基于图像AI实时分析的智能自适应喉镜外套管刮擦系统

本发明涉及计算机视觉与医学图像处理，具体为基于图像ai实时分析的智能自适应喉镜外套管刮擦系统。

背景技术：

1、在临床气管插管与急救气道管理过程中，维持清晰的内窥镜视野是保障手术安全和操作连贯性的基础。然而，由于患者生理特征与病理状况的复杂性，喉镜视窗在置入气道时易受到各类分泌物的严重污染。常见的污染源包括患者呼出的水雾、稀薄的唾液、高粘稠度的血液以及突发的胃反流呕吐物。这类污染会迅速遮蔽光学镜头，导致医生丧失可视引导。快速且有效地清除视窗表面附着物，不仅关乎插管操作的成功率，更直接影响患者的生命安全。

2、为解决视窗污染问题，现有的医疗器械通常在喉镜外部加装具备物理刮擦功能的套管系统。为适应人体狭窄的气道空间，这类套管的设计必须极力压缩厚度。目前较为先进的方案多采用非接触式的磁性耦合驱动结构。该结构在喉镜外套管外侧设置电磁驱动端或永磁体滑块，在套管内侧视窗处配置微型柔性刮片。操作时，系统利用内外磁场的耦合吸力，由外部滑块带动内部柔性刮片沿视窗表面进行线性推扫，从而实现对附着物的机械清除。

3、然而现有的磁驱动清洁系统，高粘滞血液或反流物瞬间全覆盖视窗时，图像会呈现单一色块，导致空间高频特征急剧下降。传统视觉控制系统高度依赖图像的几何边缘与纹理特征，这种静态特征的丢失会直接造成常规识别逻辑瘫痪，系统难以判断污染物的流变属性与分布情况；受极薄套管内部空间的严格约束，柔性刮片上难以集成微型力学或扭矩传感器。在缺乏前端物理阻力传感反馈的条件下，系统仅能下发盲目的恒定速率推进指令。当刮片遭遇高阻力附着物挤压堆积时，外部推进力很容易超过内外磁极的耦合极限，进而引发磁驱动解耦，导致柔性刮片卡滞失效。因此，本发明提供了基于图像ai实时分析的智能自适应喉镜外套管刮擦系统，以解决现有技术中存在的不足之处。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于图像ai实时分析的智能自适应喉镜外套管刮擦系统，解决了现有磁力驱动喉镜清洁系统在面临高粘滞附着物全视野遮挡时，图像静态纹理特征丢失导致常规视觉分析逻辑失效；同时，受限于套管极薄的物理结构约束，系统难以集成实体力学传感器以获取前端物理阻力，导致系统在恒定推扫模式下易因阻力超限而发生内外磁极脱离同步的磁驱动解耦失效，进而在临床操作中引发清洁系统卡滞瘫痪的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明提供基于图像ai实时分析的智能自适应喉镜外套管刮擦系统，包括：

3、图像采集终端，用于采集气道视场内连续视频帧序列数据；

4、磁驱动执行机构，包含外部磁耦合控制端与内侧附带色彩参考标识的柔性刮片；

5、边缘计算处理器，与所述图像采集终端及磁驱动执行机构建立通信连接并配置有：

6、图像监控模块，用于在提取到全局纹理特征达到丢失阈值条件时输出触发信号，驱使磁驱动执行机构产生瞬态扰动激励；

7、矢量计算模块，用于受瞬态扰动激励驱动提取视频帧数据以计算二维运动矢量场并求解散度矩阵，划分发散与汇聚状态区域生成二维阻力空间映射地图，基于该地图对预设运动轨迹上的阻力分布状态执行电机参数的前馈调配；

8、形态分析模块，用于依刮片运动方向构建动态感兴趣区域，提取目标连通域掩膜面积以积分计算连通域面积瞬时变化率；

9、曲率反演模块，用于基于色彩参考标识提取离散点集执行多项式拟合，反演计算量化弹性形变的图像平均绝对曲率数值；

10、融合控制模块，用于引入带量纲转换因子的特征权重系数，对连通域面积瞬时变化率与图像平均绝对曲率数值的变量差值执行特征加权求和计算，构建无量纲的磁驱动解耦风险指数，并在该指数超越解耦临界阈值时阻断线性驱动指令，输出交变振荡控制指令控制柔性刮片原位交变振荡以解构高阻力附着物。

11、进一步的，所述图像监控模块的内部运行由采集的视频帧数据驱动，具体配置为：利用梯度函数评估图像矩阵获取水平与垂直方向梯度值以生成空间高频特征分量，并将彩色图像矩阵转换为单通道灰度图像矩阵计算全局色彩通道方差；依据预先配置的空间频率阈值与方差下限阈值对上述两项图像特征参数执行数值对比构建联合判别条件，在联合判别条件于设定帧数时间窗口内持续成立时确认全局纹理特征达到丢失阈值条件；通过确认的丢失阈值条件触发生成通信信号，指示后续电机驱动电路输出包含预设占空比参数的瞬态脉冲信号，以强制柔性刮片原位产生瞬态扰动激励。

12、进一步的，所述矢量计算模块执行二维阻力空间映射地图构建与前馈调配的具体过程为：提取瞬态扰动激励期间的连续图像序列输入稠密光流算法，计算各像素点沿水平轴与垂直轴方向的瞬时流速分量，建立全域像素的二维运动矢量场；对瞬时流速分量应用一阶差分计算偏导数以求取散度矩阵，将该散度矩阵数据分别与设定的正向散度阈值及负向散度阈值比对，将画面像素域划分为发散、汇聚与常规三类状态标识区域；结合像素坐标与上述分类状态标识区域构建二维阻力空间映射地图，并在预测预设运动轨迹延伸至汇聚状态标识区域时，生成参数调配指令预先降低外部磁耦合控制端的推进速率或提高输出扭矩。

13、进一步的，所述形态分析模块由磁驱动执行机构的推扫行程状态激活，具体配置为：提取柔性刮片在图像帧内的纵向像素坐标中心，结合理论指令下发的实时驱动速度与预设的速度比例系数，通过乘加运算动态生成垂直观察窗口步长；将纵向像素坐标中心与所述垂直观察窗口步长相减划定纵向边界，并结合刮片物理宽度标定横向边界，据此构建紧随刮片前沿运动方向的动态感兴趣区域。

14、进一步的，所述形态分析模块在动态感兴趣区域构建完毕后生成特征参数的具体步骤为：将处于动态感兴趣区域内的彩色图像子矩阵转换为单通道灰度矩阵，应用最大类间方差法动态求解判定阈值以执行二值化操作，进而提取目标连通域掩膜；对该目标连通域掩膜中的非零像素点进行求和积分换算为几何面积数据，并结合相邻视频帧的采样时间间隔执行一阶前向差分算法生成连通域面积瞬时变化率；将连通域面积瞬时变化率输入平滑滤波处理机制，仅当数值跨越设定的滤波死区界限时将其判定为有效形态特征参数并传递至融合控制模块。

15、进一步的，所述曲率反演模块利用动态感兴趣区域的原始图像阵列数据开展分析，具体配置为：将获取的原始图像阵列数据由三原色色彩空间数学映射至分离色相、饱和度与明度的目标色彩空间，以解耦局部光照不均引起的亮度衰减干扰；依据色彩参考标识材质预置的色相下限阈值与色相上限阈值构建色相滤波闭区间，提取色相分量处于所述色相滤波闭区间内的像素点构建离散特征点集；所述离散特征点集表征附着物部分遮盖后残留的参考标识像素坐标，该点集作为结构输入数据导入后续的数值拟合分析单元。

16、进一步的，所述曲率反演模块基于离散特征点集构建形变量化数据的具体步骤为：针对离散特征点集输入坐标构建目标损失函数，利用最小二乘法优化求解系数使残差平方和达到最小，由此生成匹配二次多项式模型的连续拟合曲线方程；依据微分几何学原理对该连续拟合曲线方程分别进行一阶求导与二阶求导计算，并代入曲率公式反演出整个参考标识长度范围内的图像平均绝对曲率；计算得出的图像平均绝对曲率量化表征柔性刮片在法向受力下的实时几何弹性形变量，并作为基础运算因子导入融合控制模块。

17、进一步的，所述融合控制模块通过接收的形态与形变数据交互构建风险状态指标，具体配置为：提取空载阶段静态标定获取的基准本底曲率，计算前述图像平均绝对曲率与基准本底曲率的差值，并联合获取的连通域面积瞬时变化率构成数据融合基元；调取基于多元线性回归分析固化在存储介质中的归一化特征权重系数，该归一化特征权重系数内含用于消除参数差异的量纲转换因子；应用所述归一化特征权重系数对上述两个数据融合基元执行特征加权求和计算，生成的求和标量数值即构造为无量纲的磁驱动解耦风险指数。

18、进一步的，所述融合控制模块利用磁驱动解耦风险指数执行闭环控制比较逻辑，具体配置为：提取与最大磁性耦合力界限相绑定的解耦临界阈值，将实时计算的磁驱动解耦风险指数与所述解耦临界阈值进行数值比较运算；当磁驱动解耦风险指数未达到解耦临界阈值时维持闭环安全状态，通过内部总线持续输出线性驱动指令以指示电机采用预设基准运行速率进行清洁推扫；当磁驱动解耦风险指数超越解耦临界阈值时触发自适应保护控制机制，阻断线性驱动指令，同步重构下发附带预设振荡频率参数的交变振荡控制指令。

19、进一步的，所述融合控制模块执行交变振荡控制指令的具体方式为：所述交变振荡控制指令驱使电机驱动电路按照预设振荡频率周期性改变电磁场极性，控制柔性刮片在原位置执行交变往复振荡，通过输出机械剪切应力降低具有剪切变稀特性的高阻力附着物的表观粘度参数，以解构所述高阻力附着物；所述融合控制模块在振荡驱动期间引入预设滞回量对磁驱动解耦风险指数进行监测，将解耦临界阈值与所述预设滞回量之差确定为恢复阈值，并在磁驱动解耦风险指数低于所述恢复阈值时，退出振荡驱动模式并恢复线性驱动控制闭环。

20、本发明提供了基于图像ai实时分析的智能自适应喉镜外套管刮擦系统。具备以下有益效果：

21、1、本发明通过提取目标连通域掩膜的面积瞬时变化率以及基于多项式拟合反演的图像平均绝对曲率数值，构建了无量纲的磁驱动解耦风险指数，该设计突破了极薄喉镜套管内部难以集成实体力学传感器的物理结构限制，利用图像空间形态演化与一阶几何形变特征，在内外磁极发生实际滑脱前实现了对物理耦合极限风险的量化评估，有效防止了盲目执行推扫指令导致的机械卡滞与清洁系统失效。

22、2、本发明通过物理机械行程打破附着物的层流稳态结构，将流变特性转化为动态像素位移数据，并结合稠密光流算法与散度矩阵计算生成二维阻力空间映射地图，从而在缺乏基础几何边缘特征的极端污染工况下，实现了对预设运动轨迹上阻力分布的超前探测与电机参数的前馈调配。

23、3、本发明建立了基于风险指数比对的闭环自适应保护机制，在风险指数超越解耦临界阈值时阻断线性驱动指令，转而输出交变振荡控制指令控制柔性刮片原位交变振荡，利用具有剪切变稀特性的高粘滞附着物在机械剪切作用下表观粘度降低的流变特性，通过周期性机械剪切应力解构高阻力附着物状态，并配合设定的滞回控制退出振荡驱动模式，化解物理脱轨风险并避免控制电路在临界状态下的频繁跳变，保障设备运行的稳定性。