CN107402378A - 调频雷达收发机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种调频雷达收发机，包括：一功率放大器，用以接收一调频频率信号后，放大该调频频率信号，一发射天线数组，电连接该功率放大器，用以接收该放大后的调频频率信号发射至一定位标，一接收天线数组，用以接收由该定位标所回传的一定位标频率信号，一带通滤波器，电连接该接收天线数组，用以滤除该定位标频率信号频带外的干扰信号与噪声，其中该调频频率信号与该定位标频率信号为相同波形。本发明借由发射电路送出连续调频信号，经由设计定位标与作为参考点的定位标电路，信号回传至接收电路，再由后端的特定定位算法消除空间内的环境所造成的多重路径干扰。

Description

调频雷达收发机

技术领域

本发明关于一种无线收发机，特别是一种可将高频中噪声滤除的雷达收发机。

背景技术

现有技术中，专利号CN102058411B揭示一种多通道基于UWB雷达生命探测仪，一种可用于多目标探测的多信道基于UWB的雷达式生命探测仪，利用两脉冲的时间差，可以计算单元对采集到的三路雷达回波信号进行分析处理，最终提取多个人体目标生命信息和各目标的二维位置信息。但UWB无提供调变功能，针对容易多重干扰的环境下，无法有效提供目标距离的二维距离，另外其算法只能提供多目标的二维XY平面的距离，无法利用脉冲时间差来定义三维量测。

发明内容

本发明目的目的在于提供一种调频雷达收发机，主要用于调频雷达FMCW发射与接收机。由发射电路送出连续调频信号，经由设计定位标与作为参考点的定位标电路，信号回传至接收电路，再由后端的特定定位算法消除空间内的环境所造成的多重路径干扰。

本发明提供一种调频雷达收发机，包括：

一功率放大器，用以接收一调频频率信号后，放大该调频频率信号，

一发射天线数组，电连接该功率放大器，用以接收该放大后的调频频率信号发射至一定位标，

一接收天线数组，用以接收由该定位标所回传的一定位标频率信号，以及

一带通滤波器，电连接该接收天线数组，用以滤除该定位标频率信号频带外的干扰信号与噪声，

其中该调频频率信号与该定位标频率信号为相同波形。

其中该调频频率信号与该定位标频率信号范围为24GHz至24.4GHz之间。

其中还包括一低噪声放大器，其电连接该带通滤波器，用以稳定该定位标频率信号。

其中还包括一功率分配器，其电连接该功率放大器的接收端，用以将该调频频率信号分配至一混频器。

其中该混频器还电连接该带通滤波器，该混频器隔离该调频频率信号与该定位标频率信号。

其中还包括一中频可调增益放大器，其电连接该混频器，用以放大该定位标频率信号。

附图说明

图1A为手术导航作业的示意图。

图1B为本发明额区域型定位模块的示意图。

图2为本发明应用于手术导航作业的方块图。

图3A及图3B为本发明的调频频率信号示意图。

图4为本发明应用于手术导航作业的影像示意图。

图5为本发明应用于手术导航作业的定位标天线示意图。

图6为本发明应用于手术导航作业的手术器械天线示意图。

图中：

10 定位模块；

11 脊椎；

12 定位标；

12A、12B 天线；

12A1、12B1 定位标频率信号；

13A、13B 天线；

13A1、13B1 器械频率信号；

121 定位标频率信号；

121A 标识符；

13 手术器械；

131 器械频率信号；

131A 器械标识符；

14 定位信号收发单元；

140 调频频率信号；

141 接收天线数组；

142 第一带通滤波器；

1421 第二带通滤波器；

143 低噪声放大器；

144 混频器；

145 功率分配器；

146 功率放大器；

147 发射天线数组；

148 中频可调增益放大器；

L1、L11 定位标距离；

L2、L21 器械距离；

20 处理单元；

30 手术影像；

31 脊椎影像；

311 脊椎空间坐标；

32 手术器械影像；

321 器械空间坐标；

D1、D2 信号差；

T1 时间；

S1、S2 角度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1A至图4，图1A为手术导航作业的示意图，图1B 本发明的区域型定位模块的示意图，图2为本发明应用于手术导航作业的方块图，图3A及图3B为本发明的手术导航作业的调频频率信号示意图，图4为本发明应用于手术导航作业的影像示意图。首先，在脊椎手术前已先拍摄脊椎CT (Computed tomography) 影像后，再拍摄已植入于脊椎上的本发明所述的定位标12的C-arm影像，接着将二影像叠合为手术影像30，因此手术影像30可包括脊椎影像31及手术器械影像32，接着再汇入本发明所述的区域型定位模块以进行手术导航作业，而本发明涉及的区域型定位模块，包括：定位模块10，定位模块10包括：定位信号收发单元14，用以发射调频频率信号140至该多个定位标12及手术器械13。

接着参考图 1B，本发明所述定位信号收发单元14为调频雷达收发机，该调频雷达收发机包括：一功率放大器146，用以接收一调频频率信号后，放大该调频频率信号，一发射天线数组147，电连接该功率放大器146，用以接收该放大后的调频频率信号发射至一定位标12，一接收天线数组141，用以接收由该定位标12所回传的一定位标频率信号，一带通滤波器，具有第一带通滤波器142及第二带通滤波器1421，第一带通滤波器142电连接该接收天线数组141，第一带通滤波器142及第二带通滤波器1421用以滤除该定位标频率信号频带外的干扰信号与噪声。

上述中该调频频率信号与该定位标频率信号为相同波形。

上述中该调频频率信号与该定位标频率信号范围为24GHz至24.4GHz之间。

上述中还包括一低噪声放大器143，其电连接该带通滤波器，用以稳定该定位标频率信号。

上述中还包括一功率分配器145，其电连接该功率放大器146的接收端，用以将该调频频率信号分配至一混频器144。

上述中该混频器144还电连接该第二带通滤波器1421，该混频器144隔离该调频频率信号与该定位标频率信号。

上述中还包括一中频可调增益放大器148，其电连接该混频器144，用以放大该定位标频率信号。

多个定位标12，其分别设置于脊椎11的一椎节上，每一定位标12用以接收该调频频率信号140后，回传定位标频率信号121至该定位信号收发单元14，该定位信号收发单元14接收定位标频率信号121，其中该定位标频率信号121与该调频频率信号140为相同波形，更详细而言，该多个定位标12内具有天线，当该天线接收到调频频率信号140后将该信号反射回该定位信号收发单元14，因此定位标频率信号121与该调频频率信号140为相同波形。

另外，手术器械13，用以接收该调频频率信号140后，回传该器械频率信号131至该定位信号收发单元14，该定位信号收发单元14接收器械频率信号131，其中该器械频率信号131与该调频频率信号140为相同波形，更详细而言，该手术器械13内具有天线，当该天线接收到调频频率信号140后将该信号反射回该定位信号收发单元14，因此器械频率信号131与该调频频率信号140为相同波形。

处理单元20，电性连接该定位信号收发单元14，根据定位标频率信号121与该调频频率信号140的信号差D1，以算法计算该多个定位标12与该定位信号收发单元14间的定位标距离L1，其中该算法为频率调制连续波(Frequency modulated continuous waveform;FMCW)定位算法，该处理单元20根据同一时间T1所接收到定位标频率信号121与该调频频率信号140之间的信号差D1来计算该定位标距离L1，并根据该定位标距离L1计算出脊椎空间坐标311。

上述中，详细而言，因传输速度快，时间差极小，因此本发明取同一时间T1作为取样。

于一实施例中，该定位信号收发单元14至少为二定位信号收发单元14，其分别设置于该脊椎11周缘，该处理单元20根据二定位信号收发单元14所接收到的该二定位标频率信号121计算所对应的该二定位标距离L1、L11，再以三角定位法计算出该脊椎空间坐标311。

另外，处理单元20根据器械频率信号131与该调频频率信号140的信号差D2，以频率调制连续波定位算法计算该手术器械13与该定位信号收发单元14的器械距离L2，根据并根据该器械距离L2计算出器械空间坐标321。

于一实施例中，该定位信号收发单元14至少为二定位信号收发单元14，其分别设置于该手术器械13周缘，该处理单元20根据二定位信号收发单元14所接收到的该二器械频率信号131计算所对应的该二器械距离L2、L21，再以三角定位法计算出该脊椎空间坐标321。

进一步地，请参考图4，该多个定位标12还包括标识符131A，该手术器械13还包括器械标识符121A，该定位信号收发单元14用以接收该标识符121A及该器械标识符131A后，该处理单元20将该标识符121A定义到相对应的该脊椎空间坐标311，该处理单元20将该器械标识符131A定义到相对应的该器械空间坐标321，就由该标识符121A及该器械标识符131A可确认所对应的定位标12及手术器械13是否正确。

进一步说明，请参阅图5，每一定位标12还进一步包括至少二天线12A、12B，其接收该调频频率信号140后，回传该二定位标频率信号12A1、12B1至该定位信号收发单元14，该处理单元20借由该二定位标频率信号12A1、12B1计算出该二天线12A、12B与定位信号收发单元14的距离，以此计算出该定位标12植入脊椎与一默认施行手术导航路径之间的角度S1，以确认该定位标植入植椎是否与默认施行手术导航路径相同。

另外，请参阅图6，该手术器械13还进一步包括至少二器械天线13A、13B，其接收该调频频率信号140后，回传该二器械频率信号13A1、13B1至该定位信号收发单元14，该处理单元20借由该二器械频率信号13A1、13B1计算出该器械二天线13A、13B与定位信号收发单元14的距离，以此计算出该手术器械与默认施行手术导航路径之间的角度S2，以确认该手术器械的操作是否与默认施行手术导航路径相同。

如上述，利用本发明，在脊椎手术前可先汇入术前规划信息，接着根据该脊椎空间坐标、该器械空间坐标及定位标和手术器械角度等数据来进行手术导航作业。

本发明利用无线定位技术实现多椎节定位追踪导航手术技术，通过调频式射频定位技术加上标识符辨识功能，于椎节设置定位天线标记，通过独立追踪设置定位天线标记的椎节而非使用数值推算方式将全部脊椎视为刚体，进而提升医学影像注册精度与速度(加速演算收敛)，且本发明能拥有足够操作带宽以涵盖FMCW扫频范围(24 GHz -24.4GHz)，加强室内定位精准度达到mm等级误差，提升手术植入物施打安全性与精准度，另外本发明加入切换调变机制，在频谱上将可以区隔环境杂波与目标物的回波信号，降低环境干扰，同时本导航系统适用于长节脊椎手术(脊椎侧弯矫正、多节脊椎骨折)，使施术不受大型红外线反光球定位标记器械限制。

本发明影像导引手术除了能够提供外科医生于器械使用时更具立体感、更多病灶数据及精确的影像信息之外，更能完整规划手术前步骤与预习，达到手术中实时影像导引与病灶处显影，以及手术后的评估实习医生教学与研究使用，且目前先针对以脊椎手术为临床应用方向，改善现有脊椎手术导航系统直视性遮蔽问题，此外人体电磁吸收率影响定位精度，突破体内定位追踪技术瓶颈，未来根据此室内定位技术，朝向NOTES手术应用或者腹腔手术应用，针对病患的病灶产生定位功能，缩短手术时间，也减少手术风险的可能性。

本发明可有效提升医师执行脊椎手术安全性与施术质量，同时降低手术中穿透式医学影像使用量并减轻医护人员游离辐射吸收量；另外医学影像导航技术为未来智能手术辅助系统主要核心基础，未来进一步结合手术机械臂与高聚焦式穿透性治疗设备(HIFU、伽玛刀、质子治疗)可实现高精准治疗，降低患者术后并发症与影响。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种调频雷达收发机，其特征在于，包括：

一功率放大器，用以接收一调频频率信号后，放大该调频频率信号，

一发射天线数组，电连接该功率放大器，用以接收该放大后的调频频率信号发射至一定位标，

一接收天线数组，用以接收由该定位标所回传的一定位标频率信号，以及

一带通滤波器，电连接该接收天线数组，用以滤除该定位标频率信号频带外的干扰信号与噪声，

其中该调频频率信号与该定位标频率信号为相同波形。

2.根据权利要求1所述的调频雷达收发机，其特征在于，其中该调频频率信号与该定位标频率信号范围为24GHz至24.4GHz之间。

3.根据权利要求1所述的调频雷达收发机，其特征在于，其中还包括一低噪声放大器，其电连接该带通滤波器，用以稳定该定位标频率信号。

4.根据权利要求1所述的调频雷达收发机，其特征在于，其中还包括一功率分配器，其电连接该功率放大器的接收端，用以将该调频频率信号分配至一混频器。

5.根据权利要求4所述的调频雷达收发机，其特征在于，其中该混频器还电连接该带通滤波器，该混频器隔离该调频频率信号与该定位标频率信号。

6.根据权利要求4所述的调频雷达收发机，其特征在于，其中还包括一中频可调增益放大器，其电连接该混频器，用以放大该定位标频率信号。