胸腹表面呼吸运动信号超分辨电路的制作方法

文档序号：22277359发布日期：2020-09-18 20:36阅读：167来源：国知局

本发明胸腹表面呼吸运动信号超分辨电路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。

技术实现要素：

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方波信号，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：

胸腹表面呼吸运动信号超分辨电路，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，多相位融合逻辑门模块和二次超分辨模块；

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18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r2-3和电阻r2-7的串联结构连接，电阻r2-3和电阻r2-7的阻值比为8/11，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，通过电阻r2-5和电阻r2-9的串联结构连接，电阻r2-5和电阻r2-9的阻值比为28/9；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r2-11和电阻r2-15的串联结构连接，电阻r2-11和电阻r2-15的阻值比为9/28，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r2-13和电阻r2-17的串联结构连接，电阻r2-13和电阻r2-17的阻值比为11/8，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；所述相位差多输出模块的第一输出经过电阻r2-1后作为第一相位输出，电阻r2-2和电阻r2-6之间的抽头作为第二相位输出，电阻r2-3和电阻r2-7之间的抽头作为第三相位输出，电阻r2-4和电阻r2-8之间的抽头作为第四相位输出，电阻r2-5和电阻r2-9之间的抽头作为第五相位输出，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r2-11和电阻r2-15之间的抽头作为第七相位输出，电阻r2-12和电阻r2-16之间的抽头作为第八相位输出，电阻r2-13和电阻r2-17之间的抽头作为第九相位输出，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10个运算放大器，运算放大器u2-1的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第一相位输出；运算放大器u2-1的同相输入端连接地，运算放大器u2-1的输出端为第一方波输出；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u2-3的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第三相位输出；运算放大器u2-3的同相输入端连接地，运算放大器u2-3的输出端为第三方波输出；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u2-5的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第五相位输出；运算放大器u2-5的同相输入端连接地，运算放大器u2-5的输出端为第五方波输出；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u2-7的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第七相位输出；运算放大器u2-7的同相输入端连接地，运算放大器u2-7的输出端为第七方波输出；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u2-9的反相输入端连接电阻链多相位生成模块的第九相位输出；运算放大器u2-9的同相输入端连接地，运算放大器u2-9的输出端为第九方波输出；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八个异或门，异或门u3-1的输入为第三方波输出和第七方波输出，异或门u3-1的输出为第一异或输出；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u3-3的输入为第一方波输出和第一异或输出，异或门u3-3的输出为第三异或输出；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u3-6的输入为第三异或输出和第七异或输出，异或门u3-6的输出为第六异或输出；异或门u3-7的输入为第五方波输出和第九方波输出，异或门u3-7的输出为第七异或输出；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，第六异或输出作为准相位超分辨方波输出；

所述二次超分辨模块包括准相位超分辨方波变形电路，错相位超分辨方波变形电路，第一八输入与或非门，第二八输入与或非门和最终与门；

所述准相位超分辨方波变形电路的输入为准相位超分辨方波输出，准相位超分辨方波变形电路的第一输出为准相位超分辨方波输出，准相位超分辨方波变形电路的第二输出为准相位超分辨方波输出非，准相位超分辨方波变形电路的第三输出为准相位超分辨方波输出与准相位超分辨方波输出非且延时的与运算，准相位超分辨方波变形电路的第四输出为准相位超分辨方波输出非与准相位超分辨方波输出延时的与运算；

所述错相位超分辨方波变形电路的输入为错相位超分辨方波输出，错相位超分辨方波变形电路的第一输出为错相位超分辨方波输出，错相位超分辨方波变形电路的第二输出为错相位超分辨方波输出非，错相位超分辨方波变形电路的第三输出为错相位超分辨方波输出与错相位超分辨方波输出非且延时的与运算，错相位超分辨方波变形电路的第四输出为错相位超分辨方波输出非与错相位超分辨方波输出延时的与运算；

所述第一八输入与或非门和第二八输入与或非门的输入均为准相位超分辨方波输出、准相位超分辨方波输出非、准相位超分辨方波输出与准相位超分辨方波输出非且延时的与运算、准相位超分辨方波输出非与准相位超分辨方波输出延时的与运算、错相位超分辨方波输出、错相位超分辨方波输出非、错相位超分辨方波输出与错相位超分辨方波输出非且延时的与运算和错相位超分辨方波输出非与错相位超分辨方波输出延时的与运算，其中，第一八输入与或非门按照如下逻辑进行运算：

准相位超分辨方波变形电路的第一输出&错相位超分辨方波变形电路的第三输出

或非

准相位超分辨方波变形电路的第二输出&错相位超分辨方波变形电路的第四输出

或非

准相位超分辨方波变形电路的第三输出&错相位超分辨方波变形电路的第二输出

或非

准相位超分辨方波变形电路的第四输出&错相位超分辨方波变形电路的第一输出

第二八输入与或非门按照如下逻辑进行运算：

准相位超分辨方波变形电路的第一输出&错相位超分辨方波变形电路的第四输出

或非

准相位超分辨方波变形电路的第二输出&错相位超分辨方波变形电路的第三输出

或非

准相位超分辨方波变形电路的第三输出&错相位超分辨方波变形电路的第一输出

或非

准相位超分辨方波变形电路的第四输出&错相位超分辨方波变形电路的第二输出

其中，&表示与运算；

所述最终与门的输入为第一八输入与或非门的输出和第二八输入与或非门的输出，最终与门的输出为胸腹表面呼吸运动超分辨信号。

上述胸腹表面呼吸运动信号超分辨电路，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。

上述胸腹表面呼吸运动信号超分辨电路，所述二次超分辨模块中，所述延时通过电容和电阻组成的延时电路实现。

胸腹表面呼吸运动信号超分辨方法，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r2-3和电阻r2-7的阻值比为8/11，因此电阻r2-3和电阻r2-7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r2-5和电阻r2-9的阻值比为28/9，因此电阻r2-5和电阻r2-9之间的抽头电压为：

由于电阻r2-11和电阻r2-15的阻值比为9/28，因此电阻r2-11和电阻r2-15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r2-13和电阻r2-17的阻值比为11/8，因此电阻r2-13和电阻r2-17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/10的等差数列十输出；

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十个方波输出和多相位融合逻辑门模块的六个异或输出进行逻辑运算，实现错相位超分辨方波输出和准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，准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，相位相差准相位超分辨方波输出信号的零周期；

步骤f、在二次超分辨模块中，利用错相位超分辨方波输出信号与准相位超分辨方波输出信号之间相差四分之一周期的特性，采用非门、延时电路和与门，实现对错相位超分辨方波输出信号和准相位超分辨方波输出信号每一个上升沿和下降沿的采集，再通过两个与或非门和最终与门，实现对错相位超分辨方波输出信号和准相位超分辨方波输出信号的二次超分辨，最终实现将一个周期的呼吸运动信号变成二十个周期的方波信号。

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，多相位融合逻辑门模块和二次超分辨模块作为一个整体，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方波信号，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、在二次超分辨模块中，由于将准相位超分辨方波变形电路和错相位超分辨方波变形电路设计成电路结构完全一致的形式，同时配合后续的两个与或非门和最终与门，因此即使多相位融合逻辑门模块的两个输出与二次超分辨模块的两个输入反接，也对胸腹表面呼吸运动超分辨信号的输出结果没有任何影响，即可以实现多相位融合逻辑门模块与二次超分辨模块无方向插接的效果，类似type-c接口优于miniusb或microusb的效果。

第三、在本发明中，同本项目团队同日申请的另外四项专利《一种胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨电路》、《一种胸腹表面呼吸运动信号错相位超分辨方法》、《一种胸腹表面呼吸运动信号准相位超分辨电路》、《一种胸腹表面呼吸运动信号准相位超分辨方法》相比，由于设计有二次超分辨模块，并同时利用了错相位超分辨方波输出和准相位超分辨方波输出，因此能够进行二次超分辨，细节程度翻两番，判断呼吸频率用时能够缩短为另外四项专利的四分之一。

附图说明

图1是本发明胸腹表面呼吸运动信号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超分辨电路中二次超分辨模块电路图。

图7是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。

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超分辨电路的实施方式。

胸腹表面呼吸运动信号超分辨电路，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，多相位融合逻辑门模块和二次超分辨模块；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，二次超分辨模块电路图如图6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7所示；