一种基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法，所使用的装置包括一个医学二维彩超机，两枚RFID无源标签，一个连接了三根接收天线的RFID信号阅读器，以及进行RFID信号数据处理以及三维彩超重构的PC；RFID阅读器发射射频信号并接收RFID无源标签反射信号，校正接收信号相位偏差后使用相位确定天线与RFID无源标签之间的距离，对RFID无源标签的位置与仰角进行估计，确定超声探头的移动轨迹，最后将二维超声探头提取到的位置和角度信息与获取到的二维超声图像一起输入三维超声重建模型获得精准的胎儿心脏三维超声。本发明专利技术能够实现较低廉的成本和较高的精确度，特别适用于胎儿心脏检测。用于胎儿心脏检测。用于胎儿心脏检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法


[0001]本专利技术涉及一种三维超声重建方法，具体是一种基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法，属于超声成像


技术介绍

[0002]胎儿心脏是胎儿循环系统的“发动机”，其正常与否是反映胎儿健康情况的重要指标之一。检测胎儿心脏对于早期发现胎儿畸形和心脏缺陷等情况、以及预防因此导致的其它并发症具有至关重要的作用。孕检中定期检测胎儿心脏非常重要，不仅可以保障母婴的健康，降低胎儿畸形和死亡的风险，预防因胎儿疾病或异常导致的孕期并发症，为健康孕育提供有力支撑，还可以通过降低出生缺陷发生率，提升出生人口质量，挽救幼儿生命。
[0003]目前常用的检测胎儿心脏的方式主要有心电图、羊膜穿刺、核共振成像、超声检查等。心电图灵敏度较低、不能诊断所有胎儿心脏病变，且对于深层胎心电信号的探测存在一定技术难度。羊膜穿刺具有一定的风险，如感染、出血等，适用范围较窄，一般只针对高危孕妇进行。磁共振成像仪器昂贵，检查时间长，需要对胎儿及母体施加高强度磁场，对孕妇和胎儿有一定的危险性。超声检查可以在不损伤母婴健康的前提下能够清晰显示出胎儿心脏及其功能，因此超声检查是当前常见的孕期检查方法之一，但二维超声检查对有些畸形较为微小或者在某些角度无法清晰显示，限制了其检测灵敏度，而三维超声检查需要高超的操作技术，且仪器价格昂贵，阻碍了其在医疗条件弱、重症急诊以及家庭日常场景下的广泛应用。因此，部署低成本、高精度的三维超声重建技术是实现胎儿心脏检查的关键，具有极高的临床应用价值。
[0004]现有技术中结合空间定位系统与三维重建算法的三维超声重建方式主要包括二维超声扫描
→
超声探头空间位置获取
→
三维超声重建等一系列步骤。其中二维超声扫查方式主要采用自由式扫查，其在临床上具有灵活、易于操作、不受扫描方向限制、成本低等优点。目前的超声探头空间位置的获取主要包括光学定位追踪、电磁定位追踪、声学定位追踪以及惯性导航追踪等方法，该过程受多种因素干扰，位置信息精度较差，导致三维超声重建产生漂移误差，难以提供可靠的临床医疗诊断依据。因此传统的三维超声重建方式存在以下缺点：
[0005]1、超声诊疗空间有限，在多源医疗设备环境(超声机、诊疗床、工作站)中难以部署复杂大型的超声探头位置采集设备；
[0006]2、超声诊疗环境噪声强、多径干扰严重，利用光学相机进行追踪存在遮挡失效的问题，利用电磁传感器或声学传感器进行追踪则易受环境噪声干扰导致定位精度低；
[0007]3、超声探头定位精度要求高，而利用惯性传感器则存在导航误差累计增大等问题。
[0008]因此，探索一种部署便捷、测量精准、成本低廉的超声探头位姿追踪技术是目前自由式三维超声重构的关键问题。

技术实现思路

[0009]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法，能够实现较低廉的成本和较高的精确度，特别适用于胎儿心脏检测。
[0010]为实现上述目的，本基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法所使用的装置包括一个商用的医学二维彩超机，两枚RFID无源标签，一个连接了三根接收天线的RFID信号阅读器，以及进行RFID信号数据处理以及三维彩超重构的PC；RFID无源标签附着于超声探头上，RFID信号阅读器作为RFID信号接收器，连接至PC上；二维彩超机采集连续的二维超声图片，并传输至PC上；PC存储RFID信号处理算法以及胎儿心脏三维超声重建算法；
[0011]基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法具体包括以下步骤：
[0012]Step1，RFID信号阅读器发射射频信号并接收RFID标签反射信号，通过硬件校准和多径效应处理的方法校正接收信号相位偏差、以提供精准的相位读数；
[0013]Step2，使用相位确定RFID标签与天线之间的距离，对RFID标签的位置与仰角进行估计，确定超声探头的移动轨迹；
[0014]Step3，将二维超声探头提取到的位置与角度信息和获取到的二维超声图像一起输入多模融合的三维超声重建模型，获得胎儿心脏三维超声。
[0015]Step1中通过相移校正和噪声抑制去除硬件相关的相位偏移和噪声，公式如下
[0016][0017]δ＝φ
s
+φ
n
[0018]式中：φ
m
为实际测量的RFID信号阅读器发出信号与标签返回信号的相位差，λ为波长，d为天线与标签之间的距离，δ为相位偏移，φ
s
为硬件电路产生的常量相移，φ
n
为硬件的随机相位噪声；
[0019]相移校正是测量并计算出硬件电路产生的恒定相移，在通过相位度数进行距离计算时去掉该相移；
[0020]噪声抑制是设置一个阈值，如果RFID信号阅读器读取的连续两个相位的变化大于该阈值，则去掉后面的读数，再用卡尔曼滤波器平滑相位读数，得到去除噪声的相位读数。
[0021]相移校正具体方法为：将标签放在离天线距离较近的地方以减少多径效应，用激光计测量标签与天线的实际物理距离，根据公式计算得到真实相位值，真实相位值与相位测量度数值之差为需要去除的φ
s
。
[0022]相位读取中的多径效应处理使用多信道的方法，通过多信道跳频来识别具有少量多径的信道，进而获取干净的直接路径相位读数；
[0023]在没有多径干扰的情况下两个不同频率信道读取的相位差如下公式
[0024][0025]式中：c为光速，Δf为选取的两个不同信道的频率差，Δδ为相位噪声。
[0026]Step2具体包括以下步骤：
[0027]Step2
‑
1，天线
‑
标签距离估计
[0028]经过相位处理后，天线
‑
标签距离d与相位值φ
m
的关系如下
[0029][0030]式中：f
m
为直接路径信道，k为整数、表示相位旋转2π的次数；
[0031]使用RSS测量估计k的值；
[0032]则天线
‑
标签距离d表示为
[0033][0034]第一RFID无源标签、第二RFID无源标签、第一接收天线和第二接收天线的连线形成空间三棱锥结构，根据三角形三边关系得出4组不等式方程限制估计距离，然后选择同时满足所有限制条件的估计进行平均，得到最终的距离估计；
[0035]超声探头相对于时间戳移动时，从天线p到标签q的距离序列d
pq
表示为
[0036]d
pq
＝d
pq
(t1),d
pq
(t2),
…
,d
pq
(t
N
)
[0037]式中：t
N
为时间戳，p∈[1,3]，q∈[1,2]；
[0038]Step本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法，所使用的装置包括一个医学二维彩超机，两枚RFID无源标签，一个连接了三根接收天线的RFID信号阅读器，以及进行RFID信号数据处理以及三维彩超重构的PC；RFID无源标签附着于超声探头上，RFID信号阅读器作为RFID信号接收器，连接至PC上；二维彩超机采集连续的二维超声图片，并传输至PC上；PC存储RFID信号处理算法以及胎儿心脏三维超声重建算法；其特征在于，基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法具体包括以下步骤：Step1，RFID信号阅读器发射射频信号并接收RFID标签反射信号，通过硬件校准和多径效应处理的方法校正接收信号相位偏差、以提供精准的相位读数；Step2，使用相位确定RFID标签与天线之间的距离，对RFID标签的位置与仰角进行估计，确定超声探头的移动轨迹；Step3，将二维超声探头提取到的位置与角度信息和获取到的二维超声图像一起输入多模融合的三维超声重建模型，获得胎儿心脏三维超声。2.根据权利要求1所述的基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法，其特征在于，Step1中通过相移校正和噪声抑制去除硬件相关的相位偏移和噪声，公式如下δ＝φ
s
+φ
n
式中：φ
m
为实际测量的RFID信号阅读器发出信号与标签返回信号的相位差，λ为波长，d为天线与标签之间的距离，δ为相位偏移，φ
s
为硬件电路产生的常量相移，φ
n
为硬件的随机相位噪声；相移校正是测量并计算出硬件电路产生的恒定相移，在通过相位度数进行距离计算时去掉该相移；噪声抑制是设置一个阈值，如果RFID信号阅读器读取的连续两个相位的变化大于该阈值，则去掉后面的读数，再用卡尔曼滤波器平滑相位读数，得到去除噪声的相位读数。3.根据权利要求2所述的基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法，其特征在于，相移校正具体方法为：将标签放在离天线距离较近的地方以减少多径效应，用激光计测量标签与天线的实际物理距离，根据公式计算得到真实相位值，真实相位值与相位测量度数值之差为需要去除的φ
s
。4.根据权利要求3所述的基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法，其特征在于，相位读取中的多径效应处理使用多信道的方法，通过多信道跳频来识别具有少量多径的信道，进而获取干净的直接路径相位读数；在没有多径干扰的情况下两个不同频率信道读取的相位差如下公式式中：c为光速，Δf为选取的两个不同信道的频率差，Δδ为相位噪声。5.根据权利要求1所述的基于射频识别信号的胎儿心脏三维超声重建方法，其特征在于，Step2具体包括以下步骤：Step2
‑
1，天线
‑
标签距离估计经过相位处理后，天线
‑
标签距离d与相位值φ
m
的关系如下
式中：f
m
为直接路径信道，k为整数、表示相位旋转2π的次数；使用RSS测量估计k的值；则天线
‑
标签距离d表示为第一RFID无源标签、第二RFID无源标签、第一接收天线和第二接收天线的连线形成空间三棱锥结构，根据三角形三边关系得出4组不等式方程限制估计距离，然后选择同时满足所有限制条件的估计进行平均，得到最终的距离估计；超声探头相对于时间戳移动时，从天线p到标签q的距离序列d
pq
表示为d
pq
＝d
pq
(t1),d
pq
(t2),
…
,d
pq
(t
N
)式中：t
N
为时间戳，p∈[1,3，q∈[1,2；Step2
‑
2，超声探头的仰角计算超声探头的仰角θ满足θ∈[0
°
，90
°
]，第一RFID无源标签和第二RFID无源标签在xoy平面进行投影，则式中：h1和h2分别为第一RFID无源标签和第二RFID无源标签距离超声探头顶端水平面的高度，b是第一RFID无源标签和第二RFID无源标签之间的距离；α1为第一接收天线和第二接收天线的连线与第一接收天线和第一RFID...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐晓，尹雨晴，陈炳华，杨旭，鲍衷旭，姜舒，牛亮，孙小喻，王珂力，陆璐琦，牛强，
申请(专利权)人：徐州市第一人民医院，
类型：发明
国别省市：