CN114879144A - 声学定位方法、系统、可读存储介质及终端设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种声学定位方法、系统、可读存储介质及终端设备。声学定位方法包括:获取所述声学发射模块发射声学信号的发射时间和每个所述声学接收模块接收所述声学信号的接收时间;确定所述发射时间与每个所述接收时间的时间差;根据所述时间差和声音传输速度确定所述声学发射模块与每个所述声学接收模块之间的距离;根据所述距离和每个所述声学接收模块的三维坐标计算所述声学发射模块的三维坐标。本申请通过在人体导管内集成声学发射模块,配合人体外的声学接收模块,能够实时、精确地对声学发射模块进行三维定位,进而确定导管的位置,提高心血管介入手术的安全性和精准性,而且成本较低、系统简单。
Description
技术领域
本申请涉及声学技术领域,尤其涉及一种声学定位方法、系统、可读存储介质及终端设备。
背景技术
心脏疾病是重要的人类疾病,包括瓣膜疾病(如瓣膜狭窄和关闭不齐)、心律不齐(如房颤、房扑)、心肌肥厚等。微创导管介入治疗是当前这些心脏疾病诊断和治疗最安全、有效的方式之一,如心内膜标测、消融、心肌肥厚消融和心腔内超声(IntracardiacEchocardiography,ICE)结构成像等。进行心内导管介入手术时,需要实时确定导管的三维空间位置,以进行精准的手术引导及三维建模。因此,对导管进行精准定位是保证手术安全有效的前提。例如ICE操作中需要将带有超声探头的导管经外周静脉送入心脏,通过导管实时观察心脏的解剖结构,用于探查心腔内血栓、引导房间隔穿刺、精准定位消融导管及监测术中并发症等。再例如心内膜标测和消融过程中,也往往需要对导管进行实时定位,从而确定导管相对于心腔结构的位置,保证导管与心腔结构的贴合程度。
相关技术中,对导管进行定位的方案通常有以下三种:(1)使用数字减影血管造影(Digital subtraction angiography,DSA)技术,该方案中需要在导管前端集成重金属标记节点,从而实时在DSA下监控导管位置。然而,实时DSA通常只能得到二维成像,无法满足三维定位的需求;(2)使用磁场定位技术,该方案需要使用磁场发生器和接收器,成本较高;(3)使用电场定位技术,该方案需要在导管上集成多个放电电极,并在人体外接收电信号,不仅精度较低,而且容易受到人体电生理信号的干扰。
发明内容
基于此,有必要针对上述问题,提出一种声学定位方法、系统、可读存储介质及终端设备。
本申请提供一种声学定位方法,应用于终端设备,所述终端设备分别与声学发射模块、多个声学接收模块连接,所述声学发射模块置于人体导管内,多个所述声学接收模块置于人体外,所述方法包括:
获取所述声学发射模块发射声学信号的发射时间和每个所述声学接收模块接收所述声学信号的接收时间;
确定所述发射时间与每个所述接收时间的时间差;
根据所述时间差和声音传输速度确定所述声学发射模块与每个所述声学接收模块之间的距离;
根据所述距离和每个所述声学接收模块的三维坐标计算所述声学发射模块的三维坐标。
在一些实施例中,所述声学发射模块有多个,多个所述声学发射模块分别发射不同频率的声学信号,每个所述声学接收模块接收所有声学发射模块发射的声学信号;
所述确定所述发射时间与每个所述接收时间的时间差,包括:
获取所述声学信号的频率分量,所述频率分量与所述声学发射模块发射所述声学信号的频率相同;
根据所述频率分量确定对应的声学发射模块;
确定所述发射时间与每个所述接收时间的时间差,所述发射时间为对应的所述声学发射模块发射所述声学信号的时间。
在一些实施例中,声学定位方法还包括:
根据多个所述声学发射模块的三维坐标获取所述导管的形态信息。
在一些实施例中,所述获取所述声学信号的频率分量之前,声学定位方法还包括:
对所述声学信号进行滤波处理和/或增益补偿处理。
在一些实施例中,所述根据所述距离和每个所述声学接收模块的三维坐标计算所述声学发射模块的三维坐标,包括:
利用下述公式计算所述声学发射模块的三维坐标:
其中,n为所述声学接收模块的数量,n为大于或等于4的整数,(x1,y1,z1)为第1个声学接收模块的三维坐标,(xn,yn,zn)为第n个声学接收模块的三维坐标,(xi,yi,zi)为所述声学发射模块的三维坐标,Ri1为所述声学发射模块与第1个声学接收模块之间的距离,Rin为所述声学发射模块与第n个声学接收模块之间的距离。
本申请还提供一种声学定位系统,包括:
声学发射模块,用于发射声学信号;
多个声学接收模块,用于接收所述声学信号;
终端设备,分别与所述声学发射模块、多个所述声学接收模块连接,用于执行如上任一项所述的声学定位方法。
在一些实施例中,所述声学发射模块有多个,多个所述声学发射模块用于分别发射不同频率的声学信号,每个所述声学接收模块接收所有声学发射模块发射的声学信号。
在一些实施例中,所述终端设备包括:
多通道波形生成器,用于生成每个所述声学发射模块对应频率的波形;
多个声学发射电路,与所述多通道波形生成器连接,还与多个所述声学发射模块一一对应连接,用于根据生成的波形驱动多个所述声学发射模块发射不同频率的声学信号;
多个声学接收电路,与多个所述声学接收模块一一对应连接,用于对所述声学信号进行滤波处理和/或增益补偿处理。
本申请还提供一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,使得所述处理器执行如上任一项所述的声学定位方法。
本申请还提供一种终端设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,使得所述处理器执行如上任一项所述的声学定位方法。
采用本申请实施例,具有如下有益效果:
本申请实施例的声学定位方法通过在人体导管内集成声学发射模块,配合人体外的声学接收模块,声学发射模块将发射声学信号的发射时间发送给终端设备,每个声学接收模块将自身接收声学信号的接收时间也发送给终端设备。终端设备获取发射时间和多个接收时间后,确定发射时间与每个接收时间的时间差,然后根据时间差和声音传输速度确定声学发射模块与每个声学接收模块之间的距离,然后根据每个声学接收模块的三维坐标,可以计算声学发射模块的三维坐标,从而实时、精确地对声学发射模块进行三维定位,进而确定导管的位置,提高心血管介入手术的安全性和精准性,而且成本较低、系统简单。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中:
图1为一个实施例中声学定位方法的应用环境图;
图2为一个实施例中声学定位方法的流程示意图;
图3为一个实施例中步骤S200的流程示意图;
图4为一个实施例中声学定位系统的结构示意图;
图5为另一个实施例中声学定位系统的结构示意图;
图6为一个实施例中终端设备的内部结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种声学定位方法。图1为一个实施例中声学定位方法的应用环境图。该声学定位方法应用于终端设备。终端设备具体可以是台式终端或移动终端,移动终端具体可以是平板电脑、笔记本电脑等中的至少一种。请参照图1,终端设备分别与声学发射模块、多个声学接收模块连接。其中,声学发射模块的数量为一个或多个,可以采用声学发射器,置于导管内,导管的一端位于人体内,另一端与终端设备连接;多个声学接收模块可以采用声学接收器,置于人体外,彼此在空间中相距一定位置。该声学定位方法主要用于对导管内的声学发射模块进行定位。
图2为一个实施例中声学定位方法的流程示意图。请参照图2,该声学定位方法可以包括:
S100:获取声学发射模块发射声学信号的发射时间和每个声学接收模块接收声学信号的接收时间;
S200:确定发射时间与每个接收时间的时间差;
S300:根据时间差和声音传输速度确定声学发射模块与每个声学接收模块之间的距离;
S400:根据距离和每个声学接收模块的三维坐标计算声学发射模块的三维坐标。
本申请实施例的声学定位方法的执行主体可以为终端设备,也可以为设置在终端设备中的控制装置。可选地,控制装置可以通过软件实现,也可以通过软件和硬件的结合实现。
在一些实施例中,声学发射模块发射的声学信号会被所有的声学接收模块接收到。声学发射模块发射声学信号的时间为发射时间,每个声学接收模块接收声学发射模块发射的声学信号的时间为接收时间。声学发射模块将发射声学信号的发射时间发送给终端设备,每个声学接收模块将自身接收声学信号的接收时间也发送给终端设备。终端设备获取发射时间和多个接收时间后,确定发射时间与每个接收时间的时间差,然后根据时间差和声音传输速度确定声学发射模块与每个声学接收模块之间的距离。
假设声学发射模块发射声学信号的时间为TF,其中一个声学接收模块接收声学信号的时间为TR,声音传输速度为c(人体组织中声音传输的速度通常为1540m/s),则可以通过下面的公式(1)计算声学发射模块与该声学接收模块之间的距离Ri:
Ri=c(TR-TF) (1)
按照上述计算方式,可以依次计算出声学发射模块与每个声学接收模块之间的距离。
可以理解的是,确定声音发射模块与该声学接收模块之间的距离Ri后,以该声学接收模块为球心,以Ri为半径作球面,则声音发射模块位于该球面上。因此,多个声学接收模块对应的球面的交点即为声音发射模块的位置。由于需要对声学发射模块进行空间三维定位,同时考虑计算简单以及控制成本,可以设置三到四个声音接收模块;当然也可以设置更多数量的声音接收模块来提高定位精确性。声音接收模块的数量具体可以根据实际需要设置,本申请实施例对此不作具体限定。
在一些实施例中,由于声音接收模块设置在人体外,因此在同一个坐标系中,声音接收模块的坐标可以为预设坐标,则终端设备根据声学发射模块与每个声学接收模块之间的距离,以及每个声学接收模块的三维坐标,可以计算声学发射模块的三维坐标。若声学发射模块设置在人体内的导管端,则可以进一步确定导管端的位置。
相较于现有技术,本申请实施例的声学定位方法通过在人体导管内集成声学发射模块,配合人体外的声学接收模块,能够实时、精确地对声学发射模块进行三维定位,进而确定导管的位置,提高心血管介入手术的安全性和精准性,而且成本较低、系统简单。
在一些实施例中,步骤S400中根据距离和每个声学接收模块的三维坐标计算声学发射模块的三维坐标,包括:
利用下述公式计算声学发射模块的三维坐标:
其中,n为声学接收模块的数量,n为大于或等于4的整数,(x1,y1,z1)为第1个声学接收模块的三维坐标,(xn,yn,zn)为第n个声学接收模块的三维坐标,(xi,yi,zi)为声学发射模块的三维坐标,Ri1为声学发射模块与第1个声学接收模块之间的距离,Rin为声学发射模块与第n个声学接收模块之间的距离。
需要说明的是,上述公式可以由空间中两点的距离公式得到。其中,Ri1至Rin可以通过公式(1)计算得到。
以n=4为例,即设置4个声学接收模块,则有:
将公式(3)(4)(5)的展开式分别减去公式(2)可以得到:
2(x1-x2)xi+2(y1-y2)yi+2(z1-z2)zi=λ1 (6)
2(x1-x3)xi+2(y1-y3)yi+2(z1-z3)zi=λ2 (7)
2(x1-x4)xi+2(y1-y4)yi+2(z1-z4)zi=λ3 (8)
其中,
将公式(8)至(10)转换为矩阵形式:
将公式(12)记为A*X=b,其中A∈R3*3,X=[xi,yi,zi]T为第i个声学发射模块的三维坐标的转置矩阵。公式(12)的解为X=A-1*b。
可以理解的是,上述计算方式采用矩阵的形式计算,因此需要至少4个方程式(2)~(5)来求解(xi,yi,zi)。但是理论上求解3个未知数只需3个方程式,因此若采用一般的数学计算方式,可以只设置3个声学接收模块,即n=3。
在另一些实施例中,也可以设置多于4个声学接收模块,即n>4。
将第一个公式以下的各个公式减去第一个公式,即可得到n-1个公式,将其转换为矩阵形式,并记为A*X=b,其中A∈R(n-1)*3,X=[xi,yi,zi]T为第i个声学发射模块的三维坐标的转置矩阵。该公式的解为:X=(ATA)-1ATb。其中AT为A的转置矩阵。
在一些实施例中,为了进一步对导管进行三维定位,还可以确定导管的形态信息,即除了确定导管的位置,还可以确定导管的弯曲角度等信息。具体地,可以在导管端设置多个声学发射模块,对多个声学发射模块进行三维定位,然后连接起来即可得到导管的位置信息和角度信息,从而实现对导管的三维定位。
当在导管端设置多个声学发射模块,可以通过扫频方式使得多个声学发射模块分别发射不同频率的声学信号。例如设置m个声学发射模块,则通过扫频方式可以发射m个不同频率的声学信号,T_1、T_2、…、T_m分别为m个正弦信号(也可以为其他波形的信号,如Sinc波形信号),其频率随时间在一定范围内反复扫描,且各个正弦信号所处的扫频频段不同。每个声学发射模块发射的声学信号会被所有声学接收模块接收到,每个声学接收模块会接收所有声学发射模块发射的声学信号。则如图3所示,步骤S200中确定发射时间与每个接收时间的时间差,包括:
S210:获取声学信号的频率分量,频率分量与声学发射模块发射的声学信号的频率相同;
S220:根据频率分量确定对应的声学发射模块;
S230:确定发射时间与每个接收时间的时间差。
终端设备获取声学信号P的频率分量,获取的方式可以是对该声学信号P进行快速傅里叶变换。该频率分量与声学发射模块发射该声学信号P的频率相同,因此,获取频率分量后,可以根据频率分量确定对应的发射该声学信号P的声学发射模块,即确定该声学信号是哪个声学发射模块发射的。然后确定发射时间与每个接收时间的时间差,发射时间为该声学发射模块发射声学信号P的时间。
然后根据该时间差和声音传输速度确定该声学发射模块与每个声学接收模块之间的距离。根据距离和每个声学接收模块的三维坐标计算该声学发射模块的三维坐标。具体计算过程请参照上述相关描述,此处不再赘述。
由于每个声学发射模块发射的声学信号的频率不同,按照上述步骤,即可确定每个声学发射模块的三维坐标。
在一些实施例中,步骤S210中获取声学信号的频率分量之前,声学定位方法还可以包括:
对声学信号进行滤波处理和/或增益补偿处理。
对声学信号进行滤波处理可以滤除其他杂波信号,避免获取到其他杂波信号的频率分量,从而提高定位的精确性。对声学信号进行增益补偿处理,即对声学信号进行放大,便于获取声学信号以及后续的计算。
对所述声学信号进行滤波处理和/或增益补偿处理。
在一些实施例中,声学定位方法还包括:
S500:根据多个声学发射模块的三维坐标获取人体导管的形态信息。
确定每个声学发射模块的三维坐标后,可以将多个声学发射模块的三维坐标连接起来,从而获取导管的形态信息,形态信息可以包括位置信息和角度信息。
可以理解的是,若声学发射模块的数量设置的越多,间距越小,则获取的导管的形态信息越精确。声学发射模块的数量和间距可以根据导管的粗细以及人体内导管端弯曲的那一段的长度来确定。
本申请实施例还提供了一种声学定位系统。图4为一个实施例中声学定位系统的结构示意图。请参照图4,该声学定位系统包括:
声学发射模块,用于发射声学信号;
多个声学接收模块,用于接收声学信号;
终端设备,分别与声学发射模块、多个声学接收模块连接,用于执行如上任一项所述的声学定位方法。
声学定位系统的实现原理请参照声学定位方法的相关描述,此处不再赘述。
在一些实施例中,声学发射模块可以有多个,多个声学发射模块均与终端设备连接,用于分别发射不同频率的声学信号,每个声学接收模块接收所有声学发射模块发射的声学信号。具体的实现原理请参照声学定位方法的相关描述,此处不再赘述。
在一些实施例中,如图5所示,终端设备包括:
多通道波形生成器,用于生成每个声学发射模块对应频率的波形;
多个声学发射电路,与波形生成器连接,还与多个声学发射模块一一对应连接,用于根据生成的波形驱动多个声学发射模块发射不同频率的声学信号;
多个声学接收电路,与多个声学接收模块一一对应连接,用于对所述声学信号进行滤波处理和/或增益补偿处理。
可以理解的是,声学发射电路的数量与声学发射模块的数量相同,声学接收电路的数量与声学接收模块的数量相同。多通道波形生成器通过多个声学发射电路与导管内的多个声学发射模块连接,用于生成每个声学发射模块对应频率的波形,多个声学发射电路用于根据生成的波形驱动多个声学发射模块发射不同频率的声学信号。多个声音接收模块接收声学信号后,分别通过一路声学接收电路将声学信号进行处理后发送给终端设备的处理器或控制装置进行计算,或发送至远端的服务器进行计算。
在一些实施例中,对声学信号的处理包括增益补偿处理,即对声学信号进行放大,便于获取声学信号以及后续的计算。然后经过模数转换器将模拟声学信号转换为数字声学信号,再经过滤波器进行滤波处理,滤除其他杂波信号,提高定位的精确性。
还可以理解的是,本申请实施例中,将多通道波形生成器、声学发射电路和声学接收电路集成在终端设备中,作为整体产品,可以提高设备集成度。在另一些实施例中,也可以将多通道波形生成器、声学发射电路和声学接收电路设置在终端设备外部,方便调试。
需要说明的是,本申请实施例的声学定位方法和/或声学定位系统的应用领域包括但不限于:可以用于心腔内超声导管定位,也可以用于心腔内消融导管和标测导管定位,也可以用于其他的微创介入针定位,如体内(肺部、肝脏、前列腺、尿道等)穿刺针、活检和消融针。另外,也可以用于手术机器人定位系统。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时,使得处理器执行如上任一项所述声学定位方法的步骤。
本申请实施例还提供了一种终端设备,包括存储器和处理器,存储器存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,使得所述处理器执行如上任一项所述声学定位方法的步骤。
图6为一个实施例中终端设备的内部结构图。如图6所示,该终端设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中,存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该终端设备的非易失性存储介质存储有操作系统,还可存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时,可使得处理器实现如上所述的声学定位方法。该内存储器中也可储存有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时,可使得处理器执行如上所述的声学定位方法。本领域技术人员可以理解,图6中示出的结构,仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图,并不构成对本申请方案所应用于其上的终端设备的限定,具体的终端设备可以包括比图中所示更多或更少的部件(例如包括如上所述的多通道波形生成器、声学发射电路和声学接收电路),或者组合某些部件,或者具有不同的部件布置。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用,均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限,RAM以多种形式可得,诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种声学定位方法,其特征在于,应用于终端设备,所述终端设备分别与声学发射模块、多个声学接收模块连接,所述声学发射模块置于人体导管内,多个所述声学接收模块置于人体外,所述方法包括:
获取所述声学发射模块发射声学信号的发射时间和每个所述声学接收模块接收所述声学信号的接收时间;
确定所述发射时间与每个所述接收时间的时间差;
根据所述时间差和声音传输速度确定所述声学发射模块与每个所述声学接收模块之间的距离;
根据所述距离和每个所述声学接收模块的三维坐标计算所述声学发射模块的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的声学定位方法,其特征在于,所述声学发射模块有多个,多个所述声学发射模块分别发射不同频率的声学信号,每个所述声学接收模块接收所有声学发射模块发射的声学信号;
所述确定所述发射时间与每个所述接收时间的时间差,包括:
获取所述声学信号的频率分量,所述频率分量与所述声学发射模块发射所述声学信号的频率相同;
根据所述频率分量确定对应的声学发射模块;
确定所述发射时间与每个所述接收时间的时间差,所述发射时间为所述对应的声学发射模块发射所述声学信号的时间。
3.根据权利要求2所述的声学定位方法,其特征在于,所述方法还包括:
根据多个所述声学发射模块的三维坐标获取所述导管的形态信息。
4.根据权利要求2或3所述的声学定位方法,其特征在于,所述获取所述声学信号的频率分量之前,所述方法还包括:
对所述声学信号进行滤波处理和/或增益补偿处理。
6.一种声学定位系统,其特征在于,包括:
声学发射模块,用于发射声学信号;
多个声学接收模块,用于接收所述声学信号;
终端设备,分别与所述声学发射模块、多个所述声学接收模块连接,用于执行如权利要求1至5中任一项所述的声学定位方法。
7.根据权利要求6所述的声学定位系统,其特征在于,所述声学发射模块有多个,多个所述声学发射模块用于分别发射不同频率的声学信号,每个所述声学接收模块接收所有声学发射模块发射的声学信号。
8.根据权利要求7所述的声学定位系统,其特征在于,所述终端设备包括:
多通道波形生成器,用于生成每个所述声学发射模块对应频率的波形;
多个声学发射电路,与所述多通道波形生成器连接,还与多个所述声学发射模块一一对应连接,用于根据生成的波形驱动多个所述声学发射模块发射不同频率的声学信号;
多个声学接收电路,与多个所述声学接收模块一一对应连接,用于对所述声学信号进行滤波处理和/或增益补偿处理。
9.一种计算机可读存储介质,存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,使得所述处理器执行如权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。
10.一种终端设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述计算机程序被所述处理器执行时,使得所述处理器执行如权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。
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