发明内容

针对现有技术的需求，本发明设计一种通过基于图像识别定位的智能导航腰椎穿刺的方法，使用图像识别的方式对腰椎穿刺进行定位，提高定位的准确度，在此基础上，使用稳定的三轴导轨经由电机控制完成较精确的穿刺动作，克服了现有穿刺系统定位难、机械结构不稳定、自动化程度低等问题。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

基于图像识别定位的智能导航腰椎穿刺系统，包括主体和附加连接件；

所述的主体为三轴机械导轨结构，附加连接件将三轴机械导轨结构的各个部分进行连接。

所述的三轴机械导轨结构中的导轨D作为运动的X轴，导轨A和10作为运动的Y轴，导轨C作为运动的Z轴。滑块C一面与导轨D相连，电机B固定在导轨D的一端，且与滑块C相连，能控制滑块C在导轨D上进行滑动，到达X轴指定位置；

电机D固定在导轨A的一端，滑块A与电机D相连，在导轨A上滑动；所述的电机D通过连杆与滑块B相连，滑块B在电机D的控制在导轨B上进行滑动，到达穿刺Y轴指定位置；所述的连杆连接导轨A和导轨B，保证两导轨平行且滑块A和滑块B同时同步滑动。支撑架垂直于地面且与连杆有相对固定位置，用于放置和支撑摄像头完成其拍摄任务。

滑块D与导轨C相连，电机A固定在导轨C的一端，滑块D受电机A的控制在导轨C上进行滑动，到达Z轴指定位置。

电机C固定在滑块D的另一面，实现控制穿刺针调整角度进针。

电机A通过圆柱形连接件和导轨C相连，电机B和电机D与其对应导轨连接同理。

电机C通过板状连接件与滑块D紧密连接，保证其穿刺的稳定性。

进一步的，电机A通过固定件固定于导轨C上，电机B和电机D固定方式相同。

软件部分：

控制电机程序：由C++语言编写，其程序目标为：控制X轴和Y轴滑块运动的电机A和电机B首先接受坐标信息旋转运动到指定位置，电机C为控制穿刺针的电机进行旋转角度调整，最后控制导轨Y滑块的电机D运动进行穿刺。所有电机需要反馈力矩信息来表征穿刺状态，通过力的突变状况来确定穿刺是否到达指定位置，并以此决定是否需要调整运动，再次穿刺。该电机程序分为两个部分并装载于两块相同型号的openCR1.0控制板上，一个控制板转载电机A、电机B和电机D的运动程序，另一块控制板装载电机C的控制程序。控制板通过TTL协议与电机进行通讯，保证程序传输的准确性；控制板之间通过串口通讯进行链接，保证程序运行的连贯性。

目标检测程序：采用YOLO V3实现目标检测。YOLO V3通过划分单元格来检测目标，通过一个loss function完成训练，只需要关注输入端和输出端，在保持速度优势的前提下，采用类似FPN的upsample和融合做法，在多个scale的feature map上做检测，提升了预测精度，尤其是加强了对小物体的识别能力，可以识别出目标物体的边框位置及中心坐标。使用摄像头拍摄的患者体表医生标注的记号图片进行标记并集合为数据集，输入YOLO V3神经网络进行训练，训练出的模型mAP指标可高达100，将模型导出应用。

基于图像识别定位的智能导航腰椎穿刺系统的使用方法，步骤如下

第一步：医生进行术前准备，包括检查病人姿势、为病人注射麻药、对腰椎穿刺位置进行手动标点定位等，准备工作完成后，将指示摄像头开始工作。

第二步：双目摄像头对标点进行拍摄，将拍摄图像传输给后端的图像处理系统，系统装载了已训练完成的目标检测模型，会运行程序预测获取图像中的坐标。

第三步：目标检测获得的标点坐标并不能直接使用，需要通过一定的比例权重转化为现实世界中的三维坐标传输给电机控制板。

第四步：控制板会与电机通讯，指导电机进行运动，包括调整位置、速度、角度等，进行定位和穿刺工作。具体运动过程：电机A和电机B接受坐标信息进行运动控制滑块D和滑块C运动，到达指定位置后，电机C旋转控制穿刺针到达穿刺角度,为15度，角度调整完成后电机D旋转连带连杆旋转控制滑块A和滑块B运动到正确穿刺深度。该运动过程中有力反馈检测判断穿刺针是否突破皮肤到达穿刺深度。

第五步：电机与穿刺针的连接进行设计可充分利用电机的力反馈功能。若力反馈表示穿刺针以达到标准深度但此时无脑脊液流出，说明此次腰椎穿刺发生了偏差，将会出针重复定位、运动的操作；直到穿刺成功，电机会控制穿刺针撤出完成任务。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，该发明在精度、效率、可操作性、加工便捷性方面都有突出的提升。

在机械结构方面，三轴导轨配备电机的结构加工方便，成本较低；在连接件的设计上由于为个性化定制，可操作性强，修改方便，所以提升了整体项目实施的速度。

关于腰椎穿刺的定位采用了深度学习目标检测的经典算法，由于其发展较为成熟、检测精确度比其他同类别算法高，且根据大量自收集数据集训练得到的模型应用效果更好。

图像识别定位和电机控制导轨和穿刺针的技术结合进一步提高了了腰椎穿刺的自动化程度，不仅解放医生双手，还提高了整个临床检测流程的效率，有利于减少医疗资源的占用。