CN117442891A - 一种用于直线加速器的信号处理方法、系统及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种用于直线加速器的信号处理方法、系统及存储介质，对治疗头用的旋转变压器进行信号处理，包含如下步骤：S1：信号放大步骤，对所述旋转变压器输出的信号进行放大；S2：信号滤波步骤，放大后的信号先经过低通滤波电路进行滤波，再经高速模数转换后输入高通滤波单元进行滤波；S3：信号变换步骤，对经过所述信号滤波步骤滤波后的信号进行快速傅里叶变换，再将经过快速傅里叶变换的信号数据与预设的滤波判定系数比较，根据比较结果对该信号数据进行滤除/保留处理；S4：信号还原步骤，对经过所述信号变换步骤处理的信号进行快速傅里叶逆变换，获取最终的滤波信号。据此，能够获取旋转变压器的高精度信号。

Description

一种用于直线加速器的信号处理方法、系统及存储介质
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，特别设计一种用于直线加速器的信号处理方法、系统及存储介质。
背景技术
在医用直线加速器的应用场景中，通常在治疗头中设置旋转变压器，用于对电机转动角度的检测。
为了实现高精度运动控制，一般对旋转变压器信号采集的精度要求极高。但实际应用中，采集的信号容易受到空间电磁场、线路耦合、电源噪声等的干扰。特别是在直线加速器的高辐射环境下，采集的信号通常混合有大量噪声。
目前的通常做法采用硬件带通滤波的方式抵抗干扰，缺点是灵活性差，无法动态调整。
为此，现有技术中，如何获取治疗头用的旋转变压器的高精度信号成为技术课题。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种能够获取治疗头用的旋转变压器的高精度信号的信号处理方法、系统及存储介质。为了实现上述目的，本申请的一个方案为，一种用于直线加速器的信号处理方法，对治疗头用的旋转变压器进行信号处理，包含如下步骤：S1：信号放大步骤，对所述旋转变压器输出的信号进行放大；S2：信号滤波步骤，放大后的信号先经过低通滤波电路进行滤波，再经高速模数转换后输入高通滤波单元进行滤波；S3：信号变换步骤，对经过所述信号滤波步骤滤波后的信号进行快速傅里叶变换，再将经过快速傅里叶变换的信号数据与预设的滤波判定系数比较，根据比较结果对该信号数据进行滤除/保留处理；S4：信号还原步骤，对经过所述信号变换步骤处理的信号进行快速傅里叶逆变换，获取最终的滤波信号。
根据前述的技术方案，对旋转变压器输出的信号经过放大、滤波、快速傅里叶变换后与滤波判定系数比较，将噪声信号滤除，再经快速傅里叶逆变换，起到了较好的信号还原效果。
在一个优选的方式中，在所述信号放大步骤中，在设备首次上电时，采用初始放大倍数为1级对信号进行放大，且不断调整放大倍数直至信号的电压达到电压预设值；在设备非首次上电时，采用上一次设备上电后存储的最终放大倍数对信号进行放大，并在此基础上不断调整放大倍数直至信号的电压达到所述电压预设值。
根据前述的技术方案，对信号进行放大处理，以便于输入后面的高速模数转换芯片转为数字信号。
在一个优选的方式中，所述电压预设值为所述信号滤波步骤中采用的高速模数转换芯片的供电电压的一半。
在一个优选的方式中，在所述信号变换步骤中，预先建立所述滤波判定系数与信号的频率范围的映射关系，基于该映射关系和信号的频率选定所述滤波判定系数。
根据前述的技术方案，预先建立信号频率范围与滤波判定系数的映射关系表，从而可以根据信号的实际频率方便地选取对应的滤波判定系数。
在一个优选的方式中，在所述信号变换步骤中，当经过快速傅里叶变换的信号数据的实部的绝对值小于所述滤波判定系数时，该信号数据被滤除；当该实部的绝对值大于所述滤波判定系数时，该信号数据保留。
根据前述的技术方案，将经过快速傅里叶变换后的信号数据与滤波判定系数比较，根据比较结果将信号滤除或保留，可以方便地滤除噪声。
在一个优选的方式中，在信号经过快速傅里叶变换后，判断信号数据的个数k是否等于最大采样点数N，k、N为自然数；若k小于N，则将该信号数据的实部的绝对值与所述滤波判定系数比较，并根据比较结果对该信号数据进行滤除或保留处理；若k等于N，则对信号数据进行快速傅里叶逆变换。
根据前述的技术方案，当达到最大采样点数N后，即可对采集的数据进行快速傅里叶逆变换以还原信号。
此外，本申请的另一个方面是一种用于直线加速器的信号处理系统，对治疗头用的旋转变压器进行信号处理，包含：信号放大单元，对所述旋转变压器输出的信号进行放大；低通滤波单元，通过低通滤波电路对放大后的信号进行低通滤波；模数转换单元，对低通滤波后的信号进行高速模数转换；高通滤波单元，对经过高速模数转换后的信号进行高通滤波；信号变换单元，对经过高通滤波的信号进行快速傅里叶变换，并将变换后的信号数据与预设的滤波判定系数比较，根据比较结果对该信号数据进行滤除/保留处理；之后，对信号数据进行快速傅里叶逆变换，并将逆变换后的信号数据存入寄存器组。
根据前述的技术方案，该系统对旋转变压器输出的信号经过放大、滤波、快速傅里叶变换后与滤波判定系数比较，将噪声信号滤除，再经快速傅里叶逆变换，起到了较好的信号还原效果。
在一个优选的方式中，所述信号放大单元包含放大倍数计算选择模块，用于选择和调整信号的放大倍数，获取本次上电的最终放大倍数，并将该最终放大倍数写入程序存储模块，下次上电直接使用该最终放大倍数对信号进行放大，并在此基础上对放大倍数进行调整。
根据前述的技术方案，可以快速地将旋转变压器的信号放大至需要的倍数，以便于后续进行高速模数转换。
此外，本申请的另一个方面是一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时，实现前述的用于直线加速器的信号处理方法。
附图说明
为了更清楚地说明本申请，下面将对本申请的说明书附图进行描述和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅说明了本申请的一些示例性实施方案的某些方面，对于本领域普通技术人员来说，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它的附图。
图1是信号处理总体步骤示意图。
图2是信号处理具体流程图。
图3是多种信号对比图。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本申请的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，绝不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。本申请可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本申请透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本申请的范围。应注意到：除非另有说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值等应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本申请中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。
本申请使用的所有术语（包括技术术语或者科学术语）与本申请所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用词典中定义的术语应当被理解为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非本文有明确地这样定义。
对于本部分中未详细描述的部件、部件的具体型号等参数、部件之间的相互关系以及控制电路，可被认为是相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
信号处理方法
以下参照图1和图2说明用于直线加速器的信号处理方法。图1是信号处理总体步骤示意图，图2是信号处理具体流程图。
在直线加速器中，通常采用旋转变压器检测治疗头内电机转子的转角，用于高精度运动控制。但在直线加速器的高辐射环境下，旋转变压器的信号在输出或传递过程中容易受到干扰，因此需要对信号进行处理以提高信号采集的精度。
参看图1、图2，本申请的信号处理方法，主要包含S1信号放大步骤、S2信号滤波步骤、S3信号变换步骤、S4信号还原步骤。
在S1信号放大步骤中，对旋转变压器输出的信号进行放大。直线加速器设备启动时先初始化各单元模块，若为首次上电，采用初始放大倍数为1级对信号进行放大，获取采集数据的输入范围，且不断增量式调整放大倍数，直至信号的电压达到电压预设值。每次对信号放大处理完毕后，都将本次上电的最终放大倍数写入程序存储模块，下次上电直接使用本次的最终放大倍数作为初始值对信号进行放大，并在此基础上不断调整放大倍数，直至信号的电压达到所述电压预设值。优选地，所述电压预设值为后述的高速模数转换芯片的供电电压的一半。
在S2信号滤波步骤中，放大后的信号先经过低通滤波电路进行滤波，再经高速模数转换后由模拟信号转为数字信号，并输入高通滤波单元进行滤波。
具体而言，放大后的信号通过FPGA硬件高通滤波filter(CV,1,x(n)),其中，设计采用一定阶数/>对其滤波，如果设计中/>=23阶时,高通滤波参数CV为{300,152,-255,-1145,-2331,-2958,-1709,2538,9911,19101,27624,32767,32767,27624,19101,9911,2538,-1709,-2958,-2331,-1145,-255,152,300},FPGA硬件滤波FPGA（n）=filter(CV,1,x(n));其中，x(n)为数据信号与多种噪声的混合量，第一次FPGA硬件滤波FPGA（n）。
在S3信号变换步骤中，对经过S2信号滤波步骤滤波后的信号进行快速傅里叶变换，再将经过快速傅里叶变换的信号数据与预设的滤波判定系数比较，根据比较结果对该信号数据进行滤除/保留处理。
具体而言，快速傅里叶变换的公式为如下的式（1），其中N为需要参与运算的数据个数。
式（1）；
对快速傅里叶变换后的数据数字滤波并使用滤波判定方式，将X(k)的实部的绝对值与滤波判定系数比较，当实部的绝对值小于所述滤波判定系数即比较结果小于零时，X(k)被赋值为零，该信号数据被滤除；当实部的绝对值大于所述滤波判定系数即比较结果大于零时，X(k)不变，该信号数据保留。
其中，预先建立所述滤波判定系数与信号的频率范围的映射关系，基于该映射关系和信号的频率选定所述滤波判定系数。示例性的，滤波判定系数和频率范围的映射关系如下表：
在信号经过快速傅里叶变换后，判断信号数据的个数k是否等于最大采样点数N；若k小于N，则按照前述的滤波判定方式，将X(k)的实部的绝对值与所述滤波判定系数比较，并根据比较结果对该信号数据进行滤除或保留处理。若k等于N，则对信号数据进行快速傅里叶逆变换，获取最终的滤波信号，基于最终的滤波信号可以得到电机转子的转角信息。本实施例中，N=16。
信号处理系统
本申请的用于直线加速器的信号处理系统，对治疗头用的旋转变压器进行信号采集和处理。包含：信号放大单元、低通滤波单元、模数转换单元、高通滤波单元、信号变换单元。
信号放大单元，用于对旋转变压器输出的信号进行放大，具备运算放大器和电阻、电阻选择开关等，通过低倍放大倍数试探采集方式并最终将采集信号控制在高速模数转换芯片供电电压的1/2。其中，还包含放大倍数计算选择模块，用于选择和调整信号的放大倍数，直至信号的电压达到电压预设值，之后获取本次上电的最终放大倍数，并将该最终放大倍数写入程序存储模块，下次上电直接使用该最终放大倍数作为初始值对信号进行放大，并在此基础上对放大倍数进行调整，直至信号的电压达到电压预设值即高速模数转换芯片供电电压的1/2。
低通滤波单元，采用电阻以及电容匹配方式，经过运算放大器组合成二阶低通滤波器电路，对经过放大的信号进行低通滤波后输出给模数转换单元。
模数转换单元，采用高速模数转换芯片对低通滤波后的信号进行高速模数转换，将旋转变压器输出的模拟信号转为FPGA可以识别的数字信号，并输出至高通滤波单元。
高通滤波单元，对经过高速模数转换后的信号进行高通滤波，并输出至信号变换单元。
信号变换单元，对经过高通滤波的信号进行快速傅里叶变换，并将变换后的信号数据的实部的绝对值与前述的滤波判定系数比较，若实部的绝对值大于滤波判定系数则保留，若实部的绝对值小于滤波判定系数则赋值为零并滤除。之后，对信号数据进行快速傅里叶逆变换，并将逆变换后的信号数据存入寄存器组。
其中，高通滤波单元、信号变换单元包含于核心处理器单元中。所述核心处理器单元包含核心处理器模块、程序存储模块、动态数据缓存模块。核心处理器模块读取程序存储模块里的固件程序，并将程序运行于动态存储模块，按照程序执行并对信号数据进行高通滤波、快速傅里叶变换以及与滤波判定系数比较、快速傅里叶逆变换等处理，以获取最终的滤波信号。
实验效果
接下来，结合图3对本申请的信号处理效果进行说明。图3是多种信号对比图。
本申请在直线加速器的治疗头安装一个6线的旋转变压器，其具备2条输入励磁信号线、2条输出正弦信号线、2条输出余弦信号线。
当通过控制板输出励磁信号（本实施例采用的励磁频率为1KHz），旋转变压器反馈输出正弦信号和余弦信号，信号波形如图3（a）所示。旋转变压器在信号输出或传递过程中受到干扰，噪声信号波形如图3（b）所示。最终输出到采集板的信号为多种信号的混合，混合后的信号波形如图3（c）所示。通过硬件线路板的采集获取信号量化值，波形为含有噪声的信号，其量化使用24位∑—ΔA／D的模数转换机制，设计使用10KHz的采样数率，转换后的波形如图3（c）所示，其含有大量的干扰信号并且信号的强度比较大，将信息信号部分淹没。再进行高通滤波以及快速傅里叶变换,并按照前述的滤波判定方式对变换后的信号进行滤除或保留，其中FPGA硬件高通滤波=23以及滤波判定系数使用300，将噪声信号滤除,经快速傅里叶逆变换获取最终的滤波信号，波形如图3（d）所示。
从图3（a）、图3（c）和图3（d）的比较可知，本申请的信号处理方法和系统较好地滤除了信号噪声，对旋转变压器原始输出信号的还原度比较高。
综上，本申请对治疗头用的旋转变压器的输出信号，先进行信号放大、硬件电路低通滤波，转为数字信号后输入FPGA进行高通滤波，之后进行快速傅里叶变换，变换后的数据的实部的绝对值若大于滤波判定系数则保留、反之则滤除，最后经快速傅里叶逆变换获取最终的滤波信号，对噪声实现了较好的滤除效果。
此外，本申请的信号处理方法及系统软硬件结合，能够实现动态调正滤波方式，信号处理的灵活性和准确度都较好。
应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本申请，本申请的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其发明构思加以变更、置换、结合，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于直线加速器的信号处理方法，对治疗头用的旋转变压器进行信号处理，其特征在于，包含如下步骤：
S1：信号放大步骤，对所述旋转变压器输出的信号进行放大；
S2：信号滤波步骤，放大后的信号先经过低通滤波电路进行滤波，再经高速模数转换后输入高通滤波单元进行滤波；
S3：信号变换步骤，对经过所述信号滤波步骤滤波后的信号进行快速傅里叶变换，再将经过快速傅里叶变换的信号数据与预设的滤波判定系数比较，根据比较结果对该信号数据进行滤除/保留处理；
S4：信号还原步骤，对经过所述信号变换步骤处理的信号进行快速傅里叶逆变换，获取最终的滤波信号。
2.根据权利要求1所述的用于直线加速器的信号处理方法，其特征在于：
在所述信号放大步骤中，在设备首次上电时，采用初始放大倍数为1级对信号进行放大，且不断调整放大倍数直至信号的电压达到电压预设值；
在设备非首次上电时，采用上一次设备上电后存储的最终放大倍数对信号进行放大，并在此基础上不断调整放大倍数直至信号的电压达到所述电压预设值。
3.根据权利要求2所述的用于直线加速器的信号处理方法，其特征在于：
所述电压预设值为所述信号滤波步骤中采用的高速模数转换芯片的供电电压的一半。
4.根据权利要求1所述的用于直线加速器的信号处理方法，其特征在于：
在所述信号变换步骤中，预先建立所述滤波判定系数与信号的频率范围的映射关系，基于该映射关系和信号的频率选定所述滤波判定系数。
5.根据权利要求1所述的用于直线加速器的信号处理方法，其特征在于：
在所述信号变换步骤中，当经过快速傅里叶变换的信号数据的实部的绝对值小于所述滤波判定系数时，该信号数据被滤除；当该实部的绝对值大于所述滤波判定系数时，该信号数据保留。
6.根据权利要求5所述的用于直线加速器的信号处理方法，其特征在于：
在信号经过快速傅里叶变换后，判断信号数据的个数k是否等于最大采样点数N，k、N为自然数；
若k小于N，则将该信号数据的实部的绝对值与所述滤波判定系数比较，并根据比较结果对该信号数据进行滤除或保留处理；
若k等于N，则对信号数据进行快速傅里叶逆变换。
7.一种用于直线加速器的信号处理系统，对治疗头用的旋转变压器进行信号处理，其特征在于，包含：
信号放大单元，对所述旋转变压器输出的信号进行放大；
低通滤波单元，通过低通滤波电路对放大后的信号进行低通滤波；
模数转换单元，对低通滤波后的信号进行高速模数转换；
高通滤波单元，对经过高速模数转换后的信号进行高通滤波；
信号变换单元，对经过高通滤波的信号进行快速傅里叶变换，并将变换后的信号数据与预设的滤波判定系数比较，根据比较结果对该信号数据进行滤除/保留处理；之后，对信号数据进行快速傅里叶逆变换，并将逆变换后的信号数据存入寄存器组。
8.根据权利要求7所述的用于直线加速器的信号处理系统，其特征在于：
所述信号放大单元包含放大倍数计算选择模块，用于选择和调整信号的放大倍数，获取本次上电的最终放大倍数，并将该最终放大倍数写入程序存储模块，下次上电直接使用该最终放大倍数对信号进行放大，并在此基础上对放大倍数进行调整。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于：
当所述计算机程序在被处理器执行时，实现如权利要求1-6中任一项所述的用于直线加速器的信号处理方法。
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