CN111135481B - 一种胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨方法属于精密仪器和胸腹部放射治疗技术领域；该方法首先通过信号转换模块，将呼吸运动信号转换成周期信号，再通过相位差多输出模块，形成相位差为π/2的等相位差三输出，再通过电阻链多相位生成模块形成相位差为π/5的等相位差五输出，再通过多相位正弦方波转换模块形成方波，并通过多相位融合逻辑门模块形成错相位超分辨方波输出，即实现了将一个周期的呼吸运动信号变成多个周期的错相位方波信号，且相位相差错相位超分辨方波输出信号的四分之一周期。
Description
技术领域
本发明一种胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨方法属于精密仪器和胸腹部放射治疗技术领域。
背景技术
在胸腹部肿瘤放射治疗过程中，呼吸使得肿瘤区域逸出靶区或正常组织进入靶区，不仅降低了放疗效果，而且容易产生并发症。
为了解决呼吸运动给放射治疗带来的负面影响，临床上最早采用了呼吸保持和呼吸门控等方法，通过对呼吸的干预实现肿瘤位置的控制，虽然取得了一定的效果，但是患者耐受性差；为了提高患者耐受性，不干预患者呼吸，又出现了跟踪系统，通过监测肿瘤区域实现对肿瘤位置的跟踪，然而，由于这种方法属于滞后补偿方法，因此总会出现“慢半拍”的问题；为了提高跟踪精度，学者们采用了预测手段，期初，将呼吸运动视为一个呼吸周期的简单重复，然而，由于呼吸运动本身具有无明显规律的准周期特性，因此预测精度并不高，随着时间的推移，误差会越来越大；后来，学者们根据呼吸运动的历史规律，通过拟合，形成以时间为变量的呼吸运动模型，进而对未来呼吸运动进行预测，这种方法的效果较好；本课题组的研究生樊琪和史领采用高斯过程回归方法对呼吸运动进行预测，并以均值和方差的形式给出预测结果，为呼吸运动提供了一种全新的预测手段。
对于呼吸运动的宏观特性由幅值和频率来决定，由于幅值和频率之间又存在着一定的对应关系，因此只需要准确获得呼吸频率，即可实现呼吸运动预测，然而，对于呼吸频率的预测，至少要采集一个呼吸周期，这样就给呼吸频率快速分析带来了一定的困难。如果能够对呼吸运动信号进行超分辨，就可以实现在少于一个呼吸运动周期的时间获得呼吸频率，进而快速实现对呼吸运动进行预测与分析。然而，在本领域，还没有发现对呼吸运动信号进行超分辨的技术手段。
发明内容
为了实现对呼吸运动信号进行超分辨，本发明公开了一种胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路与方法，能够将一个周期的呼吸运动信号变成多个周期的错相位方波信号，且相位相差错相位超分辨方波输出信号的四分之一周期；这个结果所能够带来的进一步技术优势在于，在多个呼吸周期过程中，通过判断方波信号的频率变化即可判断呼吸频率的变化，更重要的是，由于超分辨方波的周期远小于呼吸运动周期，因此能够在更短时间内，即小于一个呼吸周期的时间范围内，判断出呼吸频率的变化。
本发明的目的是这样实现的：
一种胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路，包括信号转换模块，相位差多输出模块，电阻链多相位生成模块，多相位正弦方波转换模块和多相位融合逻辑门模块；
所述信号转换模块的输入为一个周期的呼吸运动信号f(t)，输出为：
其中：t0为呼吸运动信号f(t)开始采集的时间；ω为呼吸运动信号f(t)的角频率；T为呼吸运动信号f(t)的周期；
所述相位差多输出模块包括运算放大器U1-1和运算放大器U1-2，所述运算放大器U1-1的反相输入端通过电容C1-1连接信号转换模块的输出端，通过电阻R1-1连接运算放大器U1-1的输出端，运算放大器U1-1的同相输入端连接地；所述运算放大器U1-2的反相输入端通过电容C1-2连接运算放大器U1-1的输出端，通过电阻R1-2连接运算放大器U1-2的输出端，运算放大器U1-2的同相输入端连接地；信号转换模块的输出端作为所述相位差多输出模块的第一输出，运算放大器U1-1的输出端作为所述相位差多输出模块的第二输出，运算放大器U1-2的输出端作为所述相位差多输出模块的第三输出；
所述电阻链多相位生成模块包括9个电阻；相位差多输出模块的第一输出和相位差多输出模块的第二输出之间分别通过电阻R2-2和电阻R2-6的串联结构连接，电阻R2-2和电阻R2-6的阻值比为9/28，通过电阻R2-4和电阻R2-8的串联结构连接，电阻R2-4和电阻R2-8的阻值比为11/8；相位差多输出模块的第二输出和相位差多输出模块的第三输出之间分别通过电阻R2-12和电阻R2-16的串联结构连接，电阻R2-12和电阻R2-16的阻值比为8/11，通过电阻R2-14和电阻R2-18的串联结构连接，电阻R2-14和电阻R2-18的阻值比为28/9；电阻R2-2和电阻R2-6之间的抽头作为第二相位输出，电阻R2-4和电阻R2-8之间的抽头作为第四相位输出，所述相位差多输出模块的第二输出经过电阻R2-10后作为第六相位输出，电阻R2-12和电阻R2-16之间的抽头作为第八相位输出，电阻R2-14和电阻R2-18之间的抽头作为第十相位输出；
所述多相位正弦方波转换模块包括5个运算放大器，运算放大器U2-2的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第二相位输出；运算放大器U2-2的同相输入端连接地，运算放大器U2-2的输出端为第二方波输出；运算放大器U2-4的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第四相位输出；运算放大器U2-4的同相输入端连接地，运算放大器U2-4的输出端为第四方波输出；运算放大器U2-6的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第六相位输出；运算放大器U2-6的同相输入端连接地，运算放大器U2-6的输出端为第六方波输出；运算放大器U2-8的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第八相位输出；运算放大器U2-8的同相输入端连接地，运算放大器U2-8的输出端为第八方波输出；运算放大器U2-10的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第十相位输出；运算放大器U2-10的同相输入端连接地，运算放大器U2-10的输出端为第十方波输出；
所述多相位融合逻辑门模块包括4个异或门，异或门U3-2的输入为第二方波输出和第十方波输出，异或门U3-2的输出为第二异或输出；异或门U3-4的输入为第二异或输出和第六方波输出，异或门U3-4的输出为第四异或输出；异或门U3-5的输入为第四异或输出和第八异或输出，异或门U3-5的输出为第五异或输出；异或门U3-8的输入为第四方波输出和第八方波输出，异或门U3-8的输出为第八异或输出；其中，第五异或输出作为错相位超分辨方波输出。
上述胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路，所述信号转换模块，由通带频率包含ω的滤波器和放大器来实现。
一种胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨方法，包括以下步骤：
步骤a、在信号转换模块中，利用通带频率包含ω的滤波器和放大器，实现输入为周期的呼吸运动信号f(t)，输出为：
其中，
滤波器选择频率为ω的分量通过；
放大器将幅值调整为
步骤b、在相位差多输出模块中，利用由电阻、电容和运算放大器组成的两个微分电路，分别实现对信号转换模块的输出余弦信号进行一次微分和两次微分，进而实现相位差为公差π/2的等差数列三输出；
步骤c、在电阻链多相位生成模块中，为了方便分析，将相位差多输出模块的三输出分别设定为sinα、sin(α-π/2)和sin(α-π)；
由于电阻R2-2和电阻R2-6的阻值比为9/28，因此电阻R2-2和电阻R2-6之间的抽头电压为：
由于电阻R2-4和电阻R2-8的阻值比为11/8，因此电阻R2-4和电阻R2-8之间的抽头电压为：
由于电阻R2-12和电阻R2-16的阻值比为8/11，因此电阻R2-12和电阻R2-16之间的抽头电压为：
由于电阻R2-14和电阻R2-18的阻值比为28/9，因此电阻R2-14和电阻R2-18之间的抽头电压为：
能够看出，电阻链多相位生成模块的输出为相位公差为π/5的等差数列五输出；
步骤d、在多相位正弦方波转换模块中，电阻链多相位生成模块的每一路输出都经过过零比较器，将幅值调整为运算放大器的饱和电压值，相位保留；
步骤e、在多相位融合逻辑门模块中，利用多相位正弦方波转换模块的五个方波输出和多相位融合逻辑门模块的三个异或输出进行逻辑运算，实现错相位超分辨方波输出；错相位超分辨方波输出将一个周期的呼吸运动信号变成五个周期的方波信号，相位相差错相位超分辨方波输出信号的四分之一周期。
有益效果：
第一、在本发明中，信号转换模块，相位差多输出模块，电阻链多相位生成模块，多相位正弦方波转换模块和多相位融合逻辑门模块作为一个整体，缺一不可，共同实现了将一个周期的呼吸运动信号变成多个周期的错相位方波信号，且相位相差错相位超分辨方波输出信号的四分之一周期；即实现了对胸腹表面呼吸运动信号的超分辨，这个结果所能够带来的进一步技术优势在于，在多个呼吸周期过程中，通过判断方波信号的频率变化即可判断呼吸频率的变化，更重要的是，由于超分辨方波的周期远小于呼吸运动周期，因此能够在更短时间内，即小于一个呼吸周期的时间范围内，判断出呼吸频率的变化。
第二、对胸腹表面呼吸运动信号进行超分辨，可以首先进行准相位超分辨和错相位超分辨，再利用准相位超分辨信号和错相位超分辨信号的相位差，进行二次超分辨，进一步提高超分辨精度，缩短信号分析时间；这其中，获得准相位超分辨信号和错相位超分辨信号是必不可少的步骤，本申请同本项目团队同日申请的另外两项专利《一种胸腹表面呼吸运动信号准相位超分辨电路》和《一种胸腹表面呼吸运动信号准相位超分辨方法》相比，通过选择特殊的电阻参数，实现了对胸腹表面呼吸运动信号的错相位超分辨，即实现了将一个周期的呼吸运动信号变成多个周期的错相位方波信号，且相位相差错相位超分辨方波输出信号的四分之一周期，为二次超分辨奠定基础。
附图说明
图1是本发明胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路逻辑框图。
图2是本发明胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路中相位差多输出模块电路图。
图3是本发明胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路中电阻链多相位生成模块电路图。
图4是本发明胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路中多相位正弦方波转换模块电路图。
图5是本发明胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路中多相位融合逻辑门模块电路图。
图6是本发明胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路各模块输出波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施方式一
本实施方式为胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路的实施方式。
胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路，逻辑框图如图1所示，该胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路包括信号转换模块，相位差多输出模块，电阻链多相位生成模块，多相位正弦方波转换模块和多相位融合逻辑门模块；其中，相位差多输出模块电路图如图2所示，电阻链多相位生成模块电路图如图3所示，多相位正弦方波转换模块电路图如图4所示，多相位融合逻辑门模块电路图如图5所示，本发明胸腹表面呼吸运动信号超分辨电路各模块输出波形图如图6所示；
所述信号转换模块的输入为一个周期的呼吸运动信号f(t)，输出为：
其中：t0为呼吸运动信号f(t)开始采集的时间；ω为呼吸运动信号f(t)的角频率；T为呼吸运动信号f(t)的周期；
所述信号转换模块，由通带频率包含ω的滤波器和放大器来实现；
所述相位差多输出模块包括运算放大器U1-1和运算放大器U1-2，所述运算放大器U1-1的反相输入端通过电容C1-1连接信号转换模块的输出端，通过电阻R1-1连接运算放大器U1-1的输出端，运算放大器U1-1的同相输入端连接地；所述运算放大器U1-2的反相输入端通过电容C1-2连接运算放大器U1-1的输出端，通过电阻R1-2连接运算放大器U1-2的输出端，运算放大器U1-2的同相输入端连接地；信号转换模块的输出端作为所述相位差多输出模块的第一输出，运算放大器U1-1的输出端作为所述相位差多输出模块的第二输出，运算放大器U1-2的输出端作为所述相位差多输出模块的第三输出；
所述电阻链多相位生成模块包括9个电阻；相位差多输出模块的第一输出和相位差多输出模块的第二输出之间分别通过电阻R2-2和电阻R2-6的串联结构连接，电阻R2-2和电阻R2-6的阻值比为9/28，通过电阻R2-4和电阻R2-8的串联结构连接，电阻R2-4和电阻R2-8的阻值比为11/8；相位差多输出模块的第二输出和相位差多输出模块的第三输出之间分别通过电阻R2-12和电阻R2-16的串联结构连接，电阻R2-12和电阻R2-16的阻值比为8/11，通过电阻R2-14和电阻R2-18的串联结构连接，电阻R2-14和电阻R2-18的阻值比为28/9；电阻R2-2和电阻R2-6之间的抽头作为第二相位输出，电阻R2-4和电阻R2-8之间的抽头作为第四相位输出，所述相位差多输出模块的第二输出经过电阻R2-10后作为第六相位输出，电阻R2-12和电阻R2-16之间的抽头作为第八相位输出，电阻R2-14和电阻R2-18之间的抽头作为第十相位输出；
所述多相位正弦方波转换模块包括5个运算放大器，运算放大器U2-2的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第二相位输出；运算放大器U2-2的同相输入端连接地，运算放大器U2-2的输出端为第二方波输出；运算放大器U2-4的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第四相位输出；运算放大器U2-4的同相输入端连接地，运算放大器U2-4的输出端为第四方波输出；运算放大器U2-6的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第六相位输出；运算放大器U2-6的同相输入端连接地，运算放大器U2-6的输出端为第六方波输出；运算放大器U2-8的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第八相位输出；运算放大器U2-8的同相输入端连接地，运算放大器U2-8的输出端为第八方波输出；运算放大器U2-10的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第十相位输出；运算放大器U2-10的同相输入端连接地，运算放大器U2-10的输出端为第十方波输出；
所述多相位融合逻辑门模块包括4个异或门，异或门U3-2的输入为第二方波输出和第十方波输出，异或门U3-2的输出为第二异或输出；异或门U3-4的输入为第二异或输出和第六方波输出，异或门U3-4的输出为第四异或输出；异或门U3-5的输入为第四异或输出和第八异或输出，异或门U3-5的输出为第五异或输出；异或门U3-8的输入为第四方波输出和第八方波输出，异或门U3-8的输出为第八异或输出；其中，第五异或输出作为错相位超分辨方波输出。
具体实施方式二
本实施方式为胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨方法的实施方式。
胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、在信号转换模块中，利用通带频率包含ω的滤波器和放大器，实现输入为周期的呼吸运动信号f(t)，输出为：
其中，
滤波器选择频率为ω的分量通过；
放大器将幅值调整为
步骤b、在相位差多输出模块中，利用由电阻、电容和运算放大器组成的两个微分电路，分别实现对信号转换模块的输出余弦信号进行一次微分和两次微分，进而实现相位差为公差π/2的等差数列三输出；
步骤c、在电阻链多相位生成模块中，为了方便分析，将相位差多输出模块的三输出分别设定为sinα、sin(α-π/2)和sin(α-π)；
由于电阻R2-2和电阻R2-6的阻值比为9/28，因此电阻R2-2和电阻R2-6之间的抽头电压为：
由于电阻R2-4和电阻R2-8的阻值比为11/8，因此电阻R2-4和电阻R2-8之间的抽头电压为：
由于电阻R2-12和电阻R2-16的阻值比为8/11，因此电阻R2-12和电阻R2-16之间的抽头电压为：
由于电阻R2-14和电阻R2-18的阻值比为28/9，因此电阻R2-14和电阻R2-18之间的抽头电压为：
能够看出，电阻链多相位生成模块的输出为相位公差为π/5的等差数列五输出；
步骤d、在多相位正弦方波转换模块中，电阻链多相位生成模块的每一路输出都经过过零比较器，将幅值调整为运算放大器的饱和电压值，相位保留；
步骤e、在多相位融合逻辑门模块中，利用多相位正弦方波转换模块的五个方波输出和多相位融合逻辑门模块的三个异或输出进行逻辑运算，实现错相位超分辨方波输出；错相位超分辨方波输出将一个周期的呼吸运动信号变成五个周期的方波信号，相位相差错相位超分辨方波输出信号的四分之一周期。
Claims (1)
1.一种胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、在信号转换模块中，利用通带频率包含ω的滤波器和放大器，实现输入为周期的呼吸运动信号f(t)，输出为：
其中，t0为呼吸运动信号f(t)开始采集的时间；ω为呼吸运动信号f(t)的角频率；T为呼吸运动信号f(t)的周期；
滤波器选择频率为ω的分量通过；
放大器将幅值调整为
步骤b、在相位差多输出模块中，利用由电阻、电容和运算放大器组成的两个微分电路，分别实现对信号转换模块的输出余弦信号进行一次微分和两次微分，进而实现相位差为公差π/2的等差数列三输出；
步骤c、在电阻链多相位生成模块中，为了方便分析，将相位差多输出模块的三输出分别设定为sinα、sin(α-π/2)和sin(α-π)；
其中，第一输出为sinα，第二输出为sin(α-π/2)，第三输出为sin(α-π)；所述电阻链多相位生成模块包括9个电阻；相位差多输出模块的第一输出和相位差多输出模块的第二输出之间分别通过电阻R2-2和电阻R2-6的串联结构连接，电阻R2-2和电阻R2-6的阻值比为9/28，通过电阻R2-4和电阻R2-8的串联结构连接，电阻R2-4和电阻R2-8的阻值比为11/8；相位差多输出模块的第二输出和相位差多输出模块的第三输出之间分别通过电阻R2-12和电阻R2-16的串联结构连接，电阻R2-12和电阻R2-16的阻值比为8/11，通过电阻R2-14和电阻R2-18的串联结构连接，电阻R2-14和电阻R2-18的阻值比为28/9；电阻R2-2和电阻R2-6之间的抽头作为第二相位输出，电阻R2-4和电阻R2-8之间的抽头作为第四相位输出，所述相位差多输出模块的第二输出经过电阻R2-10后作为第六相位输出，电阻R2-12和电阻R2-16之间的抽头作为第八相位输出，电阻R2-14和电阻R2-18之间的抽头作为第十相位输出；
由于电阻R2-2和电阻R2-6的阻值比为9/28，因此电阻R2-2和电阻R2-6之间的抽头电压为：
由于电阻R2-4和电阻R2-8的阻值比为11/8，因此电阻R2-4和电阻R2-8之间的抽头电压为：
由于电阻R2-12和电阻R2-16的阻值比为8/11，因此电阻R2-12和电阻R2-16之间的抽头电压为：
由于电阻R2-14和电阻R2-18的阻值比为28/9，因此电阻R2-14和电阻R2-18之间的抽头电压为：
能够看出，电阻链多相位生成模块的输出为相位公差为π/5的等差数列五输出；
步骤d、在多相位正弦方波转换模块中，电阻链多相位生成模块的每一路输出都经过过零比较器，将幅值调整为运算放大器的饱和电压值，相位保留；
其中，
电阻链多相位生成模块的第二相位输出经过过零比较器，得到第二方波输出；
电阻链多相位生成模块的第四相位输出经过过零比较器，得到第四方波输出；
电阻链多相位生成模块的第六相位输出经过过零比较器，得到第六方波输出；
电阻链多相位生成模块的第八相位输出经过过零比较器，得到第八方波输出；
电阻链多相位生成模块的第十相位输出经过过零比较器，得到第十方波输出；
步骤e、在多相位融合逻辑门模块中，利用多相位正弦方波转换模块的五个方波输出和多相位融合逻辑门模块的三个异或输出进行逻辑运算，实现错相位超分辨方波输出；错相位超分辨方波输出将一个周期的呼吸运动信号变成五个周期的方波信号，相位相差错相位超分辨方波输出信号的四分之一周期；
所述多相位融合逻辑门模块包括4个异或门，异或门U3-2的输入为第二方波输出和第十方波输出，异或门U3-2的输出为第二异或输出；异或门U3-4的输入为第二异或输出和第六方波输出，异或门U3-4的输出为第四异或输出；异或门U3-5的输入为第四异或输出和第八异或输出，异或门U3-5的输出为第五异或输出；异或门U3-8的输入为第四方波输出和第八方波输出，异或门U3-8的输出为第八异或输出；其中，第五异或输出作为错相位超分辨方波输出。
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