CN109124767B - 用于在无线系统中的时钟之间进行同步的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明题目为“用于在无线系统中的时钟之间进行同步的系统和方法”。本发明提出了一种用于无线系统内的时钟之中同步的系统和方法。该方法可包括当经过固定的时间量时，将包括锣信号时间的锣信号发送到时钟；在每个时钟处，当接收到锣信号时并且当锣信号时间不等于时钟时间时，将时钟时间设定为锣信号时间；并且在每个时钟处，当没有接收到锣信号时，将时钟时间设定为所估计的时间；以及获知时滞。在一个方面，使用高斯分布拟合技术来进行获知并用于计算所估计的时间。

Description

用于在无线系统中的时钟之间进行同步的系统和方法

发明内容

即使当没有接收到时钟信号时，系统也使无线系统内的多个时钟同步。

本发明提出了一种用于在无线系统内同步多个时钟的方法。该方法包括当经过固定的时间量时，将包括锣信号时间的锣信号发送到时钟。在每个时钟处，当接收到锣信号时并且当锣信号时间不等于时钟时间时，该时钟时间被设定为该锣信号时间。在每个时钟处，当没有接收到锣信号时，将设定的时钟时间设定为估计的时间，并且获知时滞。

在一个实施方案中，获知时滞包括计算时钟时间与锣信号时间之间的平均差值。在一个实施方案中，获知时滞包括使用所接收的锣信号和时钟时间来计算平均和标准偏差，并且使用所计算的平均和标准偏差来确定所估计的时间。在一个实施方案中，使用时滞和时钟时间来确定所估计的时间。在一个实施方案中，使用高斯分布拟合来计算所估计的时间。在一个实施方案中，固定的时间量为一毫秒。

本发明还提出了一种即使当没有接收到时钟信号时用于在无线系统内在时钟之间同步的计算机程序产品。

附图说明

通过结合附图以举例的方式给出的以下描述可得到更详细的理解，其中：

图1为根据本发明的实施方案的系统的示意图。

图2是根据本发明的实施方案的用于无线系统中在时钟之间同步的方法的示意图。

图3是根据本发明的实施方案的比较实际锣时间戳与理论锣时间戳的图。

图4为本发明方法的流程图。

具体实施方式

本发明的系统涉及无线系统的问题，以及由于缺失时钟信号而造成的无线系统中的时钟之间的同步的潜在损失。需要一种补偿无线系统内时钟的故障以拾取时钟信号的系统和方法。甚至当没有接收到一个或多个锣或“重置时钟”信号时，该系统将提供无线系统中的时钟之间/之中的同步。

用于导航工具诸如医疗用具、导管、无线设备等的磁性导航系统一般包括具有磁场的线圈，并且每个线圈具有其自己的频率。例如，由定位垫的场发生器生成的定位场可发射十五种频率。另外，磁性导航系统包括空间中的一个或多个传感器，每个传感器通常接收全部线圈频率。由于每个线圈具有相对于其他线圈的唯一的频率，所以传感器能够确定每个线圈的位置。

一种此类磁性导航系统可见于由Biosense Webster有限公司(Diamond Bar,California)生产的CARTO^TM系统。在磁性导航系统中，磁场通常由场发生器组成的定位垫生成。在此类系统中，可使用磁性位置感测来确定患者的器官内的工具的远侧端部的位置坐标。为此，控制台或定位垫中的驱动电路驱动场发生器在患者体内生成磁场。通常，场发生器包括线圈，该线圈被置于患者的身体下方的患者体外的已知位置处。这些线圈在包含待探究的患者的器官的预定工作空间中生成磁场。待导航的工具的远侧端部内的磁场传感器响应于这些磁场生成电信号。信号处理器处理这些信号，以便确定远侧端部的位置坐标，该位置坐标通常包括定位坐标和取向坐标两者。该位置感测方法在上述的CARTO^TM系统中实施，并且详细地描述于美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089，PCT专利公布WO 96/05768，以及美国专利申请公布2002/0065455 A1、2003/0120150 A1和2004/0068178 A1中，这些专利的公开内容全部以引用方式并入本文。

在使用具有磁性导航系统的特定工具例如导管的过程期间，导管的远端传感器的位置通常通过测量导航系统中启用的主磁场来确定。在用于导航无线工具例如“无线系统”的磁性导航系统中，需要在发生器部分例如线圈等与接收器部分例如传感器等之间进行协调。通常，此类无线系统中的磁场电荷(正电荷或负电荷)被确定为交流电(AC)。某些材料具有压电性，也就是说，当经受交流电压时生成交流电压和/或振动的能力。

然而，压电性可致使相对于传输的延迟，使得需要确定传输的相位。理想的情况下，发生器和接收器两者将使用相同的时钟操作，但是由于物理或其他约束，所以代替地，必须使用两个(或更多个)时钟。遗憾的是，使用多于一个时钟可导致两个和/或更多个时钟之间的时滞，并且可致使无线系统不同步；也就是说，不同的时钟具有不同的时间。锣机构可用于促进时钟之中的同步。通常，锣机构通过将重置信号或“零”信号无线传输到全部时钟，来重置全部时钟或者对全部时钟“清零”。然而，在一些情况下，无线传输的信号丢失，并且不能到达时钟以指示时钟重置。在该情况下，没有接收到信号的一个或多个时钟不被重置，并因此失去与一个或多个其他时钟的同步。另外，当在特定时钟处丢失多于一个信号时，同步的缺乏增加。

需要使无线系统中的时钟能够成功同步并且保持彼此同步的系统和方法。本发明提出了一种具有创造性的“飞轮机构”以解决该需要。

图1为根据本发明的实施方案的系统的示意图。如图1所示，该系统可包括医疗工具10(例如，导管、导管管件等)，至少包括具有时钟38的处理器14的工作站12以及显示器或监测器16、具有时钟40的导管集线器18、LP驱动器20、患者22(仅示出头部)，WiFi天线24、RF同步Tx天线26、RF同步Rx天线28和定位垫30。在一个实施方案中，导管集线器18接收来自被导航的全部传感器的数据，并且LP驱动器20将诸如AC的电流驱动到定位垫30，该电流使得场发生器能够生成磁场。在一个实施方案中，导管集线器18包括WiFi天线24和RF同步Rx天线28，以用于从导航的工具接收信号。在一个实施方案中，LP驱动器20包括WiFi天线24和RF同步Tx天线26，使得LP驱动器20能够将电流传输到定位垫30。

通过确定磁场定位传感器的位置，可探知工具10的远侧端部的位置和取向。能够利用非电离场诸如电磁场或声场来定位工具10。如上面所讨论的，工具10的顶端可包括用于相关场的传输或接收天线(未示出)。用于非电离场的接收或传输天线(未示出)附接到待检查的患者。接收器或传输器连接到这些天线，并且将所接收的场波转换为电定位信号或图像信号。

定位垫30可包括线圈(未示出)，该线圈是可用于本发明的实施方案中的一种类型的磁换能器。在本专利申请的上下文中和在权利要求中的“磁换能器”意指响应于施加的电流而生成磁场和/或响应于施加的磁场而输出电信号的设备。虽然本文所述的实施方案使用线圈作为磁换能器，但是在另选的实施方案中可使用其它类型的磁换能器，这对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。

工作站12能够可拆卸地连接到显示器16。工作站12也可拆卸地连接到一个或多个医疗工具10可连接到的导管集线器18。连接可为硬连线连接或WiFi连接，或两者。工具10诸如导管或ENT工具可通过患者的头部22进行导航。虽然工作站12、LP驱动器20和导管集线器18被示出为单独的部件，但它们可全部是单独的部件，它们可全部一起被包括在单个部件中，或者被不同地组合为更少的部件。

图2为“飞轮机构”的示意图，该“飞轮机构”为用于在无线系统内时钟的同步的创造性方法。该方法使得无线系统中的时钟能够继续同步，即使在一个(或多个)时钟处丢失了锣信号或重置信号。为了克服由丢失或缺失锣信号所导致的问题，本发明的技术包括获知技术和时钟的时滞的内部估计器，因此甚至当没有接收到锣信号时也使得能够时钟重置。以下示例用于示出但不限制本发明的技术。

在第一示例中，诸如图1所示的系统的无线系统包括时钟1 38和时钟2 40。初始，时钟38和时钟40均设定为“零”或12:00。一个小时后，时钟1 38指示1:00，并且时钟2指示1:05。当时钟2 40接收到锣信号时，时钟2 40重置为1:00(以与时钟1 38匹配或同步)。而且，当在时钟2 40处接收到锣信号时，这作为用于获知时滞的数据报告给处理器14。两小时后，时钟1 38指示2:00，并且时钟2 40指示2:05。时钟2 40接收锣信号，并且将锣信号重置为2:00。该数据也被报告给处理器14。该数据指示时钟2 40在时钟1 38之后时滞五分钟；也就是说，当时钟1 38示出1:00时，时钟2 40示出1:05(1:05和1:00之间的差值为5分钟)。相似地，当时钟1 38示出2:00时，时钟2 40示出2:05。使用至少该数据，处理器14实行本发明的技术，并且“获知”到时钟2 40在时钟1 38之后时滞五分钟。在一个实施方案中，系统“在运行中”获知时滞。也就是说，系统可使用接收并报告给处理器的全部锣(锣信号)以构建统计值(例如，平均和标准偏差)，并且然后使用这些统计值来估计缺失的锣。如上所述，由处理器14从导管集线器18收集统计值，并且分析统计值用于“获知”。

三个小时后，时钟1 38指示3:00，并且时钟2 40指示3:05。这时候，在时钟2 40处没有接收到锣信号，所以时钟2 40不会重置。然而，根据本文公开的“飞轮机构”方法，时钟240认识到，在3:05应该已经接收锣信号(由于“获知”到五分钟时滞)，并且因此时钟2 40意识到潜在的差异。由于时钟2 40已经“获知”每小时五分钟的时滞，所以时钟2 40可相应地进行调整。在该示例中，在大约3:10时，当没有接收到锣信号时，时钟2 40重置为3:05以校正五分钟时滞，并且附加五分钟等待在3:05应该已经接收的锣信号。由此，当没有接收到锣信号时，使用所估计的时滞，并且根据该估计重置时钟。可获知该估计的时滞，并且该估计的时滞可指示“典型延迟”或时滞。无论是否接收到锣信号，每次发送锣信号时，继续获知时滞且然后估计时滞。在图2所示的示例中，每小时发送锣信号，但是在发送锣信号之间可经过更多或更少的时间。在一个实施方案中，可使用高斯分布拟合实行获知或估计时滞。该类型的概率分布拟合涉及将概率分布例如理想或理论锣信号时间的分布拟合成一系列数据，例如，锣信号数据的重复测量。这可使得能够在一定的时间间隔内预测锣信号的发生频率。

在第二示例中，时钟1 38和时钟2 40也在12:00时启动。在时钟2 40为1:05时接收到锣信号，并且时钟2 40被重置为1:00。在时钟2 40为2:07时接收到下一个锣信号，并且时钟2 40被重置为2:00。飞轮机构获知到平均时间滞后或时滞为六分钟(例如，五分钟和七分钟的平均值)。在大约3:10之前，时钟2 40没有接收到锣信号，并且系统认识到在约3:06时应该已经接收锣信号。由此，在3:10时，时钟2 40被重置为3:04(在平均时间滞后之后，减去平均时间滞后的六分钟且调整到四分钟的重置时间，例如，3:10-6分钟。与第一示例一样，继续获知，使得每次接收到锣信号时，结合新接收的时间信号将平均时间滞后调整到平均时间滞后计算中。为了便于解释，这些示例使用锣信号之间的一个小时的时间间隔。然而，也可使用一个或多个毫秒的时间间隔。

图3是示出实际锣时间戳与理论锣时间戳比较的图。在图3中的图中，X是理论或预期的锣时间戳，并且Y是接收的锣的实际时间戳。如果系统是完美的(即，不经受外部干扰)，则实际时间戳将与理论时间戳恰好匹配，也就是说，y＝x。然而，由于系统中确实存在干扰，所以图3中的图示出理论值周围存在一些“抖动”。

图4为本发明方法的流程图。在一个实施方案中，该方法可如下继续进行。在步骤S1中，时钟被设定为“零”或12:00。在步骤S2中，在经过固定的时间量之后，锣信号被发送到导管集线器18。在一个实施方案中，固定的时间量为六十分钟(一个小时)。

如果在时钟处接收到锣信号(S3＝是)，则确定时钟上的时间是否等于由锣信号发送的时间。如果时钟时间等于锣信号时间(S4＝是)，则继续进行到步骤S7。

如果时钟时间不等于锣信号时间(S4＝否)，则在步骤S6处设定将时钟时间设定为锣信号时间。在一个实施方案中，锣信号时间和时钟时间之间的差值是确定的或“获知的”时滞或滞后时间。继续进行到步骤S7。

如果在时钟处没有接收到锣信号(S3＝否)，则通过所确定的时滞时间将时钟时间调整到如果接收到锣信号则估计该锣时间将是什么的时间(例如，所估计的时间)。

在步骤S7处，使用所接收的锣信号进行获知，并且确定所估计的时间。在一个实施方案中，通过将平均滞后时间计算为时钟上的时间与由锣信号发送的时间之间的平均差值来确定时滞或滞后时间，从而结束在步骤S7处进行的获知。例如，平均滞后时间(ALT)等于时钟上的时间(CT)减去由锣发送的时间(GT)的总和除以时钟时间的数量(n)，例如，ALT＝Σ(CT-GT)/n，其中n是记录的时钟时间的数量。在上面的实施例1和实施例2中，n＝3(1:00、2:00、3:00)。允许更多或更少的时钟时间的数量。在完成步骤S7之后，在步骤S2处继续。

应当理解，基于本文的公开内容，许多变型都是可能的。虽然在上文以特定组合描述了特征和元件，但是每个特征或元件可独自使用而无需其他特征和元件，或者在具有或不具有其他特征和元件的情况下以各种组合使用每个特征或元件。

所提供的方法包括在通用计算机、处理器或处理器核心中的具体实施。以举例的方式，合适的处理器包括通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核相关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、任何其它类型的集成电路(IC)和/或状态机。可通过使用处理的硬件描述语言(HDL)指令和包括网络表的其它中间数据的结果(此类指令能够被存储在计算机可读介质上)配置制造过程来制造此类处理器。此类处理的结果可为掩码作品(maskwork)，该掩码作品然后在半导体制造过程中用于制造实施本文所述的方法的处理器。

本文提供的方法或流程图可在并入非暂态计算机可读存储介质中的计算机程序、软件或固件中实施，用于由通用计算机或处理器执行。非暂态计算机可读存储介质的实施例包括ROM、随机存取存储器(RAM)、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储器设备、诸如内部硬盘和可移动盘的磁介质、磁光介质和诸如CD-ROM盘的光学介质，以及数字通用光盘(DVD)。

Claims (11)

1.一种用于导航无线工具的磁性导航系统中的多个时钟的同步的方法，每个时钟具有时钟时间，

其中所述磁性导航系统包括发生器部分和接收器部分，

所述发生器部分包括生成磁场的线圈，

所述接收器部分包括在待导航的工具的远侧端部内的磁场传感器，所述传感器响应于所述磁场生成电信号，以及

所述发生器部分和所述接收器部分各自使用所述多个时钟中的不同的一个时钟；

所述方法包括：

对于所述多个时钟中的每个时钟：

将多个锣信号发送到所述时钟，每个锣信号包括锣信号时间并且所述多个锣信号以它们之间的固定的时间量发送；

如果所述多个锣信号之一被所述时钟接收到，则将所述锣信号时间与所述时钟时间进行比较，并且如果所述锣信号时间不等于所述时钟时间，则计算所述锣信号时间与所述时钟时间之间的时滞，并且将所述时钟时间设定为所述锣信号时间；以及

如果所述多个锣信号的随后一个锣信号在所述固定的时间量加上所述时滞加上附加的等待时间之后没有被所述时钟接收到，则通过所计算的时滞调整所述时钟时间。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括对于所述多个时钟中的每个时钟，计算所述时钟时间与所述锣信号时间之间的平均差值并且使用所计算的平均差值来确定所述时滞。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所接收的锣信号的所述锣信号时间和所述时钟时间来计算平均值和标准偏差，以及使用所计算的平均值和标准偏差来确定所述时滞。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括使用高斯分布拟合来获知所述时滞。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述固定的时间量为一毫秒。

6.一种用于导航无线工具的磁性导航系统中的多个时钟的同步的系统，每个时钟具有时钟时间，所述系统包括：

处理器，所述处理器被配置成：

对于所述多个时钟中的每个时钟：

将多个锣信号发送到所述时钟，每个锣信号包括锣信号时间并且所述多个锣信号以它们之间的固定的时间量发送；

如果所述多个锣信号之一被所述时钟接收到，则将所述锣信号时间与所述时钟时间进行比较；并且如果所述锣信号时间不等于所述时钟时间，则计算所述锣信号时间与所述时钟时间之间的时滞，并且将所述时钟时间设定为所述锣信号时间；以及

如果所述多个锣信号的随后一个锣信号在所述固定的时间量加上所述时滞加上附加的等待时间之后没有被所述时钟接收到，则通过所计算的时滞调整所述时钟时间；

其中所述磁性导航系统包括发生器部分和接收器部分，

所述发生器部分包括生成磁场的线圈，

所述接收器部分包括在待导航的工具的远侧端部内的磁场传感器，所述传感器响应于所述磁场生成电信号，以及

所述发生器部分和所述接收器部分各自使用所述多个时钟中的不同的一个时钟。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理器还被配置为对于所述多个时钟中的每个时钟，计算所述时钟时间与所述锣信号时间之间的平均差值并且使用所计算的平均差值来确定所述时滞。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理器还被配置为使用所接收的锣信号的所述锣信号时间和所述时钟时间来计算平均值和标准偏差，以及使用所计算的平均值和标准偏差来确定所述时滞。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述处理器还被配置为使用高斯分布拟合来获知所述时滞。

10.根据权利要求6所述的系统，其中所述固定的时间量为一毫秒。

11.一种其中存储计算机程序指令的非暂态计算机可读存储介质，所述指令当由计算机执行时，使所述计算机实行如权利要求1-5中任一项所述的方法。