（机械设计及理论专业论文）呼吸与心跳运动干扰下的消融导管定位信号仿真分析及试验研究.pdf

摘要摘要研究目的：研究一种消融导管定位信号处理方法，消除呼吸与心跳干扰，获得导管的位置信息。研究方法：首先根据定位原理研究了呼吸与心跳运动对于导管定位的影响，据此提出受到呼吸与心跳运动干扰的导管定位信号数学模型及其信号处理方法。采用了软件仿真分析结合硬件实验的研究路线，分别提出了两种信号处理方案。软件仿真分析采用m a t l a b 数学软件来模拟定位信号及其信号处理过程，然后设计出相应的硬件电路来实现信号处理。在硬件设计方面采用模块化设计思想，按照e d a 仿真、面包板实验、焊接电路板实验三步走的循序渐进的设计方法进行设计。实施体外胸腔电场模拟实验，检验硬件电路的稳定性和可靠性。为了获得最接近于人体的胸腔环境，课题组先后开展了二期动物实验，通过两期动物实验来验证所提出的定位信号数学模型与定位信号处理方案是否正确。研究结果：l 、将受到干扰的定位信号看作是呼吸与心跳信号对于电场激励信号调幅的结果，调幅信号包络的中值就是导管在体内相对于体表电极的位置信息，这就是本研究提出的定位信号数学模型。2 、提出了一种新的获取导管空间位置信息的方法：先将导管采集到的定位信号经过一个带通滤波器后变为某一个电场方向的定位信号，之后提取出定位信号包络线，然后再取其中值，这个中值就是导管电极在某一电场方向上相对于体表电极的位置信息。3 、软件仿真部分采用了h i l b e r t 变换法、平方检波法、极值曲线拟合法三种包络解调方法完成包络提取：采用低通滤波、m e d i a n 函数两种中值提取方法完成中值提取。4 、硬件方面，带通滤波模块采用三级联d a b p 结构实现，包络解调模块采用模拟乘法器来完成，中值提取模块采用3 阶m f b 结构来实现。各个模块通过e d a 仿真、面包板实验、焊接板实验三重测试均达到了比较理想的效果。摘要5 、通过体外胸腔电场模拟实验验证了本研究提出的定位信号数学模型以及定位信号处理方法是正确的，硬件电路在实际工作中稳定可靠；通过动物实验进一步证明了导管在活体生物体内的定位信号与我们所提出的模型是一致的，而且定位信号处理方案也是正确可行的。研究结论：通过软件仿真分析、硬件实验、模拟胸腔电场实验和动物实验等循序渐进的研究，实验结果验证了本研究提出的定位信号数学模型及其信号处理方案是正确的，能够消除定位信号中的呼吸与心跳干扰而得到正确的导管位置信息，可以作为进一步研究的理论基础。关键词：导管定位包络解调中值提取硬件实现乘法器d a b pm f ba b s t r a c ta b s t r a c to b j e c t i v e ：r e s e a r c ha na b l a t i o nc a t h e t e rp o s i t i o n i n gs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d ，t oe l i m i n a t ec a r d i a ca n dr c s p i r a t o r ym o t i o ni n t c r f e r o n c ea n do b t a i nt h ec a t h e t e rl o c a t i o ni n f o r m a t i o n m e t h o d ：f i r s t , w er e s e a r c h e dt h ea b l a t i o nc a t h e t e rp o s i t i o n i n gs i g n a l si nc a r d i a ca n dr e s p i r a t o r ym o t i o ni n t e r f e r e n c ea c c o r d i n gt ot h ep o s i t i o n i n gp r i n c i p l e ，t h e nw ep r e s e n t e dt h ec a t h e t e rp o s i t i o n i n gs i g n a l sm a t h e m a t i c a lm o d e la n di t ss i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d w eu s e dar e s e a r c ht e c h n i q u er o u t eo fs o r w a r es i m u l a t i o na n a l y s i sc o m b i n e dw i t hh a r d w a r ee x p e r i m e n t s w ca d o p t e dm a t l a b s i m u l a t e dt h ec a t h e t e rp o s i t i o n i n ga n di t ss i g n a lp r o c c s s i n g ，a n dt h e nd e s i g n e dt h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ec i r c u i t i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，w cc h o s et h em o d u l a rd e s i g nc o n c e p t ，a n dd i v i d e di n t ot h r e es t e p s e d as i m u l a t i o n , b r e e db o a r de x p e r i m e n t ，w e l d i n gc i r c u i tb o a r dt e s t i no r d e rt ot e s tt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，w ei m p l e m e n t e dt h ei nv i t r ot h o r a c i cc a v i t ye l e c t r i cf i e l ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t t oo b t a i nt h ec l o s e s tt ot h eh u m a nb o d y st h o r a c i cc a v i t ye n v i r o n m e n t , w ei m p l e m e n t e dt w oa n i m a le x p e r i m e n t s ，t h r o u g ht h ea n i m a le x p e r i m e n t sc o u l dv e i l f yw h e t h e rt h ep r o p o s e dp o s i t i o n i n gs i g n a l sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gs o l u t i o ni sc o r r c c t r e s u l t s ：1 t h ec a t h e t e rp o s i t i o n i n gs i g n a lc a nb es e e na sa na m p l i t u d em o d u l a t i o n ( a m ) s i g n a l ，t h ec a r r i e rs i g n a li se l e c t r i cd r i v es i g n a l ，a n dt h em o d u l a t i n gs i g n a li sc a r d i a ca n dr e s p i r a t o r ym o t i o n ，t h em i d - v a l u eo ft h ep o s i t i o n i n gs i g n a l se n v e l o p ei st h ec a t h e t e rl o c a t i o ni n f o r m a t i o nw h i c hr e l a t i v et ot h es u r f a c ee l e c t r o d e ，t h i si st h em a t h e m a t i c a lm o d e l 2 p r o p o s e dan e wm e t h o dt oo b t a i nt h el o c a t i o ni n f o r m a t i o no ft h ec a t h e t e r , t h a ti sl e tt h ep o s i t i o n i n gs i g n a lt h r o u g hab a n dp a s sf i l t c r ( b p f ) ，c h a n g ct h et h r e ed i r e c t i o n ss u p e r i m p o s e ds i g n a li n t oo n ed i r e c t i o ns i g n a l ，t h e nc x t r a c t 血cc n v c l o p ea n di t sm i d - v a l u eo ft h es i g n a la r c rb p e3 i ns o r w a r es i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，w ea d o p t e dt h r e em e t h o d st oe x t r a c tt h ee n v e l o p e ，t h e yw e r eh i l b e r tt r a n s f o r m , s q u a r ed e m o d u l a t i o n ，a n dt h ee x t r e m a lc u r v ef i t t i n g t w om e t h o d sm垒坠! 塑o fe x t r a c tm i d v a l u ew e r ea d o p t e d , t h e yw e i el o wp a s sf i l t e r ( l p f ) a n dm a t l a b ，so 帅“m e d i a n f u n c t i o n 4 o nt h eh a r d w a r es i d e ，b a n d p a s sm o d u l eu s i n g3 - o r d c rd a b ps t r u c t u r e ；e n v e l o p ed e m o d u l a t i o nm o d u l eu s i n gt h ea n a l o gm u l t i p l i e rt oc o m p l e t e ；t h em e d i a ne x t r a c t i o nm o d u l eu s i n g3 - o r d e rm f bs t r u c t u r e t h eh a r d 、m 盯ec i r c u i t sa c h i e v e dt h ed e s i r e dr e s u l t sa f t e rt h ee d as i m u l a t i o n s ，b r e a db o a r de x p e r i m e n t s w e l d i n gc i r c u i tb o a r dt e s t s 5 t h ei nv i t r ot h o r a c i cc a v i t ye l e c t r i cf i e l ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ep r o p o s e dp o s i t i o n i n gs i g n a l sm a t h e m a t i c a lm o d e l 锄dt h es i g n a lp r o c e s s i n gs o l u t i o ni sc o r r e c t , a n dt h eh a r d w a r ec i r c u i t sw e r es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h r o u g ht h ea n i m a le x p e r i m e n t s ，w ev e r i f i e dt h a t i nv i v ot h ec a t h e t e rp o s i t i o n i n gs i g n a li sc o n s i s t e n tw i t ht h ep r o p o s e dc a t h e t e rp o s i t i o n i n gs i g n a l sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gs o l u t i o ni sf e a s i b l e c o n c l u s i o n s ：a f t e rt h es o f t w a r es i m u l a t i o na n da n a l y s i s , h a r d w a r ee x p e r i m e n t s ，s i m u l a t ei nv i t r ot h o r a c i cc a v i t ye l e c t r i cf i e l de x p e r i m e n t ，w et r u s t e dt h a tt h ep r o p o s e dc a t h e t e rp o s i t i o n i n gs i g n a l sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gs o l u t i o ni sc o r r e c t ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gs o l u t i o nc o u l de l i m i n a t et h ec a r d i a ca n dr e s p i r a t o r ym o t i o ni n t e r f e r e n c ea n do b t a i nt h ec a t h e t e r sc o r r e c tl o c a t i o ni n f o n 】= l a t i o n k e yw o r d s ：c a t h e t e rp o s i t i o n i n g ，e n v e l o p ed e m o d u l a t i o n , m i d - v a l u ee x t r a c t ，h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，m u l t i p l i e r , d p d 3 p , m f bi v1 绪论1 绪论1 1课题研究来源及意义1 1 1研究来源心房颤动( a t r i a lf i b r i l l a t i o n ，a f ) 等心律失常疾病是临床心血管疾病诊治过程中最为常见而又难以治疗的疾病之一【i 】，是我国乃至全世界心脏疾病患者的首要杀手。治疗心律失常疾病的主要方法有传统的药物治疗和心脏介入治疗，常规的药物治疗疗效差且无法根治，但是最近我国中国工程院院士杨宝峰领导的研究小组在该领域取得了重要突破 2 1 ，该小组发现微小核苷酸m i c r o r n a s ( m i r n a s )在调控心律失常疾病方面有重要作用，但是现在还处于实验室阶段，距离推出能够市场化的临床治疗药物还有一定的时间，而心脏介入治疗心律失常却早已经实现了临床应用及其市场化推广。心脏介入治疗心律失常疾病的主要手段是采用经导管射频消融术【3 l ( r a d i o f r e q u e n c yc a t h e t e ra b l a t i o n ，r f c a ) ，其不可或缺的治疗设备是心脏电生理导管定位导航系统【4 l 。传统的导管定位采用二维x 线透视定位【5 1 ，该技术精度低、安全性差、治疗面窄，而后随着科技的发展出现了三维导管定位技术 6 - 9 1 ，不仅定位精度大大提高，而且能够实时显示三维的心脏解剖模型，能够从任何角度实时观察导管的位置，而且更加安全，所以利用心脏三维定位导航系统来进行心脏介入手术的研究一直是国内外生物医学工程界的研究热点。目前国内市场上的三维导管定位导航系统采用的是清一色的进口设备【i o l ，这些设备不仅采购价格不菲，而且不少系统需要采用特制的导管或辅助耗材，这使得手术的成本异常高昂，从而将大多数的心律失常患者拒之门外。这些因素使一些医院所采购的导航设备成为医疗技艺的象征性的标志，不仅减少医院更多盈利的机会，同时严重减缓了在临床上推广电生理三维定位导航系统的速度。为加速国外先进医疗设备的国产化历程，提升我国介入医疗装备水平，降低心律失常疾病治疗成本，本课题组与河南华南医电有限公司着手联合研制国产心脏电生理三维导管定位导航系统。本项目组研制的心脏三维导管定位导航系统可分为：激励信号源发生装置、导管位置信号获取装置、三维导航显示装置等三大块。其中导管位置信号获取1l 绪论装置可以实时捕获导管电极在心腔内的位置，实现对导管的空间定位，其定位精度高低将直接影响重构的心脏三维模型准确与否，进而影响消融手术的成败，所以心内导管定位技术是整个系统的核心技术和需要解决的关键问题。但是导管在心腔会受到各种干扰，尤其是呼吸和心跳干扰，呼吸与心跳干扰同时还是c t m r i 等医学影像设备产生伪影的主要根源，所以研究呼吸与心跳干扰消除技术至关重要。本课题致力于对导管位置信号获取装置的研究，主要是对受到呼吸与心跳干扰的导管定位信号的采集与处理，从而消除呼吸与心跳干扰，得出导管正确的空间位置。1 1 2 研究意义若能研制开发出具有自主知识产权、采用低成本普通导管的高精度定位导航系统将会大大降低手术治疗成本，提高射频消融成功率及普及率，能够使更多的心律失常患者得到及时有效的治疗，从而具有很好的社会效益；如果该项技术能够研制成功填补国内空白，则能更加促进国内学术界对该热点领域的研究，增加国内外学术交流和合作，迅速提升我国在该领域及相关领域的科研水平，从而为研制出世界领先的先进和低成本设备奠定基础，所以该项技术也有其重大的学术意义：研制成功之后也打破了该领域内国外产品对市场的垄断，同时该产品也以其高科技含量的附加值从而为企业带来很好的经济效益。1 2 课题所涉及相关技术研究呼吸与心跳不仅是人体的生命特征信号，而且也是医疗设备产生误差( 或伪影) 的根源之一。在本课题的研究中，导管在人体内会受到各种各样的干扰，诸如呼吸、心跳、血液流动，导管自身的颤动等等【l i 坨】，但是呼吸和心跳干扰是主要原副13 1 。国外对于呼吸和心跳干扰的消除和补偿问题已有所研究【1 4 1 虮，国内相关课题中所涉及该方面的研究较少。如何消除呼吸与心跳所带来的定位误差将是定位精度高低的关键。1 2 1医用仪器设备中呼吸和心跳干扰的消除( 补偿) 技术l 、c t m l u 等医学影像设备伪影消除c t m r i 等扫描产生的医学影像出现伪影主要是由呼吸和心跳所引起 饽2 0 。现行的消除呼吸伪影的方法主要是在扫描前对患者进行“呼吸一屏气一呼吸2l 绪论的呼吸训练【2 1 2 2 】，在患者深吸气后憋气的过程中进行扫描，呼吸伪影的消除效果主要取决于患者和医生的配合程度，实际工作中往往还是由于一部分患者在扫描过程中未完全屏住气而导致伪影产生。目前常采用的一种被称为门控的技术来解决伪影问题【2 3 啪】，该技术利用能反映呼吸或心跳周期的电生理信号，比如，已, e g ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 信号，将一个完整的呼吸和心跳运动周期分为若干了时相【2 7 2 引，在不同或特定的时相进行扫描，然后将相同时相的图像进行配准，这样不要求患者进行呼吸训练就能获得比较准确的影像资料，大大降低呼吸和心跳引起的伪影。图1 1 是一种心电f - j 控( e c g - g a t e d ) 技术，将e c g 信号分为若干时相( 小箭头) ，在特定时刻( 大箭头) 进行扫描成像。但是这样得到的图像质量不高，所以后期仍需要一些呼吸补偿算法来提高图像质量 2 9 - 3 1 】。rrr。 r罩1v -t t r11 r一，r ， t t t ， t t t - i t 图1 1 心电门控技术2 、电生理信号中呼吸与心跳干扰的消除( 补偿)心电图仪和脑电图仪在采集到的信号中会包含呼吸与心跳干扰 3 2 】，这些干扰甚至会淹没心电或脑电( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，e e g ) 信号，所以必须将呼吸与心跳干扰消除才能得到干净正确的e c g 或e e g 波形。人们对于e c g 信号中呼吸与心跳干扰的消除问题研究较早，因此消除或补偿的方法也很多。文献 3 3 】提出了一种自适应滤波器和自适应锁相环来消除呼吸与心跳干扰，文献 3 4 ，3 5 提出了采用小波变换来消除e c g 信号中呼吸干扰的方法。而对于e e g 信号，文献【3 6 】采用的方法是递归最小二乘法( r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s ，r l s ) 来消除呼吸与心跳干扰，文献 3 7 】则采用了一种扩展的独立分量分析法( e x t e n d e di n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ，e x t e n d e d i c a ) 来消除e e g 信号中的e c g 信号和呼吸干扰，文献 3 8 】采用的是基于最小均方算法( ( 1 e a s tm e a ns q u a r e ，l m s ) 的自适应滤波器来滤除呼吸和e c g 干扰。对于其他受到呼吸与心跳干扰的电生理信号，文献【3 9 】提出了一种用波形锁环( s i g n a ls h a p el o c k e dl o o p ，s s l l ) 来3l 绪论作为自适应分离器分离出呼吸与心跳干扰。3 、其他医疗设备中呼吸与心跳消除( 补偿) 技术对于冠脉粥样硬化的治疗必须重建冠状动脉，文献【4 0 】利用了传统双面血管造影二维技术与三维血管内超声技术( i n t r a v a s c u l a ru l l r a s o u n d ，i v u s ) 相结合的方法来重建冠状动脉。重建过程中血管内超声传感器会受到呼吸与心跳的干扰，对于心跳干扰该文采用了心电门控技术来消除，对于呼吸干扰该文首先给出传感器路径模型，然后利用三个路径回调( p a t hp u l l b a c k s ) 得出的数据来求解模型参数。最终将呼吸干扰消除。1 2 2 导管定位误差消除( 补偿)呼吸和心跳运动对导管的定位误差可以分为两种：a ：呼吸和心跳运动带动心内导管做物理上的位置移动，从而使导管电极探测到的电场成周期性变化；b ：由于呼吸引起的胸腔几何变化和肺阻抗变化，心跳引起的血液流动而造成的体内电场分布变化，从而使得导管电极探测到的电场成周期性变化，文献【4 l 】将前者定义为加性定位误差，将后者定义为乘性定位误差。有研究指出定位误差其实主要来自呼吸运动，由于心跳频率较高可以通过滤波或门控技术消除，所以有些补偿技术中主要针对的是呼吸补偿。1 、导管磁场定位误差消除由于人体对于磁场没有任何衰减，所以在磁场定位方式中呼吸和心跳运动并不会使磁场分布发生变化，所以不存在乘性定位误差，只存在加性定位误差但这也使得磁场定位对于患者的体动相当敏感。现阶段磁场定位方式对于呼吸心跳的干扰消除尚没有可行的措施，目前解决的方法是采用参考电极【4 2 1 ，系统时刻计算导管和参考电极之间的位置，如果采用心内参考电极则能够补偿呼吸和心跳所引起的导管移动，但是一旦患者身体移动补偿将失去意义，必须重新标测；如果采用体表参考电极的话虽对患者体动不敏感但是这只能部分补偿呼吸运动。事实上呼吸和心跳所引起的定位误差很小大概在2 m m 以下【4 3 1 ，所以临床上人们常常忽略呼吸和心跳带来的干扰。另外可以采取门控技术来抵消掉呼吸和心跳干扰【“，4 5 】，如果同时采取呼吸和心跳门控，则采点间隔较长，从而使心脏模型三维熏构变慢，可以只采取心跳门控抵消心跳干扰利用参考电极抵消呼吸干扰。2 、导管电场定位误差消除4l 绪论电场定位是国内研究的热点所以对于电场定位方式下的呼吸与心跳干扰消除问题研究较多。电场定位中既有加性定位误差，也有乘性定位误差，分别采取不同的方法来消除误差干扰。加性定位误差主要是由于呼吸和心跳运动带动导管的物理位移造成的。因此解决办法同磁场定位一样可以设置参考电极来消除这种误差。参考电极的放置有两种：体表参考电极和体内参考电极。1 9 9 7 年w i t t k a m p ff h m 和2 0 0 3 年h a u c k j a 分别在他们的研究中指出采用心内冠状窦( c o r o n a r ys i n u s ，c s ) 参考电极能够将体表参考电极所测得的误差降低一半【利引，所以采用心内参考电极可以很大程度上降低呼吸与心跳的加性定位误差。加性定位误差消除以后剩下的一半就是乘性定位误差，该部分无法通过物理手段消除，只能借助于其他技术，对此人们也进行了一定的研究。w i t t k a m p ff h m 于1 9 9 7 年发明了l o c a l i s a 导管定位系统，该系统对于导管电极采集到的定位信号采用低通滑动平均值滤波器( 1 0 wp a s sm o v i n ga v e r a g ef i l t e r ) 来消除呼吸和心跳干扰【4 9 】。如图1 2 所示，滤波前导管的定位误差约为2 c m ，经过l o s 的平均值滤波以后误差降低到了l e m 左右。但这只能使误差大大降低。但是并没有完全消除呼吸和心跳干扰，这主要是由于人体呼吸与心跳频率极低( 呼吸频率约为0 1 0 3 h z 、心跳频率约为l - 2 h z ) ，所以要想完全消除呼吸与心跳干扰必须使低通滤波器( 1 0 wp a s sf i l t e r ，l p f ) 截止频率低于呼吸频率，而这样一来系统的响应就会变慢，无法实时跟踪和定位导管。1 51 0曼5剁隧0攀议51 0- 1 5时间( s )圈i - 2l o c a l i s a 系统低通滤波法消除呼吸心跳干扰51 绪论如图1 3 所示，对于导管2 c m 的移动量，采用2 s 周期的滑动平均值滤波器需要1 0 s 时间来追踪导管，而采用l s 平均周期后该滤波器在4 s 内就可追踪到1 9 7 m m ，但是这样会保留呼吸与心跳干扰，一个可行的方案就是将c s 体内参考电极和l s 周期滤波器组合使用。1 5星静翅l o躯啪5o05l o响应时间( s )图1 3 低通滑动平均值滤波器响应2 0 0 4 年h a u c kj a 在其申请的美国专利中使用分时驱动激励电极的误差补偿技术m 】，最终被应用在e n s i t e - n a v x 系统中，该专利主要针对呼吸误差补偿做了技术说明。该技术避免了采用软件滤波方法而导致的系统响应变慢，能更为有效的补偿呼吸所造成的定位误差。该补偿方法原理如图1 4 所示，以体表x 轴方向电极对x - - x 为例将原本一次性的激励经矢量分解为x y 平面内非正交电极对的4 次激励( x 一y 、x a y b 、y a x b 、y b x b ) ，同时每次记录其余4个激励电极感测到的信号，利用这4 次激励和其余四个电极信号组合成6 个线性方程组风( i - 0 ：5 ) ，将凡向量与6 个呼吸补偿加权系数w i ( i = 0 ：5 ) l 向量相乘得到拟合曲线k r 。w 。在固定的导管电极上采集1 0 s 包含呼吸的数据，采用线性最b - - 乘法( 1 e a s ts q u a r em e t h o d l s m ) 使拟合曲线不断逼近采集到的呼吸信号，最后得到一组最6l 绪论优化的呼吸补偿加权系数w i ( i _ 0 ：5 ) ，在手术中就可以依靠少量的参考输入信号和最优加权系数拟合出最优的呼吸干扰，将其从导管定位信号中剔除掉以后就是导管实际的位置信号。野y b图i 4e n s i t e - n a v x 分时激励法呼吸补偿脏文献 4 1 ，5 0 对此也有研究提出一种自适应实时补偿技术。他们认为导管的实际位置信号是不可预知的，而呼吸和心跳所引起的乘性干扰统计特性随时间而变化且无法获得明确的解析式。根据自适应信号处理原理，利用前一时刻的位置信号和干扰自动更新现时刻的滤波器参数，能很好的适应实际位置信号和乘性干扰的时变特性，获得现时刻导管实际位置信号的同时滤除现时刻的乘性干扰信号。据此设计出两级自适应l m s 滤波器结构。第一级采取自适应跟踪原理，目的是获得导管实际位置信号；第二级采用自适应噪声抵消原理，目的是消除呼吸和心跳乘性干扰，经过两级滤波器以后就可以得到导管的真实位置信号，具体的算法本文不再描述。这里仅说明一下两级算法中最重要的两个参数，它们分别是追踪步长鳓。和收敛补偿，它们两个直接决定了算法执行效果和算法的稳定性。其中为了避免第二级滤波器输入功率过大而将步长改为与输入功率成反比。调整参数为夕，所以后期的动物实验主要就是试探性的确定胁。和卢的最佳值。此外我国上海宏桐实业有限公司在其专利技术 s l 】中采用了另一种方法来消7l 绪论除呼吸与心跳干扰。如图1 5 所示，首先从导管的电极( 一般选固定的c s 电极)上获取定位信号) ( c ，然后经过一个通带为0 0 1 h z - 0 5 h z 的窄带带通滤波器( b a n dp a s sf i l t e r ，b p f ) 后得到人体呼吸变化信息x f ：该专利同时认为三对正交激励电极片不仅在体内形成三维电场，而且在人体体表也会形成电场，这样就可以通过体表e c g 电极和激励电极直接采集包含有肺部体积变化的信息，也即呼吸信息y i 。将y i 也通过带通滤波器后得到y i f ，将) ( c f 和y i f 同时输入到呼吸模型参数提取单元，然后使用l m s 算法变换组合y i f 使其逼近x c f ，达到最优逼近后输出呼吸信号数学模型b m 到参数应用单元。将y i f 也输入参数应用单元，采用上一步的l m s 算法对y i f 进行变换组合最优逼近b m ，最后输出呼吸干扰波形o 。，之后在消融( 标测) 导管定位信号m i 中减去o 。就得到了经校准后的导管实际位置信号p c 。心跳干扰的消除采用门控技术，采集包含心跳周期的同步电生理信号h 。，选择心脏搏动周期中的某个时刻作为输出，以确定导管在心跳周期某一时刻的真实位置。但是该专利中并没有采用常规的e c g 信号作为同步信号，而是采用更能反应心脏舒缩周期的腔内血压信号、血氧饱和度信号等血液动力学和生物化学信号作为同步信号。图1 5 宏桐公司呼吸心跳消除专利技术1 3 课题研究的基础本课题是在整个项目组所取得的研究成果基础上展开的。本项目旨在研究一种基于空间电场和普通消融导管的三维导管定位导航系统可在外加三维电场条件下通过对导管采集到电压信号的提取和处理。来实现导管在体内位置81 绪论的精确探测，从而研制出能够适用于临床的射频消融治疗心律失常的医疗系统。本系统大致可分为三个部分，其分别是：信号发生部分、信号采集与处理部分、三维导航显示部分。三个组成部分中的信号发生部分和三维导航显示部分已取得较大研究成果。信号发生部分可分为信号发生模块、信号调理模块、恒流源模块【5 2 】，其中信号发生模块采用直接数字信号合成( d i r c c td i g i t a ls y n t h e s i s ，d d s ) 技术，由单片机来控制d d s 芯片产生不同频率的谐波信号，信号调理模块采用无源l c 椭圆带通滤波器对输入信号滤除高频杂散分量和低频直流成分，采用正相放大电路对处理后的信号进行放大，恒流源模块采用压控电流源( v o l t a g ec o n t r o l l e dc u r r e n ts o t l r c c ，v c c s ) 技术将输入的电压信号变为l m a 恒流信号。目前该部分已制作出印刷电路板( p r i m e dc i r c u i t b o a r d ，p c b ) ，并且对研究成果申请了发明专利加以保护【5 3 1 。三维导航显示部分就三维导管导航系统的软件设计进行了研究【州。首先是建立了软件功能模型，确定软件设计的层次结构及系统各功能模块划分，结合可视化类库v t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) 进行了软件系统的界面开发；然后利用计算几何中的凸包算法来获取导管所采集的心腔表面极值点并构建三维虚拟模型；最后初步研究了c t m r i 等医学图像的三维重建等技术，并使用k 封装类对人体胸部c t 切片序列进行了三维可视化，从而实现重构的心脏三维模型与c t 瓜叫切片图像所形成的心脏解剖模型的融合。三部分之间的关系如图1 6 所示。1 4 课题研究的主要内容、创新点及关键技术1 4 1主要研究内容本课题研究专注于呼吸与心跳对导管定位的影响，主要研究内容是对受到呼吸和心跳干扰的导管定位信号进行处理，进而消除呼吸与心跳干扰，提取出所需要的导管位置信息。所采取的研究方法和技术路线是计算机仿真计算结合实验验证，为此本研究开展了以下主要工作：l 、根据导管定位原理分析实际工作环境巾导管所受到的各种干扰，尤其是呼吸与心跳对导管的干扰。推导出包含有呼吸与心跳运动干扰的定位信号模型，91 绪论r - - - 一一一一i信号采集；信号处理一一：图形显示i图1 6 三维导管定位系统三部分关系图iliiiiij找到在标测导管定位信号中人工加入和检出呼吸与心跳运动干扰项的仿真分析和信号处理方法，确定信号处理方案。2 、采用m a t l a b 对信号处理方案进行软件仿真计算。首先利用m a t l a b 模拟出受到呼吸与心跳干扰的定位信号数学模型，然后对该模型进行滤波、检波等信号处理过程的仿真计算，验证所提出的定位信号模型和信号处理方法的正确性，同时可以为硬件电路设计奠定理论基础。3 、为了满足手术中高速实时的信号处理速度，在理论仿真完成以后做硬件试验研究。首先在软件计算仿真的指导下，在确定了合适的数学方法后，根据数据处理过程的特点设计专用的信号处理电路在信号调理阶段完成所需的处理；然后利用电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，e d a ) 软件进行具体硬件电路的仿真设计，以便初步验证电路设计的可行性：最后根据电路仿真的结果搭接硬件电路，焊接电路板，测试所设计电路的性能参数。4 、为了验证定位信号处理方案的正确性以及硬件电路在实际工作环境中的精度及稳定性，实施体外胸腔模拟实验，模拟一个近似于人体的胸腔环境，采1 09 鲫pi 绪论集信号并进行处理：然后实施动物实验，获得在实际生物体内真实的导管工作环境，验证所分析的定位信号模型、定位信号处理方案。1 4 2 主要创新点及关键技术l 、带呼吸和心跳干扰的定位信号模型的建立以往的多数研究都是直接在动物实验中来获得定位信号，由于实际工作环境干扰种类多，一般情况下很难得到典型的带有呼吸和心跳干扰的定位信号，这给信号处理方法的研究带来了诸多不便，况且动物实验成本很高，不可能大量实施。所以本文先建立带有呼吸与心跳干扰的定位信号数学模型采用软件仿真分析，能够对导管定位信号及其处理过程进行快速全面的认识。2 、导管定位信号处理方法的创新本文对定位信号的处理是提取定位信号的包络线，然后获取包络线中值，该中值即导管位置信息。包络线中包含有导管位置、呼吸与心跳干扰等信息，能够在提取导管定位信息的同时，还可以获得同步的心跳和呼吸信号，简化了相关仪器的设计。3 、软件功能硬件化技术随着计算机及数据处理技术的发展，使用软件方法来进行数据处理越来越普遍，这类方法多数都具有通用性强的特点。但由于本课题对数据处理的实时性和系统稳定性要求极高，且所采集的数据量极大，一般的软件化数据处理过程已经很难满足使用化的要求。为此本课题将在数值计算仿真的指导下，在确定了合适的数学方法后，根据数据处理过程的特点设计专用的信号处理电路在信号调理阶段完成所需的处理。4 、实验技术在理论指导下进行相应的实验研究是本课题关键技术和研究难点之一，实验研究主要包括e d a 仿真实验、硬件实物电路实验、水槽实验、动物实验等。实验的成功与否直接关系着课题的成败，而实验成败! i ! u 主要取决于实验的设计、实施人员的细1 5 和耐心、实验过程中出现问题的解决能力等。2 导管定位信号处理相关基础理论2 导管定位信号处理相关基础理论及方法2 1导管定位信号数学模型2 1 1呼吸与，b 跳干扰理想情况下对于静止在心腔内的导管，如果医生不做操作则导管电极探测到的信号应该是幅值稳定不变的激励电场信号，信号的幅值与导管电极相对于体表电极的距离有关，所以该幅值就是导管的位置信息。但实际工作环境下导管在心腔内会受到各种各样的干扰，诸如周期性的呼吸运动和心脏搏动、血液流动，导管自身微荡等等，所以使得导管运动轨迹较复杂。这其中又以呼吸和心跳为主要干扰源，这使得导管电极探测到的定位信号伴随着呼吸与心跳运动而呈周期性变化，从而使得定位结果存在一定的误差。按照性质可以将误差分为加性定位误差和乘性定位误差。如图2 1 所示。在人体体表空间正交方向贴附三对激励电极片，典型的贴附在左腋一右腋( x - x b ) 、前胸一后背( y - y b ) 、颈部一左腿内侧( z a z b ) ，三个电极对分别发射不同频率的电信号，由此可以产生三维经胸电场。假设导管端部电极位于心腔内某一固定点p o ，受呼吸与心跳干扰以后位置将会发生变化，可分为呼吸和心跳两个矢量方向进行分析。a 呼吸矢量方向。由医学知识可知人体呼吸时会带动体内心脏和其他各个脏器的上下周期性运动，这样心腔内的导管就会被心脏带动做物理上的周期移动；同时胸腔也会随呼吸运动而上下周期性的扩张收缩，从而带动体表电极对之间距离的周期性变化，电极距离变化会引起电场分布变化。最终的结果是经过呼吸运动以后导管端部电极位置由原来的p o 变为p l ，且呈呼吸周期变化，频率约为0 1 0 3 h z ，其中因导管物理移动而造成的误差称为加性定位误差，因电场分布变化而使导管定位信号呈现的周期性变化所带来的误差称为乘性定位误差。b 心跳矢量方向。心脏的周期性舒缩搏动也会带来两方面影响：第一是由于心脏舒缩而带动导管实际位置的周期性物理改变，这会带来加性定位误差；第二就是心脏舒缩过程中血液流动等造成的电场变化这会引起乘性定位误差。最终经过心跳运动以后导管端部电极位置由原来的p o 变为p 2 ，且呈心跳周期变化，频率约为l 一- 2 h z 。c 欠量相加。呼吸与心跳运动所造成的两种误差综合以后使得导管端部电极的运动轨迹1 22 导管定位信号处理相关基础理论更加复杂，呈现呼吸与心跳的双重周期性，位置由p o 最终变为p 3 ，呼吸所引起的电极位置和电场分布变化大于心跳所引起的。y 图2 1呼吸与心跳导致导管位置和电场变化而引起定位误差1 32 导管定位信号处理相关基础理论2 1 2 定位信号数学模型以往的多数研究都是直接在动物实验中来获得定位信号，由于实际工作环境中受到各种各样的干扰因素较大，所以从动物实验中一般很难得到典型的带有呼吸和心跳干扰的定位信号况且动物实验成本高、周期长。不可能大量实施。为了简化研究和降低成本需要先建立一个定位信号的数学模型。由上文的分析可知导管电极上探测到的电场信号是随着呼吸与心跳成双周期性的变化，也就是说导管定位信号里包含的有三种信息：导管位置信息、呼吸信息、心跳信息。以y a - y b 方向为例，假设导管电极采集到的定位信号用函数y ( 0 来表示，导管真实位置信号用p ( f ) 来表示，呼吸干扰信号用r ( f ) 来表示，心跳干扰信号用c ( 0 来表示，则其函数表达式分别如下：p ( f ) = a c o s ( 2 # f , f + 仍)( 2 1 )r ( 0 = a 2c o s ( z # a f + 仍)( 2 2 )c ( f ) = a 3c o s ( 2 # a f + 仍)( 2 3 )式中：a l 一导管端部电极所在位置电场信号幅值，也是最终所要得到的幅值； 一待分析方向上激励电场信号频率；9 l 一定位信号与体表激励信号相位差：a 2 一由于呼吸引起的胸部阻抗变化折算到定位信号幅值上变动的最大值；矗一呼吸频率；优一呼吸活动与定位信号的相位差：a 3 一由于心跳引起的胸部阻抗变化折算到定位信号幅值上变动的最大值；石一心跳频率；9 3 一心跳活动与定位信号的相位差。那么导管电极采集到的信号y ( 0 就是p ( 0 、r ( 0 、c ( 0 的函数，可以用下式来表示：y ( f ) = f ( p ( 0 ，r ( f ) ，c ( 0 )( 2 4 )y ( 0 函数呈双周期性变化变化周期与呼吸和心跳频率一致且a 2 要比a 3大很多相对而言呼吸信号属于低频大信号，心跳信号属于高频小信号。推断受干扰的定位信号波形如图2 2 所示。1 42 导管定位信号处理相关基础理论呼吸干扰八一心跳干扰，、 ，、，、，、，、 ，+ 呼吸与心跳干扰v u h 飞、，帆o激励电场信号受呼吸与心跳干扰的定位信号图2 2 受呼吸与心跳影响的导管定位信号波形从图2 2 来看可以将受干扰的定位信号看作是呼吸与心跳干扰对导管端部电极处的激励电场信号调幅( a m p l i t u d em o d u