CN110974418B - 一种用于电场定位解调系统的误差校准方法 - Google Patents

一种用于电场定位解调系统的误差校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及医疗器械中电场定位技术领域，具体的讲是一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，包括如下步骤：计算DFT采样窗口的大小以及DFT处理频率；结合电场信号经短时滑动DFT解调后的实部和虚部，计算得到电场信号的幅度和相位值；计算不同通道上不同方向上经DFT解调得到的幅度值与相位值；对上述幅度值、相位值进行归一化处理，获得增益、相位误差矢量；计算获得不同通道上不同方向上经过校准后的最终幅度值及相位值；获得导管经过校准后的定位坐标；本发明与现有技术相比，省去了FFT获取特定频率的幅度和相位的资源消耗，增强了定位的实时，便捷和稳定性；对不同通道的增益误差和相位误差进行归一化校准，获得较为准确的相对位置关系。

Description

一种用于电场定位解调系统的误差校准方法
技术领域
本发明涉及医疗器械中电场定位技术领域，具体的讲是一种用于电场定位解调系统的误差校准方法。
背景技术
导管消融术目前是治疗复杂性心律失常的常规手段。在手术过程中，消融导管的精确定位是手术能否顺利进行的关键性因素。定位方法按呈现方式的不同可以分为二维平面定位和三维空间定位，二维的方式主要通过X光照射人体得到特定方位人体的透视图，因而可以观察到导管在人体内的确切位置。这种方式存在明显的缺陷，即患者和医务人员必需长时间暴露在辐射下，对身体的伤害很大；同时，固定方位的平面图也无法准确观察到导管在心腔内的位置和朝向，依然无法有效地满足医生的操作需要。
三维定位技术的发展弥补了传统定位方式存在的不足，主要包括磁场定位和电场定位。
磁场定位通过多个定位点的磁场发生器发射磁场信号，在空间中形成一个稳定的磁场区域。磁导管内部具有专门的磁场接受装置，通过采集磁场传感器变化的数据，可以将空间不同位置的磁场变化映射为三维坐标。电场定位的机制是通过3对相互正交的电场发射器发射电场信号，从而构造一个电场空间。导管在该空间中的移动会引起电场幅度的变化，即AM调制，通过对变化的解调，就可以得到导管在空间中的位置坐标。电场定位相对于磁场定位而言不需要特定的磁场发生和接受的装置，可以极大的提高定位装置的便携性，同时降低系统的成本，因此在工程中受到越来越多的关注。
尽管电场定位有诸多优点，但实际应用中仍存在不小的困难。电场信号解调的方法有很多，传统的AM数字信号包罗解调法在提取所需本地载波时需要的器件和电路非常复杂，在数字元件的处理中可能会引入系统误差，甚至导致信号失真。模拟信号的另一种解调法通过在接收端产生与电场信号相同频率的本振信号直接相乘进行解调，最终经过低通滤波器后即可获得到所需的幅度值。这种方法的难点在于本地恢复载波，在解调过程中往往需要数控振荡器或锁相环等器件，电路非常复杂。因为恢复载波信号的效果直接关系到最终的输出效果及误差，所以对器件要求极高，非常耗费资源。同时，当多个定位电极同时进行定位时，电路中电容分布的细微差异会造成信号的相位延迟，放大器之间的差别还会产生增益误差，这些均会导致最终的测量结果不准确。
为此提供一种可以弥补电场信号解调系统电路中存在增益和相位误差的误差校准方法及校准系统是十分有必要的。
发明内容
本发明突破了现有技术的难题，设计了一种可以弥补电场信号解调系统电路中存在增益和相位误差的误差校准方法及校准系统。
为了达到上述目的，本发明设计了一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：按如下步骤进行校准：
步骤1：利用定位导管采集到的电场信号，计算DFT采样窗口的大小N以及DFT处理频率fp；
步骤2：根据步骤1得出的N与fp，在控制器中产生与电场信号相对应的参考输入信号，结合电场信号经短时滑动DFT解调后的实部和虚部，计算得到电场信号的幅度AMi和相位值φi，其中i表示不同的定位方向，即x、y、z方向；
步骤3：按照步骤2的计算方式，获得不同通道上不同方向上经DFT解调得到的幅度值与相位值；
步骤4：对步骤3获得的幅度值进行归一化处理，获得增益误差矢量；
步骤5：对步骤3获得的相位值进行归一化处理，获得相位误差矢量；
步骤6：结合增益误差矢量与不同通道上不同方向上经DFT解调得到的幅度值，计算获得不同通道上不同方向上经过校准后的最终幅度值
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤7：结合相位误差矢量与不同通道上不同方向上经DFT解调得到的相位值，计算获得不同通道上不同方向上经过校准后的最终相位值
Figure 381967DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤8：结合步骤7与步骤8的结果，获得导管经过校准后的定位坐标
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE003
。
所述DFT采样窗口的大小
Figure 307328DEST_PATH_IMAGE004
，其中fs为系统频率，k为保证
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE005
均为正整数的整数值，其中Nz为z方向的电场信号以N为长度时进行截取时的周期数，Nx为x方向的电场信号以N为长度时进行截取时的周期数，Ny为y方向的电场信号以N为长度时进行截取时的周期数，fz为z方向上电场信号的频率，fx为x方向上电场信号的频率，fy为y方向上电场信号的频率。
所述DFT处理频率
Figure 970391DEST_PATH_IMAGE006
。
所述电场信号的幅度
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 542055DEST_PATH_IMAGE008
表示i方向的电场信号经短时滑动DFT解调后的实部，IMi为i方向的电场信号经短时滑动DFT解调后的虚部，其中i=x、y、z。
所述电场信号的相位值
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE009
。
所述归一化处理具体处理方法如下：选定参考电极进行归一化，通过参考通道的增益为
Figure 886449DEST_PATH_IMAGE010
，相位为
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE011
，得到增益误差矢量
Figure 463055DEST_PATH_IMAGE012
，相位误差矢量
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE013
，其中ch表示通道标号，ch=1，2，3……n，ref即reference，指代选中的通道为参考通道。
所述不同通道上不同方向上经过校准后的最终幅度值
Figure 297019DEST_PATH_IMAGE014
。
所述不同通道上不同方向上经过校准后的最终相位值
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE015
。
本发明还设计了一种用于电场定位解调系统的误差校准方法的校准系统，包括PC控制端、MCU处理器、定位导管、DAC电场信号发生器、校准继电开关、信号放大器、ADC信号采样模块、误差校准模块、滑动DFT解调模块，PC控制端分为三路，分别与显示器、滑动DFT解调模块、MCU处理器相连，MCU处理器还分别与DAC电场信号发生器、校准继电开关、ADC信号采样模块相连，DAC电场信号发生器还与校准继电开关和定位导管的头部相连，定位导管的尾线则与校准继电开关相连，校准继电开关还与信号放大器相连接，所述信号放大器还与ADC信号采样模块相连，所述滑动DFT解调模块则与误差校准模块相连接。
其中增益误差矢量
Figure RE-867879DEST_PATH_IMAGE012
的计算公式为：
Figure 100002_RE-RE-DEST_PATH_IMAGE017
；
其中相位误差矢量
Figure RE-466351DEST_PATH_IMAGE013
的计算公式为：
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE018
。
本发明与现有技术相比，具有以下优势：
1.短时滑动DFT可以针对特定频率进行定向的解调，省去了FFT获取特定频率的幅度和相位的资源消耗。同时，弥补了传统解调方法电路复杂，不便于实施的缺点，增强了定位的实时，便捷和稳定性；
2.短时滑动DFT可以解调空间中混合交变电信号分别的幅度和相位，而无需专门设计滤波器。根据解调出的各方向的幅值和相位就可以获得导管在电场空间中的真实位置；
3. 校准电路设计通过对每个通道发送相同的电场混合信号，并结合滑动DFT分别对不同通道的增益误差和相位误差进行归一化校准，从而可以获得较为准确的相对位置关系；
4. 本发明可推广至所有需要使用电场定位技术，并对电场混合信号进行解调和校准的系统。可稳定和高效地获取电场信号的幅值和相位，并用于空间位置导航。
附图说明
图1为本发明中滑动DFT解调流程图。
图2为本发明中校准系统的系统框图。
图3为本发明具体实施中校准系统的增益误差示意图。
图4为本发明具体实施中校准系统的相位误差示意图。
图5为本发明具体实施中电场信号经导管输入的增益误差示意图。
图6为本发明具体实施中电场信号经导管输入的相位误差示意图。
图7为本发明具体实施中校准后的增益误差。
图8为本发明具体实施中校准后的相位误差。
图9为本发明具体实施中环形导管在T1时刻校准前的三维坐标显示效果示意图。
图10为本发明具体实施中环形导管在T1时刻校准后的三维坐标显示效果示意图。
图11为本发明具体实施中环形导管在T2时刻校准前的三维坐标显示效果示意图。
图12为本发明具体实施中环形导管在T2时刻校准后的三维坐标显示效果示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步描述。
在具体实施中，首先电场发生装置通过DAC电场信号发生器产生三路（x、y、z）不同频率的电场信号，每一路信号均会经过以正交的位置贴附于人体的电极片向空间中发射电场。
所采用的定位导管为为普通的环形电导管，可以采集到空间中三个方向上合成电场的电压信息，并进行存储。
参见图1，设正交的x、y、z三个方向上电场信号的频率分别为fx、fy、fz，系统频率为fs，滑动DFT解调模块的采样窗口的大小为N，即N倍的采样周期，因此，对于输入信号，每经过N个采样点就进行一次短时滑动DFT的解调，以此类推，有滑动DFT解调模块的处理时间为
Figure 799096DEST_PATH_IMAGE018
，频率为fp。
DFT处理需要满足N为电场信号周期的整数倍，设x、y、z方向的电场信号以N为长度时进行截取时分别的周期数为Nx、Ny、Nz，存在以下恒等关系式：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE019
，进一步根据公式
Figure 502610DEST_PATH_IMAGE020
可以列出如下表达式：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE021
，
由此可得，
Figure 1856DEST_PATH_IMAGE022
，其中c为自变量，根据设计需要因选择Nx、Ny、Nz均为正整数，所以最终取
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE023
， k为保证
Figure 740004DEST_PATH_IMAGE005
均为正整数的整数值，最终得出：
Figure 650192DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 309843DEST_PATH_IMAGE006
。
根据选定的k值计算出N和fp后，设Singnal（n）表示输入信号，fi表示i方向的发射评论，其中i=x、y、z，
Figure 308718DEST_PATH_IMAGE008
表示i方向的电场信号经短时滑动DFT解调后的实部，IMi为i方向的电场信号经短时滑动DFT解调后的虚部，具体计算过程如下：
1）
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE025
，其中AMi表示i方向定位电场信号的幅度值，φi表示方向定位电场信号的相位值；
2）
Figure 432532DEST_PATH_IMAGE026
；
3）
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE027
；
4）
Figure 795511DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 942458DEST_PATH_IMAGE009
。
每次进行DFT计算均间隔N个采样点，最终可以实时滑动的DFT计算出导管在电场中的移动，并引起合成电场信号各频率成分变化的幅度值和相位值，从而获取到导管的位置坐标，但是由于电路中电容分布的不同和放大器增益的差别会引起增益误差和相位误差，需要进行初始化校准，否则将严重影响定位精度。
因此对计算得到的幅度值与相位值进行归一化处理，从而计算出增益误差和相位误差。
所述的归一化处理可选定参考电极进行归一化，也可选定固定的增益值进行归一化，本实施例中选定参考电极进行归一化，令该参考通道的增益为
Figure RE-382759DEST_PATH_IMAGE010
，从而可以得到增益误差
Figure RE-871509DEST_PATH_IMAGE012
的计算公式为：
Figure RE-77363DEST_PATH_IMAGE017
，由此可得，不同通道上不同方向上经过校准后的最终幅度值。
令该参考通道的相位为
Figure 835011DEST_PATH_IMAGE011
，从而可以得到相位误差矢量
Figure 181548DEST_PATH_IMAGE013
的计算公式为：
Figure 279954DEST_PATH_IMAGE017
，
由此可得，不同通道上不同方向上经过校准后的最终相位值
Figure 171686DEST_PATH_IMAGE015
。
最后获得校准后的导管定位坐标为：
Figure 293226DEST_PATH_IMAGE003
。
参见图2，PC控制端1由用户在显示器3进行操作，通过选择校准项可以对电场定位结果进行校准。MCU处理器2在接收到指令后控制校准继电器开关6的开合。
普通模式下，校准继电器开关6连通定位导管8尾线的输入端和放大器端，电场信号经空间耦合后会被定位导管8拾取，由于定位导管8的导管内部和尾线中均可能存在分布电容和杂散电容，将造成相位偏移，导线间阻值的不同也会对增益产生微弱的影响，这些误差会根据后续的分析在校准系统中加以忽略。
电场信号经由各个通道的放大器9放大后将被MCU处理器2内部的ADC采集并由MCU处理器2发送到PC控制端1，PC控制端1通过短时滑动DFT解调模块4进行计算处理，并提取到不同频率下电场信号的幅度和相位值，此时的
Figure 194186DEST_PATH_IMAGE028
即被用来表示电场坐标，其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE029
表示信号的大小，即坐标长短信息；
Figure 163410DEST_PATH_IMAGE030
表示方向信息，表示导管相对参考地的方位。
正常流程中，PC控制端1的系统会检测校准使能控制位，使能控制位由二进制中的0和1进行表示，置0代表关闭，置1代表开启，当检测校准势能控制位为1时，说明系统已获得校准系数并储存，解调后的数据可以直接按此校准系数进行定位数据的校准。
在校准模式下，校准继电器开关6开关闭合，放大器9输入端与信号发生端直接相连，经过同样的采样步骤后，电场信号被发送到PC控制端1，不同的是，在这种模式下，PC控制端1将根据滑动DFT解调模块4传输到误差校准模块10的幅度和相位按挑选的参考通道计算归一化的补偿系数，最终，将误差校准模块10计算好的增益误差归一化系数和相位误差系数被应用来修正系统未来解调的电场信号的幅度和相位信息，因此可以得到更为准确的定位坐标，同时也能使得导管拥有更好的过零（即导管坐标正负号改变）特征。
参见图3~4，在实施例中，选取了8个参考通道的输入信号进行短时滑动DFT解调。
从图3中可以看出，每个通道的增益都存在细微的不同，每个轴上各通道间最大值和最小值的差值在150μv~180μv之间，相位的最大和最小差值在1.3°~1.4°之间。
参见图5~6，在实施例中，测试环境为水槽，电场发射极板被安置在相互正交的矩形水槽中。导管可以在水槽中自由移动以获取不同位置的电场信号。
由于此时系统还未进行校准，因此从图中可以看出解调出的幅值和相位均存在差异，但稍作观察后可以发现这些差异相比校准模式下测得的值要小一些，原因是导管此刻正移动到电场信号较弱的区域，导致采集到的信号也较小，差异未被放大。
从图5中可以看出：3个轴幅度的最大值和最小值之间的差值最大为21.4213μv，最小为3.227μv，3个轴相位的最大值和最小值之间的差值在1.3°~2.2°之间。
将实施例选取的8个通道经并联处理后（即8个通道的输入信号均相同），在校准系统和经导管输入情况下将x、y、z个轴的增益归一化系数，相位误差系数，比较了它们的相对差异，并将结果绘制成表1。
表1 增益误差归一化系数和相位误差系数比较
Figure 694886DEST_PATH_IMAGE032
备注：幅值校准系数差异 = 校准系统增益归一化系数 - 导管输入增益归一化系数；
相位校准系数差异 = 校准系统相位误差系数 - 导管输入相位误差系数。
在实施例中，选取参考通道为通道1，即所有通道的幅值对通道1进行归一化，即可得到对应的归一化校准系数。通过比较校准系统和经导管输入下增益归一化系数和相位误差系数的差别可以发现幅值校准系数的差异在万分之一，而相位误差差异在百分之一，均非常小，所有可以初步得出结论，校准系统和输入导管的差异微乎其微。
对表1进行结果分析，可以发现由本发明计算得出的增益误差系数和相位误差系数近似可以表示整个系统的增益误差和相位误差。
按系统校准得到的增益误差归一化系数和相位误差系数对导管并联输入的电场解调信号进行校准，得到图7和图8，从中可以发现：各个通道各个轴校准后幅值的最大和最小差值在0.9μv~1.7μv之间，相位的最大和最小差值在0.1°~1.1°之间，校准效果显著。
参见图9~12，选取了环形导管的8个电极进行试验，按系统内部校准得到的增益误差归一化系数和相位误差系数进行校准。图9和图10的两个图分别表示T1时刻校准前后的导管坐标三维效果图，图11和图12的两个图分别表示T2时刻校准前后的导管坐标三维效果图。
从图中可以明显地看出，未校准导管的坐标存在一定的偏差，导致许多电极点无法显示在同一平面内，发生了一定程度的扭曲。校准后的电极明显恢复到了正确的位置，因此，校准系统和算法具有很强的适用性。

Claims (10)

1.一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：按如下步骤进行校准：
步骤1：利用定位导管采集到的电场信号，计算DFT采样窗口的大小N以及DFT处理频率fp；
步骤2：根据步骤1得出的N与fp，在控制器中产生与电场信号相对应的参考输入信号，结合电场信号经短时滑动DFT解调后的实部和虚部，计算得到电场信号的幅度AMi和相位值φi，其中i表示不同的定位方向，即x、y、z方向；
步骤3：按照步骤2的计算方式，获得不同通道上不同方向上经DFT解调得到的幅度值与相位值；
步骤4：对步骤3获得的幅度值进行归一化处理，获得增益误差矢量；
步骤5：对步骤3获得的相位值进行归一化处理，获得相位误差矢量；
步骤6：结合增益误差矢量与不同通道上不同方向上经DFT解调得到的幅度值，计算获得不同通道上不同方向上经过校准后的最终幅度值
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤7：结合相位误差矢量与不同通道上不同方向上经DFT解调得到的相位值，计算获得不同通道上不同方向上经过校准后的最终相位值
Figure 703868DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤8：结合步骤6与步骤7的结果，获得导管经过校准后的定位坐标
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
。
2.根据权利要求1所述的一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：所述DFT采样窗口的大小
Figure 780146DEST_PATH_IMAGE004
，其中fs为系统频率，k为保证
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE005
均为正整数的整数值，其中Nz为z方向的电场信号以N为长度时进行截取时的周期数，Nx为x方向的电场信号以N为长度时进行截取时的周期数，Ny为y方向的电场信号以N为长度时进行截取时的周期数，fz为z方向上电场信号的频率，fx为x方向上电场信号的频率，fy为y方向上电场信号的频率。
3.根据权利要求1所述的一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：所述DFT处理频率
Figure 673016DEST_PATH_IMAGE006
。
4.根据权利要求1所述的一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：电场信号的幅度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE007
，其中
Figure 119041DEST_PATH_IMAGE008
表示i方向的电场信号经短时滑动DFT解调后的实部，IMi为i方向的电场信号经短时滑动DFT解调后的虚部，其中i=x、y、z。
5.根据权利要求1所述的一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：电场信号的相位值
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE009
。
6.根据权利要求1所述的一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：所述归一化处理具体处理方法如下：选定参考电极进行归一化，通过参考通道的增益为
Figure 531699DEST_PATH_IMAGE010
，相位为
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE011
，得到增益误差矢量
Figure 529611DEST_PATH_IMAGE012
，相位误差矢量
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE013
，其中ch表示通道标号，ch=1，2，3……n， ref即reference，指代选中的通道为参考通道。
7.根据权利要求1所述的一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：不同通道上不同方向上经过校准后的最终幅度值
Figure 430482DEST_PATH_IMAGE014
。
8.根据权利要求1所述的一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：不同通道上不同方向上经过校准后的最终相位值
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE015
。
9.基于权利要求1所述的一种用于电场定位解调系统的误差校准方法的校准系统，包括PC控制端（1）、MCU处理器（2）、定位导管（8）、DAC电场信号发生器（5）、校准继电开关（6）、信号放大器（9）、ADC信号采样模块（7）、误差校准模块（10）、滑动DFT解调模块（4），其特征在于：PC控制端（1）分为三路，分别与显示器（3）、滑动DFT解调模块（4）、MCU处理器（2）相连，MCU处理器（2）还分别与DAC电场信号发生器（5）、校准继电开关（6）、ADC信号采样模块（7）相连，DAC电场信号发生器（5）还与校准继电开关（6）和定位导管（8）的头部相连，定位导管（8）的尾线则与校准继电开关（6）相连，校准继电开关（6）还与信号放大器（9）相连接，所述信号放大器（9）还与ADC信号采样模块（7）相连，所述滑动DFT解调模块（4）则与误差校准模块（10）相连接。
10.根据权利要求6所述的一种用于电场定位解调系统的误差校准方法，其特征在于：增益误差矢量
Figure RE-963131DEST_PATH_IMAGE012
的计算公式为：
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE017
；
相位误差矢量
Figure RE-83534DEST_PATH_IMAGE013
的计算公式为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE018
。
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