CN108814691A - 针的超声引导辅助装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针的超声引导辅助装置，包括：探头，用于对待穿刺注射组织进行发射与接收超声波信号；第一机械臂，用于将探头移动至待穿刺注射组织；第二机械臂，固定用于穿刺的针，并将针移动靠近至待穿刺注射组织后刺入待穿刺注射组织；主机，根据控制第一机械臂将探头移动至待穿刺注射组织，所述探头发射与接收超声信号；所述主机通过探头传输的超声信号合成超声图像；所述主机通过超声图像至少计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度；所述主机根据穿刺距离及穿刺角度控制第二机械臂将针移动至相应穿刺距离及穿刺角度后进行穿刺。本发明用于引导针的准确穿刺。

Description

针的超声引导辅助装置及系统

技术领域

本发明涉及一种医疗引导辅助装置及系统，尤其是医疗超声引导辅助装置及系统。

背景技术

目前，超声设备在临床诊断和治疗中的应用已经十分普及，对医生准确了解病人病情，制定医疗方案、辅助治疗做出了很大贡献。

目前超声已经广泛用于穿刺引导，但是仍然人工实施探头在人体待测组织表面进行超声探头扫描后，人工进行超声影像进行血管等组织的深度判断，后进行人工穿刺。这样就需要人工进行三次判断操作，例如如何进行有效区域的快速超声探头扫描，如何判断超声影像上血管等其他组织的深度，如何选择合适的穿刺位置及穿刺角度进行穿刺。

静脉注射区别于目前常规的科室穿刺，目前在穿刺时才使用超声或红外进行引导，穿刺的针往往是一个独立的针管。而常规静脉注射（例如打点滴）目前市场上还没有出现使用超声进行引导，静脉注射属于医院或诊所最常规的工作，医生或护士每天需要进行大量的静脉注射操作，因为人的经验原因，不可避免的会经常出现，静脉注射时由于医生或护士的疏忽或判断错误，造成静脉注射的失败，例如静脉注射的针穿破血管，或选择了很细的血管，或静脉注射的角度不对造成静脉注射液体进入任何血管或组织的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于补充现有技术中存在的不足，提供一种针的超声引导辅助装置及系统，用于引导针的准确穿刺。本发明采用的技术方案是：

一种针的超声引导辅助装置，包括：

探头，用于对待穿刺注射组织进行发射与接收超声波信号；

第一机械臂，用于将探头移动至待穿刺注射组织；

第二机械臂，固定用于穿刺的针，并将针移动靠近至待穿刺注射组织后刺入待穿刺注射组织；

主机，根据控制第一机械臂将探头移动至待穿刺注射组织，所述探头发射与接收超声信号；

所述主机通过探头传输的超声信号合成超声图像；所述主机通过超声图像至少计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度；

所述主机根据穿刺距离及穿刺角度控制第二机械臂将针移动至相应穿刺距离及穿刺角度后进行穿刺。

进一步地，所述主机根据探头传输的超声信号获取针在待穿刺注射组织内的位置，控制第二机械臂将针的尖端保持在待穿刺注射组织的目标区域内。

更进一步地，所述主机控制第一机械臂与第二机械臂进行配合移动，将针尖端始终保持在探头能够检测的位置，控制第二机械臂将针的尖端保持在待穿刺注射组织的目标区域内。

进一步地，所述待穿刺注射组织包括动脉、静脉、神经、器官中的一种或多种。

更进一步地，主机根据动脉或静脉的超声图像获取动脉或静脉的最小截面积；所述主机通过第一机械臂控制探头与动脉或静脉正交。

进一步地，所述主机根据超声图像计算待穿刺注射组织内的中心点的三维坐标，主机根据中心点的三维坐标计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度。

进一步地，所述第一机械臂包括旋转关节臂，所述旋转关节臂控制探头旋转，使主机能够获得待穿刺注射组织超声图像。

进一步地，针的超声引导装置包括红外线照射光源，所述红外线照射光源用于对对待穿刺注射组织进行红外照射；所述主机还包括红外图像采集单元，用于控制摄像头获取待穿刺注射组织的红外线图像。

进一步地，所述第二机械臂与第一机械臂分离安装在各自相应的底座或安装在同一个底座上；或，

所述第二机械臂固定地安装在所述第一机械臂上。

所述主机控制第二机械臂将针穿刺入人体组织后，所述主机控制第二机械臂将针继续穿刺入人体组织。

所述超声引导辅助装置包括显示器，用于显示探头扫描后得到的超声图像，及针穿刺入人体组织后动态穿刺超声图像。

本发明提供一种针的超声引导辅助系统，包括：

探头，用于对待穿刺注射组织进行发射与接收超声波信号；

第一机械臂，用于将探头移动至待穿刺注射组织；

第二机械臂，固定针用于穿刺的针，并将针移动至待注射组织后刺入待穿刺注射组织；

主机，所述主机包括第一机械臂控制单元、第二机械臂控制单元、探头控制单元、图像处理单元、位移计算单元；所述第一机械臂控制单元控制第一机械臂将探头移动至待穿刺注射组织，所述探头控制单元控制探头发射与接收超声信号；

所述图像处理单元通过探头传输的超声信号合成超声图像；

所示位移计算单元通过超声图像至少计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度；

所述第二机械臂控制单元根据穿刺距离及穿刺角度控制第二机械臂将针移动至相应穿刺距离及穿刺角度后进行穿刺。

进一步地，所述位移计算单元根据超声图像获取针在待穿刺注射组织的位置；第二机械臂控制单元控制控制第二机械臂将针的尖端保持在待穿刺注射组织的目标区域内。

更进一步地，所述位移计算单元根据超声图像获取针在待穿刺注射组织内的位置；第一机械臂控制单元控制第一机械臂与第二机械臂控制单元控制的第二机械臂进行配合移动，将针始终保持在探头可以检测的位置，且针的尖端保持在待穿刺注射组织的目标区域内。

所述待穿刺注射组织包括动脉、静脉、神经、器官中的一种或多种。

所述位移计算单元根据动脉或静脉的超声图像获取动脉或静脉的最小截面积；所述位移计算单元通过第一机械臂控制探头与动脉或静脉正交。

所述位移计算单元根据超声图像计算待穿刺注射组织内的中心点的三维坐标，位移计算单元根据中心点的三维坐标计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度。

进一步地，所述针的超声引导辅助系统还包括红外线照射光源，所述主机还包括红外灯源处理单元，用于控制红外线照射光源发射红外线；所述超声引导辅助系统还包括摄像头，所述主机还包括红外图像采集单元，用于控制摄像头获取待穿刺注射组织的红外线图像；

图像处理单元包括：图像融合处理单元、超声图像处理单元、红外线图像处理单元；图像融合处理单元将超声图像处理单元得到的超声图像与红外线图像处理单元得到的红外线图像进行融合，产生新的图像。

所述针的超声引导辅助系统还包括显示器，用于显示探头扫描后得到的超声图像，及针穿刺入人体组织后动态穿刺超声图像，以及显示红外线图像。

本发明的优点在于：本发明通过与主机链接的第一机械臂连接超声探头进行自动扫描，主机根据探头获得的信号进行超声图像的处理，主机根据处理后的超声图像进行自动判断，判断血管的深度及直径等参数，主机控制与第二机械臂连接的针自动插入目标血管或组织内，随着第二机械臂控制静脉注射针插入血管或组织后的不断深入，主机控制第一机械臂上的探头配合第二机械臂上的针运动轨迹而进行移动，以保障第二机械臂上的针始终在血管中心附近位置插入。

通过上述技术方案，本发明解决了如何选择一个合适粗细及形状的血管，保证在静脉注射的后期的舒适性。

附图说明

图1为本发明一个示例性超声引导辅助装置的结构示意图；

图2为本发明包含红外线照射灯源超声引导辅助装置的结构示意图；

图3为本发明另一个示例性第一机械臂与第二机械臂工作状态结构示意图；

图4为本发明另一个示例性第一机械臂与第二机械臂工作状态结构剖视图；

图5为本发明针穿刺入血管后示意图；

图6为本发明一个示例性的超声引导辅助系统框图；

图7为本发明一个示例性包含红外光源的超声引导辅助系统框图；

图8为本发明一个示例性的图像处理单元框图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图6所示，针的超声引导辅助装置包括：探头100、第一机械臂200、第二机械臂400、主机500。

第一机械臂200包括有第一节臂210、第二节臂220、第三节臂230，第一机械臂200通过第一节臂210、第二节臂220、第三节臂230实现探头100在X轴、Y轴、Z轴三个空间维度进行转动，是探头能够快速的移动到待穿刺注射组织，当探头100移动至待穿刺注射组织时，主机控制探头100对待穿刺注射组织600发射与接收超声波。

第一机械臂200与第二机械臂400安装在各自的底座上。图2中第一机械臂200安装在底座270上，第二机械臂400安装在另一个底座上。

探头100，用于对人体待穿刺注射组织进行发射与接收超声波信号；第一机械臂200，用于将探头100移动至人体待穿刺注射组织600；针300，用于对人体待穿刺注射组织600进行穿刺；第二机械臂400，用于固定针300，并将针300移动至人体待注射组织600后刺入人体待穿刺注射组织600；主机500，根据控制第一机械臂200将探头100移动至人体待穿刺注射组织600，所述探头100发射与接收超声信号；主机500通过探头100传输的超声信号合成超声图像；所述主机500通过超声图像至少计算针300与待穿刺注射组织600的穿刺距离及穿刺角度；主机500根据穿刺距离及穿刺角度控制第二机械臂400将针300移动至相应穿刺距离及穿刺角度后进行穿刺。

主机500的位移计算单元根据超声图像计算待穿刺注射组织内的中心点的三维坐标，位移计算单元根据中心点的三维坐标计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度。

主机500根据探头100传输的超声信号获取针300在待穿刺注射组织内的位置，例如血管内的位置，控制第一机械臂200与第二机械臂400进行配合移动，将针300始终保持在探头可以检测的位置，且针300的尖端保持在待穿刺注射组织内，例如血管目标区域位置。

为清楚起见，将理解到的是，词语“针的尖端”是指针穿刺入人体组织内的一段。

第二机械臂400包括针300的固定装置320，固定装置可以按照针的不同形状进行调整。

如图1、图2所示，第二机械臂上设有针300的固定装置320，针的导管310与针300连接。固定装置320可以根据针300的形状进行更换。

本发明的超声引导辅助装置还包括显示器，该显示器是阴极射线管CRT（阴极射线管），LCD（液晶显示设备），等离子体屏板投影机、OLED、LED等现有显示器的的组合或一种，或其它现在已知的或以后开发的用于显示图像的显示器。

如图6所示：在本发明的一示例性实施例中，针的超声引导辅助系统包括主机、第一机械臂、第二机械臂、探头。所述主机500包括图像处理单元、探头控制单元、位移计算单元、第一机械臂控制单元、第二机械臂控制单元。第一机械臂控制单元控制第一机械臂将探头移动至人体待穿刺注射组织，探头控制单元控制探头发射与接收超声信号；图像处理单元通过探头传输的超声信号合成超声图像；位移计算单元通过超声图像至少计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度；第二机械臂控制单元根据穿刺距离及穿刺角度控制第二机械臂将针移动至相应穿刺距离及穿刺角度后进行穿刺。位移计算单元根据超声图像获取针在血管内的位置；第一机械臂控制单元控制第一机械臂与第二机械臂控制单元控制的第二机械臂进行配合移动，将针始终保持在探头可以检测的位置，且针的尖端保持在血管内。

本实施例中，主机500中预设置了探头100的位置参数，主机500可以自动或根据使用者的选择进行快速的位置确定。例如使用者让待检测人员的将待穿刺注射组织放置到特定的区域，使用人员在主机上的输入装置或与主机相连的输入装置上进行选择。主机500根据使用人员的选择血管或组织进行探头100大致位置的确定，并通过第一机械臂200将探头100快速移动至待穿刺注射组织600表面。同时主机500控制探头600进行发射与接收超声波，主机内的图像处理单元（附图6所示）根据获得的超声信号进行处理，得到超声图像。

主机500内的位移计算单元（附图6所示）根据超声图像，判断血管或组织的粗细、深度、直径、形状等参数。例如探头100在待穿刺注射组织600水平X轴向移动一定位移（例如平行于手指方向），位移计算单元根据这一段距离的超声图像，选择血管或组织合适的位置，例如血管最粗且相对平滑的位置。此时探头100被主机500控制第一节臂200位移至某一位置，为了便于理解将此位置描述为A位置。

第一机械臂200还包括旋转关节臂240，旋转关节臂240可以将探头100旋转至合适的角度，这样不需要通过第一节臂200的第一节臂210、第二节臂220、第三节臂230来进行复杂位移才能达到想要的探头角度。旋转关节臂240通过一旋转关节260连接第三节臂230。

当第一机械臂200将探头移动至A位置时，旋转关节臂240转动一定的角度，例如转动30°、60°、90°、120°、150°、180°等，转动角度及转动次数可以也进行预先设置。通过探头100的转动，位移计算单元根据超声图像得出合适的探头100的旋转角度位置，旋转关节臂240将探头100旋转至位移计算单元判断的合适的旋转角度位置，此时探头100的位置确定，为了便于理解，将此位置描述为B位置。此时位移计算单元根据超声图像获计算出血管或组织的深度、直径、长度、形状等参数信息，位移计算单元根据病人的信息，例如身高、体重、年龄、性别、检测部位等参数结合血管或组织的深度、直径、长度、形状等参数信息，位移计算单元根据所述参数信息计算出针相对于探头100上的标记位置需要进行的位移、穿刺角度，第二机械臂400进行相应的位移及角度旋转，使针300到达经过计算的指定位置，为了便于理解，我们将此位置描述为C位置。第二机械臂400将针300按照位移计算单元计算出的穿刺距离及穿刺角度，刺入待穿刺注射组织600内。

当第一机械臂200控制探头进行旋转后获得血管的多帧超声图像，位移计算单元通过获得多帧超声图像，计算超声图像血管的最小截面积，这样判断探头此时位置是否正交与目标血管，第一机械臂200控制探头100运动至与血管的正交位置，位移计算单元计算此时血管中心点的三维坐标，位移计算单元将血管中心点的三维坐标转换成第二机械臂400控制针需要进行的穿刺距离及穿刺角度。

针300的尖端到达一定位置时，被探头100探测到，主机500获得针300与血管相应位置关系的超声图像，随着第二机械臂400不断将针300推刺入血管内，位移计算单元计算第一机械臂200沿着针300刺入方向的相反方向移动的距离，并控制第一机械臂200将探头100沿着针300刺入相反方向进行移动，以将针300的尖端保持在血管预设置位置，例如针300的尖端大致在血管的中心线630上。

如图2、图7、图8所示：探头100、第一机械臂200、针300、第二机械臂400、主机500、红外线照射光源700、摄像头。其中红外线照射光源700安装在第一机械臂的第三节臂230上。

当准备检测待穿刺注射组织600时，主机500，控制红外线照射光源700照射红外线，摄像头采集红外线光源照射在待穿刺注射组织600表面后得到的血管红外线图像，位移计算单元根据图像处理单元得到的血管红外线图像计算出探头100需要到达的A位置，第一机械臂控制单元控制第一机械臂200通过移动的位移到达A位置。

如图7所示：在本发明的一示例性实施例中所述主机500包括图像处理单元、探头控制单元、位移计算单元、第一机械臂控制单元、第二机械臂控制单元、红外灯源处理单元、红外图像采集单元。

红外灯源处理单元控制控制红外线照射光源700照射红外线，红外图像采集单元控制摄像头，采集红外线光源照射在待穿刺注射组织600表面后得到的血管红外线图像，第一机械臂控制单元控制第一机械臂将探头移动至人体待穿刺注射组织，探头控制单元控制探头发射与接收超声信号；图像处理单元通过探头传输的超声信号合成超声图像；位移计算单元通过超声图像至少计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度；第二机械臂控制单元根据穿刺距离及穿刺角度控制第二机械臂将针移动至相应穿刺距离及穿刺角度后进行穿刺。位移计算单元根据超声图像获取针在血管内的位置；第一机械臂控制单元控制第一机械臂与第二机械臂控制单元控制的第二机械臂进行配合移动，将针始终保持在探头可以检测的位置，且针的尖端保持在血管内。

如图8所示，图像处理单元包括：图像融合处理单元、超声图像处理单元、红外线图像处理单元；图像融合处理单元将超声图像处理单元得到的超声图像与红外线图像处理单元得到的红外线图像进行融合，生产新的二维或三维或四维图像，更加生动形象的将针300刺入待穿刺注射组织内的模拟图像显示在显示器上。

图像处理单元还包括图像判断单元（图中未示出），图像判断单元通过分析超声图像各种超声参数信息或与机器内的专家图片库对比，例如对比度、TGC、弹性模量等参数判断超声图像质量。例如超声图像质量未达到预设值的图像标准，需要加大探头100与待穿刺注射组织的压力，则图像处理单元将信息传输至位移计算单元，通过第一机械臂200控制探头100进一步向靠近待穿侧注射组织方向移动。

如图3、图4所示，本发明的另一示例性实施例中，第二机械臂400安装在第一机械臂200上，或第二机械臂400与第一机械臂200共同连接一个底座270。第二机械臂400安装在第一机械臂200上，对超声图像的干扰性小，利于成像。

图4中，第二机械臂400通过一个角度调节杆410连接第一机械臂的旋转关节臂240。

本发明的主机500的各种处理单元为处理器（例如CPU、GPU），所述处理器通用处理器，应用专用集成电路，数字信号处理器，控制器，现场可编程门阵列，数字装置，模拟装置，晶体管，其组合或其它现在已知的或以后开发的用于接收模拟或数字数据，并输出改变，或者计算后的数据。

在本发明的另一实施例中，设有第三机械臂，用于控制一个或多个探头，这样与第一机械臂控制的探头一起，用于超声成像。第三机械臂上还可以设有红外线照射光源或摄像头等，用于发射红外线或采集红外线图像。

在权利要求书及说明书中，术语“第一，”“第二，”和“第三，”是纯粹用作标记，并且不试图对它们的修饰物对数值要求。

需要说明的是，当元件或部件被称为“固定”另一个元件或部件时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“中心”、“水平的”、“平行的”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示为唯一的实施方式。

以上只是本发明特定实施例的描述，应当理解成在本领域的技术人员不脱离本发明的真实精神和范围下，通过其他各种简单变化和等同物进行取代修改，达到本发明所述目的，这样的修改都被所附权利要求的范围内。

Claims (13)

1.针的超声引导辅助装置，其特征在于，包括：

探头，用于对待穿刺注射组织进行发射与接收超声波信号；

第一机械臂，用于将探头移动至待穿刺注射组织；

第二机械臂，固定用于穿刺的针，并将针移动靠近至待穿刺注射组织后刺入待穿刺注射组织；

主机，根据控制第一机械臂将探头移动至待穿刺注射组织，所述探头发射与接收超声信号；

所述主机通过探头传输的超声信号合成超声图像；所述主机通过超声图像至少计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度；

所述主机根据穿刺距离及穿刺角度控制第二机械臂将针移动至相应穿刺距离及穿刺角度后进行穿刺。

2.如权利要求1所述的针的超声引导辅助装置，其特征在于：所述主机根据探头传输的超声信号获取针在待穿刺注射组织内的位置，控制第二机械臂将针的尖端保持在待穿刺注射组织的目标区域内。

3.如权利要求2所述的针的超声引导辅助装置，其特征在于：所述主机控制第一机械臂与第二机械臂进行配合移动，将针尖端始终保持在探头能够检测的位置，控制第二机械臂将针的尖端保持在待穿刺注射组织的目标区域内。

4.如权利要求1所述的针的超声引导辅助装置，其特征在于：所述待穿刺注射组织包括动脉、静脉、神经、器官中的一种或多种。

5.如权利要求4所述的针的超声引导辅助装置，其特征在于：主机根据动脉或静脉的超声图像获取动脉或静脉的最小截面积；所述主机通过第一机械臂控制探头与动脉或静脉正交。

6.如权利要求1～5中任一项所述的针的超声引导辅助装置，其特征在于：所述主机根据超声图像计算待穿刺注射组织内的中心点的三维坐标，主机根据中心点的三维坐标计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度。

7.如权利要求1～5中任一项所述的针的超声引导辅助装置，其特征在于：所述第一机械臂包括旋转关节臂，所述旋转关节臂控制探头旋转，使主机能够获得待穿刺注射组织超声图像。

8.如权利要求1～5中任一项所述的针的超声引导辅助装置，其特征在于：针的超声引导装置包括红外线照射光源，所述红外线照射光源用于对对待穿刺注射组织进行红外照射；所述主机还包括红外图像采集单元，用于控制摄像头获取待穿刺注射组织的红外线图像。

9.如权利要求1～5中任一项所述的针的超声引导辅助装置，其特征在于：

所述第二机械臂与第一机械臂分离安装在各自相应的底座或安装在同一个底座上；或，

所述第二机械臂固定地安装在所述第一机械臂上。

10.针的超声引导辅助系统，其特征在于，包括：

探头，用于对待穿刺注射组织进行发射与接收超声波信号；

第一机械臂，用于将探头移动至待穿刺注射组织；

第二机械臂，固定针用于穿刺的针，并将针移动至待注射组织后刺入待穿刺注射组织；

主机，所述主机包括第一机械臂控制单元、第二机械臂控制单元、探头控制单元、图像处理单元、位移计算单元；所述第一机械臂控制单元控制第一机械臂将探头移动至待穿刺注射组织，所述探头控制单元控制探头发射与接收超声信号；

所述图像处理单元通过探头传输的超声信号合成超声图像；

所示位移计算单元通过超声图像至少计算针与待穿刺注射组织的穿刺距离及穿刺角度；

所述第二机械臂控制单元根据穿刺距离及穿刺角度控制第二机械臂将针移动至相应穿刺距离及穿刺角度后进行穿刺。

11.如权利要求10所述的针的超声引导辅助系统，其特征在于：所述位移计算单元根据超声图像获取针在待穿刺注射组织的位置；第二机械臂控制单元控制控制第二机械臂将针的尖端保持在待穿刺注射组织的目标区域内。

12.如权利要求10所述的针的超声引导辅助系统，其特征在于：

所述位移计算单元根据超声图像获取针在待穿刺注射组织内的位置；第一机械臂控制单元控制第一机械臂与第二机械臂控制单元控制的第二机械臂进行配合移动，将针始终保持在探头可以检测的位置，且针的尖端保持在待穿刺注射组织的目标区域内。

13.如权利要求10所述的针的超声引导辅助系统，其特征在于：

所述超声引导辅助系统还包括红外线照射光源，所述主机还包括红外灯源处理单元，用于控制红外线照射光源发射红外线；所述超声引导辅助系统还包括摄像头，所述主机还包括红外图像采集单元，用于控制摄像头获取待穿刺注射组织的红外线图像；

图像处理单元包括：图像融合处理单元、超声图像处理单元、红外线图像处理单元；图像融合处理单元将超声图像处理单元得到的超声图像与红外线图像处理单元得到的红外线图像进行融合，产生新的图像。