信息，外部设备例如是计算机辅助设备。利用光学跟踪系统，使例如全膝关节置换术(TKA)等矫形外科手术的执行获得更加高效和更好的结果。附图说明图1A、1B和1C表示本专利技术的跟踪阵列和具有与此相关的各种配置的处理单元的外部设备；图2表示具有本专利技术公开的元件的本专利技术的跟踪系统的示例；图3A和3B表示在手术室中附在手术灯的本专利技术的光传感器布置；图4A-4F表示本专利技术的跟踪阵列和包括附接其中的处理单元和/或光传感器的外部设备的多个示例；图5是与用于传输数据的发光二极管相关的光传感器布置的本专利技术示例；图6表示多面的本专利技术的跟踪阵列，其包括可用于数据链路定向的多个LED和/或光传感器；图7表示用于数据定向的光传感器周围的物理屏障位置。具体实施方式本文公开的本专利技术通常具有作为用于使用跟踪系统的现有组件以高速率传输数据的方法和设备的用途，更具体地涉及在跟踪系统、LED标记和其他外部设备之间传输用于医疗环境或者医疗环境中的患者的数据。应当理解，在提供了值的范围的情况下，该范围旨在不仅包括该范围的端点值，而且包括该范围的中间值，该中间值明确地包括在该范围内并且随着末尾有效数字的范围而变化。举例来说，所述为1至4的范围旨在包括1-2、1-3、2-4、3-4和1-4。本文所使用的“高速率”被定义为包括大于1Mb/秒的速率的数据传输；但是，在本领域中已知的是，LED触发通常可以涵盖1-2,000Mb/秒的范围内的速率。使用本文公开的本专利技术的主要优点是使跟踪系统不仅能够用于快速地跟踪对象和发送跟踪信息，而且还能够向用户或者在手术室中的其他组件提供与例如计算机辅助装置等外部设备相关的附加数据。这种计算机辅助装置示例性地包括机器人、外科手术锯、外科钻、触觉受控装置、自主和半自主外科手术装置及其组合。作为示例，全膝关节置换术(TKA)需要切割远端股骨和近端胫骨，从而为假体膝关节植入物准备膝盖。切口的位置、坡度和方向对于确保修复体被正确地安装，以恢复膝关节的对齐来说至关重要。TKA过程通常包括以下步骤。外科医生将审查患者的MRI或CT扫描，并评估疾病的程度和术前计划手术。在手术中，外科医生暴露出膝关节，并且通常在患者特定夹具的帮助下使用外科手术锯来精确地制造股骨和胫骨切口。在制造切口之后，使用试验植入物来评估患者的运动范围和植入物的配合度。如果外科医生可接受该运动范围和配合度，则植入假体并闭合膝盖。本文描述的标记通常指能够反射或发射例如可见光、射频、红外线、声音和电磁信号等信号的任何无源或有源发射器。更具体地，本专利技术公开了使用有源LED标记，用于跟踪和/或传输数据的，特别是用于传输数据的LED标记，该LED标记可以发射任何光谱/频率的光，但优选地在320纳米至760纳米的波长范围内。本文所使用的跟踪阵列被视为多个标记的配置。本文所使用的发光二极管(LED)被定义为能够电调制电致发光的任何光源。在本专利技术中操作的LED容易由本领域已知的多种半导体材料制成，以产生任何光谱/频率的光。这种材料的例子，示例性地包括磷砷化镓、磷化铝镓铟、磷化镓(III)、硒化锌、硅、碳化硅和氮化铟镓，任何上述的纳米晶体或染料敏化型及其任何组合。还应当理解，商业上容易获得的能够产生任何波长的LED也在本文中定义。例如，已知红色、绿色和蓝色LED的组合发射白光或者单个白光LED对所属
也是已知，由H.S.Chen、C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学跟踪系统，所述系统包括：至少一个跟踪阵列，所述跟踪阵列用于生成数据和在1至2,000MB/s之间的速率下光传输数据；以及至少一个跟踪器，所述跟踪器用于在1至2,000MB/s之间的速率下接收经过光传输的所述数据。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.21 US 62/083,0521.一种光学跟踪系统，所述系统包括：至少一个跟踪阵列，所述跟踪阵列用于生成数据和在1至2,000MB/s之间的速率下光传输数据；以及至少一个跟踪器，所述跟踪器用于在1至2,000MB/s之间的速率下接收经过光传输的所述数据。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个跟踪阵列还包括至少一个光学传感器和至少一个内部处理单元。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理单元提供纠错校正码的编码、调制、复用、交织、FFT/IFFT或其组合。4.根据权利要求2所述的系统，其中所述处理单元触发所述至少一个光学传感器。5.根据权利要求2-4中任一项所述的系统，其中所述处理单元使用时域/频域调制来传输数据。6.根据权利要求2-4中任一项所述的系统，其中所述至少一个光学传感器是多个光学传感器。7.根据权利要求2-4中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·祖哈斯，S·塔班德，
申请(专利权)人：思外科有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US