一种实时降低信号噪声的方法与装置

技术领域

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

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。

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。

在截骨过程中产生振动有以下不利影响：

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

附图说明

图1示意性地示出对锯片振动的原始信号进行中值滤波的处理过程。

图2以比较的方式示出原始信号及经中值滤波和多项式拟合处理后的信号。

图3示意性地示出根据本发明一个实施例的信号数据处理结果。

图4是根据本发明示例性实施例的实时降低信号噪声的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性实施例。下文描述的和附图示出的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使本领域技术人员能够在若干不同环境中和对于若干不同应用实施和使用本发明。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求来限定，示例性实施例并不意在、并且不应该被认为是对本发明保护的范围的限制性描述。

本发明人提出了一种基于中值滤波的分段拟合（窗口或区间式曲线拟合）的信号处理方法，从而平滑信号，并保留其重要信息，如峰谷特征与整体趋势。

<示例性方法>

首先，例如从传感器处获取锯片振动的原始信号，信号格式可以是时域图谱，横坐标为时间轴，纵坐标为dB幅度（参见图2、3）。

关于对该原始信号的中值滤波处理不再赘述，例如图1所示，在对该原始信号采用中值滤波方法进行处理时，通过逐步采用滑动窗口W1作为滤波窗口，窗口宽度为100。

然后，对经过中值滤波处理后的数字信号，对相邻的信号区间进行低阶多项式拟合处理，得到如图2所示的中值滤波及多项式拟合的信号并输出。从图2中与同时示出的原始信号的比较可知，此方法使用中值滤波和多项式拟合的方法可平滑信号，从而保留重要特征，比如峰谷特征和信号趋势。

<技术原理>

在对相邻的信号区间进行低阶多项式拟合时，这些区间（以下亦称区间窗口）的范围可等于上述滑动窗口W1的大小，并可取足够小，从而便于捕捉到信号的局部变化。此拟合的目标是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。

为此，对中值滤波后的每一个区间窗口，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（实际值）与拟合多项式对应数值（多项式估计值）之间的差的平方和最小的情况下多项式的各项参数。一旦每个区间窗口对应的多项式参数被确定，此区间窗口的中间数值即可由拟合后的多项式计算获得，并替换掉原有测量值。

<实施例>

多项式可被定义为：

，（式1），

其中，y是对应区间窗口中的点的数值（=y

多项式拟合可利用范德蒙矩阵进行。通过此矩阵表示基于区间窗口中每个点获得的多项式模型。

对区间窗口中从P

，（式2），

在式2的等式两侧同时乘以等式最左侧第一个矩阵的转置矩阵，可得到范德蒙矩阵。

由此，可利用上述的最小二乘法，拟合得出对应多项式的最终参数，得到拟合后的多项式。由该拟合后的多项式即可确定对应区间窗口的各点数值y

为了更直观地理解根据本发明的滤波方法，图3中例示了一个包含500个信号数据点的处理结果。

如上所述，在根据本发明的方法中，利用中值滤波方法可以稳定地处理异常信号；在相邻区间进行低阶多项式拟合方法，能够平滑信号从而保留信号中的重要特征，例如峰谷特征和信号趋势；通过将这两种方法综合使用，可以使输出的信号变得更加异常清晰，从而可实时降低信号噪声，确保了机械臂在TKA手术的切割过程中进行精准的切割动作。

<示例性装置>

相应地，本发明一示例性实施例提供一种实时降低信号噪声的装置，如图4所示，其包括：

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。

相应地，还包括输出模块，用于将低阶多项式拟合处理后的信息输出给例如机械臂或锯片控制系统，由此可以基于该信息的反馈控制等抑制振动对机械臂收到的控制信号的不良影响，以更准确的机械臂控制信号最小化振动。

尽管已经参考各种具体实施例描述了本发明，但是应当理解，可以在所描述的发明构思的精神和范围内做出变形。因此，意图是本发明不限于所描述的实施例，而是将具有由所附权利要求的语言所定义的全部范围。