穿刺机构及穿刺方法与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种穿刺机构及穿刺方法。

背景技术：

在临床检验中采血、治疗中扎针都是最广泛、最基本的医疗操作项目，目前都是依赖于护士多年的经验和手感进行的。然后，人工穿刺经常出现扎不准的现象，尤其是肥胖患者、婴幼儿患者，对于护士的穿刺技术要求非常之高。

为了提高穿刺准确性，目前已有多篇专利文献提出了自动穿刺的技术。中国专利文献CN204218918U，专利名称为：一种无需人工穿刺的全自动智能化采血设备，系统由智能导航血管识别定位装置、全自动定位机械结构、穿刺针夹持装置、试管转运和储存装置、自动喷淋消毒装置等模块组成，以上几个模块在计算机的统一控制下自动联动实现全自动运行，可以实现自动穿刺功能。中国专利文献CN105056351A，专利名称为：一种自动扎针装置，包括架体、承放机构、获取机构、第一控制机构，通过计算机的控制实现自动穿刺功能。

然而，上述专利文献中仅揭示出利用机器结构取代人完成穿刺功能的概念，并未考虑如何设置机械结构和控制方式来实现精确穿刺的效果，而且也未考虑如何设置可以尽量减少给患者带来疼痛感，而解决这些问题均要求整个机械运动过程要快速、准确，并要求压、刺、挑、进针、退针一系列穿刺动作有特定的运动轨迹。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种穿刺机构及穿刺方法。

本发明实施例提供了一种穿刺机构10，包括：

基座11；

控制模块13；

直线轴机构15，设置于所述基座11上，用于根据所述控制模块13的第一指令控制针头沿X轴、Y轴及Z轴运动；

回转轴机构17，与所述直线轴机构15连接，用于根据控制模块13的第二指令调整所述针头的俯仰和水平角度；

推送轴机构19，与所述回传轴机构17连接，用于根据控制模块13的第三指令推送所述针头刺入血管。

在本发明的一个实施例中，所述直线轴机构15包括X轴运动副X1,X2、X轴动力源XD、Y轴运动副Y1,Y2、Y轴动力源YD、Z轴运动副Z1,Z2、Z轴动力源ZD，所述X轴动力源XD、所述Y轴动力源YD及所述Z轴动力源ZD根据所述控制模块13的所述第一指令分别控制所述X轴运动副X1,X2、所述Y轴运动副Y1,Y2及所述Z轴运动副Z1,Z2运动。

在本发明的一个实施例中，所述回转轴机构17包括水平回转运动副U1,U2、水平回转动力源UD、俯仰回转运动副V1,V2、俯仰回转动力源VD，所述水平回转动力源UD及所述俯仰回转动力源VD根据所述控制模块13的所述第二指令分别控制所述水平回转运动副U1,U2及所述俯仰回转运动副V1,V2运动。

在本发明的一个实施例中，其中：

所述推送轴机构19根据所述控制模块13的第四指令将所述针头沿直线方向退出皮肤组织之外；

所述回转轴机构17根据所述控制模块13的第五指令将所述针头恢复至初始化的俯仰和水平角度；

所述直线轴机构15根据所述控制模块13的第六指令将所述针头运动至初始位置以结束穿刺过程。

在本发明的一个实施例中，还包括力反馈和/或电阻抗反馈装置，所述力反馈和/或电阻抗反馈装置电连接至所述控制模块13，用于根据针头刺入皮肤组织后的力反馈和/或电阻抗反馈数据判断所述针头是否进入血管中。

本发明的另一个实施例提供了一种穿刺方法，由穿刺机构完成，所述穿刺机构包括X直线轴机构、Y直线轴机构、Z直线轴机构、水平回转轴机构、垂直回转轴机构及推送轴机构；所述方法包括：

控制所述X直线轴机构、所述Y直线轴机构、所述Z直线轴机构、所述水平回转轴机构、所述垂直回转轴机构运动将针头至穿刺点位置以完成定位段的运动；

控制所述推送轴机构沿直线将所述针头由穿刺点刺入血管并到达进入点以完成穿刺段的运动；

控制所述推送轴机构和所述垂直回转轴机构将所述针头由所述进入点推送至平推点以完成穿刺调整段的运动；

控制所述推送轴沿直线将所述针头由所述平推点推送至终点位置以完成平推段的运动。

在本发明的一个实施例中，控制所述X直线轴机构、所述Y直线轴机构、所述Z直线轴机构、所述水平回转轴机构、所述垂直回转轴机构运动将针头至穿刺点位置以完成定位段的运动，包括：

控制所述X直线轴机构、所述Y直线轴机构、所述Z直线轴机构以第一速度范围将所述针头推送至安全点位置以完成快速粗定位段的运动；

控制所述X直线轴机构、所述Y直线轴机构、所述Z直线轴机构及所述水平回转轴机构、所述垂直回转轴机构以第二速度范围将所述针头由所述安全点推送至所述穿刺点位置以完成慢速准确定位段的运动；其中，所述垂直回转轴机构控制所述针头与血管的俯仰夹角为5°～45°。

在本发明的一个实施例中，所述穿刺机构设置有力反馈和/或电阻抗反馈装置；控制所述推送轴机构沿直线将所述针头由穿刺点刺入血管并到达进入点以完成穿刺段的运动，包括：

控制所述推送轴机构沿直线方向推送所述针头由穿刺点刺入皮肤组织，并根据所述力反馈和/或者电阻抗反馈装置反馈的数据确定所述针头是否已进入血管，并在确定所述针头进入血管后继续推进设定距离后形成所述进入点以完成所述穿刺段的运动。

在本发明的一个实施例中，控制所述推送轴机构和所述垂直回转轴机构将所述针头由所述进入点推送至平推点以完成穿刺调整段的运动，包括：

控制所述推送轴机构沿直线方向将所述针头由所述进入点推送所述针头，并同步控制所述垂直回转轴机构采用圆弧插补方式分段调整垂直方向的角度以逐次逼近至所述平推点位置以完成穿刺调整段的运动。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括：

控制所述推送轴机构沿直线方向将所述针头由所述终点退出皮肤组织之外以完成退针段的运动；

控制所述X直线轴机构、所述Y直线轴机构、所述Z直线轴机构、所述水平回转轴机构、所述垂直回转轴机构以第三速度范围恢复至初始位置以完成快速退回段的运动。

本发明实施例，通过采用6轴机械结构，并配合预设多段穿刺路线，精确快速地刺入血管，实现真正的全自动穿刺功能。另外，为了减轻患者的疼痛感，在针头刺入皮肤组织时采用与血管成一定角度的方向刺入，并在推进过程中以步进微调、圆弧插补的方式调整进针路径，保证血管受力变形最小，疼痛感最小。最后，为了防止血管被刺穿，在机械结构中增加力反馈和/或电阻抗反馈装置，根据力反馈和/或电阻抗反馈的突变数据确定针头是否插入血管或者插穿血管，保证自动穿刺的安全性。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅试图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种穿刺机构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种穿刺机构的六轴机械结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种刺穿方法的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种穿刺路径的轨迹示意图；

图5为本发明实施例提供的一种穿刺路径选择的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种直线插补的原理示意图；

图7为本发明实施例提供的一种圆弧插补的原理示意图；

图8为本发明实施例提供的一种穿刺调整段的进针路径示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种穿刺机构的结构示意图。该穿刺机构10包括基座11、控制模块13、直线轴机构15、回转轴机构17、推送轴机构19。其中，直线轴机构15设置于所述基座11上，用于根据所述控制模块13的第一指令控制针头沿X轴、Y轴及Z轴运动；回转轴机构17，与所述直线轴机构15连接，用于根据控制模块13的第二指令调整所述针头的俯仰和水平角度；推送轴机构19，分别与所述回传轴机构17连接，用于根据控制模块13的第三指令推送所述针头刺入血管。

另外，所述推送轴机构19根据所述控制模块13的第四指令将所述针头沿直线方向退出皮肤组织之外；所述回转轴机构17根据所述控制模块13的第五指令将所述针头恢复至初始化的俯仰和水平角度；所述直线轴机构15根据所述控制模块13的第六指令将所述针头运动至初始位置以结束穿刺过程。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种穿刺机构的六轴机械结构示意图。对于六轴结构，即3个直线轴机构、2个回转轴机构及1个推送轴机构。

其中，所述直线轴机构15包括X轴运动副X1,X2、X轴动力源XD、Y轴运动副Y1,Y2、Y轴动力源YD、Z轴运动副Z1,Z2、Z轴动力源ZD，所述X轴动力源XD、所述Y轴动力源YD及所述Z轴动力源ZD根据所述控制模块13的所述第一指令分别控制所述X轴运动副X1,X2、所述Y轴运动副Y1,Y2及所述Z轴运动副Z1,Z2运动。其中，X、Y、Z三直线轴分别表示空间直角坐标系三坐标轴，用于定位针尖扎针点。

所述回转轴机构17包括水平回转运动副U1,U2、水平回转动力源UD、俯仰回转运动副V1,V2、俯仰回转动力源VD，所述水平回转动力源UD及所述俯仰回转动力源VD根据所述控制模块13的所述第二指令分别控制所述水平回转运动副U1,U2及所述俯仰回转运动副V1,V2运动。水平调整回转轴用于调整针头与待扎针血管走向之间的水平方向夹角；俯仰调整回转轴用于调整针头与待扎针血管的竖直方向夹角。

所述推送轴机构19包括直线运动副W1,W2、直线运动动力源WD，所述直线运动动力源WD根据所述控制模块13的所述第三指令控制所述直线运动副W1,W2运动。推送直线轴用于完成针头穿刺与退出血管动作。

具体地，Y直线轴由直线运动副与动力源YD构成，直线运动副构件Y1与基座JZ(即基座11)固定连接，另一构件Y2与X直线轴构件X1连接，动力源YD与构件Y2直接或间接连接，驱动Y2动作；

X直线轴同样由直线运动副与动力源XD构成，直线运动副构件X1与构件Y2连接，另一构件X2与Z直线轴构件Z1连接，动力源XD与构件X2直接或间接连接，驱动X2动作；

Z直线轴由直线运动副与动力源ZD构成，直线运动副构件Z1与构件X2连接，另一构件Z2与U回转轴构件U1连接，动力源ZD与构件Z2直接或间接连接，驱动Z2动作；

U回转轴由回转运动副与动力源UD构成，回转运动副构件U1与构件Z2连接，另一构件U2与V回转轴构件V1连接，动力源UD与构件U2直接或间接连接，驱动U2动作；

V回转轴由回转运动副与动力源VD构成，回转运动副构件V1与构件U2连接，另一构件V2与W直线轴构件W1连接，动力源VD与构件V2直接或间接连接，驱动V2动作；

W直线轴由直线运动副与动力源WD构成，直线运动副构件W1与构件V2连接，另一构件W2与针头连接，动力源WD与构件W2直接或间接连接，驱动W2动作。

本发明的穿刺基本工作原理如下：

穿刺动作：当自动穿刺系统的视觉模块在人体上获取待扎针点空间坐标及穿刺角度后，控制模块会根据计算结果驱动6轴的动力源(伺服电机)，6轴机构的直线轴和回转轴进行联动动作，使针头以特定姿态、针尖按照特定轨迹不断逼近获取的空间坐标点；动作过程通过U回转轴和V回转轴优先保证针头与血管的水平方向夹角和竖直方向夹角，X、Y、Z直线轴用以保证针尖到达获取的坐标点；然后通过W直线轴执行扎针采血。

退针动作：当采取适量血液或者注射完成后，6轴机构在控制模块驱动下进行联动，首先通过W直线轴执行退针动作，随后Z直线轴回零，使针尖退回至安全位置，防止人体离开时发生扎伤事故，紧接着Y直线轴向远离人体方向退去，同时X直线轴、U回转轴、V回转轴按照控制程序进行回零。

本发明实施例，通过采用6轴机械结构，在控制模块的控制下对针头进行坐标调整和姿态调整，能够实现快速、准确地穿刺功能。

进一步地，该穿刺机构还可以包括力反馈和/或电阻抗反馈装置，所述力反馈和/或电阻抗反馈装置电连接至所述控制模块13，用于根据针头刺入皮肤组织后的力反馈和/或电阻抗反馈数据判断所述针头是否进入血管中。这样做的好处在于，根据力反馈和/或电阻抗反馈的突变数据确定针头是否插入血管或者插穿血管，保证自动穿刺的安全性，防止针头刺破血管。所述力反馈和/或电阻抗反馈装置优选设置于推送轴机构上。

实施例二

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种刺穿方法的示意图。该方法可以包括：

步骤1、控制X直线轴机构、Y直线轴机构、Z直线轴机构、水平回转轴机构、垂直回转轴机构将针头运动至穿刺点位置以完成定位段的运动；

步骤2、控制推送轴机构沿直线将所述针头由穿刺点刺入血管并到达进入点以完成穿刺段的运动；

步骤3、控制所述推送轴机构和所述垂直回转轴机构将所述针头由所述进入点推送至平推点以完成穿刺调整段的运动；

步骤4、控制所述推送轴沿直线将所述针头由所述平推点推送至终点位置以完成平推段的运动。

其中，步骤1可以包括：

步骤11、控制所述X直线轴机构、所述Y直线轴机构、所述Z直线轴机构以第一速度范围将所述针头推送至安全点位置以完成快速粗定位段的运动。

步骤12、控制所述X直线轴机构、所述Y直线轴机构、所述Z直线轴机构及所述水平回转轴机构、所述垂直回转轴机构以第二速度范围将所述针头由所述安全点推送至所述穿刺点位置以完成慢速准确定位段的运动；其中，所述垂直回转轴机构控制所述针头与血管的俯仰夹角为5°～45°。

其中，所述穿刺机构可以设置有力反馈和/或电阻抗反馈装置，则步骤2可以包括：

控制所述推送轴机构沿直线方向推送所述针头由穿刺点刺入皮肤组织，并根据所述力反馈和/或电阻抗反馈装置反馈的数据确定所述针头是否已进入血管，并在确定所述针头进入血管后继续推进设定距离后形成所述进入点以完成所述穿刺段的运动。

其中，步骤3可以包括：

控制所述推送轴机构沿直线方向将所述针头由所述进入点推送所述针头，并同步控制所述垂直回转轴机构采用圆弧插补方式分段调整垂直方向的角度以逐次逼近至所述平推点位置以完成穿刺调整段的运动。

其中，在步骤4之后还可以包括：

步骤5、控制所述推送轴机构沿直线方向将所述针头由所述终点退出皮肤组织之外以完成退针段的运动；

步骤6、控制所述X直线轴机构、所述Y直线轴机构、所述Z直线轴机构、所述水平回转轴机构、所述垂直回转轴机构以第三速度范围恢复至初始位置以完成快速退回段的运动。

本实施例，6轴机构根据控制模块的指令，在各动力源驱动下，使针头按照特定运动轨迹运动，实现扎针、退针一套完整扎针动作。

其中，对于第一速度范围、第二速度范围及第三速度范围，由于每个速度范围内均可能存在加速、匀速或减速动作，因此每一段的针头运动并非匀速。

实施例三

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种穿刺路径的轨迹示意图。本实施例以示例形式对本发明的穿刺方法进行详细描述如下。该穿刺方法将刺穿过程划分为分快速粗定位段、慢速准确定位段、穿刺段、刺穿调整段、平推段、退针段和快速退回段，共计7段。

(1)快速粗定位段(A段)：这段轨迹由U、V两旋转轴及X、Y、Z三直线轴联动，针尖从零位(X₀,Y₀,Z₀)向(X_m,Y_m,Z_m-a)以特定姿态逼近时所形成的轨迹曲线；

(2)慢速准确定位段(B段)：这段轨迹由U、V两旋转轴及X、Y、Z三直线轴联动，针尖从(X_m,Y_m,Z_m-a)向(X_m＇,Y_m＇,Z_m＇)以特定姿态逼近时所形成的轨迹曲线；

(3)穿刺段(C段)：这段轨迹，在U、V两旋转轴及X、Y、Z三直线轴锁定前提下，针尖随W直线轴移动距离L₁，刺破血管壁从(X_m＇,Y_m＇,Z_m＇)到达(X_n,Y_n,Z_n)时所形成的轨迹曲线；

(4)刺穿调整段(E段)：这段轨迹，在U旋转轴及X、Y、Z三直线轴锁定前提下，针尖随W直线轴移动距离L₂，同时V旋转轴转动α角度后，从(X_n,Y_n,Z_n)到达(X_n＇,Y_n＇,Z_n＇)时所形成的轨迹曲线；

(5)平推段(F段)：这段轨迹，在U、V两旋转轴及X、Y、Z三直线轴锁定前提下，针尖随W直线轴移动距离L₃，从(X_n＇,Y_n＇,Z_n＇)到达(X₁,Y₁,Z₁)时所形成的轨迹曲线。

(6)退针段(G段)：这段轨迹，在U、V两旋转轴及X、Y、Z三直线轴锁定前提下，针尖随W直线轴移动距离L₄，退出皮肤以外，从(X₁,Y₁,Z₁)到达(X₂,Y₂,Z₂)时所形成的轨迹曲线。

(7)快速退回段(H段)：这段轨迹由U、V两旋转轴及X、Y、Z、W四直线轴联动，针尖从(X₂,Y₂,Z₂)回到(X₀,Y₀,Z₀)时所形成的轨迹曲线。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种穿刺路径选择的示意图。本发明的六轴机构与双目红外视觉系统配合，在待穿刺血管上选择空间直径相对大的一段血管，在该范围内结合血管走向与进针角度，预定出位于血管内部的进入点、平推点和终点；然后结合单目相机与双目红外视觉的相对位置以及参考进针角度，预定出皮肤表层的穿刺点，在穿刺点竖直正上方H距离处预定出安全点。

其中，关于L1、L2、L3、L4的取值范围，依据双目和单目视觉得到的血管实际位置进行计算，L1为起点到血管上臂穿透深度：L2为从穿透点到血管深度中心一半距离，L3为血管深度终点距离。L4为血管深度终点到手臂皮肤组织外点，针头长度为L，总体设计要求为L1+L2+L3＜L，同样L1+L2+L3＜L4，这样才能保证针尖退出皮肤。

需要强调的是，针头的针尖在各个轨迹段，由对应起始点向目标点逼近过程中，根据预定直线或曲线轨迹对应的线条函数，按照运动学算法程序由插补器先将线条进行数据点密化，即求出一系列中间点的空间坐标，再由运动学解耦进行分开控制，控制6轴机构各关节的运动顺序、位置、姿态，速度和加速度等，以控制针尖按照预定轨迹平滑经过各中间“插补”点动作。

请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种直线插补的原理示意图。快速粗定位段、慢速准确定位段、穿刺段、平推段、退针段及快速退回段均可以采用直线插补方式进行运动。请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种圆弧插补的原理示意图。刺穿调整段可以采用该圆弧插补方式进行运动。即，各点空间坐标预定后，按照对应的直线或圆弧轨迹，由插补器进行数据点密化，由解耦器进行解耦，控制各关节运动分量。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种穿刺调整段的进针路径示意图。在刺穿调整段(E段)，由进入点逼近平推点时，针尖按照圆弧轨迹运动，针头的姿态变化如图所示。在这个过程中，V轴旋转α角，因为针头穿刺血管时与血管竖直方向夹角较大，当针尖刺破血管一侧进入血管时，防止针尖刺破划伤另一侧血管，应减小针头与血管竖直方向夹角；α角是一个不断变化调整的角度，临床上手工采血角度一般选择为下针15°～25°，推针基本在5°，角度不断减小。而本发明的机械机构，由于精度高，可以在穿刺中设置更大范围自动变化的角度，本发明优选从进针45°到推针5°任意可调，调整原则是人体体感疼痛最小，同时血管受力变形最小为原则。

另外，在加入力反馈和/或电阻抗反馈装置后，例如，在由安全点逼近穿刺点时，加入力反馈，力传感器有数值突变时，证明针尖已接触皮肤，将针尖当前坐标调整为新的穿刺点，以进入点为目标点，按照预定轨迹进行逼近；当由穿刺点逼近进入点时，加入力或电阻抗反馈，当有数值突变时，证明针尖已进入血管内部，继续沿当前轨迹走距离S，以此坐标点为新的进入点，继续下一段的轨迹运动。

本实施例，通过采用6轴机械结构，并配合预设多段穿刺路线，精确快速地刺入血管，实现真正的全自动穿刺功能。另外，为了减轻患者的疼痛感，在针头刺入皮肤组织时采用与血管成一定角度的方向刺入，并在推进过程中以步进微调、圆弧插补的方式调整进针路径，保证血管受力变形最小，疼痛感最小。最后，为了防止血管被刺穿，在机械结构中增加力反馈和/或电阻抗反馈装置，根据力反馈和/或电阻抗反馈的突变数据确定针头是否插入血管或者插穿血管，保证自动穿刺的安全性。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。