基于温度场检测的静脉穿刺系统的制作方法

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种基于温度场检测的静脉穿刺系统。

背景技术：

静脉穿刺困难者包括：婴幼儿、儿童病人、肥胖病人、浮肿病人等本身不容易看到静脉的病人，或者是多次化疗病人、血管弹性差病人、急救、休克、血容量急剧减少、血管塌陷病人等。静脉穿刺时要避开关节部位，皮肤表面有硬结、疤痕部位，静脉瓣，静脉分支以及静脉壁有病变的静脉。静脉穿刺失败会导致静脉穿刺并发症，例如：静脉炎、出血及血肿、渗出、组织坏死或导管堵塞等现象。静脉穿刺失败的常见原因：穿刺技术不熟练，使针尖受损；穿刺过度刺破静脉后壁；穿刺不足，仅将针尖刺入静脉；穿刺角度过小，静脉壁划伤。

目前，医护人员在进行静脉穿刺的时候一般会采用两种方法：一种是目视法，就是用裸视的方式来寻找和定位血管，这种方法仅适合于静脉位置较表浅且突出的病人，对于皮下组织中的血管内径、弯曲及分叉的状态，实际上无法保证定位准确；还有一种是触摸法，就是以触摸的感觉来寻找和定位血管，这种方法需要多年临床经验，通过触摸皮肤来分辨出血管和周围组织的触感，从而确定出血管的位置及深浅。

技术实现要素：

本发明的目的是：实现静脉穿刺自动化，精准完成静脉穿刺，降低静脉穿刺并发症。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于温度场检测的静脉穿刺系统，其特征在于，包括：

室内温度保持在设定温度的治疗室；

固定于治疗室内的多个红外摄像头，所有红外摄像头进行高频同步成像，采集病人的二维图像并传输至主控装置，主控装置基于获得的多组二维图像及红外摄像头的位置计算出病人的人体三维轮廓信息；

探测装置，具有形状可变的探测面，所述探测面上矩阵排列温度传感器；主控装置根据输入的穿刺部位信息及人体三维轮廓信息计算出穿刺部位三维轮廓信息，根据穿刺部位三维轮廓信息发出指令使探测装置调整探测面形状，达到探测面与穿刺部位契合的效果，然后探测面与穿刺部位接触并保持一定压力，温度传感器高频同步采集温度数据，探测装置将采集的温度数据、采集温度数据的时间信息及温度传感器位置信息传输至主控装置；

加压装置，用于在穿刺静脉近心端一定位置对局部皮肤施加压力，使静脉回流阻力增大，静脉压增高，静脉血管壁扩张。加压装置与皮肤接触部位设置压力传感器以采集压力数据，并将压力数据及采集压力数据的时间信息传输至主控装置。加压装置施加压力的过程中，探测装置高频同步采集温度数据；

主控装置，根据加压装置施加压力过程中探测装置采集的温度数据、采集温度数据的时间信息、温度传感器位置信息、皮下脂肪厚度、加压装置的压力传感器采集的压力数据及采集压力数据的时间信息，计算出静脉走行区域、静脉走行中心线、静脉直径、静脉横切面积、静脉三维走行图、静脉瓣的位置、静脉顺应性、穿刺点、穿刺角度及穿刺路径；

穿刺装置，主控装置根据穿刺点、穿刺角度及穿刺路径控制穿刺装置操作穿刺针依次穿刺皮肤、皮下组织、静脉。

优选地，还包括制动装置，用于限制穿刺部位发生移动。

优选地，根据加压装置施加压力过程中探测装置采集的温度数据、采集温度数据的时间信息、温度传感器位置信息，将相同时间点不同位置的温度传感器采集的温度数据构成一组数据，所述主控装置计算各组数据之间的温度变化；温度变化区域对应静脉走行区域，温度变化区域的中心线对应静脉走行中心线；在加压装置施加压力过程中，静脉走行中心线上的温度传感器采集的温度变化幅度最大；在加压装置施加压力过程中，静脉走行中心线两侧的温度传感器采集的温度变化幅度小于静脉走行中心线上的温度变化幅度；以静脉走行中心线为轴，静脉走行中心线两侧区域温度变化具有对称性分布特征。

优选地，根据静脉走行中心线、静脉走行中心线两侧区域温度变化数据及皮下脂肪厚度，所述主控装置计算出静脉直径、静脉横切面积及静脉三维走行图。

优选地，温度数据变化消失处为静脉瓣的位置。

优选地，根据静脉走行中心线、静脉走行中心线两侧区域温度变化数据、静脉直径、静脉横切面积、皮下脂肪厚度、加压装置的压力传感器采集的压力数据及采集压力数据的时间信息，所述主控装置纵向及横向比较静脉走行区域温度数据变化幅度及速率，并根据公式c＝⊿v/⊿p计算静脉顺应性，c代表顺应性、⊿v代表容积改变、⊿p代表压力改变。

优选地，根据静脉走行中心线、静脉直径、静脉三维走行图、静脉瓣的位置、静脉顺应性及皮下脂肪厚度，所述主控装置计算出穿刺点、穿刺角度及穿刺路径。

优选地，所述穿刺针的前部具有一个斜面，斜面的前端为尖端，所述穿刺装置操作所述穿刺针依次穿刺皮肤、皮下组织、静脉时，穿刺针的斜面朝上，尖端先进入静脉，随后调整穿刺针角度，使尖端前进过程中不刺破血管后壁，待斜面的后端完全进入静脉后穿刺针继续前进一段距离再停止。

本发明能够实现静脉精确定位及动脉穿刺自动化，无需医务人员操作，节省医疗资源；探测过程中能够计算出静脉顺应性以除外静脉病变，穿刺过程中能够计算静脉及穿刺针的具体位置，不会发生误操作，降低术后并发症。

附图说明

图1为本发明中使用的穿刺针的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供的一种基于温度场检测的静脉穿刺系统应用在室内温度保持在设定温度的治疗室中，包括主控装置、红外摄像头、探测装置、加压装置、穿刺装置、消毒装置、制动装置，以下对各个部件分别予以说明：

多个红外摄像头设置在治疗室的固定位置，所有红外摄像头进行高频同步成像，位于治疗室的治疗床则设置了参照红外光源。红外摄像头采用了红外成像技术。在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。红外热成像技术是由红外传感器接收位于一定距离的被测对象所发出的红外辐射，再通过信号处理系统将其转变为目标的热图像。它以可视图像的方式呈现物体的热分布，并以灰度或伪彩色形式显示出来，从而得到被测对象的温度场。红外热成像由于不受光照、烟雾、高温、高压等环境因素的影响，得到了广泛的关注。红外热成像技术操作简单，无人为因素影响，结果客观、定量、直观、重复性好，对病人无接触、无创伤、无辐射。

病人在治疗床上除外静脉穿刺禁忌证，可采用平卧，半卧，或坐位等姿势，暴露穿刺部位皮肤。红外摄像头采集的二维图像输入主控装置，主控装置采用人体轮廓识别技术计算病人的身体位置信息，并对多组二维图像进行处理，计算出人体三维轮廓信息。

制动装置与病人接触并保持适当压力，限制病人活动，固定穿刺部位。

探测装置具有形状可变的探测面，为了确保数据采集的效果，探测面必须与穿刺部位皮肤接触并保持一定压力。在探测面上布置有矩阵排列的温度传感器。医生向主控装置输入穿刺部位信息，除穿刺部位信息外，医生还向主控装置输入病人的基本信息、皮下脂肪厚度，基本信息包括年龄、性别、身高、体重、胸围、腰围。主控装置依据人体三维轮廓信息及穿刺部位信息计算穿刺部位三维轮廓信息，随后依据穿刺部位三维轮廓信息发出指令使探测装置调整探测面形状，达到探测面与穿刺部位契合的效果，然后探测面与穿刺部位接触并保持一定压力。温度传感器高频同步采集温度数据，探测装置将采集的温度数据、采集温度数据的时间信息及温度传感器位置信息传输至主控装置。

加压装置接受主控装置的指令在穿刺静脉近心端一定位置加压局部皮肤，使静脉回流阻力增大，静脉压增高，静脉血管壁扩张。加压装置与皮肤接触部位设置压力传感器以采集压力数据，并将压力数据及采集压力数据的时间信息传输至主控装置。

在加压装置加压过程中，探测装置上的温度传感器高频同步采集温度数据，采集的温度数据、采集温度数据的时间信息及温度传感器位置信息传输到主控装置。

主控装置根据加压装置施加压力过程中探测装置采集的温度数据、采集温度数据的时间信息、温度传感器位置信息，将相同时间点不同位置的温度传感器采集的温度数据构成一组数据，计算各组数据之间的温度变化；温度变化区域对应静脉走行区域，温度变化区域的中心线对应静脉走行中心线；在加压装置施加压力过程中，静脉走行中心线上的温度传感器采集的温度变化幅度最大；在加压装置施加压力过程中，静脉走行中心线两侧的温度传感器采集的温度变化幅度小于静脉走行中心线上的温度变化幅度；以静脉走行中心线为轴，静脉走行中心线两侧区域温度变化具有对称性分布特征；根据静脉走行中心线、静脉走行中心线两侧温度变化数据及皮下脂肪厚度，主控装置计算出静脉直径、静脉横切面积及静脉三维走行图；温度数据变化消失处为静脉瓣的位置；根据静脉走行中心线、静脉走行中心线两侧温度变化数据、静脉直径、静脉横切面积、皮下脂肪厚度、加压装置的压力传感器采集的压力数据及采集压力数据的时间信息，主控装置纵向及横向比较静脉走行区域温度数据变化幅度及速率，并根据公式c＝⊿v/⊿p计算静脉顺应性，c代表顺应性、⊿v代表容积改变、⊿p代表压力改变；根据静脉走行中心线、静脉直径、静脉三维走行图、静脉瓣的位置、静脉顺应性及皮下脂肪厚度，所述主控装置计算出穿刺点、穿刺角度及穿刺路径。

在利用穿刺装置进行穿刺前，先利用消毒装置对病人皮肤涂抹消毒剂。

主控装置根据穿刺点、穿刺角度及穿刺路径控制穿刺装置，由穿刺装置操控如图1所示的穿刺针调整角度和力度依次穿过皮肤、皮下组织、精准穿刺静脉壁。穿刺装置与穿刺针之间设置压力感受器以采集压力数据，得到穿刺针阻力。

结合图1，穿刺过程中，穿刺针的斜面ab朝向上方，尖端a先进入静脉，此时调整穿刺针角度，使尖端a前进过程中不刺破血管后壁。待斜面ab的后端b完全进入静脉后，穿刺针继续前进一段距离再停止。

主控装置通过控制机械臂来完成上述装置的对准、移动等操作。机械臂的关节设置位置调整装置。机械臂与各装置连接处均设置压力感受器以采集压力数据。制动装置、探测装置、消毒装置、穿刺装置、加压装置均设置参照红外光源以标识位置信息。

本发明基于以下原理：

血液在静脉内流动时对血管壁的压力，称为静脉血压，简称静脉压。静脉压受多方面因素影响，如静脉与右心房的距离、体位、呼吸运动、肌肉运动等都可使静脉压增高或降低。

静脉瓣是静脉壁内膜向管腔突出而成的半月形袋状薄膜，一般两个瓣膜构成一组，向心脏方向开放。瓣膜表面覆盖有一层内皮，中间为致密结缔组织。四肢静脉的瓣膜较多，可防止血液倒流。

物质系统内各个点上温度的集合称为温度场，是时间和空间坐标的函数，反映了温度在空间和时间上的分布。一般可表示为物体空间坐标和时间的函数，即t＝f(x，y，z，t)，式中，x、y、z分别为空间的三个直角坐标；t为时间坐标。按是否稳定，有稳态温度场和非稳态温度场两大类。稳态温度场不随时间而变化；非稳态温度场则须明确指明发生在哪个时刻才有意义。按空间坐标的个数不同，有一维、二维和三维温度场之分。

本发明的探测装置与穿刺部位接触后的温度场是稳态温度场；加压装置加压过程中是非稳态温度场，加压结束后恢复稳态温度场。

顺应性是指弹性体在外力作用下发生形变的难易程度。弹性体的顺应性大表示其变形能力强，即在较小的外力作用下能引起较大的变形。对空腔器官来说，顺应性大则表示其可扩张性大，即在较小的跨壁压作用下就能引起较大的腔内容积改变。顺应性包括静态顺应性和动态顺应性。顺应性计算公式c＝⊿v/⊿p＝1/t，式中c代表顺应性、⊿v代表容积改变、⊿p代表压力改变、t代表弹性阻力，顺应性与弹性阻力在数值上互为倒数，所以顺应性越大，表示弹性阻力越小；顺应性越小，表示弹性阻力越大。

体温是指机体深部的平均温度，由于体内各器官的代谢水平不同，它们的温度略有差别，但不超过1℃。在安静时，肝脏代谢最活跃，温度最高；其次是心脏和消化腺。在运动时则骨骼肌的温度最高。循环血液是体内传递热量的重要途径，由于血液不断循环，深部各个器官的温度会经常趋于一致，因此血液的温度可以代表重要器官温度的平均值。临床上通常用口腔温度、直肠温度和腋窝温度来代表体温。人体各部位皮肤的温度不同，头部皮肤温度较高，足部皮肤温度较低。不同的皮肤温度是由人体核心至皮肤表面的热流与皮肤表面至环境散热之间的热平衡决定的。室温情况下人体浅静脉中血流的温度和皮肤温度存在差异，具有温度检测功能的探头可以检测到此温度差异。专利文献cn201020689725.3，，公开日2011.08.17，公开了一种具有红外线热扫描功能的表层血管显示仪。此实用新型对准人体需要观测的部位，开动红外线热扫描功能，可以对被观察部位进行血管图的静态显示，能进行拍照、拍摄、储存、网络共享、专家分析等功能操作。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明：

实施一：手背浅静脉穿刺

采集病人年龄、性别、身高、体重、胸围、腰围、皮下脂肪厚度数据后，输入主控装置。

病人除外静脉穿刺禁忌证，经电子语音提示于治疗床上保持平卧姿势，暴露穿刺侧前臂及手背皮肤。

治疗室控制为一定温度。治疗室固定位置设置多个红外摄像头进行高频同步成像，治疗床固定位置设置参照红外光源，采集的图像数据输入主控装置。主控装置采用人体轮廓识别技术计算病人身体位置信息，并对多组二维图像进行处理，计算出人体三维轮廓信息。

操作时穿刺部位手背浅静脉输入主控装置，主控装置依据人体三维轮廓信息及穿刺部位发出指令支配机械臂一调整位置，使制动装置与病人穿刺侧前臂接触并保持适当压力，限制病人活动，固定穿刺部位。

主控装置根据穿刺部位信息及人体三维轮廓信息计算出穿刺部位三维轮廓信息，依据穿刺部位三维轮廓信息发出指令使探测装置调整探测面形状，达到探测面与穿刺部位契合的效果，然后发出指令支配机械臂二调整位置，使探测面与穿刺部位接触并保持一定压力，温度传感器高频同步采集温度数据，并将温度数据、采集温度的时间信息及温度传感器位置信息传输至主控装置。主控装置依据穿刺部位三维轮廓信息发出指令支配机械臂三调整位置，使加压装置在穿刺静脉近心端一定位置对局部皮肤施加压力，使静脉回流阻力增大，静脉压增高，静脉血管壁扩张。加压装置与皮肤接触部位设置压力传感器以采集压力数据，并将压力数据及采集压力数据的时间信息传输至主控装置。加压装置施加压力的过程中，探测装置高频同步采集温度数据。

主控装置根据加压装置施加压力过程中探测装置采集的温度数据、采集温度数据的时间信息、温度传感器位置信息、皮下脂肪厚度、加压装置的压力传感器采集的压力数据及采集压力数据的时间信息，计算出静脉走行区域、静脉走行中心线、静脉直径、静脉横切面积、静脉三维走行图、静脉瓣的位置、静脉顺应性、穿刺点、穿刺角度及穿刺路径，发出指令支配机械臂二调整位置，使消毒装置在手背皮肤涂抹消毒剂。完成后，机械臂二与消毒装置分离，与穿刺装置结合，操作穿刺针依次穿刺皮肤、皮下组织、静脉。

穿刺过程中，穿刺针的斜面ab朝向上方，尖端a先进入静脉，此时调整穿刺针角度，使尖端a前进过程中不刺破血管后壁。待斜面ab的后端b完全进入静脉后，穿刺针继续前进一段距离再停止。

实施例二：前臂浅静脉穿刺

采集病人年龄、性别、身高、体重、胸围、腰围、皮下脂肪厚度数据后，输入主控装置。

病人除外静脉穿刺禁忌证，经电子语音提示于治疗床上保持平卧姿势，暴露穿刺侧前臂皮肤。

治疗室控制为一定温度。治疗室固定位置设置多个红外摄像头进行高频同步成像，治疗床固定位置设置参照红外光源，采集的图像数据输入主控装置。主控装置采用人体轮廓识别技术计算病人身体位置信息，并对多组二维图像进行处理，计算出人体三维轮廓信息。

操作时穿刺部位前臂浅静脉输入主控装置，主控装置依据人体三维轮廓信息及穿刺部位发出指令支配机械臂一调整位置，使制动装置与病人穿刺侧前臂接触并保持适当压力，限制病人活动，固定穿刺部位。

主控装置根据穿刺部位信息及人体三维轮廓信息计算出穿刺部位三维轮廓信息，依据穿刺部位三维轮廓信息发出指令使探测装置调整探测面形状，达到探测面与穿刺部位契合的效果，然后发出指令支配机械臂二调整位置，使探测面与穿刺部位接触并保持一定压力，温度传感器高频同步采集温度数据，并将温度数据、采集温度的时间信息及温度传感器位置信息传输至主控装置。主控装置依据穿刺部位三维轮廓信息发出指令支配机械臂三调整位置，使加压装置在穿刺静脉近心端一定位置对局部皮肤施加压力，使静脉回流阻力增大，静脉压增高，静脉血管壁扩张。加压装置与皮肤接触部位设置压力传感器以采集压力数据，并将压力数据及采集压力数据的时间信息传输至主控装置。加压装置施加压力的过程中，探测装置高频同步采集温度数据。

主控装置根据加压装置施加压力过程中探测装置采集的温度数据、采集温度数据的时间信息、温度传感器位置信息、皮下脂肪厚度、加压装置的压力传感器采集的压力数据及采集压力数据的时间信息，计算出静脉走行区域、静脉走行中心线、静脉直径、静脉横切面积、静脉三维走行图、静脉瓣的位置、静脉顺应性、穿刺点、穿刺角度及穿刺路径，发出指令支配机械臂二调整位置，使消毒装置在手背皮肤涂抹消毒剂。完成后，机械臂二与消毒装置分离，与穿刺装置结合，操作穿刺针依次穿刺皮肤、皮下组织、静脉。

穿刺过程中，穿刺针的斜面ab朝向上方，尖端a先进入静脉，此时调整穿刺针角度，使尖端a前进过程中不刺破血管后壁。待斜面ab的后端b完全进入静脉后，穿刺针继续前进一段距离再停止。

实施例三：足背静脉穿刺

采集病人年龄、性别、身高、体重、胸围、腰围、皮下脂肪厚度数据后，输入主控装置。

病人除外静脉穿刺禁忌证，经电子语音提示于治疗床上保持平卧姿势，暴露穿刺侧小腿及足背皮肤。

治疗室控制为一定温度。治疗室固定位置设置多个红外摄像头进行高频同步成像，治疗床固定位置设置参照红外光源，采集的图像数据输入主控装置。主控装置采用人体轮廓识别技术计算病人身体位置信息，并对多组二维图像进行处理，计算出人体三维轮廓信息。

操作时穿刺部位足背浅静脉输入主控装置，主控装置依据人体三维轮廓信息及穿刺部位发出指令支配机械臂一调整位置，使制动装置与病人穿刺侧前臂接触并保持适当压力，限制病人活动，固定穿刺部位。

主控装置根据穿刺部位信息及人体三维轮廓信息计算出穿刺部位三维轮廓信息，依据穿刺部位三维轮廓信息发出指令使探测装置调整探测面形状，达到探测面与穿刺部位契合的效果，然后发出指令支配机械臂二调整位置，使探测面与穿刺部位接触并保持一定压力，温度传感器高频同步采集温度数据，并将温度数据、采集温度的时间信息及温度传感器位置信息传输至主控装置。主控装置依据穿刺部位三维轮廓信息发出指令支配机械臂三调整位置，使加压装置在穿刺静脉近心端一定位置对局部皮肤施加压力，使静脉回流阻力增大，静脉压增高，静脉血管壁扩张。加压装置与皮肤接触部位设置压力传感器以采集压力数据，并将压力数据及采集压力数据的时间信息传输至主控装置。加压装置施加压力的过程中，探测装置高频同步采集温度数据。

主控装置根据加压装置施加压力过程中探测装置采集的温度数据、采集温度数据的时间信息、温度传感器位置信息、皮下脂肪厚度、加压装置的压力传感器采集的压力数据及采集压力数据的时间信息，计算出静脉走行区域、静脉走行中心线、静脉直径、静脉横切面积、静脉三维走行图、静脉瓣的位置、静脉顺应性、穿刺点、穿刺角度及穿刺路径，发出指令支配机械臂二调整位置，使消毒装置在手背皮肤涂抹消毒剂。完成后，机械臂二与消毒装置分离，与穿刺装置结合，操作穿刺针依次穿刺皮肤、皮下组织、静脉。

穿刺过程中，穿刺针的斜面ab朝向上方，尖端a先进入静脉，此时调整穿刺针角度，使尖端a前进过程中不刺破血管后壁。待斜面ab的后端b完全进入静脉后，穿刺针继续前进一段距离再停止。