CN109044498B - 一种动脉穿刺系统和确定动脉穿刺位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动脉穿刺系统和确定动脉穿刺位置的方法。所述的动脉穿刺系统设有手术床、机械臂、制动装置、动脉探测装置、皮肤消毒装置、动脉固定装置、穿刺针操作装置、动脉加压装置；还包括控制平台，所述的控制平台包括图像采集和分析模块、图像重建模块、机械臂控制模块、位置采集模块、制动模块、动脉探测模块、动脉穿刺模块和动脉止血模块。所述的确定动脉穿刺位置的方法是使用所述的动脉穿刺系统完成的。本发明将人体成像、人体轮廓识别、脉搏引起皮肤压力变化等有机的结合起来，应用了脉搏波传导速度与血管壁硬度之间的关系来排除动脉病变，构建了完整、具备实际可操作性的全自动化动脉精确定位穿刺系统。

Description

一种动脉穿刺系统和确定动脉穿刺位置的方法

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，具体地说，是一种动脉穿刺系统和确定动脉穿刺位置的方法。

背景技术

动脉穿刺术适应证包括：1.严重休克需急救的病人，经静脉快速输血后情况未见改善，须经动脉提高冠状动脉灌注量及增加有效血容量；2.麻醉或手术期以及危重病人持续监测动脉血压；3.施行特殊检查或治疗，如血气分析，选择性血管造影和治疗，心导管置入，血液透析治疗等。动脉穿刺术常见并发症有：1.皮下血肿；2.感染；3.假性动脉瘤；4.动脉痉挛；5.周围组织和神经损伤；6.栓塞。

目前动脉穿刺术皆由医务人员操作，先要触摸动脉搏动以确定动脉的位置，再进行穿刺手术。穿刺针从皮肤表面按照一定角度刺入皮肤，操作过程中医务人员根据经验判断穿刺角度及位置，需要医务人员有丰富的临床操作经验，但仍旧难以保证每次穿刺的角度能够准确控制，易形成误操作，造成重复操作或手术失败。操作过程中无法判断血管是否存在病变，无法判断穿刺针的具体位置。

因此，实现动脉穿刺自动化，精准完成动脉穿刺手术，降低动脉穿刺并发症，对于减轻患者损伤和医务人员工作量来说都极其重要。

专利文献CN103961134A，公开日2014.08.06，公开了一种医疗领域静脉采血用辅助设备及方法，具体方法是：利用皮肤结构中表皮、皮下组织等都是静态的，而血管中流动的血液则是动态的原理，根据血液的流向自动判断出静脉和动脉，采用多普勒超声波技术发射信号，在针柄部位设置有信号接收装置并与声波束水平处于相同的位置上，超声波探测到流动着血液的血管的精确位置，为针头定位，当发现静脉时，指示器亮，计算机把相应技术参数显示在屏幕上，医护人员按照屏幕上显示的影像及参数进行穿刺血管，所述设备由拱形台，圆形通孔、密封橡胶圈、肘垫、消毒液自动喷雾装置、超声波控制器、液晶屏、超声波发射源、超声波接收源和超声波探测器所组成。

专利文献CN105662451A，公开日2016.06.15，公开了一种主动脉图像处理方法和装置，所述方法包括：获取病人的冠脉CTA图像；对得到的冠脉CTA图像进行三维重建，得到三维冠脉图像，并从得到的三维冠脉图像中，提取出升主动脉图像；将升主动脉图像融合到预先生成的主动脉标准模型中，得到包括主动脉弓子图像和降主动脉子图像的主动脉补全图像；展示得到的主动脉补全图像。该发明使得医生通过生成的主动脉补全图像进行指引导管穿刺模拟，可以提高所选择的指引导管的穿刺成功率。

但是目前未见全自动化、具备实际可操作性，能够准确穿刺的动脉穿刺装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种动脉穿刺系统。

本发明的再一的目的是，提供一种确定动脉穿刺位置的方法。

本发明的另一的目的是，提供一种非诊断和治疗目的的动脉穿刺方法。

为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：

一种动脉穿刺系统，设有手术床，所述的手术床设有机械臂，所述的机械臂用于操控制动装置、动脉探测装置、皮肤消毒装置、动脉固定装置、穿刺针操作装置、动脉加压装置；所述的制动装置用于限制病人活动；所述的动脉探测装置用于探测动脉走行及脉搏波传导速度；所述的皮肤消毒装置用于穿刺部位皮肤消毒；所述的动脉固定装置用于固定穿刺部位；所述的穿刺针操作装置用于操作穿刺针穿刺动脉；所述的动脉加压装置用于穿刺后止血；所述的动脉固定装置为半圆柱形，横截面为半圆形，两端的侧面封闭，与患者皮肤接触的底面是开放的，上端拱起的顶面设有轴向的矩形的操作窗；所述的动脉探测装置在使用过程中与病人皮肤接触的面设有由若干呈阵列式分布的压力感应探头组成的第一压力感受器；所述的机械臂与动脉探测装置之间设有第二压力感受器；所述的机械臂与动脉固定装置之间设有第三压力感受器；所述的机械臂与穿刺针操作装置之间设有第四压力感受器；所述的机械臂与动脉加压装置之间设有第五压力感受器；所述的动脉穿刺系统还设有若干红外摄像头，所述的制动装置、动脉探测装置、皮肤消毒装置、动脉固定装置、穿刺针操作装置和动脉加压装置均设置参照红外光源；所述的动脉穿刺系统还设有控制平台，所述的控制平台包括：

图像采集和分析模块：用于获取红外摄像头拍摄到的红外图像，并进一步分析，包括辨识参照红外光源的红外图像、患者身体位置信息；

图像重建模块：根据图像采集和分析模块的结果，对二维红外图像进行处理，结合标准人体轮廓图像信息，重建病人的人体三维轮廓信息；

机械臂控制模块：用于控制机械臂的位置调整及关节弯曲、旋转动作；

位置采集模块：用于采集各装置上参照红外光源的位置信息；

制动模块：用于整合图像重建模块重建的病人的人体三维轮廓信息和位置采集模块采集的制动装置的位置信息，发出指令给机械臂控制模块，控制机械臂，以操作制动装置限制病人的活动；

动脉探测模块：用于接收第一压力感受器高频同步采集的在不同压力条件下的压力数据，并依据压力数据及采集数据的时间信息计算出实际动脉中心线走行图；再结合年龄，性别，身高，体重，体型，胸围，腰围，皮下脂肪厚度信息计算出动脉三维走行图；进一步结合图像重建模块重建的病人的人体三维轮廓信息及动脉探测装置上的参照红外光源的位置信息计算出与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图；还计算纵向脉搏波传导速度，动脉血管横向搏动传导情况判断动脉血管壁弹性情况，以排除动脉血管壁病变；

动脉穿刺模块：包括皮肤消毒子模块、动脉固定子模块和动脉穿刺操作子模块；所述的皮肤消毒子模块用于控制机械臂与皮肤消毒装置结合，根据动脉探测模块最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉血管壁病变情况选定穿刺部位位置信息，发出指令给机械臂控制模块，控制机械臂，以操作皮肤消毒装置完成在穿刺部位皮肤涂抹消毒剂；所述的动脉固定子模块用于控制机械臂与动脉固定装置结合，并发出指令给机械臂控制模块，控制机械臂，以对穿刺部位施加压力固定动脉；所述的动脉穿刺操作子模块用于根据动脉探测模块最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉固定装置上参照红外光源的位置信息，计算穿刺路径，发送指令给机械臂控制模块，控制机械臂，以令机械臂的机械手所持穿刺针按照穿刺路径依次穿刺皮肤、皮下组织，穿刺针接触动脉壁时机械臂与穿刺针操作装置之间设有的第四压力感受器探测到动脉搏动导致的压力变化，变化幅度达到预期值时穿刺针继续穿刺，突破动脉壁进入动脉，并控制穿刺针的撤出；

动脉止血模块：用于整合穿刺点的位置信息和位置采集模块采集的动脉加压装置的位置信息，发出指令给机械臂控制模块，控制机械臂，使动脉加压装置前凸进入动脉固定装置的操作窗，以垂直压迫动脉穿刺点，促进动脉止血。

优选地，所述的动脉探测装置在使用过程中与病人皮肤接触的面为矩形，所述的机械臂固定于动脉探测装置的四个角。

优选地，所述的动脉固定子模块用于控制机械臂与动脉固定装置结合，且根据与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图以及动脉固定装置上参照红外光源的位置信息，选择合适的动脉固定装置。

优选地，所述的机械臂和皮肤消毒装置之间设有第六压力感受器，所述的第六压力感受器用于在消毒过程中感受与病人皮肤之间的压力；所述的机械臂和制动装置之间设有第七压力感受器，所述的第七压力感受器用于感受制动装置与患者接触的压力大小。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

一种确定动脉穿刺位置的方法，所述的方法使用如上任一所述的动脉穿刺系统完成，且包括以下步骤：

一，采集病人年龄，性别，身高，体重，胸围，腰围，皮下脂肪厚度数据，发送至控制平台；

二，病人除外动脉穿刺禁忌证，穿刺部位皮肤备皮，更换衣服鞋子，戴口罩帽子进入手术室，经电子语音提示于手术床上保持平卧、半卧或坐位姿势，暴露穿刺部位皮肤；

三，红外摄像头进行高频率同步成像，采集包含手术床在内区域的红外图像信息，图像采集和分析模块获取红外图像，进一步分析，包括参照红外光源的红外图像、病人身体位置信息，图像重建模块对二维红外图像进行处理，结合标准人体轮廓图像信息，重建病人的人体三维轮廓信息；

四，机械臂操控制动装置，限制病人活动；

五，机械臂和动脉探测装置结合，机械臂操控动脉探测装置与穿刺部位皮肤接触，动脉探测装置与皮肤接触面上的阵列式的第一压力感受器高频同步采集压力数据，所述的压力数据包括压力大小和压力方向，动脉探测模块调节机械臂使第二压力感受器采集的压力数据在不同数值停留一定时间，停留时间大于第一压力感受器压力变化周期；动脉探测模块接收动脉探测装置上的阵列式的第一压力感受器高频同步采集的在不同压力条件下的压力数据，并依据压力数据和第一压力感受器的各压力感应探头的位置信息及采集数据的时间信息计算出实际动脉中心线走行图；再结合年龄，性别，身高，体重，体型，胸围，腰围，皮下脂肪厚度信息计算出动脉三维走行图；进一步结合病人的人体三维轮廓信息及动脉探测装置上的参照红外光源的位置信息计算出与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图；还计算纵向脉搏波传导速度，动脉血管横向搏动传导情况判断动脉血管壁弹性情况，以排除动脉血管壁病变；

六，机械臂和动脉探测装置分离，皮肤消毒子模块控制机械臂与皮肤消毒装置结合，根据动脉探测模块最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉血管壁病变情况选定穿刺部位位置信息，发出指令机械臂控制模块，进一步控制机械臂以操作皮肤消毒装置完成在穿刺部位皮肤涂抹消毒剂；消毒完成后，机械臂和皮肤消毒装置分离，动脉固定子模块控制机械臂与动脉固定装置结合，并发出指令给机械臂控制模块，进一步控制机械臂以操作动脉固定装置对穿刺部位施加一定压力固定动脉；固定完成后，所述的动脉穿刺操作子模块根据与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉固定装置上参照红外光源的位置信息，计算穿刺路径。

优选地，所述的动脉探测装置其在使用过程中与病人皮肤接触的面为矩形，所述的机械臂固定于动脉探测装置的四个角，所述的动脉探测装置在使用时长轴平行于动脉长轴，接触面平行于皮肤表面，接触面上的阵列式的第一压力感受器高频同步采集动脉探测装置在不同压力条件下的压力数据，且探测期间动脉探测装置与皮肤接触面上长轴两侧端的压力探头的压力保持相同，动脉探测装置边缘位于动脉血管横向传导搏动区域之外。

优选地，所述的动脉固定子模块用于控制机械臂与动脉固定装置结合，且根据与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图以及动脉固定装置上参照红外光源的位置信息，选择合适的动脉固定装置。

为实现上述第三个目的，本发明采取的技术方案是：

一种非诊断和治疗目的的动脉穿刺方法，所述的方法使用如上任一所述的动脉穿刺系统完成，且包括以下步骤：

一，采集病人年龄，性别，身高，体重，胸围，腰围，皮下脂肪厚度数据，发送至控制平台；

二，病人除外动脉穿刺禁忌证，穿刺部位皮肤备皮，更换衣服鞋子，戴口罩帽子进入手术室，经电子语音提示于手术床上保持平卧、半卧或坐位姿势，暴露穿刺部位皮肤；

三，红外摄像头进行高频率同步成像，采集包含手术床在内区域的红外图像信息，图像采集和分析模块获取红外图像，进一步分析，包括参照红外光源的红外图像、病人身体位置信息，图像重建模块对二维红外图像进行处理，结合标准人体轮廓图像信息，重建病人的人体三维轮廓信息；

四，机械臂操控制动装置，限制病人活动；

五，机械臂和动脉探测装置结合，机械臂操控动脉探测装置与穿刺部位皮肤接触，动脉探测装置与皮肤接触面上的阵列式的第一压力感受器高频同步采集压力数据，所述的压力数据包括压力大小和压力方向，动脉探测模块调节机械臂使第二压力感受器采集的压力数据在不同数值停留一定时间，停留时间大于第一压力感受器压力变化周期；动脉探测模块接收动脉探测装置上的阵列式的第一压力感受器高频同步采集的在不同压力条件下的压力数据，并依据压力数据和第一压力感受器的各压力感应探头的位置信息及采集数据的时间信息计算出实际动脉中心线走行图；再结合年龄，性别，身高，体重，体型，胸围，腰围，皮下脂肪厚度信息计算出动脉三维走行图；进一步结合病人的人体三维轮廓信息及动脉探测装置上的参照红外光源的位置信息计算出与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图；还计算纵向脉搏波传导速度，动脉血管横向搏动传导情况判断动脉血管壁弹性情况，以排除动脉血管壁病变；

六，机械臂和动脉探测装置分离，动脉消毒子模块控制机械臂与皮肤消毒装置结合，根据动脉探测模块最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉血管壁病变情况选定穿刺部位位置信息，发出指令给机械臂控制模块，进一步控制机械臂以操作皮肤消毒装置完成在穿刺部位皮肤涂抹消毒剂；消毒完成后，机械臂和皮肤消毒装置分离，动脉固定子模块控制机械臂与动脉固定装置结合，并发出指令给机械臂控制模块，进一步控制机械臂以操作动脉固定装置对穿刺部位施加一定压力固定动脉；固定完成后，所述的动脉穿刺操作子模块根据与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉固定装置上参照红外光源的位置信息，计算穿刺路径，发送指令给机械臂控制模块，进一步控制机械臂以令穿刺针按照穿刺路径依次穿刺皮肤、皮下组织，穿刺针接触动脉壁时机械臂与穿刺针操作装置之间设有的第四压力感受器探测到动脉搏动导致的压力变化，变化幅度达到预期值时穿刺针继续穿刺，突破动脉壁进入动脉，并控制穿刺针的撤出；

七，穿刺针被撤出后，动脉止血模块整合穿刺点的位置信息和位置采集模块采集的动脉加压装置的位置信息，发出指令给机械臂控制模块，进一步控制机械臂使动脉加压装置前凸进入动脉固定装置的操作窗，以一定压力垂直压迫动脉穿刺点，促进动脉止血。

所述的动脉探测装置其在使用过程中与病人皮肤接触的面为矩形，所述的机械臂固定于动脉探测装置的四个角，所述的动脉探测装置在使用时长轴平行于动脉长轴，接触面平行于皮肤表面，接触面上的阵列式的第一压力感受器高频同步采集动脉探测装置在不同压力条件下的压力数据，且探测期间动脉探测装置与皮肤接触面上长轴两侧端的压力探头的压力保持相同，动脉探测装置边缘位于动脉血管横向传导搏动区域之外。

优选地，所述的动脉固定子模块用于控制机械臂与动脉固定装置结合，且根据与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图以及动脉固定装置上参照红外光源的位置信息，选择合适的动脉固定装置。

本发明优点在于：

1、本发明巧妙地将人体成像技术、人体轮廓识别技术、脉搏引起皮肤压力变化等有机的结合起来，构建了完整的、具备实际可操作性的全自动化动脉精确定位穿刺系统，应用该动脉穿刺系统进行动脉穿刺术，将无需医务人员操作，节省医疗资源，定位准确性更高。

2、本发明巧妙地应用了脉搏波传导速度与血管壁硬度之间的关系来排除动脉病变，从而能显著降低误操作的概率，减少术后并发症。

3、本发明的各装置的结构设计十分巧妙，尤其是动脉固定装置，能够保证固定的稳定性，并辅助穿刺，提高穿刺精确度。

4、本发明采用红外热成像技术来进行人体成像，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。

5、本发明的机械臂与各装置之间均设有压力感受器，可以给予病人合适的束缚制动、消毒操作、加压止血等，确保精确和安全的穿刺操作。

本发明的动脉穿刺系统的推广应用将显著提高临床动脉穿刺术的精准性，提高穿刺效果，造福患者，并极大地节省医疗资源。

附图说明

附图1是本发明的动脉穿刺系统的组成示意图。

附图2是动脉固定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.手术床 2.控制平台

21.图像采集和分析模块 22.图像重建模块

23.机械臂控制模块 24.位置采集模块

25.制动模块 26.动脉探测模块

27.动脉穿刺模块 271.动脉消毒子模块

272.动脉固定子模块 273.动脉穿刺操作子模块

28.动脉止血模块 31.红外摄像头

32.参照红外光源 41.第一机械臂

42.第二机械臂 5.制动装置

6.动脉探测装置 7.皮肤消毒装置

8.动脉固定装置 81.操作窗

9.穿刺针操作装置 10.动脉加压装置

11.第一压力感受器 12.第二压力感受器

13.第三压力感受器 14.第四压力感受器

15.第五压力感受器

实施例1

请参见图1，图1是本发明的动脉穿刺系统的组成示意图。所述的动脉穿刺系统设有手术床1，所述的手术床1为一张手术平床。手术床1的两个侧边分别设有第一机械臂41和第二机械臂42，所述的第一机械臂41的上端用于连接和操控制动装置5。所述的第二机械臂42的上端用于连接和操控动脉探测装置6、皮肤消毒装置7、动脉固定装置8、穿刺针操作装置9、动脉加压装置10。所述的动脉探测装置6在使用过程中与病人皮肤接触的面为矩形，第二机械臂42固定于动脉探测装置的四个角，动脉探测装置6与病人皮肤接触的面设有第一压力感受器11，所述的第一压力感受器11包含若干个呈阵列式分布的压力感应探头。所述的皮肤消毒装置7包括皮肤消毒剂和消毒器具，所述的皮肤消毒剂如酒精、碘酊、碘伏、聚维酮碘溶液、氯己定等，所述的消毒器具如无菌棉球、棉棒、纱布等。所述的穿刺针操作装置9包括穿刺针固定器和穿刺针。所述的动脉加压装置10包含用于动脉加压止血的器具。

请参见图2，图2是动脉固定装置的结构示意图。所述的动脉固定装置8整体为半圆柱形结构，横截面为半圆形，两端的侧面封闭，与患者皮肤接触的底面为开放的，上端拱起的顶面设有轴向的矩形的操作窗81。

本发明的动脉穿刺系统在操作过程中，所述的穿刺针操作装置9和动脉加压装置10均位于动脉固定装置8的操作窗81的上方。

再请参见图1，所述的第二机械臂42与动脉探测装置6之间设有第二压力感受器12；所述的第二机械臂42与动脉固定装置8之间设有第三压力感受器13；所述的第二机械臂42与穿刺针操作装置9之间设有第四压力感受器14；所述的第二机械臂42与动脉加压装置10之间设有第五压力感受器15。

所述的动脉穿刺系统还包括红外摄像头31和参照红外光源32。所述的红外摄像头31用于进行高频率同步成像，红外摄像头31有若干个，固定于手术室的固定位置。所述的参照红外光源32也有若干个，具体地，所述的手术床1的固定位置设置参照红外光源32，所述的制动装置5、动脉探测装置6、皮肤消毒装置7、动脉固定装置8、穿刺针操作装置9和动脉加压装置10均设置参照红外光源32。

所述的动脉穿刺系统还设有控制平台2，所述的控制平台2包括：

图像采集和分析模块21：用于获取红外摄像头31拍摄到的红外图像，其中包含各个参照红外光源32的红外图像；并进一步分析获取的红外图像，包括辨识参照红外光源32的红外图像、患者身体位置信息。

图像重建模块22：根据图像采集和分析模块21的结果，对多组二维红外图像进行处理，结合标准人体轮廓图像信息，重建病人的人体三维轮廓信息。

机械臂控制模块23：用于控制第一机械臂41和第二机械臂42的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，以完成第一机械臂41和第二机械臂42对制动装置5、动脉探测装置6、皮肤消毒装置7、动脉固定装置8、穿刺针操作装置9和动脉加压装置10的所有操控动作。

位置采集模块24：用于采集各装置上参照红外光源32的位置信息。

制动模块25：用于整合图像重建模块22重建的病人的人体三维轮廓信息和位置采集模块24采集的制动装置5的位置信息，发出指令给机械臂控制模块23，进一步由机械臂控制模块23控制第一机械臂41的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，以操作制动装置5完成对病人身体的基本固定。

动脉探测模块26：用于使第二机械臂42和动脉探测装置6结合，第二机械臂42操控动脉探测装置6与穿刺部位皮肤接触，动脉探测装置6与皮肤接触面上的阵列式的第一压力感受器11高频同步采集压力数据，所述的压力数据包括压力大小和压力方向，动脉探测模块26还调节第二机械臂42使第二压力感受器12采集的压力数据在不同数值停留一定时间(停留时间>第一压力感受器11压力变化周期)。动脉探测模块26还用于接收动脉探测装置6上的第一压力感受器11高频同步采集的在不同压力(该压力由第二机械臂42与动脉探测装置6之间的第二压力感受器12采集)条件下的压力数据，并依据该压力数据和第一压力感受器11的各压力感应探头的位置信息及采集数据的时间信息计算出实际动脉中心线走行图；再结合病人年龄，性别，身高，体重，体型，胸围，腰围，皮下脂肪厚度等信息计算出动脉三维走行图；进一步结合图像重建模块22重建的病人的人体三维轮廓信息及动脉探测装置6上的参照红外光源32的位置信息计算出与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图；还计算脉搏波传导速度(纵向)，动脉血管横向搏动传导情况判断动脉血管壁弹性情况，以排除动脉血管壁病变。

动脉穿刺模块27：包括动脉消毒子模块271、动脉固定子模块272和动脉穿刺操作子模块273。所述的动脉消毒子模块271用于控制第二机械臂42与皮肤消毒装置7结合，根据动脉探测模块26最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉血管壁病变情况选定穿刺部位位置信息，发出指令给机械臂控制模块23，进一步由机械臂控制模块23控制第二机械臂42的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，以操作皮肤消毒装置7完成在穿刺部位皮肤涂抹消毒剂。所述的动脉固定子模块272用于控制第二机械臂42与动脉固定装置8结合，根据与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图以及动脉固定装置8上参照红外光源32的位置信息，选择合适的动脉固定装置8，并发出指令给机械臂控制模块23，进一步由机械臂控制模块23控制第二机械臂42的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，以对穿刺部位施加一定压力(该压力由第二机械臂42与动脉固定装置8之间设有的第三压力感受器13采集)固定动脉。所述的动脉穿刺操作子模块273用于根据动脉探测模块26最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉固定装置8上参照红外光源32的位置信息，计算穿刺路径，发送指令给机械臂控制模块23，进一步由机械臂控制模块23控制第二机械臂42的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，以令第二机械臂42端部的机械手所持穿刺针按照穿刺路径依次穿刺皮肤、皮下组织，穿刺针接触动脉壁时第二机械臂42与穿刺针操作装置9之间设有第四压力感受器14可以探测到动脉搏动导致的压力变化，变化幅度达到预期值时穿刺针继续穿刺，突破动脉壁进入动脉，并控制穿刺针的撤出。

动脉止血模块28：用于整合穿刺点的位置信息和位置采集模块24采集的动脉加压装置10的位置信息，发出指令给机械臂控制模块23，进一步由机械臂控制模块23控制第二机械臂42的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，使动脉加压装置10前凸进入动脉固定装置8的操作窗81，以一定压力(该压力由第二机械臂42与动脉加压装置10之间设有的第五压力感受器15采集)垂直压迫动脉穿刺点，促进动脉止血。

本发明的动脉穿刺系统的工作原理和流程为：

第一，采集病人年龄，性别，身高，体重，胸围，腰围，皮下脂肪厚度数据，发送至控制平台3。

第二，病人除外动脉穿刺禁忌证，穿刺部位皮肤备皮，更换衣服鞋子，戴口罩帽子进入手术室，经电子语音提示于手术床1上保持平卧、半卧或坐位等姿势，暴露穿刺部位皮肤。

第三，红外摄像头31进行高频率同步成像，采集包含手术床1在内区域的红外图像信息，图像采集和分析模块21获取红外摄像头31拍摄到的红外图像，其中包括各个参照红外光源32的红外图像，进一步分析采集的红外图像，包括参照红外光源32的红外图像、病人身体位置信息，图像重建模块22根据图像采集和分析模块21的分析结果，对多组二维红外图像进行处理，结合标准人体轮廓图像信息，重建病人的人体三维轮廓信息。

第四，第一机械臂41操控制动装置5，限制病人活动；

第五，用于使第二机械臂42和动脉探测装置6结合，第二机械臂42操控动脉探测装置6与穿刺部位皮肤接触，动脉探测装置6与皮肤接触面上的阵列式的第一压力感受器11高频同步采集压力数据，所述的压力数据包括压力大小和压力方向，动脉探测模块26还调节第二机械臂42使第二压力感受器12采集的压力数据在不同数值停留一定时间(停留时间>第一压力感受器11压力变化周期)。动脉探测模块26还用于接收动脉探测装置6上的第一压力感受器11高频同步采集的在不同压力(该压力由第二机械臂42与动脉探测装置6之间的第二压力感受器12采集)条件下的压力数据，并依据该压力数据和第一压力感受器11的各压力感应探头的位置信息及采集数据的时间信息计算出实际动脉中心线走行图；进一步结合图像重建模块22重建的病人的人体三维轮廓信息及动脉探测装置6上的参照红外光源32的位置信息计算出与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图；还计算脉搏波传导速度(纵向)，动脉血管横向搏动传导情况判断动脉血管壁弹性情况，以排除动脉血管壁病变。在该过程中，所述的动脉探测装置6在使用时长轴平行于动脉长轴，接触面平行于皮肤表面，接触面上的阵列式的第一压力感受器11高频同步采集动脉探测装置在不同压力下的压力数据，且探测期间动脉探测装置6与皮肤接触面上长轴两侧端的压力探头的压力保持相同，动脉探测装置边缘位于动脉血管横向传导搏动区域之外(不同时间点采集的压力数据相同)。

第六，当动脉探测步骤完成后，第二机械臂42和动脉探测装置6分离，动脉消毒子模块271控制第二机械臂42与皮肤消毒装置7结合，根据动脉探测模块26最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉血管壁病变情况选定穿刺部位位置信息，发出指令给机械臂控制模块23，进一步由机械臂控制模块23控制第二机械臂42的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，以操作皮肤消毒装置7完成在穿刺部位皮肤涂抹消毒剂。消毒完成后，第二机械臂42和皮肤消毒装置7分离，动脉固定子模块272控制第二机械臂42与动脉固定装置8结合，根据与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图以及动脉固定装置8上参照红外光源32的位置信息，选择合适的动脉固定装置8，并发出指令给机械臂控制模块23，进一步由机械臂控制模块23控制第二机械臂42的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，以操作动脉固定装置8对穿刺部位施加一定压力(该压力由第二机械臂42与动脉固定装置8之间设有第三压力感受器13采集)固定动脉。固定完成后，所述的动脉穿刺操作子模块273根据动脉探测模块26最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉固定装置8上参照红外光源32的位置信息，计算穿刺路径，发送指令给机械臂控制模块23，进一步由机械臂控制模块23控制第二机械臂42的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，以令第二机械臂42端部的机械手所持穿刺针按照穿刺路径依次穿刺皮肤、皮下组织，穿刺针接触动脉壁时第二机械臂42与穿刺针操作装置9之间设有的第四压力感受器14可以探测到动脉搏动导致的压力变化，变化幅度达到预期值时穿刺针继续穿刺，突破动脉壁进入动脉，并控制穿刺针的撤出。

第七，穿刺针被撤出后，动脉止血模块28整合穿刺点的位置信息和位置采集模块24采集的动脉加压装置10的位置信息，发出指令给机械臂控制模块23，进一步由机械臂控制模块23控制第二机械臂42的位置调整及关节弯曲、旋转等动作，使动脉加压装置10前凸进入动脉固定装置8的操作窗81，以一定压力(该压力由第二机械臂42与动脉加压装置10之间设有的第五压力感受器15采集)垂直压迫动脉穿刺点，促进动脉止血。

以上操作过程中，动脉固定装置6、动脉加压装置8及穿刺针操作装置9需要进行无菌处理。

需要说明的是，本发明将红外热成像技术、人体轮廓识别技术、脉搏引起皮肤压力变化等知识巧妙地结合起来，构建了完整的全自动化动脉精确定位穿刺系统，本发明的动脉穿刺系统将无需医务人员操作，节省医疗资源，定位准确性更高。本申请发明人意识到脉搏波传导速度(PulseWaveVelocity，PWV)与血管壁硬度之间的关系，并进行了很好地运用。脉搏波传导速度是指脉搏波由动脉的一特定位置沿管壁传播至另一特定的位置的速率，是一个用来反映动脉弹性的非侵入性指标，PWV值越高表明血管壁越硬。计算公式：PWV＝距离/时间差。本发明利用脉搏波传导速度与血管壁硬度之间的关系来排除动脉病变，从而显著降低误操作的概率，减少术后并发症。本发明的各装置结构设计巧妙，例如所述的动脉固定装置设计为半圆柱形并带有操作窗，能更全面和稳固的固定穿刺部位，同时提供更多的位置参考信息，有助于准确穿刺。本发明采用红外摄像头31、参照红外光源32，即红外热成像技术来实现病人人体轮廓信息的采集和位置的确定，红外热成像技术不同于可见光成像，它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分布场。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。最早在军事领域获得应用，随着热像仪制造工艺的快速发展，其在民用领域的应用也逐渐广泛。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。本发明利用穿刺针操作装置9与第二机械臂42之间的第四压力感受器14采集到的压力变化数据和标准压力变化预期值的比对，准确实现继续穿刺、停止穿刺的动作控制。本发明的动脉穿刺系统，在第二机械臂42与皮肤消毒装置7之间、第二机械臂42与动脉固定装置8之间、第二机械臂42与穿刺针操作装置9之间均设有压力感受器，可以给予病人合适的束缚制动、消毒操作、加压止血等，确保精确和安全的穿刺操作。本发明的动脉穿刺系统还可包括完成动脉穿刺使用的其他穿刺器械和药品，如注射器、抗凝剂、试管、弯盘、注射器针头回收器等。本发明的动脉穿刺系统其轨道和机械臂的设计可以根据实际应用进行调整，其数量、形状或结构的改动均在本发明的保护范围内。

使用本发明的动脉穿刺系统可行左侧桡动脉穿刺、右侧肱动脉穿刺和左侧股动脉穿刺等等。

实施例2

本实施例的动脉穿刺系统与实施例1所述的动脉穿刺系统基本相同，不同之处还在于：所述的第二机械臂和皮肤消毒装置之间设有第六压力感受器，所述的第六压力感受器在消毒过程中可以感受与病人皮肤之间的压力，确保获得满意的消毒效果。

实施例3

本实施例的动脉穿刺系统与实施例1所述的动脉穿刺系统基本相同，不同之处还在于：所述的第一机械臂和制动装置之间还设有第七压力感受器，在制动过程中，所述的第七压力感受器可以感受制动装置与患者接触的压力大小，以保持适当的制动压力，限制病人活动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种动脉穿刺系统，其特征在于，设有手术床，所述的手术床设有机械臂，所述的机械臂用于操控制动装置、动脉探测装置、皮肤消毒装置、动脉固定装置、穿刺针操作装置、动脉加压装置；所述的制动装置用于限制病人活动；所述的动脉探测装置用于探测动脉走行及脉搏波传导速度；所述的皮肤消毒装置用于穿刺部位皮肤消毒；所述的动脉固定装置用于固定穿刺部位；所述的穿刺针操作装置用于操作穿刺针穿刺动脉；所述的动脉加压装置用于穿刺后止血；所述的动脉固定装置为半圆柱形，横截面为半圆形，两端的侧面封闭，与患者皮肤接触的底面是开放的，上端拱起的顶面设有轴向的矩形的操作窗；所述的动脉探测装置在使用过程中与病人皮肤接触的面设有由若干呈阵列式分布的压力感应探头组成的第一压力感受器；所述的机械臂与动脉探测装置之间设有第二压力感受器；所述的机械臂与动脉固定装置之间设有第三压力感受器；所述的机械臂与穿刺针操作装置之间设有第四压力感受器；所述的机械臂与动脉加压装置之间设有第五压力感受器；所述的动脉穿刺系统还设有若干红外摄像头，所述的制动装置、动脉探测装置、皮肤消毒装置、动脉固定装置、穿刺针操作装置和动脉加压装置均设置参照红外光源；所述的动脉穿刺系统还设有控制平台，所述的控制平台包括：

图像采集和分析模块：用于获取红外摄像头拍摄到的红外图像，并进一步分析，包括辨识参照红外光源的红外图像、患者身体位置信息；

图像重建模块：根据图像采集和分析模块的结果，对二维红外图像进行处理，结合标准人体轮廓图像信息，重建病人的人体三维轮廓信息；

机械臂控制模块：用于控制机械臂的位置调整及关节弯曲、旋转动作；

位置采集模块：用于采集各装置上参照红外光源的位置信息；

制动模块：用于整合图像重建模块重建的病人的人体三维轮廓信息和位置采集模块采集的制动装置的位置信息，发出指令给机械臂控制模块，控制机械臂，以操作制动装置限制病人的活动；

动脉探测模块：用于接收第一压力感受器高频同步采集的在不同压力条件下的压力数据，并依据压力数据及采集数据的时间信息计算出实际动脉中心线走行图；再结合年龄，性别，身高，体重，体型，胸围，腰围，皮下脂肪厚度信息计算出动脉三维走行图；进一步结合图像重建模块重建的病人的人体三维轮廓信息及动脉探测装置上的参照红外光源的位置信息计算出与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图；还计算纵向脉搏波传导速度，动脉血管横向搏动传导情况判断动脉血管壁弹性情况，以排除动脉血管壁病变；

动脉穿刺模块：包括皮肤消毒子模块、动脉固定子模块和动脉穿刺操作子模块；所述的皮肤消毒子模块用于控制机械臂与皮肤消毒装置结合，根据动脉探测模块最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉血管壁病变情况选定穿刺部位位置信息，发出指令给机械臂控制模块，控制机械臂，以操作皮肤消毒装置完成在穿刺部位皮肤涂抹消毒剂；所述的动脉固定子模块用于控制机械臂与动脉固定装置结合，并发出指令给机械臂控制模块，控制机械臂，以对穿刺部位施加压力固定动脉；所述的动脉穿刺操作子模块用于根据动脉探测模块最终探测得到的与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图和动脉固定装置上参照红外光源的位置信息，计算穿刺路径，发送指令给机械臂控制模块，控制机械臂，以令机械臂的机械手所持穿刺针按照穿刺路径依次穿刺皮肤、皮下组织，穿刺针接触动脉壁时机械臂与穿刺针操作装置之间设有的第四压力感受器探测到动脉搏动导致的压力变化，变化幅度达到预期值时穿刺针继续穿刺，突破动脉壁进入动脉，并控制穿刺针的撤出；

动脉止血模块：用于整合穿刺点的位置信息和位置采集模块采集的动脉加压装置的位置信息，发出指令给机械臂控制模块，控制机械臂，使动脉加压装置前凸进入动脉固定装置的操作窗，以垂直压迫动脉穿刺点，促进动脉止血。

2.根据权利要求1所述的动脉穿刺系统，其特征在于，所述的动脉探测装置在使用过程中与病人皮肤接触的面为矩形，所述的机械臂固定于动脉探测装置的四个角。

3.根据权利要求1所述的动脉穿刺系统，其特征在于，所述的动脉固定子模块用于控制机械臂与动脉固定装置结合，且根据与人体三维轮廓信息整合的动脉三维走行图以及动脉固定装置上参照红外光源的位置信息，选择合适的动脉固定装置。

4.根据权利要求1所述的动脉穿刺系统，其特征在于，所述的机械臂和皮肤消毒装置之间设有第六压力感受器，所述的第六压力感受器用于在消毒过程中感受与病人皮肤之间的压力；所述的机械臂和制动装置之间设有第七压力感受器，所述的第七压力感受器用于感受制动装置与患者接触的压力大小。

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