一种自动穿刺机器人的制作方法

本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种自动穿刺机器人。

背景技术：

传统的穿刺由经过专门培训的医护人员来承担，医护人员需经过特殊训练才能较好地对合适血管进行识别，并且穿刺效果容易感受容易受到该医护人员当前的技术水平、工作经验和身心状态的影响。

申请号为201420534516.x的专利公开了一种通过红外成像和压力变化来识别和穿刺血管的方法及装置，其通过负压检测技术来指导进针的路线：机器人自动采血对目标血管进行穿刺，同时抽气泵开始抽气，当采血针刺穿皮肤后，针头被堵住，采血管内负压降低，机器人停止穿刺，抽气泵继续抽气，直到血液达到所需量后停止，机器人拔针，抽血过程完成。

该专利指出的负压抽血，是基于真空负压下的反馈，来判断是否到达血管。因只有血管是正压的系统，穿刺进入皮肤组织(如皮下肌肉或组织液)时，那么可能会将组织液“误认为是”血液，抽入采集管，造成错误。由此可知，采用该技术在进针时的准确度不佳。

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，本发明提供一种自动穿刺机器人，包括：处理器、双目近红外成像装置和多轴穿刺机构；其中，

双目近红外成像装置和多轴穿刺机构均电连接处理器；

处理器接收并处理双目近红外成像装置发送的血管信息，形成指令信息并发送至多轴穿刺机构，以使多轴穿刺机构控制穿刺针按照预定轨迹执行穿刺动作。

在本发明提供的一个实施例中，还包括与多轴穿刺机构相连的力传感测量设备，当穿刺针进入患者皮肤组织时，力传感测量设备检测并反馈穿刺针所受的阻力信息，处理器处理阻力信息以使多轴穿刺机构调整穿刺角度及进针速度。

在本发明提供的一个实施例中，还包括与处理器相连的电阻抗测量设备，当穿刺针进入患者皮肤组织时，电阻抗测量设备检测并反馈穿刺针在其针头处的电阻抗信息，处理器处理电阻抗信息以使多轴穿刺机构调整穿刺角度及进针速度。

在本发明提供的一个实施例中，处理器包括安全调整模块，安全调整模块用于判断自动穿刺机器人在穿刺过程中是否出现异常；

若判断结果为出现异常，则安全调整模块向处理器发送指令以使多轴穿刺机构控制穿刺针终止穿刺动作并执行退针操作。

在本发明提供的一个实施例中，多轴穿刺机构包括直线轴机构(15)、回转轴机构(17)及推送轴机构(19)；直线轴机构(15)设置于自动穿刺机器人的基座(11)上，用于控制针头的平移；回转轴机构(17)与直线轴机构(15)连接，用于调整针头的俯仰和水平角度；推送轴机构(19)与回传轴机构(17)连接，用于推送针头进入血管。

在本发明提供的一个实施例中，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)；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)；推送轴机构(19)包括直线运动副(w1,w2)、直线运动动力源(wd)，

x轴动力源(xd)、y轴动力源(yd)及z轴动力源(zd)根据处理器的指令分别控制x轴运动副(x1,x2)、y轴运动副(y1,y2)及z轴运动副(z1,z2)运动；

水平回转动力源(ud)及俯仰回转动力源(vd)根据处理器的指令分别控制水平回转运动副(u1,u2)及俯仰回转运动副(v1,v2)运动；

直线运动动力源(wd)根据处理器的指令控制直线运动副(w1,w2)运动，用于完成针头穿刺与退出血管动作。

在本发明提供的一个实施例中，多轴穿刺机构固定连接止血球夹持器，止血球夹持器用于在穿刺完成后夹持止血球以对患者的穿刺点进行按压。

在本发明提供的一个实施例中，还包括设置于推送轴机构(19)上的消毒喷头，消毒喷头包括点胶阀，点胶阀用于控制消毒喷头的喷淋方向。

在本发明提供的一个实施例中，处理器包括异物识别模块，异物识别模块用于判断自动穿刺机器人在穿刺过程中是否出现异物；

若判断结果为出现异物，则异物识别模块向处理器发送指令以使多轴穿刺机构控制穿刺针终止穿刺动作并执行退针操作。

在本发明提供的一个实施例中，还包括多媒体系统，多媒体系统用于向患者播放多媒体信息；

或者，还包括患者信息扫描器，用于扫描并确定患者的身份信息；

或者，还包括无针管注射器，用于对患者进行无针管注射；

或者，还包括穿刺注射药量检测器，用于检测穿刺注射的药量是否与患者的身份匹配；

或者，还包括血量检测器，用于检测穿刺采血量是否与患者的身份匹配；

或者，还包括血样贴标器，用于生成与患者身份相匹配的标签并将标签粘贴至与患者血样匹配的容器上；

或者，还包括血样整理器，用于将患者的血样按照预设的规则进行排序和码放整理；

或者，还包括超时提醒器，用于在血样存放时间超过阈值时生成提醒信号；

或者，还包括压脉器，用于挤压患者的皮肤以使患者的血管凸显或者检测患者的血压。

采用本发明提供的自动穿刺机器人可精确的引导穿刺针完成整个穿刺过程，穿刺的安全性和可靠性得到了保障。

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，它们仅仅力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自动穿刺机器人结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种力传感测量设备的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种反馈力与穿刺深度的关系示意图；

图4为本发明实施例提供的一种反馈力值随时间变化的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于二电极测量系统的电阻抗测试方法原理示意图；

图6为本发明实施例提供的一种穿刺辅助装置的机械结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种电阻抗穿刺针的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种电阻抗值随时间变化的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种穿刺辅助装置的数据反馈示意图；

图10为本发明实施例提供的一种多轴穿刺机构的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种多轴穿刺机构的六轴机械结构示意图；

图12为本发明实施例提供的另一种自动穿刺机器人结构示意图；

图13为本发明实施例提供的一种自动穿刺机器人在手臂部位的局部放大示意图。

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

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种自动穿刺机器人结构示意图，如图1，该自动穿刺机器人包括：处理器、双目近红外成像装置和多轴穿刺机构；其中，

双目近红外成像装置和多轴穿刺机构均电连接处理器；

处理器接收并处理双目近红外成像装置发送的血管信息，形成指令信息并发送至多轴穿刺机构，以使多轴穿刺机构控制穿刺针按照预定轨迹执行穿刺动作。

在本实施例的一个具体的实现方式中，双目近红外成像装置的红外处理模块对采集到的血管图像进行图像增强处理和特征提取处理，形成血管信息并发送到处理器，处理器对血管信息做进一步的处理，包括图像特征匹配处理，图像三维重建处理以获取血管的深度信息，为多轴穿刺机构对穿刺针的控制提供依据。处理器向多轴穿刺机构发送的指令信息包括运动控制指令，该运动控制指令具体控制多轴穿刺机构的运动方式，进而控制穿刺针的运动轨迹。

进一步地，在上述实施例的基础上，本发明提供的自动穿刺机器人还包括与多轴穿刺机构相连的力传感测量设备，当穿刺针进入患者皮肤组织时，力传感测量设备检测并反馈穿刺针所受的阻力信息，处理器处理阻力信息以使多轴穿刺机构调整穿刺角度及进针速度。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种力传感测量设备的结构示意图。在图2中，力传感测量设备11包括连接件111、力传感器113及末端连接板115；其中，连接件111为t型结构且其前连接部1111与穿刺设备的针头夹持部固定连接；力传感器113的前拉压工作面1131与连接件111的后连接部1113接触以用于接收穿刺针的反馈力；末端连接板115分别与力传感器113的后端部和穿刺设备的推送轴机构固定连接。

当针尖一旦进入血液，针头必须停止前进，医务人员通过感受穿刺力的变化判断针头是否扎入血管中。将安装有力传感的穿刺针加持装置，用于采集作用在针尖上的作用力，穿刺力的变化用力传感器测量，通过连接高精度的ad转换模块，将采集到模拟电信号转化成数字信号传输到处理器，进行数据分析。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种反馈力与穿刺深度的关系示意图。实验验证表明在整个插入过程中，处于出现两个明显的力变化峰值，当最后一个峰过后可以确定针已经扎入到血管中。即可以通过辅助投影仪器得出图中的a区域为穿破皮肤的深度区域，b区域为静脉血管壁被穿透的深度区域。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种反馈力值随时间变化的示意图。在实际的操作过程中，辅助装备难以介入，再加之穿刺深度难以测量，所以在例如固定了穿刺角度为15度，固定穿刺速度的情况下，根据不同粗细的穿刺针穿刺又得到一组数据。图中可以明确得到两个力变大点又突然变小的拐点，即前一个拐点为皮肤，后一个拐点为血管壁。力传感技术在穿刺过程中的应用，确保了穿刺的精度，也可以确保针尖进入静脉后不会发生过冲。

进一步地，在上述实施例的基础上，本发明提供的自动穿刺机器人还包括与处理器相连的电阻抗测量设备，当穿刺针进入患者皮肤组织时，电阻抗测量设备检测并反馈穿刺针在其针头处的电阻抗信息，处理器处理电阻抗信息以使多轴穿刺机构调整穿刺角度及进针速度。

电阻抗法测量人体成分的原理在于，由于人体是由不同的成分组成，所以当电流刺激人体时会以不同的速率穿过人体，人体主要的组成部分是以离子形式存在于人体的水。另外人体的组成部分还包括一些非导电成分例如脂肪，将以电阻的形式阻碍电流在人体中的流动，脂肪组织对电流的传导性比肌肉和骨骼的还要小，因此根据人体不同成分对电流的传导性不同便可以区分不同的人体成分。即，人体不同成分的离子浓度与电导率之间存在着直接的关系，而人体不同成分的离子浓度与人体溶液的阻抗之间存在着间接关系。对于血管中血液的检测则相对较为容易，因为血管壁和血液的电阻抗相差很大，因此对于针尖在皮肤组织或者血管中的电阻抗变化的曲线相当明显。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种基于二电极测量系统的电阻抗测试方法原理示意图。采用二电极测量系统的生物电阻抗法对人体组织的电阻抗测量时，恒流源i0通过两个电极刺激于人体的组织，同时又通过这两个电极测量人体组织的电压信号。即这两个电极既作为激励电极又作为测量电极。二电极系统的优点是电极的极数少，用于测量人体组织时候操作比较简捷，适用于穿刺辅助中的应用。二电极测量系统的等效电路如图5所示。电极与皮肤之间的接触阻抗为ze1、ze2，人体的测量阻抗为zx。在测量中针尖扎破血管的一瞬间测量电压v发生明显改变时，即电阻抗值会有明显的下降。因此，本发明采用电阻抗测试方法来辅助穿刺过程。

具体地，请参见图6及图7，图6为本发明实施例提供的一种穿刺辅助装置的机械结构示意图；图7为本发明实施例提供的一种电阻抗穿刺针的结构示意图。如图6所示，电阻抗测量设备包括电阻抗穿刺针131、电阻抗测量正极133、电阻抗测量负极135、直流恒流源io(图中未示出)及电压测试器(图中未示出)；如图7所示，其中，电阻抗穿刺针131由外向内包括外导电层1311、绝缘层1313及内导电层1315；电阻抗测量正极133分别电连接至外导电层1311、直流恒流源io的正极及电压测试器v的一端；电阻抗测量负极135分别至内导电层1315、直流恒流源io的负极及电压测试器v的另一端。

请一并参见图7及图8，图8为本发明实施例提供的一种电阻抗值随时间变化的示意图。该电阻抗测量设备主要通过对穿刺针的改造，分为外导电层、中间绝缘层内导电层。外导电层和电阻抗测量系统的正极相连，内导电层和电阻抗测量系统的负极相连。测量时，当针进入人体组织后，由于所人体各部分组织的电导率不同，而血液和血管壁等其他组织的电导率相差较大，所以当夹有电阻抗测量电极的穿刺针进入血管时，在两个电极之间的电压会产生一个明显的电压变化，可以转换成其电阻抗zx的变化。

然而，单纯地使用力传感测量设备或者电阻抗测量设备，均存在一定的误差率。例如，图5中的电阻抗测试方法，当测量电压v发生改变时，一方面，很难说明是接触阻抗ze1、ze2造成的电势差改变，还是由于人体组织电阻抗zx造成的电势差改变；另一方面由于激励电极和测量电极是同一对电极，这对电极被当作为激励刺激人体组织时，那么它附近的电流密度要比被测组织其他地方的电流密度要大；当作为测量电极时，它只是测量了处于电极附近大的电流密度组织的电势差，所以测量电极并没有测量电流密度比较均匀处的电势差，因此测量的电阻抗会有一定的误差，虽然这种误差在一定程度上是容许的，但是在穿刺过程中，为了确保高的可靠性和安全性，需要降低这种误差。另外，力传感测量设备也存在一定的误差率。为了进一步提高穿刺设备，尤其是自动穿刺设备的可靠性和安全性，本发明提出了一种力传感技术和电阻抗测试技术相结合的方式来降低单一方式的误差率，真正做到穿刺设备的稳定性和安全性。

请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种穿刺辅助装置的数据反馈示意图。优选地，通过两种测量设备的配合，可以准确地判断针尖刺入皮肤并刺入血管的整个过程，辅助刺穿设备进行精确穿刺。

本发明实施例，通过在穿刺设备上设置由力传感器和电阻抗设备形成的穿刺辅助设备，由力传感和电阻抗相结合的办法用来识别血管，并确保在穿刺作业过程中反馈针尖所处的位置，给出及时的反馈，来确保穿刺的可靠性。

进一步地，在上述实施例的基础上，处理器包括安全调整模块，安全调整模块用于判断自动穿刺机器人在穿刺过程中是否出现异常；

若判断结果为出现异常，则安全调整模块向处理器发送指令以使多轴穿刺机构控制穿刺针终止穿刺动作并执行退针操作。

具体地，安全调整模块包括零位检测单元、限位检测单元及安全控制单元；其中，

零位检测单元用于在自动穿刺机器人上电后对多轴穿刺机构是否处于零位状态进行检测；

限位检测单元用于在多轴穿刺机构运动过程中是否偏离预定轨迹进行检测；

安全控制单元用于在检测到自动穿刺设备有异常的情况下按照设定程序进行安全调整。

进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图10，图10为本发明实施例提供的一种多轴穿刺机构的结构示意图；多轴穿刺机构包括直线轴机构(15)、回转轴机构(17)及推送轴机构(19)；直线轴机构(15)设置于自动穿刺机器人的基座(11)上，用于控制针头的平移；回转轴机构(17)与直线轴机构(15)连接，用于调整针头的俯仰和水平角度；推送轴机构(19)与回传轴机构(17)连接，用于推送针头进入血管。

进一步地，在上述实施例的基础上，请参见图11，图11为本发明实施例提供的一种多轴穿刺机构的六轴机械结构示意图。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)；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)；推送轴机构(19)包括直线运动副(w1,w2)、直线运动动力源(wd)。

x轴动力源(xd)、y轴动力源(yd)及z轴动力源(zd)根据处理器的指令分别控制x轴运动副(x1,x2)、y轴运动副(y1,y2)及z轴运动副(z1,z2)运动；

水平回转动力源(ud)及俯仰回转动力源(vd)根据处理器的指令分别控制水平回转运动副(u1,u2)及俯仰回转运动副(v1,v2)运动；

直线运动动力源(wd)根据处理器的指令控制直线运动副(w1,w2)运动，用于完成针头穿刺与退出血管动作。

进一步地，在上述实施例的基础上，多轴穿刺机构固定连接止血球夹持器，止血球夹持器用于在穿刺完成后夹持止血球以对患者的穿刺点进行按压。

进一步地，在上述实施例的基础上，还包括设置于推送轴机构(19)上的消毒喷头，消毒喷头包括点胶阀，点胶阀用于控制消毒喷头的喷淋方向。

进一步地，在上述实施例的基础上，自动穿刺机器人的处理器包括异物识别模块，异物识别模块用于判断自动穿刺机器人在穿刺过程中是否出现异物；

若判断结果为出现异物，则异物识别模块向处理器发送指令以使多轴穿刺机构控制穿刺针终止穿刺动作并执行退针操作。

进一步地，在上述实施例的基础上，自动穿刺机器人还包括多媒体系统，多媒体系统用于向患者播放多媒体信息；

或者，还包括患者信息扫描器，用于扫描并确定患者的身份信息；

或者，还包括无针管注射器，用于对患者进行无针管注射；

或者，还包括穿刺注射药量检测器，用于检测穿刺注射的药量是否与患者的身份匹配；

或者，还包括血量检测器，用于检测穿刺采血量是否与患者的身份匹配；

或者，还包括血样贴标器，用于生成与患者身份相匹配的标签并将标签粘贴至与患者血样匹配的容器上；

或者，还包括血样整理器，用于将患者的血样按照预设的规则进行排序和码放整理；

或者，还包括超时提醒器，用于在血样存放时间超过阈值时生成提醒信号；

或者，还包括压脉器，用于挤压患者的皮肤以使患者的血管凸显或者检测患者的血压。

或者，还包括更换器，更换器用于执行注射用品和采血器用品的更换；例如，利用机器人多机械臂的空间灵活性，在指定位置更换注射器和采血器，实现无二次污染的作业。

或者，还包括手臂扭摆传感器，用于检测患者的手臂扭摆程度是否超过预先设定的范围。

采用本发明实施例提供的自动穿刺机器人可精确的引导穿刺针完成整个穿刺过程，穿刺的安全性和可靠性得到了保障。

实施例二

请参考图12，图12为本发明实施例提供的另一种自动穿刺机器人结构示意图；请参考图13，图13为本发明实施例提供的一种自动穿刺机器人在手臂部位的局部放大示意图；在本实施例中，自动穿刺机器人的一种工作流程如下：

(1)首先患者来到设备跟前，座在采血椅上，调整座椅自动/手动调节器41，移动座椅前后和高低到满意的位置，松开调节器，座椅自动锁定。

(2)患者拿出采血信息登记卡，在设备信息卡扫描系统419上放置，约5秒后，信息被自动录入采血机。

(3)语音识别/人机互动触摸屏416自动开启，并显示患者基本信息和采血信息，患者可阅读并语音确认是否正确，若正确，可手动触摸屏确认或语音确认。

(4)信息录入确认后，多轴穿刺机构415开始自动运行，按照录入信息的检查项目，整理采血或注射的器械，一般等待10秒钟即可完成器械的自动更换。

(5)语音识别/人机互动触摸屏416发出提示音：请患者放置手臂到采血位置。并同时给患者播放小视频和音乐，舒缓情绪。

(6)患者将手臂从采血压脉器的入口伸入，并握住远端的限位手把，手臂调整姿态到感觉舒适即可。

(7)第一手臂扭摆传感器419和第二手臂扭摆传感器421开始实施检测，等待3s检测到手臂没有过渡扭摆，则进入扎针动作。

(8)首先双目红外视觉系统424运动到预先设定的位置进行手臂血管拍照，分析扎针处的血管分布和下针点的x,y坐标，再利用双目的深度成像得出手臂表面下针点的坐标z，将其成像在上位主控电脑4界面中。

(9)多轴穿刺机构415带着消毒棉球接近手臂，优选地，消毒作业范围50*50mm。完后退回安全高度。

(10)多轴穿刺机构415的辅助z轴将超声断层扫描系统425运行到手臂表面的x,y,z下针点，超声系统在机器人手臂带动下x,y,z方向同时接近下针点，并紧贴在手臂表面，成像手臂内部血管的纵剖结构在上位主控电脑4界面中。

(11)扎针器调整x,y,z，a,b,c，变换针尖姿态和位置，将针尖对准扎针x,y点，z点先提高10mm的安全距离。

(12)z向慢速靠近，到达下针点,进针u轴开始进针。

(13)进针时在接触表皮时力传感器会得到第一次触发信号，随着针的深入，力传感器422不断记录反作用力，安全介入系统不断后台运行。

(14)从皮下组织时，超声波纵剖视觉不断跟踪针头和血管的位置，为针头深度方向引导，如深度未到达血管中部则继续发送z向位置给下位机器人控制器46，直到达到血管中部，停止。

(15)采血针回血，由辅助机械臂将负压采血管对接到采血回血管。血液因负压被吸入采血管。

(16)液位激光传感器探测到负压血管采血量足够，则发信息给机器人控制器。

(17)多轴穿刺机构415立刻沿着进针方向的轨迹反方向退出血管直到手臂外，同时多轴穿刺机构415的独立消毒轴u,带着棉球再次按压扎针处20s。

(18)采血完成，语音系统提示患者可以取出手臂，并提示重新按压扎针处。

(19)机器人将采集的血试管，放入机器转盘414，并由采血管自动转印机和扫描系统413来完成转印信息和录入。机械臂411更换采血管到转盘49，并等待拿取，此时信息已经录入。

(20)采血机通过无线发射器412将信息发送到医院采血系统中，供医护人员查看。

(21)语音提示患者拿取好信息登记卡，并及时复查。

(22)机器人通过视觉再次检查设备内无手臂，则自动慢速退出座椅前后位置，让患者出采血区。

(23)整个过程完毕，采血的时间的一个过程在1分30秒完成。

本发明实施例提供的自动穿刺机器人能最大程度拟合专业医护人员的采血及注射动作和功效。采用高端6轴自由度的智能机器人系统，结合双目近红外原理视觉系统，再结合超声波断层剖析图，完全替代现有的手工，半自动，或单目视觉检测系统，用最优化的方式完成采血和注射功能。在此基础上还人性化的增加和许多辅助功能，如力传感，语音对话，视频播放，全自动调节座椅，自动采血管更换等功能，大大的提高了患者的扎针体验感，降低了各类人群,尤其是小孩、肥胖者、老年人和血管辨识困难者的忧虑，并能准确判断，穿刺成功率高，对于恐惧扎针者也能带来很好的效果。

综上，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，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。