一种实时降低信号噪声的方法与装置与流程

本发明涉及锯片降噪领域，具体涉及一种实时降低信号噪声的方法与装置。

背景技术：

1、技术的发展使得更多精准安全的技术被应用在医学和手术领域，从而提高手术质量。其中最明显的是全膝关节置换手术（tka），计算机辅助手术技术已经被用于提高患者膝关节手术中的假体置入精准度。

2、计算机辅助tka中，关键的一个装置是机械臂，其被用于控制截骨过程中精度。机械臂可配备一个高速振动的锯片，从而完成必要的截骨动作。然而，当切割或截骨过程开始时，锯片会产生所不期望的振动，影响机械臂的定位精度，从而影响截骨的精度和质量。

3、在截骨过程中产生振动有以下不利影响：

4、切割精度：振动会影响机械臂收到的控制信号，并进行与规划不同的截切，这将导致假体部件对齐误差或导致假体不能精准植入。这会影响膝关节的运行状态，并长期影响患者。

5、截骨质量：超出范围的振动，会损伤周围的骨组织，从而影响其配合假体的能力。脆弱的骨组织，将增加术后并发症的风险，例如引起假体松动。

6、为应对此类挑战，必须减少截骨过程中机械臂的信号中的噪声，这可以通过各种技术手段来实现，例如：

7、1、机械臂设计的优化：以一种最小化在截骨过程中的振动的方式来设计机械臂。这包括使用适当的材料、阻尼技术和系统平衡，以减少不必要的震动。

8、2、速度和力的控制：通过先进的控制系统和算法来优化锯片的轨迹，适当调整锯片的震动速度和力度，以在截骨过程中最小化振动并保持稳定性。

9、3、反馈传感器：在机械臂中增加力反馈传感器对振动进行实时监测，并向系统提供反馈。再由系统调整切割参数以最小化振动。

10、4、信号滤波：利用信号滤波技术消除锯片振荡信号中的高频噪声。这将有助于获得一个更平滑、更准确的机械臂控制信号。

11、在此，减少机械臂的锯片振荡信号中的噪声对于保证计算机辅助全膝关节置换术的准确性和安全性至关重要。通过消除无用的噪声信号，截骨质量和假体植入准确度可得到改善，并将周围组织损伤的风险降低。

12、为了实现这一目的，可采用滤波技术的组合，如中值滤波、均值滤波。滤波器可有效减少信号中异常值的影响。但作为极值的异常值可能会严重扭曲均值过滤器中的平均值和标准差计算。

13、与均值滤波相比，中值滤波器在降低具有异常值或脉冲噪声的信号方面提供了明显的优势。中值滤波器的操作方法是用特定区间或邻域内的中值替换信号中的每个数据。在中值滤波器中，通过选择中间值，使其不太容易受到异常值的影响，并保持基础信号的完整性。所以中值滤波器可以有效地减轻信号中受异常值的影响。

14、此外，当信号呈现突变或阶跃变化时，均值滤波器会模糊信号边界，导致信号中关键细节的丢失。相比之下，中值滤波器保留了尖锐的过渡，使其更适合于保留tka手术中振荡信号的细微差别。因此中值滤波器的性能应优于均值过滤器。

15、但采用中值滤波仍不足以处理复杂信号，仍需要进一步降噪并平滑信号，因为降低机械臂截骨时锯片振荡信号中的噪声是至关重要的。

16、另外，在此所公开的该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种实时降低信号噪声的方法与装置，以用于降低机械臂截骨时锯片振荡信号中的噪声。

2、根据本发明的一方面，提供一种实时降低信号噪声的方法，用于辅助机械臂在tka手术的切割过程控制，包括如下步骤：获取锯片振动的原始信号；对该原始信号进行中值滤波处理；对经过中值滤波处理后的数字信号中相邻的信号区间进行低阶多项式拟合处理，以找到每个区间窗口最佳拟合的多项式，并把该最佳拟合的多项式对应区间窗口中间位置的数值，当作当前信号点对应的数值并输出，其中，对每一个区间窗口，都采用最小二乘法进行低阶多项式的拟合，即找到信号的测量值与拟合多项式对应数值之间的差的平方和最小的情况下多项式的各项参数，即拟合后的多项式的最终参数。

3、根据本发明的另一方面，提供一种实时降低信号噪声的装置，用于实现上述的实时降低信号噪声的方法，包括：原始信号获取模块：获取锯片振动的原始信号；中值滤波处理模块：对该原始信号进行中值滤波处理；低阶多项式拟合处理模块：对经过中值滤波处理后的数字信号中相邻的信号区间进行低阶多项式拟合处理，以找到每个区间窗口最佳拟合的多项式，并把此多项式对应区间窗口中间位置的数值，当作当前信号点对应的数值。

4、根据本发明，可有效地用于消除机械臂操控下的锯片振荡信号中的高频噪声。

技术特征：

1.一种实时降低信号噪声的方法，用于辅助机械臂在tka手术的切割过程控制，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的实时降低信号噪声的方法，其特征在于，多项式定义为：

3.根据权利要求2所述的实时降低信号噪声的方法，其特征在于，多项式拟合利用范德蒙矩阵进行，其中，对区间窗口中从p1到pk中的每个点p的等式：

4.根据权利要求3所述的实时降低信号噪声的方法，其特征在于，由拟合后的多项式确定对应区间窗口的各点数值y1, y2, ……, yk中的中间数值，来替换掉原有测量值。

5.一种实时降低信号噪声的装置，用于实现权利要求1至4中任一项所述的实时降低信号噪声的方法，其特征在于，包括：

技术总结
一种实时降低信号噪声的方法与装置，用于辅助机械臂在TKA手术的切割过程控制，该方法包括：获取锯片振动的原始信号；对该原始信号进行中值滤波处理；对经过中值滤波处理后的数字信号中相邻的信号区间进行低阶多项式拟合处理，以找到每个区间窗口最佳拟合的多项式，并把该最佳拟合的多项式对应区间窗口中间位置的数值，当作当前信号点对应的数值并输出，其中，对每一个区间窗口，都采用最小二乘法进行低阶多项式的拟合，即找到信号的测量值与拟合多项式对应数值之间的差的平方和最小的情况下多项式的各项参数，即拟合后的多项式的最终参数，从而可有效地用于消除机械臂操控下的锯片振荡信号中的高频噪声。

技术研发人员：张国强
受保护的技术使用者：中国人民解放军总医院第四医学中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16