技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，尤其涉及一种基于互联网的彩超骨科穿刺双引导控制系统。
背景技术
目前，在人体骨科手术中，发现关节骨质增生病灶，需要进行微创手术治疗，需要将器械穿入人体内，在关节镜的视野下进行手术。现有技术中大多是将人体切开的进行开放形手术，其缺陷是患者伤口大、手术麻烦、满足不了理想的手术效果。现在有条件的医院一般采用图像或者物理的单一方法进行引导穿刺，即超声引导或关节镜引导。超声引导的优点是直观，缺点是精度在2mm左右还不够高、无法解决人体组织和骨骼变形及叠加带来的误差、操作复杂、成本很高。
随着互联网技术的普及和发展，互联网已经深入到我们生活的方方面面。互联网+也非常适用于医疗设备领域的发展。医疗设备的发展离不开互联网，互联网的发展同样离不开医疗设备，他们之间的关系就像高速公路和车的关系一样。
综上所述，现有的彩超骨科穿刺双引导控制系统，没有采用互联网技术，不能提高医护人员的技术能力，操作复杂，不方便使用，操作误差大，医疗风险高，智能化程度低。
发明内容
本发明为解决现有的彩超骨科穿刺双引导控制系统，没有采用互联网技术，不能提高医护人员的技术能力，操作复杂，不方便使用，操作误差大，医疗风险高，智能化程度低的技术问题而提供一种基于互联网的彩超骨科穿刺双引导控制系统。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种基于互联网的彩超骨科穿刺双引导控制系统，包括：
超声模块，与MCU控制器连接；用于接收产生的超声波信号并将该超声波信号处理后传输到MCU控制器中，并对MCU控制器发出的指令信号发送给骨科穿刺装置；
骨科穿刺装置，与MCU控制器连接；用于执行MCU控制器发出的指令，同时接收超声模块发送的信号，进行骨科穿刺手术；
RAM存储器，与MCU控制器互逆连接；用于储存MCU控制器发送的指令信息；
MRAM存储器，与MCU控制器互逆连接；用于储存MCU控制器发送的指令信息；
数据库，与MCU控制器互逆连接；用于储存MCU控制器发送的指令信息；
数据分析处理单元，与MCU控制器互逆连接；用于采集骨科穿刺手术中的信息并进行处理，同时对MCU控制器发送的指令信息进行比对；
无线射频收发模块，与MCU控制器互逆连接；用于接收MCU控制器发送的指令信息并利用互联网和控制中心进行信息交流；
电源模块，与MCU控制器连接；用于为MCU控制器提供电源；
MCU控制器，用于提取RAM存储器、MRAM存储器和数据库储存的检测参数进行比对和查询后发出指令信息，还用于对超声模块传输的超声波信号进行控制。
进一步，所述基于互联网的彩超骨科穿刺双引导控制系统还包括控制箱、声光报警模块；所述控制箱的前侧面上从上到下依次设置有指示灯、液晶显示屏和操作键盘；所述操作键盘由按键和电容感应检测模块构成；
所述控制箱的左侧固定安装有扬声器；所述控制箱的右侧固定安装有警示灯；所述控制箱的顶部开设有凹槽；所述凹槽中安装有骨科穿刺装置；所述骨科穿刺装置由穿刺针、穿刺套、穿刺底座和固定圈构成；
所述声光报警模块由扬声器和警示灯构成；所述MCU控制器的输入端分别与电容感应检测模块和电源模块的输出端电性连接；
所述电源模块包括电池、电源切换模块和电流转换模块；所述超声模块由超声发射模块和超声接收模块构成；
所述MCU控制器的输出端分别与指示灯、液晶显示屏、骨科穿刺装置、超声发射模块、声光报警模块和外存储器的输入端电性连接；所述MCU控制器的输入端通过信号处理器与超声接收模块的输出端电性连接；
所述无线射频收发模块的输出端通过互联网与云端存储器的输入端连接；所述无线射频收发模块还通过互联网与控制中心连接；
所述液晶显示屏的右侧设置有USB接口；所述控制箱底部的四个角部均安装有支腿；所述穿刺针右端的外螺纹与穿刺底座左侧的内螺纹紧密连接；所述穿刺针外套设有穿刺套；所述穿刺套右端的外螺纹与固定圈左端的内螺纹紧密连接；所述穿刺底座左端的外螺纹与固定圈右端的内螺纹紧密连接。
进一步，所述数据分析处理单元包括：红外探测器、数据采集器、处理器、非负图像获取组件、分解器、稀疏化处理器、重建组件；所述红外探测器和数据采集器连接；所述数据采集器与处理器、图像获取组件、非负图像获取组件、分解器、稀疏化处理器和重建组件依次连接；
所述数据采集器，用于获取红外探测器扫描采集的投影数据；
所述处理器，用于对所述数据采集器采集的投影数据进行迭代处理，以获取目标图像；
所述非负图像获取组件，用于对所述目标图像进行非负处理，获取所述目标图像的非负图像；
所述分解器，用于对所述非负图像进行非线性分解，获取主成分图像和次成分图像；
所述稀疏化处理器，用于对所述第一非负图像和第二非负图像进行稀疏化处理，获取满足预定条件的最优化稀疏解；
所述重建组件，用于对所述最优化稀疏解获取红外探测器扫描的重建图像。
进一步，该数据分析处理单元的处理方法包括：
获取红外射线探测器扫描的投影数据；
根据所述投影数据进行迭代处理，以获取图像；
在获取的图像中定义一预览区域的一特定区域；
利用处理器提取至少一预览图像；
利用处理器判定红外射线探测器扫描的投影数据是否存在于该预览图像中；
当该红外射线探测器扫描的投影数据存在于该预览图像中，决定该红外射线探测器扫描的投影数据是否出现在该特定区域至少一预定百分比；以及当该红外射线探测器扫描的投影数据出现在该预定百分比并出现在该特定区域时，该处理器进行提取图像；并对提取出来的图像进行标识；获得目标图像；
对目标图像进行非负处理，获取所述目标图像的非负图像；
对所述非负图像进行非线性分解，获取第一非负图像和第二非负图像；
对所述第一非负图像和所述第二非负图像进行稀疏化处理，获取满足图像迭代模型的最优化稀疏解。
进一步，对获取红外射线探测器扫描的投影数据前需进行：
固定好所述红外射线探测器；
对所述第一非负图像和所述第二非负图像进行稀疏化处理，获取满足目标函数的最优化稀疏解后还需进行：
根据最优化稀疏解获取红外射线探测器扫描重建图像；
根据所述投影数据进行迭代处理以获取图像的步骤包括：
获得依据所述投影数据计算的图像迭代模型；所述迭代模型的公式表示为：
其中，X为所述图像，M为系统矩阵，G为所述投影数据，i表示迭代次数，Xi表示第i次迭代后得到的迭代结果；λ表示收敛系数，且λ∈(0,1)，MT表示对矩阵M的转置；
设置所述图像的初始值；并根据预先设置的迭代次数利用所述迭代模型对所述图像中的每个像素点进行迭代更新，获取所述图像，所述迭代模型中的像素点的当前灰度值与前次迭代的灰度值一致逼近。
进一步，所述对所述目标图像进行非负处理的步骤包括：将所述目标图像中灰度值小于0的像素点置零。
对所述第一非负图像和所述第二非负图像进行稀疏化处理的步骤包括：
从所述第一非负图像和所述第二非负图像中提取可以部分重叠的多个图像块；获取所述多个图像块对应的稀疏系数；对所述第一非负图像和所述第二非负图像进行最优化求解，得到满足图像迭代模型的最优化稀疏解。
进一步，MCU控制器的超声波控制方法采用PID控制算法进行控制，所述PID控制算法包括：
第一步，PID控制算法由比例、积分、微分三个环节组成，数学描述为：
u(k)＝Kpx(1)+Kdx(2)+Kix(3)
式中，Kp为比例系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数；u(k)为通过PID计算后得到的超声波增加或减少值，x(1)为比例的校正值；x(2)为微分的校正值；x(3)为积分的校正值；
第二步，通过超声接收模块输入量的测量值与超声接收模块的期望值的误差及采样时间求出第一步中的x(1)、x(2)、x(3)，计算公式为：
x(1)＝error(k)；
x(2)＝[error(k)-error_1]/ts；
x(3)＝x(3)+error(k)*ts；
式中，error(k)为在k时刻通过测量值与期望值计算出的误差；ts为采样时间；
第三步，将上两个步骤进行编程后，输出的值u(k)即为超声波修正值，并记录下来。
本发明具有的优点和积极效果是：该基于互联网的彩超骨科穿刺双引导控制系统，采用互联网技术，提高了医护人员的技术能力，方便使用，操作误差小、操作简单易行、医疗风险低，具有很高的实用性和推广性。
本发明通过PID控制无需再通过操作人员进行手动改变就可以达到稳定比例；精度高，减少超声波误差可能造成的医疗事故。
本发明通过视频图像采集器、处理器等组成的数据分析处理单元得到清晰的图像；本发明通过对目标图像进行非负处理，获取目标图像的非负图像，然后对非负图像进行非线性分解，获取第一非负图像和第二非负图像，最后对第一非负图像和第二非负图像进行稀疏化处理，获取最优化稀疏解，根据该最优化稀疏解实现图像重建，降低了运算过程中的图像矩阵的维数，提高了图像重建的效率，进一步保证了手术的需要。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于互联网的彩超骨科穿刺双引导控制系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的控制箱的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的控制箱的俯视图。
图4为本发明实施例提供的超声模块连接示意图。
图5为本发明实施例提供的数据分析处理单元示意图。
图中：1、控制箱；2、指示灯；3、液晶显示屏；4、操作键盘；5、按键；6、电容感应检测模块；7、USB接口；8、支腿；9、扬声器；10、警示灯；11、凹槽；12、骨科穿刺装置；13、穿刺针；14、穿刺套；15、穿刺底座；16、固定圈；17、电源模块；18、电池；19、电源切换模块；20、电流转换模块；21、超声模块；22、超声发射模块；23、超声接收模块；24、声光报警模块；25、MCU控制器；26、外存储器；27、信号处理器；28、RAM存储器；29、MRAM存储器；30、数据库；31、数据分析处理单元；31-1、红外探测器；31-2、数据采集器；31-3、处理器；31-4、非负图像获取组件；31-5、分解器；31-6、稀疏化处理器；31-7、重建组件；32、无线射频收发模块；33、互联网；34、云端存储器；35、控制中心。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。
如图1至图5所示，本发明实施例提供的基于互联网的彩超骨科穿刺双引导控制系统，包括：
超声模块21，与MCU控制器连接；用于接收产生的超声波信号并将该超声波信号处理后传输到MCU控制器中，并对MCU控制器发出的指令信号发送给骨科穿刺装置；
骨科穿刺装置12，与MCU控制器连接；用于执行MCU控制器发出的指令，同时接收超声模块发送的信号，进行骨科穿刺手术；
RAM存储器28，与MCU控制器互逆连接；用于储存MCU控制器发送的指令信息；
MRAM存储器29，与MCU控制器互逆连接；用于储存MCU控制器发送的指令信息；
数据库30，与MCU控制器互逆连接；用于储存MCU控制器发送的指令信息；
数据分析处理单元31，与MCU控制器互逆连接；用于采集骨科穿刺手术中的信息并进行处理，同时对MCU控制器发送的指令信息进行比对；
无线射频收发模块32，与MCU控制器互逆连接；用于接收MCU控制器发送的指令信息并利用互联网33和控制中心35进行信息交流；
电源模块17，与MCU控制器连接；用于为MCU控制器提供电源；
MCU控制器25，用于提取RAM存储器、MRAM存储器和数据库储存的检测参数进行比对和查询后发出指令信息，还用于对超声模块传输的超声波信号进行控制。
该基于互联网的彩超骨科穿刺双引导控制系统还设置有控制箱1、声光报警模块24；所述控制箱的前侧面上从上到下依次设置有指示灯2、液晶显示屏3和操作键盘4；所述操作键盘由按键5和电容感应检测模块6构成；所述控制箱的左侧固定安装有扬声器9；所述控制箱的右侧固定安装有警示灯10；所述控制箱的顶部开设有凹槽11；所述凹槽中安装有骨科穿刺装置12；
所述骨科穿刺装置由穿刺针13、穿刺套14、穿刺底座15和固定圈16构成；所述电源模块包括电池18、电源切换模块19和电流转换模块20；所述超声模块21由超声发射模块22和超声接收模块23构成；所述声光报警模块24由扬声器9和警示灯10构成；所述MCU控制器25的输入端分别与电容感应检测模块6和电源模块17的输出端电性连接；
所述MCU控制器25的输出端分别与指示灯10、液晶显示屏3、骨科穿刺装置12、超声发射模块22、声光报警模块24和外存储器26的输入端电性连接；所述MCU控制器的输入端通过信号处理器与超声接收模块的输出端电性连接；所述MCU控制器分别与RAM存储器28、MRAM存储器29、数据库30、数据分析处理单元31和无线射频收发模块32电性连接；
所述无线射频收发模块的输出端通过互联网33与云端存储器34的输入端连接；所述无线射频收发模块通过互联网与控制中心35连接。
进一步，所述液晶显示屏的右侧设置有USB接口7。
所述控制箱底部的四个角部均安装有支腿8。
所述穿刺针右端的外螺纹与穿刺底座左侧的内螺纹紧密连接。
所述穿刺针13外套设有穿刺套14。
所述穿刺套右端的外螺纹与固定圈左端的内螺纹紧密连接。
所述穿刺底座左端的外螺纹与固定圈右端的内螺纹紧密连接。
进一步，所述数据分析处理单元包括：红外探测器31-1、数据采集器31-2、处理器31-3、非负图像获取组件31-4、分解器31-5、稀疏化处理器31-6、重建组件31-7；所述红外探测器和数据采集器连接；所述数据采集器与处理器、图像获取组件、非负图像获取组件、分解器、稀疏化处理器和重建组件依次连接；
所述数据采集器，用于获取红外探测器扫描采集的投影数据；
所述处理器，用于对所述数据采集器采集的投影数据进行迭代处理，以获取目标图像；
所述非负图像获取组件，用于对所述目标图像进行非负处理，获取所述目标图像的非负图像；
所述分解器，用于对所述非负图像进行非线性分解，获取主成分图像和次成分图像；
所述稀疏化处理器，用于对所述第一非负图像和第二非负图像进行稀疏化处理，获取满足预定条件的最优化稀疏解；
所述重建组件，用于对所述最优化稀疏解获取红外探测器扫描的重建图像。
进一步，该数据分析处理单元的处理方法包括：
获取红外射线探测器扫描的投影数据；
根据所述投影数据进行迭代处理，以获取图像；
在获取的图像中定义一预览区域的一特定区域；
利用处理器提取至少一预览图像；
利用处理器判定红外射线探测器扫描的投影数据是否存在于该预览图像中；
当该红外射线探测器扫描的投影数据存在于该预览图像中，决定该红外射线探测器扫描的投影数据是否出现在该特定区域至少一预定百分比；以及当该红外射线探测器扫描的投影数据出现在该预定百分比并出现在该特定区域时，该处理器进行提取图像；并对提取出来的图像进行标识；获得目标图像；
对目标图像进行非负处理，获取所述目标图像的非负图像；
对所述非负图像进行非线性分解，获取第一非负图像和第二非负图像；
对所述第一非负图像和所述第二非负图像进行稀疏化处理，获取满足图像迭代模型的最优化稀疏解。
进一步，对获取红外射线探测器扫描的投影数据前需进行：
固定好所述红外射线探测器；
对所述第一非负图像和所述第二非负图像进行稀疏化处理，获取满足目标函数的最优化稀疏解后还需进行：
根据最优化稀疏解获取红外射线探测器扫描重建图像；
根据所述投影数据进行迭代处理以获取图像的步骤包括：
获得依据所述投影数据计算的图像迭代模型；所述迭代模型的公式表示为：
其中，X为所述图像，M为系统矩阵，G为所述投影数据，i表示迭代次数，Xi表示第i次迭代后得到的迭代结果；λ表示收敛系数，且λ∈(0,1)，MT表示对矩阵M的转置；
设置所述图像的初始值；并根据预先设置的迭代次数利用所述迭代模型对所述图像中的每个像素点进行迭代更新，获取所述图像，所述迭代模型中的像素点的当前灰度值与前次迭代的灰度值一致逼近。
进一步，所述对所述目标图像进行非负处理的步骤包括：将所述目标图像中灰度值小于0的像素点置零。
对所述第一非负图像和所述第二非负图像进行稀疏化处理的步骤包括：
从所述第一非负图像和所述第二非负图像中提取可以部分重叠的多个图像块；获取所述多个图像块对应的稀疏系数；对所述第一非负图像和所述第二非负图像进行最优化求解，得到满足图像迭代模型的最优化稀疏解。
进一步，MCU控制器的超声波控制方法采用PID控制算法进行控制，所述PID控制算法包括：
第一步，PID控制算法由比例、积分、微分三个环节组成，数学描述为：
u(k)＝Kpx(1)+Kdx(2)+Kix(3)
式中，Kp为比例系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数；u(k)为通过PID计算后得到的超声波增加或减少值，x(1)为比例的校正值；x(2)为微分的校正值；x(3)为积分的校正值；
第二步，通过超声接收模块输入量的测量值与超声接收模块的期望值的误差及采样时间求出第一步中的x(1)、x(2)、x(3)，计算公式为：
x(1)＝error(k)；
x(2)＝[error(k)-error_1]/ts；
x(3)＝x(3)+error(k)*ts；
式中，error(k)为在k时刻通过测量值与期望值计算出的误差；ts为采样时间；
第三步，将上两个步骤进行编程后，输出的值u(k)即为超声波修正值，并记录下来。
下面结合工作原理对本发明的应用原理作进一步描述。
本发明提供的基于互联网的彩超骨科穿刺双引导控制系统，通过超声模块中的超声发射模块和超声接收模块协同作用，采集信息通过数据分析处理模块处理后通过互联网实现共享，利用RAM存储器、MRAM存储器和数据库对检测参数进行比对、采样、存储和查询，并利用无线射频收发模块和互联网实现和控制中心之间的交流。本发明通过PID控制无需再通过操作人员进行手动改变就可以达到稳定比例；精度高，减少超声波误差可能造成的医疗事故。
本发明通过视频图像采集器、处理器等组成的数据分析处理单元得到清晰的图像；本发明通过对目标图像进行非负处理，获取目标图像的非负图像，然后对非负图像进行非线性分解，获取第一非负图像和第二非负图像，最后对第一非负图像和第二非负图像进行稀疏化处理，获取最优化稀疏解，根据该最优化稀疏解实现图像重建，降低了运算过程中的图像矩阵的维数，提高了图像重建的效率，进一步保证了手术的需要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。