血管辅助穿刺系统及机器人的制作方法

本申请涉及一种智能医疗器械技术领域，特别是涉及一种血管辅助穿刺系统及机器人。

背景技术：

在临床实践中，血管穿刺为临床日常工作的重要部分，其主要分为浅表静脉穿刺、深静脉穿刺和动脉穿刺。浅表静脉穿刺主要用于输液、抽血等；深静脉穿刺主要用于长期留置输液管、快速输液给药等；动脉穿刺主要用于检测血气变化等。浅表静脉由于肉眼下可见，往往容易穿刺，但是对于急救、休克、失血所导致的血液量急剧减少、血管塌陷的病人、过于肥胖的病人、血管弹性很差的病人、产科刚出生的婴幼儿、儿科病人、肾内科全身浮肿病人、高干科病人、急救病人、血液科、肿瘤科多次化疗病人等，其穿刺的成功率较低，穿刺的次数较多，穿刺困难度较大。此外，在进行深静脉穿刺和动脉穿刺时，由于肉眼下无法直视，故常需要较为丰富的临床经验，通过体表标志或触及动脉搏动进行相应的穿刺。而且对于需进行此类操作的病人，其病情往往较重，需较快的完成相应操作，例如：休克病人、麻醉中的病人、呼吸衰竭的病人和呼吸性酸碱平衡紊乱的病人，故长时间的反复穿刺、或穿刺失败，可能引起不可挽回的损伤。

目前对于穿刺困难的病人，可在超声引导下进行穿刺。但是操作者需一手持超声探头，另一手持穿刺针，并且眼睛既要观察穿刺针在体表的位置，又要注视超声屏幕，实时判断穿刺针在体内的角度、深度等，而且还需将超声的二维图像，转化为三维立体图像。可见，此方法仍需长期训练，并具有一定的难度。

目前已有的针对血管穿刺机器人的应用专利，但大多是以红外线为探测血管的手段，例如：通过红外成像和压力变化来识别和穿刺血管，红外线外周静脉穿刺导航仪等。由于红外线定位只适用于体表浅表静脉，对深静脉或者是动脉往往无法精确定位，故这一类型的穿刺机器人在临床应用有一些限制。相反超声定位可探测到体表深部的血管，故可有效的弥补红外线的不足。

另外还有全自动的血管穿刺机器人系统的应用，例如：穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统，主被动混合式锁骨下静脉穿刺机器人等。此类机器人对末端机械臂的精准性要求较高，而且软组织具有一定的活动度，往往难以实现自动注射。

因此，亟需一种能够准确、快速的找到目标血管并提供穿刺引导的设备。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请要解决的技术问题在于提供一种血管辅助穿刺系统及机器人，用于解决现有技术中无法准确、快速的找到要穿刺的血管的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种血管辅助穿刺系统，所述系统包括：机械臂，所述机械臂末端分别设有超声探头、及穿刺引导单元；所述超声探头用于扫描目标区域，以实时获取血管扫描数据和/或穿刺扫描数据；所述穿刺引导单元用于置入或固定穿刺针；数据处理单元，用于依据所述血管扫描数据融合出血管三维模型，通过输入筛选参数或人工经验选出目标血管，并计算出对应所述目标血管的最优穿刺参数；依据所述最优穿刺参数调整所述穿刺引导单元的空间位置以指示出入针点、及入针角度，供指导穿刺；和/或，将所述最优穿刺参数与所述穿刺扫描数据中所述穿刺针的实时运动轨迹进行比较，以供判断穿刺是否正确。

于本申请的一实施例中，所述筛选参数包括：血管类型、血管粗细、血管长短、血管形状、位置、及皮下深度中任意一种或多种组合。

于本申请的一实施例中，所述最优穿刺参数包括：入针点、穿刺角度、穿刺深度、穿刺路径、穿刺工具、及穿刺距离中任意一种或多种组合。

于本申请的一实施例中，所述超声探头滑动连接于所述穿刺引导单元外侧，所述超声探头能够围绕所述穿刺引导单元进行移动；所述穿刺引导单元内设中空的置针处。

于本申请的一实施例中，所述穿刺引导单元与所述超声探头分离设置，并且二者之间相互独立运动；所述穿刺引导单元为六自由度移动装置，所述穿刺引导单元末端设有用于置入或固定所述穿刺针的置针处。

于本申请的一实施例中，所述依据所述最优穿刺参数进行空间位置调整以指示出入针点、及入针角度，以指导进行血管穿刺的功能具体包括：基于所述血管三维模型，获取所述超声探头的物理世界坐标、及所述超声探头与所述血管扫描数据和/或穿刺扫描数据于同一坐标坐标系下的关联关系，以构建所述血管三维模型与所述超声探头的物理世界坐标的关联关系；获取所述超声探头与所述穿刺引导单元的物理世界坐标的关联关系，通过坐标转换以得到所述血管三维模型与所述穿刺引导单元的物理世界坐标的关联关系；依据所述最优穿刺参数调整所述穿刺引导单元的空间位置以指示出入针点、及入针角度，供指导穿刺。

于本申请的一实施例中，所述数据处理单元，还用于依据所述穿刺扫描数据中所述穿刺针的实时运动轨迹，在所述血管三维模型中实时示意出所述穿刺针对应的延长线，以便与所述最优穿刺参数进行比较；和/或，还用于当检测到所述穿刺针的针头进入所述目标血管时进行提示。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种血管辅助穿刺机器人，包括：如上所述的血管辅助穿刺系统。

如上所述，本申请提供的一种血管辅助穿刺系统及机器人。通过在机械臂的带动下通过超声探头扫描目标穿刺区域，以实时获取血管扫描数据和/或穿刺扫描数据；依据所述血管扫描数据融合出血管三维模型，通过输入筛选参数或人工经验选出目标血管，并计算出对应所述目标血管的最优穿刺参数；依据所述最优穿刺参数调整穿刺引导单元的空间位置以指示出入针点、及入针角度，供指导穿刺；和/或，将所述最优穿刺参数与所述穿刺扫描数据中所述穿刺针的实时运动轨迹进行比较，以供判断穿刺是否正确。

达到了以下有益效果：

本申请能够快速并准确的确认待穿刺血管位置，并通过计算可以通过穿刺引导装置对穿刺的角度及位置进行指导，并在穿刺过程中实时监测以确保穿刺的准确性，大大提高了各类型血管的确认及穿刺效率，节省了宝贵的时间，提高了穿刺的安全性。

附图说明

图1a为本申请于一实施例中的一种血管辅助穿刺系统的场景示意图。

图1b为本申请于另一实施例中的一种血管辅助穿刺系统的场景示意图。

图1c为本申请于另一实施例中的一种血管辅助穿刺系统的场景示意图。

图1d为本申请于另一实施例中的一种血管辅助穿刺系统的场景示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

为便于理解本申请所提供的一种血管辅助穿刺系统及机器人，下面通过该系统在场景中的示意图予以展示。

如图1a所示，展示本申请实施例中的一种血管辅助穿刺系统的结构示意图。如图所示，所述系统包括：

机械臂1，所述机械臂1末端分别设有超声探头11、及穿刺引导单元12。

于本实施例中，所述机械臂1具体包含一可移动基座，以及多节子机械臂，通过多节子机械臂的摆动，以及移动基座的移动，能够使所述机械臂1设有有超声探头11、及穿刺引导单元12的末端调整到任意位置，从而针对目标区域(待穿刺血管区域)实现多角度的扫描。

于本实施例中，在开始超声扫描前或扫描中，所述机械臂1可以是通过人工来移动会摆动。

于本申请的一实施例中，所述超声探头11用于扫描目标区域，以实时获取血管扫描数据和/或穿刺扫描数据。

具体来说，所述血管扫描数据主要为穿刺前目标区域内血管的扫描数据；所述穿刺扫描数据主要为进行穿刺时目标区域内穿刺针的扫描数据。

另外，所述血管扫描数据或穿刺扫描数据具体可以是实时的数据流(视频流)，也可以是短间隔连续的扫描图像数据，多张短间隔连续的扫描图像以形成动态扫描数据。

于本申请的一实施例中，所述穿刺引导单元12用于置入或固定穿刺针。

于本实施例中，所述穿刺引导单元12还包含有用于置入或固定穿刺针的置针处121。

具体来说，所述穿刺引导单元12自动调整好位置后，医务人员将穿刺针放入所述置针处121入，以对血管进行穿刺。

于本申请中，所述机械臂1末端设有的超声探头11、及穿刺引导单元12具有两种实施例。

第一实施例

参见图1a，展示本申请于一实施例中的一种血管辅助穿刺系统的结构示意图。如图所示，所述超声探头11滑动连接于所述穿刺引导单元12外侧，所述超声探头11能够围绕所述穿刺引导单元12进行移动；所述穿刺引导单元12内设中空的置针处121。

于本实施例中，所述超声探头11、及穿刺引导单元12可以看作一整体结构，其中心为穿刺引导单元12，所述穿刺引导单元12为中空结构，用于置入或固定穿刺针，其中置针处121为放入穿刺针的位置，在医务人员进行穿刺时，医务人员还可将手置入置针处121通过按压穿刺针(针管尾部)以进行穿刺。

于本实施例中，所述穿刺引导单元12可以为圆筒装，或长方体。

于一实施例中，所述穿刺引导单元12外侧可通过设置一轴承类器件来固定所述超声探头11，以使得所述超声探头11可围绕所述穿刺引导单元12进行移动，以实现超声探头11多角度的扫描。或者，所述穿刺引导单元12任意一侧与所述超声探头11固定连接，可通过旋转所述穿刺引导单元12，以实现所述超声探头11以所述穿刺引导单元12为中心的旋转移动。

于另一实施例中，所述穿刺引导单元12外侧设有滑动槽，所述超声探头11设有滑动块，将所述滑动块设于所述穿刺引导单元12的滑动槽内，可使得所述超声探头11可围绕所述穿刺引导单元12进行移动。

具体来说，所述超声探头11可以为一个或多个。

第二实施例

如图1b，展示本申请于另一实施例中的一种血管辅助穿刺系统的结构示意图。如图所示，所述穿刺引导单元12与所述超声探头11分离设置，并且二者之间相互独立运动；所述穿刺引导单元12为六自由度移动装置，所述穿刺引导单元12为六自由度移动装置，所述穿刺引导单元12末端设有用于置入或固定所述穿刺针的置针处121。

于本实施例中，所述超声探头11的移动主要通过机械臂1的移动而带动的。而所述穿刺引导单元12通过设计为六自由度移动装置，可调整为任意角度或任意空间位置。

于本实施例中，置针处121设于所述穿刺引导单元12末端。通过所述穿刺引导单元12为中空结构，用于置入或固定穿刺针，在医务人员进行穿刺时，医务人员还可将手置入置针处121通过按压穿刺针(针管尾部)以进行穿刺。

所述系统还包括：数据处理单元2，用于依据所述血管扫描数据融合出血管三维模型，通过输入筛选参数或人工经验选出目标血管，并计算出对应所述目标血管的最优穿刺参数；依据所述最优穿刺参数调整所述穿刺引导单元的空间位置以指示出入针点、及入针角度，供指导穿刺；和/或，将所述最优穿刺参数与所述穿刺扫描数据中所述穿刺针的实时运动轨迹进行比较，以供判断穿刺是否正确。

于本实施例中，数据处理单元2可以是服务器，还可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

于本实施例中，所述数据处理单元2可以独立设置的通过有线或无线通信连接的一体处理器，如台式电脑或超声数据分析器等。可参见图1c。

于本申请的一实施例中，所述通信连接的通信方式包括：wifi、nfc、蓝牙、以太网、gsm、4g、及gprs中任意一种或多种组合。

所述通信连接的通信方式包括：wifi、nfc、蓝牙、以太网、gsm、4g、及gprs中任意一种或多种组合。

于另一实施例中，所述数据处理单元2还可以是机械臂1上延伸出的一可移动操作界面。该操作界面具有处理器，并可通过触摸进行操作。可参见图1d。

于本实施例中，依据所述血管扫描数据融合出血管三维模型。具体为将所述血管扫描数据的数据流(视频流)或图像数据，进行三维视频融合或三维图像融合。由于通过超声扫描获得的数据，具有一定深度信息(超声波发射并返回的时间或距离)，因此借用三维视频融合或三维图像融技术构建血管三维模型。具体三维视频融合或三维图像融合均可参考常见的三维影像融合技术。

在得到血管三维模型之后，可通过输入筛选参数对繁多的血管进行筛选以选出待穿刺的目标血管，还可以通过医生或护士的经验，通过所述数据处理单元2上所呈现的血管三维模型找到目标血管，如通过观察可以找到适合穿刺的血管位置，通过选中血管三维模型中相应的血管以确定选择的目标血管。

于本申请的一实施例中，所述筛选参数包括：血管类型、血管粗细、血管长短、血管形状、位置、及皮下深度中任意一种或多种组合。

举例来说，在所述血管三维模型构建完成后，通过设置筛选选项，通过输入筛选的条件，如血管类型、血管粗细、血管长短、血管形状、位置、及皮下深度等，以精确的找到目标血管。这种方式能够较好适用于皮下深度较深的血管，往往医生或护士的经验不足以准确找到目标血管。

当然，所述筛选参数包含但不仅限于本申请所述的内容，还包含其他可用于筛选血管的参数。

在确认目标血管之后，通过所述数据处理单元2计算，例如，以穿刺条件或环境为参考量，如穿刺针的整个过程不碰触到其他血管，入针角度尽量垂直于皮表平面等，通过预设相应算法，以找到穿刺针穿刺到该目标血管的最佳路径，并以此得到相应的最优穿刺参数。

于本申请的一实施例中，所述最优穿刺参数包括：入针点、穿刺角度、穿刺深度、穿刺路径、穿刺工具、及穿刺距离中任意一种或多种组合。

于本实施例中，通过最优穿刺参数以使本申请中的机械臂1的穿刺引导单元12能够根据相关参数，调整到对应最优穿刺路径，从而指示医生或护士快速进行穿刺，与传统中操作者需一手持超声探头，另一手持穿刺针，并且眼睛既要观察穿刺针在体表的位置，又要注视超声屏幕的方式相比，本申请大大提高了操作者进行穿刺的准确性及效率。

于本申请的一实施例中，所述依据所述最优穿刺参数进行空间位置调整以指示出入针点、及入针角度，以指导进行血管穿刺的功能具体包括：

a、基于所述血管三维模型，获取所述超声探头11的物理世界坐标、及所述超声探头11与所述血管扫描数据和/或穿刺扫描数据于同一坐标坐标系下的关联关系，以构建所述血管三维模型与所述超声探头11的物理世界坐标的关联关系；

b、获取所述超声探头11与所述穿刺引导单元12的物理世界坐标的关联关系，通过坐标转换以得到所述血管三维模型与所述穿刺引导单元12的物理世界坐标的关联关系；

c、依据所述最优穿刺参数调整所述穿刺引导单元12的空间位置以指示出入针点、及入针角度，供指导穿刺。

于本实施例中，通过机械臂1实现摆动所遵循的内部机械坐标，可以得到所述超声探头11的物理世界坐标与所述穿刺引导单元12的物理世界坐标，以及二者之间如图1a的关联关系或如图1b的关联关系。

再通过所述超声探头11的扫描参数(内外参数、及扫描角度)与目标区域的对应关系(超声波反射距离)，以确定所述血管三维模型与所述超声探头11的物理世界坐标的关联关系，进而能够得到所述血管三维模型与所述穿刺引导单元12的物理世界坐标的关联关系。

于本实施例中，在所述血管三维模型与所述穿刺引导单元12的物理世界坐标的关联关系基础上，依据所述最优穿刺参数，能够计算出调整所述穿刺引导单元12至相应位置所需的坐标数据，所述数据处理单元2传输相应数据的控制指令至所述穿刺引导单元12，以使如图1c所示的穿刺引导单元12(带动超声探头1相应移动)，或如图1b所示的穿刺引导单元12(通过六自由度移动装置进行移动)自动调整控制位置，以对应所述血管三维模型中的最佳轨迹(最优穿刺参数)指示出入针点、及入针角度，供指导穿刺。

于本申请的一实施例中，所述数据处理单元2，还用于依据所述穿刺扫描数据中所述穿刺针的实时运动轨迹，在所述血管三维模型中实时示意出所述穿刺针对应的延长线，以便与所述最优穿刺参数进行比较；和/或，还用于当检测到所述穿刺针的针头进入所述目标血管时进行提示。

于本实施例中，所述穿刺扫描数据是在进行穿刺时扫描到穿刺针运动轨迹的数据。依据所述穿刺扫描数据中的穿刺针，在所述血管三维模型中实时示意出所述穿刺针对应的延长线，所述延长线即所述穿刺针的延长线，以此方便与所述最优穿刺参数进行比较，提高穿刺准确度。

当所述穿刺针到达所述目标血管时，所述数据处理单元2还可以进行提示，如语音提示、文字提示、亮灯提示中任意一种或多种组合。

于本申请的一实施例中，本申请还提供一种血管辅助穿刺机器人，包括：如图1c或1d所述的血管辅助穿刺系统。

于本实施例中，所述血管辅助穿刺机器人为机械臂，所述机械臂末端分别设有超声探头、及穿刺引导单元，所述超声探头用于扫描目标区域，以实时获取血管扫描数据和/或穿刺扫描数据；所述穿刺引导单元用于置入或固定穿刺针。另外，所述血管辅助穿刺机器人还于所述机械臂上设置所述数据处理单元，以用于依据所述血管扫描数据融合出血管三维模型，通过输入筛选参数或人工经验选出目标血管，并计算出对应所述目标血管的最优穿刺参数；依据所述最优穿刺参数调整所述穿刺引导单元的空间位置以指示出入针点、及入针角度，供指导穿刺；和/或，将所述最优穿刺参数与所述穿刺扫描数据中所述穿刺针的实时运动轨迹进行比较，以供判断穿刺是否正确。

综上所述，本申请提供的一种血管辅助穿刺系统及机器人。通过在机械臂的带动下通过超声探头扫描目标穿刺区域，以实时获取血管扫描数据和/或穿刺扫描数据；依据所述血管扫描数据融合出血管三维模型，通过输入筛选参数或人工经验选出目标血管，并计算出对应所述目标血管的最优穿刺参数；依据所述最优穿刺参数调整穿刺引导单元的空间位置以指示出入针点、及入针角度，供指导穿刺；和/或，将所述最优穿刺参数与所述穿刺扫描数据中所述穿刺针的实时运动轨迹进行比较，以供判断穿刺是否正确。

综上所述，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。