CN108577945A - 神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，包括：控制系统以及与之连接的操作臂、超声探头、穿刺针、麻醉药注射器、耦合剂喷洒器、消毒液喷洒器和感应模块；控制系统包括计算机系统以及与之连接的操作台和视频系统，操作台用以控制各执行机构动作，视频系统用以实时获取和显示手术操作过程的数据和图像信息；多个压力传感器分别设置在主机械臂、穿刺机械臂和麻醉药注射器上，以测量并上传压力数据至控制系统的计算机系统。上述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，以实现神经阻滞麻醉的智能化操作，提高麻醉的准确度和灵敏度，减少甚至避免误操作，同时减轻麻醉医生工作强度。

Description

神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统

技术领域

本发明涉及超声引导下的神经阻滞麻醉技术领域，具体涉及一种神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统。

背景技术

神经阻滞术是指在神经干、丛、节的周围注射局麻药，使其支配的区域产生麻醉作用，是临床上常用的麻醉和镇痛方法，配合现代医学的“第三只眼睛”——超声，超声引导下神经阻滞技术已经发展成熟起来，其具有可视精准、安全阻滞效果好、舒适等特点，可以精确定位神经，避免误穿血管，减少局麻药用量，效果确切，现已被广泛应用于临床麻醉。

当前临床上的超声引导下的神经阻滞麻醉操作，由麻醉医生手动操作完成，需要麻醉医生手、眼协调操作，方可实现超声图像中的穿刺进针及注射药物，学习难度大、周期长，且容易出现误判、误操作，导致进针过深或位置偏移损伤周围组织，造成不必要的损伤；且麻醉医生每天常常需要进行上百次的重复操作，操作强度大，也进一步增加了麻醉操作的风险。

因此，如果能利用现代智能化技术，实现超声扫查及超声引导下的神经阻滞麻醉的穿刺操作智能化，从而减轻麻醉医生工作强度，提高麻醉的准确度和灵敏度，减少甚至避免误操作，对提高神经阻滞麻醉技术和现代医疗水平都具有非常积极的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，以实现神经阻滞麻醉的智能化操作，提高麻醉的准确度和灵敏度，减少甚至避免误操作，同时减轻麻醉医生工作强度。

一种神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，包括：控制系统以及与所述控制系统控制连接的操作臂、超声探头、穿刺针、麻醉药注射器、耦合剂喷洒器、消毒液喷洒器和感应模块；所述控制系统包括：计算机系统以及与所述计算机系统电性连接的操作台和视频系统，所述操作台用以控制操作臂、超声探头、穿刺针、麻醉药注射器、耦合剂喷洒器和消毒液喷洒器动作，所述视频系统用以实时获取和显示手术操作过程的数据和图像信息；所述操作臂包括：主机械臂和穿刺机械臂，所述主机械臂的末端设置所述超声探头，所述穿刺机械臂连接于主机械臂的近超声探头端，并能围绕主机械臂做环绕运动，穿刺机械臂的末端设置所述穿刺针；所述麻醉药注射器与所述穿刺针连接；所述耦合剂喷洒器的喷洒口设置于主机械臂的末端，并能将耦合剂喷洒涂抹到所述超声探头表面；所述消毒液喷洒器的喷洒口设置于穿刺机械臂的末端；所述感应模块包括：由多个压力传感器组成的接触感应单元，多个所述压力传感器分别设置在主机械臂、穿刺机械臂和麻醉药注射器上，以测量并上传压力数据至控制系统的计算机系统。

进一步地，所述操作臂为七自由度拟人机械臂，机械臂的运动精度小于0.1毫米。

进一步地，所述视频系统包括：采集手术目标面部表情的摄像装置、观察操作臂动作和穿刺点周围的实时情况的操作监控装置以及显示超声探头探测情况的超声图像显示装置。

进一步地，所述感应模块还包括：光学感应单元，所述光学感应单元与控制系统的计算机系统电性连接，利用光学图像扫描定位人体部位并上传定位数据至计算机系统。

进一步地，所述光学感应单元为红外扫描装置。

进一步地，所述感应模块还包括：声音感应单元，所述声音感应单元与控制系统的计算机系统电性连接，获取手术目标语音信息并上传音频数据至计算机系统。

进一步地，所述神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统还包括：语音表达模块，所述语音表达模块与控制系统的计算机系统电性连接，以向患者表达语音信息。

进一步地，所述神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统还包括：生命监护模块，所述生命监护模块与控制系统的计算机系统电性连接，用于监护并上传手术目标的生命特征，所述生命特征包括脉搏、血压和体温。

进一步地，所述控制系统还包括：自控操作模块，所述自控操作模块与计算机系统电性连接，用于控制操作臂、超声探头、穿刺针、麻醉药注射器、耦合剂喷洒器和消毒液喷洒器自主执行已预设的操作方案。

上述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，使用时，手术目标置于检查床，在各项辅助确认工作完成之后，控制系统控制耦合剂喷洒器向超声探头表面喷洒耦合剂，之后控制主机械臂移动超声探头进行超声扫描，超声确认穿刺目标后，控制消毒液喷洒器向穿刺局部喷洒消毒液消毒，然后穿刺机械臂环绕主机械臂运行到达最佳穿刺位置后进行穿刺操作；在穿刺进针过程中，依据穿透不同组织时压力不同的原理，通过压力传感器进行力学监控，确认达到靶目标；穿刺针到达靶目标后，麻醉药注射器回抽测压，麻醉药物注射器上的压力传感器采集压力数据绘制压力力曲线，回抽压力符合正常负压图像后开始注射药物，注射压力曲线图符合该组织周围注射压力范围时，持续注药直到包绕神经完成注射；完成输麻药操作后，操作臂沿进针路线退针。

采用上述技术方案，本发明具有一下有益效果：

1、以现代智能控制技术集大成的机械臂为核心执行元件，通过机械操作辅助和替代纯人工手术操作，通过控制系统远程控制耦合剂涂抹、超声探头探测、消毒剂喷洒、穿刺针穿刺、麻药注射等一系列手术操作有序进行，实现神经阻滞麻醉的智能化操作，减少人为操作失误，减轻麻醉医生工作强度；

2、主机械臂可全角度旋转，活动范围可达全身，穿刺机械臂可围绕主机械臂进行环绕运动，以此来调整穿刺角度和进针点的位置，穿刺的准确性高；

3、辅以感应模块对穿刺位置、深度、压力等操作信息进行实时的感应测量反馈，并通过视频系统进行实时监控，保证手术操作的安全性和灵敏性，有效减少甚至避免误操作；

4、可在自动控制技术的基础上，实现穿刺操作的自动控制，解放人力，真正意义上的实现神经阻滞麻醉自动操作。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例操作臂以及与之连接的执行机构的结构示意图；

图3为本发明实施例的控制原理示意图；

图4为本发明实施例穿刺麻醉的逻辑原理图示意图；

附图标记：1-控制系统，11-计算机系统，12-操作台，13-视频系统，

131-摄像装置，132-操作监控装置，133-超声图像显示装置，14-自控操作模块，2-操作臂，21-主机械臂，22-穿刺机械臂，3-超声探头，4-穿刺针，5-麻醉药注射器，6-耦合剂喷洒器，7-消毒液喷洒器，8-感应模块，81-接触感应单元，82-光学感应单元，83-声音感应单元，9-语音表达模块，10-生命监护模块。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至图3所示，本实施例提供的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，包括：控制系统1以及与控制系统1控制连接的操作臂2、超声探头3、穿刺针4、麻醉药注射器5、耦合剂喷洒器6、消毒液喷洒器7和感应模块8。

操作臂2为七自由度拟人机械臂，其运动精度小于0.1毫米，以保证穿刺的准确性。七自由度拟人机械臂的具体结构和控制技术，国内外和多机构都已经获得突破，如：ABB公司开发的FRIDA机器人的每个手臂都有7各自有度，末端可以安装各类传感器和工具，日本川田工业株式会社研发的冗余机器人HRP-3的手臂也具有7各自由度，国内的北京航天航空大学研制的7自由度PA10机器人，也可以达到相应的拟人动作，而在医疗领域，拟人臂装备协助医疗人员进行一些危险的实验或难度较大的手术操作，已经成为现实，因此，机械臂的具体结构和原理，此处不在赘述。

参见图2，本实施例中的操作臂2，包括：主机械臂21和穿刺机械臂22，主机械臂21可全角度旋转，主机械臂21的末端可夹持固定不同型号的超声探头3，并可做围绕扫查部位全角度运动，保证所持超声探头3和皮肤的紧密贴合，进行身体扫查检查，确定穿刺靶目标；耦合剂喷洒器6的喷洒口设置于主机械臂21的末端，以将耦合剂喷洒涂抹到超声探头3表面，利于超声探头3和皮肤之间耦合排除空气，确保超声探测的准确性。穿刺机械臂22为一个小型的机械臂，其连接于主机械臂21的靠近近超声探头3的一端，并能围绕主机械臂21做环绕运动，具体可以在主机械臂21上设置环形导轨，穿刺机械臂22可驱动的连接于环形导轨上来实现环形运动，当然其他如环形齿轮等能实现环形轨迹驱动的机械结构也是可以的，只要能达到准确调整穿刺机械臂22的穿刺角度和进针点的位置的效果即可；穿刺机械臂22的末端固定并控制穿刺针4，穿刺针4与麻醉药注射器5连接，以将麻药通过穿刺针注入靶目标位置进行麻醉；消毒液喷洒器7的喷洒口设置于穿刺机械臂22的末端，可在定位成功后喷洒消毒液对穿刺部位消毒。

穿刺机械臂22可收折贴附或藏置在主机械臂21上，做超声检查时，只用主机械臂21动作即可，操作更加干净利落，需要穿刺时再伸出穿刺机械臂22进行相应手术动作，控制有序，操作简单。同时，主机械臂21和穿刺机械臂22采用大臂加小臂的结构，且小臂(穿刺机械臂22)依附大臂(主机械臂21)设置，穿刺机械臂22主要用于穿刺注射，在满足强度和力量要求的基础上，减小其结构规模，利于结构的精细化和小巧化；且穿刺机械臂22可以借用主机械臂21的部分自由度，其在主机械臂21的配合下能完成全角度动作即可，穿刺机械臂22本身不需要具备完全的七自由度拟人动作能力，进一步的简化机构，消除控制冗余，控制更加快捷、可靠，配置成本也相应降低。

参见图3，操作臂2、超声探头3、穿刺针4、麻醉药注射器5、耦合剂喷洒器6以及消毒液喷洒器7等动作执行元件的动作皆由控制系统1控制完成。本实施例中的控制系统1包括：计算机系统11以及与计算机系统11电性连接的操作台12和视频系统13；计算机系统11上设置有用于接收所有数据信息和控制各执行元件的人机交互软件，通过人机交互，操作者坐在远离手术台的操作台12前，通过视频系统13获取如：超声探头3获取的超声图像及操作臂2的运动状况等手术操作过程的数据和图像信息，双手控制操作台12上的操作杆、按钮等控制媒介输入操作命令，并在计算机系统11的计算和处理之后，传达到操作臂2上并使操作臂2到达相应的位置，最终控制操作臂2、超声探头3、穿刺针4、麻醉药注射器5、耦合剂喷洒器6和消毒液喷洒器7完成耦合剂涂抹、超声探头探测、消毒剂喷洒、穿刺针穿刺、麻药注射等一系列手术操，计算机系统11会自动滤除术者动作中的不自主颤动，保证操作的精确性和平稳性。

视频系统13具体包括：摄像装置131、操作监控装置132和超声图像显示装置133，摄像装置131采集手术目标的面部表情和如外伤之类的异常临床征象等图像数据，计算机系统11根据获取的面部表情图像数据评定疼痛评分；操作监控装置132观察操作臂2的动作情况以及穿刺点周围的实时情况等图像数据；超声图像显示装置133显示超声探头3探测情况的超声图像数据；各类图像数据传送至计算机系统11进行正和处理和分析，辅助手术操作顺利进行。

上述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统还包括：语音表达模块9，该语音表达模块9与控制系统1的计算机系统11电性连接，使用语音表达模块9可以在操作前向患者表达表达关切，以及传达检查进度，安慰控制患者紧张情绪，表达超声扫查结果和分析目前患者情况，取得患者的配合，促进手术操作更好进行。

为防止误穿，以及避免操作臂2的力量过大对患者造成不适或者伤害，操作臂2及相关执行机构的动作接在感应模块8的实时监控反馈下进行。

感应模块8包括：由多个压力传感器组成的接触感应单元81，多个压力传感器分别设置在主机械臂21、穿刺机械臂22和麻醉药注射器5上，以测量并上传压力数据至控制系统1的计算机系统11。具体的，主机械臂21和穿刺机械臂22上的压力传感器，感应到压力超过设定值时，主机械臂21和穿刺机械臂22会停止继续运动，并向相反方向返回，以防止手术目标受到操作臂的物理伤害；同时，因超声探头3与主机械臂21连接，主机械臂21上的压力传感器设定超声探头3部位的人体可承受的压力范围，防止超声探头3用力过度对患者造成不适；同样的，穿刺针4连接在穿刺机械臂22上,穿刺机械臂22上的压力传感器设置靶目标组织穿刺压力的安全范围，因穿刺针4遇到不同组织所受到的压力不同，进而可协同判断穿刺针4所在组织从而避免误穿。麻醉药注射器5上的压力传感器测量注射和回抽压力，回抽为正压说明穿刺针4到达有体液的组织，注射压力过大说明穿刺针4达到密度较大的组织，因此，通过压力传感器能判定是否准确穿刺达到靶目标，同时确认注射压力并实时提醒压力变化及注射剂量。

本实施例中，感应模块8还包括：光学感应单元82，光学感应单元82具体可以使用红外扫描装置，红外扫描装置发出的红外光能感知体温快速的确定待扫描区域，进而可以利用光学图像扫描定位人体部位，辅助超声探头3进行人体定位，区域定位更加准确。同时，还在感应模块8设置声音感应单元83，声音感应单元83与控制系统1的计算机系统11电性连接，采集患者的声频并分析，获取患者表达的信息上传计算机系统11，辅助判定手术进行的状态。

通过控制系统1和感应模块8的协同工作，远程控制操作臂2运行到相应位置，通过超声探头3进行超声扫描并接收扫描数据，之后进行穿刺并接收压力传感器的数据，控制系统1会根据压力传感器实时采集的压力值对穿刺针4的轴向受力进行分析并绘制穿刺过程的受力曲线图，同时控制系统1通过受力值的变化来判断穿刺针穿透不同组织时的压力变化，确定穿刺的准确度。穿刺到达靶目标区域之后，控制系统1控制麻醉药注射器5进行麻醉药物注射并接收压力传感器感应的注射压力数据；同时，穿刺和注射过程中，控制系统1控制光学感应单元82和声音感应单元83采集患者的图像和音频信息，控制系统1综合接收到的图像数据、压力数据、音频数据等各项信息综合分析处理，实时监控反馈，提高操作的灵敏性，保证穿刺麻醉操作的安全，准确进行。

基于上述的集执行、控制和反馈与一体的系统，可实现自动化操作，进而可以在控制系统1上设置自控操作模块14，自控操作模块14与计算机系统11电性连接，用于自主执行已预设的操作方案，这些预设操作方案为人为设定的操作程序，进而控制操作臂2、超声探头3、穿刺针4、麻醉药注射器5、耦合剂喷洒器6和消毒液喷洒器7等执行元件进行全自动操作，实现穿刺操作的自动控制，解放人力，真正意义上的实现神经阻滞麻醉自动操作。

上述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统还可以扩展其他模块，以丰富其功能。如扩展生命监护模块10，可将生命监护模块10与控制系统1的计算机系统11电性连接，用于监护并上传手术目标的生命特征，如脉搏、血压和体温等，使手术操作更加安全、准确的进行。

上述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，使用时，手术目标置于检查或手术床上，在控制视频系统13、操作臂2、感应模块8、语音表达模块、生命监护模块10等机构和模块完成各项辅助确认和准备工作之后，控制系统1控制耦合剂喷洒器6向超声探头3表面喷洒耦合剂，之后控制主机械臂21移动超声探头3进行超声扫描，超声确认穿刺目标后，控制消毒液喷洒器7向穿刺局部喷洒消毒液消毒，然后穿刺机械臂22环绕主机械臂21运行到达最佳穿刺位置，之后进行穿刺操作。在穿刺进针过程中，参见图4，依据穿透不同组织时压力不同的原理，通过压力传感器进行力学监控，确认达到靶目标；穿刺针4到达靶目标后，麻醉药注射器5回抽测压，麻醉药物注射器5上的压力传感器采集回抽压力数据绘制压力力曲线，回抽压力符合正常负压图像后方能开始注射药物，并在注射时实时检测注射压力，保证注射压力曲线图始终符合该组织周围注射压力范围时，才能进行持续注药，直到包绕神经完成注射；完成输麻药操作后，操作臂沿进针路线退针。

上述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，以现代智能控制技术集大成的机械臂为核心执行元件，通过机械操作辅助和替代纯人工手术操作，实现神经阻滞麻醉的智能化操作，减少人为操作失误，提高麻醉的准确度和灵敏度，减少甚至避免误操作，减轻麻醉医生工作强度。

需要说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，其特征在于，包括：控制系统以及与所述控制系统控制连接的操作臂、超声探头、穿刺针、麻醉药注射器、耦合剂喷洒器、消毒液喷洒器和感应模块；

所述控制系统包括：计算机系统以及与所述计算机系统电性连接的操作台和视频系统，所述操作台用以控制操作臂、超声探头、穿刺针、麻醉药注射器、耦合剂喷洒器和消毒液喷洒器动作，所述视频系统用以实时获取和显示手术操作过程的数据和图像信息；

所述操作臂包括：主机械臂和穿刺机械臂，所述主机械臂的末端设置所述超声探头，所述穿刺机械臂连接于主机械臂的近超声探头端，并能围绕主机械臂做环绕运动，穿刺机械臂的末端设置所述穿刺针；

所述麻醉药注射器与所述穿刺针连接；

所述耦合剂喷洒器的喷洒口设置于主机械臂的末端，并能将耦合剂喷洒涂抹到所述超声探头表面；

所述消毒液喷洒器的喷洒口设置于穿刺机械臂的末端；

所述感应模块包括：由多个压力传感器组成的接触感应单元，多个所述压力传感器分别设置在主机械臂、穿刺机械臂和麻醉药注射器上，以测量并上传压力数据至控制系统的计算机系统。

2.根据权利要求1所述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，其特征在于，所述操作臂为七自由度拟人机械臂，机械臂的运动精度小于0.1毫米。

3.根据权利要求1所述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，其特征在于，所述视频系统包括：采集手术目标面部表情的摄像装置、观察操作臂动作和穿刺点周围的实时情况的操作监控装置以及显示超声探头探测情况的超声图像显示装置。

4.根据权利要求1所述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，其特征在于，所述感应模块还包括：光学感应单元，所述光学感应单元与控制系统的计算机系统电性连接，利用光学图像扫描定位人体部位并上传定位数据至计算机系统。

5.根据权利要求4所述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，其特征在于，所述光学感应单元为红外扫描装置。

6.根据权利要求1或4所述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，其特征在于，所述感应模块还包括：声音感应单元，所述声音感应单元与控制系统的计算机系统电性连接，获取手术目标语音信息并上传音频数据至计算机系统。

7.根据权利要求1所述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，其特征在于，还包括：语音表达模块，所述语音表达模块与控制系统的计算机系统电性连接，以向患者表达语音信息。

8.根据权利要求1所述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，其特征在于，还包括：生命监护模块，所述生命监护模块与控制系统的计算机系统电性连接，用于监护并上传手术目标的生命特征，所述生命特征包括脉搏、血压和体温。

9.根据权利要求1所述的神经阻滞麻醉机器人智能辅助系统，其特征在于，所述控制系统还包括：自控操作模块，所述自控操作模块与计算机系统电性连接，用于控制操作臂、超声探头、穿刺针、麻醉药注射器、耦合剂喷洒器和消毒液喷洒器自主执行已预设的操作方案。