一种头皮作用区域剂量映射及防重复控制方法与流程

本发明涉及头皮表面定位、脉冲微滴喷射控制、液体质量剂量映射和设备输出互锁，尤其涉及一种把空间定位不确定度、液体质量剂量账本、输出前空间预留、物理输出证据及异常恢复形成闭合控制链的方法和系统。

背景技术：

1、头皮脉冲微滴喷射设备需要在头皮表面的多个离散位置依次输出液体。已知设备可以利用相机、惯性传感器或参考标志确定喷口位置，并可按照先前输出位置或已递送体积决定下一位置的输出量；由此，单纯建立皮肤位置地图、记录已作用位置或者按照历史剂量启停喷口，均属于已有技术思路。

2、例如，us11524114b2公开了依据无针输出装置的位置和先前递送量确定不同位置的递送量；us11151781b2公开了利用多个参考信号和头皮图像构建头皮空间模型；us20180028755a1公开了将实际输出或装置状态信息关联到递送事件；us6758845b1公开了记录已成功作用位置以控制后续输出。上述文献分别涉及位置、剂量、证据或已作用区记录，但未解决电子记录与一次微滴脉冲的实际输出状态不一致时如何避免重复输出。

3、如果控制器仅在发出驱动指令后把候选位置记为已完成，则阀门未开、液路堵塞或作用头离开时会形成漏记；如果控制器在证据缺失时把候选位置恢复为未完成，则已经输出但证据不完整的事件可能被再次执行。多个候选线程同时读取同一剂量地图，或者通信重试重复提交同一事件，也会使记录剂量低于实际输出剂量。

4、此外，微滴作用足迹具有面积和方向，头皮配准、喷口位姿、喷口标定以及头皮运动均存在误差。仅比较喷口中心位置，不能判断候选微滴足迹的边缘是否与历史足迹重叠并使局部液体质量超过上限；仅使用“置信度合格”或“保守包络”等结果性条件，也不能给出可复现的阻断边界。

5、因此，需要一种控制器执行的技术方案：用明确的协方差关系外扩候选足迹，以同一液体质量单位分别记录正式占用、证据不确定隔离占用和未完成预留占用，在输出前原子预留，并依据质量流量、阀门、工作距离和位姿证据选择幂等提交、回滚或保守隔离。

技术实现思路

1、一、要解决的技术问题

2、本发明要解决的技术问题是：在存在定位误差、并发候选、输出失败、证据缺失和断电重放的情况下，使头皮空间单元中的电子剂量账本不低估微滴脉冲可能造成的液体质量占用，并在候选事件可能使任一空间单元超过硬上限时阻断物理输出。

3、二、技术方案

4、为解决上述技术问题，本发明提供控制系统100。如图1所示，系统100包括头皮坐标图谱模块110、定位配准模块120、有效事件接口130、作用足迹模型140、多层剂量账本150、候选作用预测模块160、防重复判定模块170、事务控制模块180和会话持久化模块190；系统还连接质量流量传感器、阀门状态传感器、工作距离传感器、喷口位姿传感器、微滴脉冲作用机构和微滴输出使能门。

5、头皮坐标图谱模块110建立与session_id绑定的三维三角网格s和空间单元集合g。定位配准模块120输出喷口坐标系n至图谱坐标系s的变换t_sn、配准均方根误差e_reg和配准协方差σ_reg。候选作用预测模块160由候选位姿、喷口标定模型m和候选液体质量q_p生成名义预测足迹f_p，并令σ_p=σ_reg+σ_pose+σ_cal+σ_motion、r_p=s·√λ_max(σ_p)+m和f_pc=f_p⊕b(r_p)，得到保守预测足迹f_pc及其跨空间单元权重w_p,j。

6、剂量账本150仅以液体质量作为本申请的控制剂量字段，并分别维护正式占用d_j、证据不确定隔离占用q_j和未完成预留占用p_j。对候选事件p和空间单元g_j，预计累计质量为d_j^+=d_j+q_j+p_j+w_p,j·q_p。该式中的“+”为普通数学加法，d_j^+是新的预计量，不对d_j执行复合赋值。

7、防重复判定模块170按照q_allow=min_{j:w_p,j＞0}[(u_j-d_j-q_j-p_j)/w_p,j]确定不使任一相交空间单元超过液体质量硬上限u_j的候选质量。当q_p≤q_allow时通过；当q_min≤q_allow＜q_p时，将q_p向下量化到设备可控质量步长并重新计算；当q_allow＜q_min、配准误差或协方差越限、f_pc进入禁用区或发生预留冲突时阻断。

8、事务控制模块180仅在通过状态下以event_id和map_version原子预留f_pc相交空间单元，随后复核版本和位姿漂移再开放微滴输出使能门。执行后，有效事件接口130根据质量流量、阀门状态、工作距离和位姿证据形成valid、invalid或uncertain状态；valid事件更新d_j，invalid事件释放p_j而不增加d_j，uncertain事件按保守实际足迹f_c和实际质量上界q_i^u更新q_j。相同event_id在事务日志中只产生一次占用更新。

9、三、有益效果

10、预测外扩半径由协方差最大特征值、置信倍率和模型残差上界计算，使配准误差和喷口标定误差对候选足迹的影响能够通过矩阵、标定记录和尺寸量具复核。

11、d_j、q_j、p_j和候选增量均以液体质量为单位，预计累计式不存在不同物理量换算或相互抵消，候选是否超过u_j可直接由同一单位的加法和交叠权重验证。

12、q_allow把逐空间单元硬上限转化为本次候选能够输出的最大液体质量；当最大允许量低于设备最小稳定输出质量q_min时，微滴输出使能门保持非激活。

13、event_id、map_version和f_pc在物理输出前写入同一原子预留事务，可避免两个并发候选同时依据旧剂量账本获得许可。

14、质量流量、阀门状态、工作距离和位姿证据共同限定事件状态，避免仅凭驱动指令或单一接触信号把未实际耦合的微滴脉冲写入正式占用。

15、证据不确定事件不被清零，而按f_c和q_i^u写入隔离占用q_j；后续候选在d_j+q_j+p_j基础上计算，可避免已经发生但证据不完整的输出被重复执行。

16、追加式事件记录和event_id唯一键使网络重试、断电恢复和事务重放保持幂等；上述效果可通过并发预留试验、重复提交试验、传感器缺失试验和分状态断电试验验证，而不以未经验证的生理或治疗效果作为依据。

1.一种用于控制头皮脉冲微滴喷射设备的头皮作用区域剂量映射及防重复控制方法，其特征在于，由所述头皮脉冲微滴喷射设备的处理器执行，包括：由定位传感器采集头皮表面和至少三个非共线参考标志，建立与会话标识绑定且划分为多个空间单元的头皮表面坐标图谱，求取喷口坐标系至所述头皮表面坐标图谱的坐标变换，并输出配准均方根误差e_reg和配准协方差矩阵σ_reg；在产生下一微滴脉冲的驱动信号之前，根据候选喷口位姿、喷口标定模型及候选液体质量q_p生成名义预测足迹f_p，将σ_reg、候选位姿协方差σ_pose、喷口标定协方差σ_cal和候选执行时间窗内的头皮运动协方差σ_motion相加得到预测协方差σ_p，按照r_p=s·√λ_max(σ_p)+m确定预测外扩半径，并按照f_pc=f_p⊕b(r_p)生成保守预测足迹，其中s为与标定版本绑定的置信倍率，λ_max为矩阵最大特征值，m为喷口标定模型的残差上界，b(r_p)为半径r_p的圆盘；计算f_pc与第j个相交空间单元g_j的交叠权重w_p,j，且各相交空间单元的w_p,j之和为1；在以液体质量为统一单位的剂量账本中，读取第j个空间单元由已提交有效事件形成的正式占用d_j、由证据不确定事件形成的隔离占用q_j以及由已预留但未完成事件形成的预留占用p_j，按照d_j^+=d_j+q_j+p_j+w_p,j·q_p计算候选事件执行后的预计累计质量，并按照q_allow=min_{j:w_p,j＞0}[(u_j-d_j-q_j-p_j)/w_p,j]计算可允许候选质量，其中u_j为第j个空间单元的液体质量硬上限；当e_reg≤e_max、λ_max(σ_reg)≤σ_reg,max^2、f_pc不进入禁用区、f_pc不与其他未完成预留冲突且q_p≤q_allow时输出通过状态；当上述空间和配准条件满足且q_min≤q_allow＜q_p时，把候选液体质量降低为不大于q_allow的可控质量q'_p并重新计算f_p、f_pc、w_p,j和d_j^+；当q_allow＜q_min、e_reg＞e_max、λ_max(σ_reg)＞σ_reg,max^2、f_pc进入禁用区或发生预留冲突时输出阻断状态并使微滴输出使能端保持非激活，其中q_min为所述头皮脉冲微滴喷射设备经标定能够稳定输出的最小液体质量；在输出通过状态后，以会话内唯一事件标识event_id、当前地图版本map_version、f_pc、w_p,j和最终候选液体质量原子创建空间预留，并仅在空间预留有效、当前地图版本仍为map_version且当前喷口位姿相对预留位姿的漂移不大于δ_pose,max时激活所述微滴输出使能端；执行微滴脉冲期间采集质量流量信号、阀门状态信号、喷口至头皮的工作距离信号和喷口位姿信号，按q_i=∫_(t_0)^(t_1)m_dot(t)dt得到实际输出液体质量q_i；当阀门状态指示开启、q_i≥q_det、质量流量信号无缺失且工作距离d(t)始终处于[d_min,d_max]并且位姿漂移不大于δ_pose,max时，把事件分类为有效状态；当阀门状态在所述微滴脉冲期间始终指示关闭且q_i+ε_q＜q_det时，把事件分类为无效状态；除所述有效状态和无效状态之外的其余事件均分类为证据不确定状态，所述证据不确定状态至少包括质量流量信号饱和、阀门状态与质量流量信号不一致、工作距离样本缺失以及质量流量信号与位姿信号的时间差大于τ_max的情形，其中ε_q为质量测量误差上界，q_det为可检测输出质量下限；根据执行期间的实际喷口位姿和喷口标定模型生成实际足迹f_a，并以执行期间协方差和模型残差按照与f_pc相同的外扩关系生成保守实际足迹f_c；在有效状态下，以event_id追加事件记录并按照d_j←d_j+w_i,j·q_i幂等更新f_a相交空间单元的正式占用；在无效状态下释放空间预留且不增加d_j；在证据不确定状态下释放执行锁，并按照q_j←q_j+w_c,j·q_i^u把f_c相交空间单元的隔离占用更新为液体质量上界，其中q_i^u=q_i+ε_q，质量流量信号饱和时q_i^u取当前驱动参数在标定表中的液体质量上限；相同event_id的重复提交不再次增加d_j或q_j。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述头皮表面坐标图谱为由深度相机采集的三维三角网格；所述至少三个非共线参考标志固定于相对于头皮不移动的定位框架，所述处理器通过参考标志初始配准和头皮曲面点到网格面的迭代配准求取所述坐标变换，e_reg为参与配准的头皮采样点至对应网格面的距离均方根。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷口标定模型为以工作距离d、喷口轴线与局部头皮法线的夹角α、驱动压力p和脉冲宽度t_p为索引的查找表，所述查找表输出椭圆形f_p的长轴、短轴、方向以及候选液体质量q_p，所述残差上界m取独立标定样本中足迹边界误差的95百分位。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，σ_pose由喷口位姿传感器的位姿解算协方差形成，σ_cal由喷口标定重复试验中足迹中心的协方差形成，σ_motion由候选执行时间窗内连续头皮表面帧的位移协方差形成；s和m写入与喷口标定模型绑定的calibration_version记录，在calibration_version变化后使尚未执行的空间预留失效。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于实际足迹f_a或保守实际足迹f_c与空间单元g_j的交叠，按照w_i,j=∫_(g_j)k_i(x)dx/∫_(f_i)k_i(x)dx计算交叠权重，其中k_i(x)为由喷口标定模型给出的液体质量面密度核，f_i为f_a或f_c，各相交空间单元的w_i,j之和为1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述头皮脉冲微滴喷射设备的可控质量步长为δq；在q_min≤q_allow＜q_p时，按照q'_p=floor(q_allow/δq)·δq确定降低后的候选液体质量，其中floor为向下取整函数，并仅在q'_p≥q_min且利用q'_p重新计算得到的每一d_j^+均不大于对应u_j时输出通过状态。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原子创建空间预留包括在同一数据库事务中比较当前map_version、检查f_pc相交空间单元不存在冲突预留、写入event_id及预留占用p_j并递增地图事务版本；任一比较失败时不写入p_j，并基于更新后的d_j、q_j和p_j重新执行权利要求1所述计算。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，质量流量信号的采样周期不大于脉冲宽度的十分之一；工作距离信号和喷口位姿信号均带有与event_id关联的时间戳；仅当质量流量、工作距离和喷口位姿信号在[t_0-τ_max,t_1+τ_max]内均具有完整样本时，才允许把事件分类为有效状态。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，证据不确定状态还包括质量流量信号指示q_i≥q_det而阀门状态信号缺失、工作距离d(t)至少一个样本超出[d_min,d_max]或者执行期间位姿漂移大于δ_pose,max的情形；所述事件在隔离占用q_j被写入后，阻止任何使d_j+q_j+p_j超过u_j的后续候选事件。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述事件记录为追加式记录，至少包括event_id、会话标识、map_version、坐标变换版本、calibration_version、f_a、f_c、q_i或q_i^u、事件状态、证据时间范围和证据哈希；以event_id作为唯一键执行提交事务，已存在相同event_id时返回原事务结果。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，中断恢复时读取未完成空间预留和与event_id绑定的传感器缓存：当缓存证明阀门始终关闭且q_i+ε_q＜q_det时执行无效状态回滚；当缓存满足有效状态的全部条件时按原event_id幂等提交；其余情形按证据不确定状态写入q_j；恢复前后共同参考标志的配准均方根误差大于e_recover,max时冻结原地图及其d_j、q_j和p_j并建立新会话。

12.一种头皮作用区域剂量映射及防重复控制系统，其特征在于，包括处理器、深度相机、喷口位姿传感器、质量流量传感器、阀门状态传感器、工作距离传感器、微滴脉冲作用机构、剂量账本存储器、事务日志存储器和微滴输出使能门；所述处理器被配置为：由所述深度相机和喷口位姿传感器建立具有空间单元、坐标变换、配准均方根误差e_reg和配准协方差矩阵σ_reg的会话级头皮表面坐标图谱；在微滴脉冲输出前根据喷口标定模型生成名义预测足迹f_p，将σ_reg与位姿、标定及头皮运动协方差相加，并按照r_p=s·√λ_max(σ_p)+m和f_pc=f_p⊕b(r_p)形成保守预测足迹f_pc；从所述剂量账本存储器读取以液体质量为单位的正式占用d_j、隔离占用q_j和预留占用p_j，按照d_j^+=d_j+q_j+p_j+w_p,j·q_p和q_allow=min_{j:w_p,j＞0}[(u_j-d_j-q_j-p_j)/w_p,j]执行候选微滴脉冲的通过、降低质量或阻断判定；通过后以event_id和map_version原子写入预留占用p_j，并在预留、地图版本和位姿漂移均通过复核时经所述微滴输出使能门驱动所述微滴脉冲作用机构；执行期间从所述质量流量传感器、阀门状态传感器、工作距离传感器和喷口位姿传感器取得与event_id绑定的证据，在阀门开启、实际输出液体质量不低于q_det、证据样本完整、工作距离处于允许区间且位姿漂移合格时形成有效状态，在阀门始终关闭且液体质量测量上界低于q_det时形成无效状态，其余情形形成证据不确定状态，并分别执行正式占用d_j的幂等更新、预留占用p_j的回滚或者隔离占用q_j的质量上界更新。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述深度相机的视场覆盖喷口作用位置及至少三个非共线参考标志；所述质量流量传感器设于微滴脉冲作用机构的液体出口上游，所述阀门状态传感器检测液体阀芯位置，所述工作距离传感器的测量轴与喷口轴线平行，所述喷口位姿传感器输出六自由度位姿及位姿解算协方差。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述事务日志存储器保存idle、reserved、executing、commit、rollback和quarantine状态；从reserved进入executing的转换条件同时包括预留未超时、map_version一致和位姿漂移不大于δ_pose,max，从executing进入commit、rollback或quarantine的转换条件分别对应有效状态、无效状态或证据不确定状态。

15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述微滴输出使能门具有处理器许可输入端和预留有效锁存输入端，两个输入端均为有效电平时才向微滴脉冲作用机构传递驱动脉冲；在阻断状态、预留失效、map_version变化或处理器复位时，至少一个输入端被拉至无效电平。