CN111434316B - 超声平面外血管穿刺辅助机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种超声平面外血管穿刺辅助机器人，包括：图像识别处理单元，用于对穿刺目标区域的血管实时影像进行分析计算，获取血管轮廓形状数据和血管中心位置数据；穿刺导航单元，用于基于血管轮廓形状数据和血管中心位置数据，计算优选穿刺姿态和优选穿刺路径；运动规划单元，用于基于优选穿刺路径，计算得出穿刺针具由当前姿态调整到优选穿刺姿态所需的电机控制参数；运动控制单元，用于基于电机控制参数，控制电机驱动单元，驱动穿刺针具移动到优选穿刺姿态，并沿优选穿刺路径进行穿刺。其中，上述各单元依次连接。本发明实施例能有效避免平面外穿刺技术存在并发症风险，并有效提高穿刺成功率。

Description

超声平面外血管穿刺辅助机器人

技术领域

本发明实施例涉及医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种超声平面外血管穿刺辅助机器人。

背景技术

超声引导下的血管穿刺，具有可实时观察解剖结构、穿刺路径、缩短穿刺时间、减少穿刺并发症等优势，超声引导的血管穿刺技术包括平面内、和平面外技术，两者在临床应用中各有优缺点。

平面内技术，穿刺针始终处于探头扫描平面内，在穿刺过程中可以完整显示进针路线，缺点是不能观察到周围的组织，探头操作不稳定容易丢失血管，并且由于超声的容积效应导致不能明确针尖和血管切面的位置关系造成穿刺失败。

平面外技术可以清晰显示周围组织解剖关系，血管信息在超声影像中显示容易区分，穿刺路径短并且可以确保穿刺针处于血管顶端正中位置，穿刺成功率高，缺点是穿刺过程针体和针尖不可见，容易造成穿刺并发症风险，穿刺针刺入血管后减小穿刺角度时容易发生穿刺针脱离及刺破血管等问题。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种超声平面外血管穿刺辅助机器人，用以有效避免平面外穿刺技术存在并发症风险，从而有效提高穿刺成功率。

本发明实施例提供一种超声平面外血管穿刺辅助机器人，包括：依次连接的图像识别处理单元、穿刺导航单元、运动规划单元、运动控制单元和电机驱动单元。其中：

所述图像识别处理单元用于对穿刺目标区域的血管实时影像进行分析计算，获取血管轮廓形状数据和血管中心位置数据；

所述穿刺导航单元用于基于所述血管轮廓形状数据和所述血管中心位置数据，计算优选穿刺姿态和优选穿刺路径；

所述运动规划单元用于基于所述优选穿刺路径，计算得出穿刺针具由当前姿态调整到所述优选穿刺姿态所需的电机控制参数；

所述运动控制单元用于基于所述电机控制参数，控制所述电机驱动单元，驱动所述穿刺针具移动到所述优选穿刺姿态，并沿所述优选穿刺路径进行穿刺。

本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人，针对平面外穿刺过程针体及针尖位置难以确定、易发生穿刺并发症等问题，通过精密机械结构和高精度伺服电机驱动实现穿刺针精准控制，应用计算机图像识别技术及穿刺导航技术，通过模拟显示穿刺针和血管相对位置关系，达到在平面外穿刺技术下也可以辅助医生确认穿刺针尖位置的效果，可以更好的实现超声平面外血管穿刺，能有效弥补医生经验的不足，并有效避免平面外穿刺技术存在并发症风险，提高穿刺成功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人的结构示意图；

图2为根据本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人中优选穿刺路径示意图；

图3为根据本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人中穿刺姿态调整机构示意图；

图4为根据本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人中针尖远心控制技术下穿刺角调整示意图；

图5为本发明另一实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人的结构示意图；

图6为根据本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人的操作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明实施例的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

本发明实施例针对现有技术中平面外穿刺过程针体及针尖位置难以确定、易发生穿刺并发症等问题，通过精密机械结构和高精度伺服电机驱动实现穿刺针精准控制，应用计算机图像识别技术及穿刺导航技术，可以更好的实现超声平面外血管穿刺，能有效弥补医生经验的不足，并有效避免平面外穿刺技术存在并发症风险，提高穿刺成功率。以下将具体通过多个实施例对本发明实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明一实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人的结构示意图，如图1所示，该辅助机器人包括：依次连接的图像识别处理单元101、穿刺导航单元102、运动规划单元103、运动控制单元104和电机驱动单元105。其中：

图像识别处理单元101可以实时获取穿刺目标区域中皮肤108下血管106的实时影像数据，该血管实际上即是穿刺目标血管。并且，图像识别处理单元101可用于对穿刺目标区域的血管106的实时影像数据进行分析计算，获取血管轮廓形状数据和血管中心位置数据；穿刺导航单元102用于基于血管轮廓形状数据和血管中心位置数据，计算优选穿刺姿态和优选穿刺路径；运动规划单元103用于基于优选穿刺路径，计算得出穿刺针具107由当前姿态调整到优选穿刺姿态所需的电机控制参数；运动控制单元104用于基于电机控制参数，控制电机驱动单元105，驱动穿刺针具107移动到优选穿刺姿态，并沿优选穿刺路径进行穿刺。

可以理解，本发明实施例由超声图像识别处理单元101对采集的血管106的实时超声影像进行手动或自动识别和解析计算，得到目标血管截面的轮廓形状数据、血管截面中心在穿刺坐标系中位置等数据，并将这些数据传递给穿刺导航单元102。其中，穿刺目标点默认标记为血管截面中心点，也可通过手动标记模式修改穿刺目标点位置坐标。

穿刺导航单元102根据标记的穿刺目标点坐标数据、血管轮廓数据等信息，比照计算机中预先存储的血管穿刺经验数据，计算得到优选穿刺路径，并将该优选穿刺路径传递给运动规划单元103。操作者确认导航系统计算的数据后，启动穿刺准备指令。

运动规划单元103根据优选穿刺路径，计算得出穿刺辅助机器人(也即是调整穿刺针具107的姿态)由当前姿态调整到优选穿刺姿态所需的电机调整位置、速度等电机控制参数，并发送这些运动参数给运动控制单元104。

运动控制单元104则根据这些电机控制参数，控制穿刺辅助机器人的电机驱动单元105，使得电机驱动单元105驱动穿刺针具107移动到优选穿刺姿态。实现在最短时间内调整穿刺辅助机器人姿态与优选穿刺路径吻合。

之后，操作者在确认穿刺辅助机器人姿态后，运动控制单元104可控制电机驱动单元105驱动穿刺针具107执行穿刺操作，控制穿刺针具沿着优选穿刺路径刺向目标血管。

此外，穿刺导航单元102还可用于计算优选穿刺速度。则相应的，运动控制单元104可具体用于，控制电机驱动单元105驱动穿刺针具107按优选穿刺速度沿优选穿刺路径进行穿刺。可以理解，优选穿刺速度下皮肤及血管更易被刺破。

上述穿刺辅助机器人在穿刺过程中，手动模式下，当穿刺针具刺入目标血管针尖到达标记穿刺点坐标时，穿刺操作显示画面穿刺状态显示为穿刺完成，提示操作者停止继续进针。自动模式下，穿刺针具的针尖到达标记穿刺点坐标时，穿刺操作立即完成。

本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人，针对平面外穿刺过程针体及针尖位置难以确定、易发生穿刺并发症等问题，通过精密机械结构和高精度伺服电机驱动实现穿刺针精准控制，应用计算机图像识别技术及穿刺导航技术，通过模拟显示穿刺针和血管相对位置关系，达到在平面外穿刺技术下也可以辅助医生确认穿刺针尖位置的效果，可以更好的实现超声平面外血管穿刺，能有效弥补医生经验的不足，并有效避免平面外穿刺技术存在并发症风险，提高穿刺成功率。

可以理解的是，在上述图像识别处理单元101获取血管106的实时影像数据时，可以借助外部超声图像识别设备获取，如图1所示，也可以通过在本发明实施例的超声平面外血管穿刺辅助机器人中设置超声探测单元实现。该超声探测单元包括超声探头109和超声影像系统110，用于通过超声扫描穿刺目标区域，对穿刺目标区域的血管进行超声成像，获取穿刺目标区域的血管实时影像。

本发明实施例中操作者首先可把持或操控穿刺辅助机器人的超声探头109贴近皮肤108对穿刺目标区域扫描，获取穿刺目标区域血管短轴切面影像数据，确定适合穿刺的部位后固定穿刺辅助机器人。之后利用超声探头109结合超声影像系统110，对穿刺目标区域进行采像，得到穿刺目标区域的血管实时影像，该实时影像中可显示血管106的超声图像。

其中，根据上述各实施例可选的，穿刺导航单元具体用于：基于血管轮廓形状数据和血管中心位置数据，通过比照预存的血管穿刺经验数据，计算得到包括优选穿刺角度、穿刺进针点坐标、穿刺进针深度和穿刺速度的优选运动参数，即优选穿刺姿态。

可以理解，超声影像系统110可以将获取的目标区域超声影像传输给计算机，通过手动或者自动图像识别处理单元101，应用医学图像获取、分割等技术，实现目标血管的识别及位置形状计算。如图2所示，为根据本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人中优选穿刺路径示意图，将血管截面轮廓形状数据、血管截面中心点D在穿刺坐标系中位置(x₁，y₁)等数据，发送给穿刺导航单元102。穿刺导航单元102根据标记的穿刺目标点坐标数据、目标血管轮廓数据等信息，依据计算机中预先存储的经验穿刺数据，计算得到优选穿刺角度θ、穿刺进针点坐标C(x₂，y₂)、穿刺进针深度以及穿刺速度等运动参数。

其中，根据上述各实施例可选的，电机驱动单元包括平移控制电机、俯仰控制电机和穿刺控制电机。则相应的，运动规划单元具体用于：基于当前姿态、优选穿刺姿态和优选穿刺路径，通过逆解计算，获取平移控制电机、俯仰控制电机和穿刺控制电机分别对应的设定目标位置和设定速度。

可以理解，如图3所示，为根据本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人中穿刺姿态调整机构示意图，图中包括超声探头109，图中所示的穿刺姿态调整机构由平移机构307、俯仰机构308和穿刺机构309组成，三个姿态调整机构分别由平移控制电机306、俯仰控制电机305和穿刺控制电机304驱动。运动规划单元103接收到优选穿刺路径以及穿刺相关参数后，即根据优选穿刺路径及相关参数，通过逆解计算，得出穿刺辅助机器人姿态调整的三个电机的运动参数，即设定目标位置、设定速度等，使穿刺辅助机器人在最短时间内到达预设的优选穿刺姿态。

根据上述各实施例，运动控制单元具体用于：将平移控制电机、俯仰控制电机和穿刺控制电机分别对应的设定目标位置和设定速度转换为电机控制所需的位置码值和转速值，并通过通信总线，将位置码值和转速值发送给电机驱动单元的伺服电机控制器，以供伺服电机控制器根据位置码值和转速值，控制平移控制电机、俯仰控制电机和穿刺控制电机的位置和速度。

可以理解，参考图1中所示的运动控制单元104首先会将运动规划单元103计算的电机设定目标位置、设定速度，转换为电机控制所需的位置码值及转速值。之后，通过通信总线，将这些位置码值及转速值发送给电机驱动单元105的伺服电机控制器。伺服电机控制器接收到控制指令后，即控制上述电机运行到设定位置，穿刺辅助机器人穿刺姿态调整完成。

另外，在上述各实施例的基础上，本发明实施例的穿刺辅助机器人还可以包括操作显示单元，用于显示优选穿刺路径引导线，并以图例形式实时模拟并显示穿刺针具刺入血管的状态和轨迹。

可以理解，如图1所示，为了更直观的感受穿刺过程，并方便确认穿刺准确性，还可在本发明实施例的穿刺辅助机器人中设置操作显示单元111。操作显示单元111可以以图例形式实时模拟并显示穿刺针具刺入血管的状态和轨迹。另外，为方便引导操作者准确沿优选穿刺路径进行穿刺操作，操作显示单元111可用于显示优选穿刺路径引导线。

也即是说，在穿刺操作显示画面上，可以以图例形式模拟平面内穿刺效果，显示优选穿刺路径引导线，操作者可以直观感受穿刺路径是否满足穿刺要求。例如，可以模拟平面内穿刺效果，以图例形式显示在穿刺操作显示画面左侧，同时还显示有穿刺角度、穿刺点位置、穿刺进针深度、穿刺速度等参数计算值和实时值。

穿刺操作显示画面左侧图例实时模拟显示穿刺针具刺入的轨迹，辅助操作者直观判断穿刺针具的针尖实时位置以及和目标血管的相对位置，有效提高穿刺操作的可靠性及安全性。同时穿刺针具的针尖在超声画面中显影，超声图像识别处理单元捕捉该显影并识别。通过针尖位置跟踪及针尖超声影像识别相互验证，实现针尖到达血管目标点的确认。

本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人，采用可视化技术，采用动态图例模拟平面内穿刺效果，达到实时显示穿刺针具、针尖实时位置及角度、穿刺针具与探头和目标血管的相对位置关系，使得医生在平面外穿刺技术下穿刺全程“可视”穿刺针具及针尖，辅助医生直观感受穿刺过程。

另外，根据上述各实施例，操作显示单元111画面的一侧，例如左侧或右侧，可以显示模拟平面内穿刺图例，表现超声探头、穿刺针具和血管之间的位置关系。同时，图中可以以不同颜色的实线或虚线，分别表示优选穿刺路径、穿刺引导线(即优选穿刺路径引导线)和穿刺针体虚拟线(即穿刺针具的刺入轨迹模拟线)，同样可以用圆点表示穿刺针尖。例如，穿刺路径为一种颜色(例如绿色)虚线，穿刺引导线为另一种颜色(例如白色)虚线，穿刺针体虚拟线为又一种颜色(例如淡黄色)实线。其中，针尖表示方法与画面中超声影像上针尖位置表示方法一致。

在上述各实施例的基础上，操作显示单元111画面的另一侧，对应如右侧或左侧，还可以显示实时超声影像，目标血管中心点以一种醒目颜色(即第一设定颜色，例如红色)和形状(即第一设定行政，例如圆点)标示。当穿刺针具进入探头探测面以下时，通过对穿刺针具针尖位置的计算，在超声影像血管上方以另一种醒目颜色(即第二设定颜色，例如黄色)和形状(即第二设定行政，例如圆点)样式模拟穿刺针具的针尖“显影”。

另外，图例上方可以以不同颜色的状态模块区分穿刺状态。例如，用绿色表示穿刺姿态到位，用黄色表示穿刺进行中，用红色表示穿刺针具已刺入血管。图例下方以数字形式分别显示穿刺角度(如可表示为Needle Angle)、穿刺点位置(如可表示为NeedlePosition)、穿刺针具进针长度(如可表示为Needle Length)、穿刺速度(如可表示为NeedleSpeed)的优选计算值以及实际值。操作者通过操作显示单元111画面左侧图例直观判断预穿刺路径和目标血管的位置关系，还可以通过更改穿刺目标点坐标数据、穿刺角度参数值对优选穿刺路径进行微调或修正，点击确认按钮后，优选穿刺路径数据随即更新发送至穿刺运动规划单元。

另外，在上述各实施例的基础上，参考图1，本发明实施例的穿刺辅助机器人还可以包括针尖远心控制单元112，与运动控制单元104和电机运动数据处理单元113连接，用于通过针尖远心控制技术，以穿刺针具刺入血管点为支点，旋转穿刺针具，并在调整穿刺针具的角度时，保持穿刺针具的针尖始终处于超声探测声束平面内，以使穿刺针具的针尖超声影像始终显影。

可以理解，穿刺针具的针尖到达设定目标位置后，通过计算针尖运动坐标位置数据，以及图像识别针尖实时超声影像双重验证确认针尖位置，然后需要减小穿刺角度以便顺畅置入导丝，通过针尖远心控制技术，以针体刺入血管点为支点进行转动，并且在穿刺针具角度调整同时保持针尖始终处于超声探测束平面内，即针尖超声影像始终显影。

在穿刺针具刺入血管完成后，需要适当减小穿刺针具刺入血管角度，以达到防止针尖从血管里脱出的效果。为确保针尖在调整角度过程中始终在超声平面内显影，应用针尖远心控制技术，使得穿刺针具以血管刺入点为支点进行旋转，同时控制针尖始终处于超声声束平面内。

也即是说，在穿刺针具刺入血管完成后，为进行下一步需要调整针尖的角度，防止针尖从血管里脱出的效果。为防止穿刺针具在调整穿刺角度过程中未能刺破血管以及从血管中脱离，并确保针尖始终在超声平面内显影，需要通过针尖远心控制技术实现，使得穿刺针具以血管刺入点为支点进行旋转，旋转同时控制针尖位置。

具体而言，针尖远心控制单元112根据手持控制器对俯仰角度的调节量，以血管刺入点E为支点进行穿刺针具的角度调整。如图4所示，为根据本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人中针尖远心控制技术下穿刺角调整示意图，调整过程确保针尖D始终处于超声扫描声束内，例如穿刺针具姿态调整要求为穿刺角度由θ减小为θ′，针尖D位置坐标变为(x₁，y′₁)，即D点x轴坐标保持不变。针尖远心控制单元112计算得出穿刺控制以及平移控制的调节量，并发送给运动控制单元105完成针尖远心控制。

本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人，应用针尖远心控制技术，实现穿刺针具刺入血管后调整穿刺角度同时确保针尖始终处于超声声束平面内，即穿刺针具的针尖在调整穿刺角度过程中始终显影，能够避免手动调整穿刺角度时穿刺针具容易脱落及刺破血管的风险。

根据上述各实施例，结合图1，为更方便的理解本发明实施例的技术方案，可以对本发明实施例的超声平面外血管穿刺辅助机器人中上述各单元模块分块。具体而言，可以认为本发明实施例的超声平面外血管穿刺辅助机器人包括穿刺机器人本体20、电气控制系统30、机器人控制系统40和操作显示单元111几个部分。其中，穿刺机器人本体20包括穿刺针具107、超声探头109和穿刺姿态驱动装置114，电气控制系统30包括超声影像系统110和电机驱动单元105，机器人控制系统40包括图像识别处理单元101、穿刺导航单元102、运动规划单元103、运动控制单元104、针尖远心控制单元112和运动数据处理单元113。

在利用上述各实施例的穿刺辅助机器人进行穿刺过程中，首先通过图像识别处理技术，对穿刺目标区域的血管实时超声影像进行分析计算，获取血管中心坐标位置数据后，由穿刺导航单元根据计算机中存储的经验数据计算得出优选穿刺路径及控制参数。

之后，可根据优选穿刺针具路径，由穿刺运动规划单元计算得出穿刺辅助机器人由当前姿态调整到优选穿刺姿态所需的位置、角度、以及速度等控制参数，进而发送运动控制参数给穿刺运动控制单元驱动控制穿刺辅助机器人姿态的三个电机，使得穿刺辅助机器人快速调整到优选穿刺姿态，然后由操作者确认并操作手柄控制穿刺进针运动，

穿刺辅助机器人系统通过匹配穿刺运动和超声影像显示系统坐标系一致性，实现准确模拟并显示穿刺针具运动路径、针尖位置以及针体和目标血管、探头之间的相对位置关系，解决了操作者在平面外穿刺技术下无法观察穿刺针具运行路径和针尖位置的缺陷，有效避免穿刺并发症。

在进行显示确认时，操作者首先在操作显示单元画面上通过观察平面内穿刺图例上的优选穿刺路径，确认穿刺机器人姿态，然后在手动模式下操作手持控制器执行穿刺，控制穿刺针具以设定穿刺速度沿着优选穿刺路径刺向目标血管，平面内穿刺图例上以一种颜色(例如淡黄色)实线形式实时模拟穿刺针具刺入的轨迹，实线前端圆点模拟针尖到达位置，超声影像上的圆点随着穿刺操作同步移动，使操作者可以直观感受穿刺针尖的位置以及和目标血管的相对位置。解决了平面外穿刺技术穿刺针尖位置难以确定的问题，有效提高了血管一次穿刺成功率。

当穿刺针尖到达标记穿刺点坐标时，穿刺状态表示穿刺针具已刺入血管的颜色指示块点亮提示操作者应停止进针。同时穿刺针尖在超声影像中显影，计算机图像识别处理单元捕捉该显影并识别。通过对针尖位置计算跟踪及针尖超声影像识别双重验证，实现针尖在血管中位置的确认。

图5为本发明另一实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人的结构示意图，如图5所示，该辅助机器人包括：

由高性能多种标准接口的嵌入式工控机50作为系统控制核心，控制模式具有自动控制和手动控制两种模式，两种控制模式下均需要首先手持或操控机械臂实现穿刺辅助医疗机器人超声探头扫查目标静脉，确定目标静脉后固定穿刺辅助医疗机器人位姿。

自动模式下穿刺辅助机器人通过图像识别处理单元501确定穿刺目标，由穿刺导航单元502给出优选穿刺路径及运动参数，实现自动将穿刺机器人调整到优选穿刺位置及穿刺角度；手动模式与自动模式不同的是，操作者通过手持控制器70操作，控制穿刺辅助机器人姿态使之与优选穿刺路径吻合。工控机50通过总线通信模块508和电机驱动单元60中的伺服驱动器连接。采用总线通信确保了控制信号传输的稳定性和可靠性。

本发明实施例中，超声探头109向目标静脉血管发射超声波，并接受探头扫描区域反射的超声波，并将采集到的数据信息传输给超声影像系统110。

超声影像系统110接收超声探头109发送的数据，并将数据处理为超声图像数据信息后，传输给工控机50的信号采集模块507。数据传输接口为HDMI，信号采集模块507通过计算机标准PCIe接口与工控机50连接。

图像识别处理单元501用影像功能函数对信号采集模块507采集到的超声影像数据信息进行数字化处理，基于边界的图像分割方法实施目标血管的轮廓识别、以及血管中心位置D坐标(x₁，y₁)的计算。

穿刺导航单元502根据目标血管在超声影像中的坐标数据及形状数据，通过穿刺路径模型计算出优选穿刺路径，穿刺路径模型结合经验穿刺数据具有自学习功能。优选穿刺路径确定穿刺点C坐标位置(x₂，y₂)和穿刺角度θ。

运动规划单元503根据优选穿刺路径及其他参数通过逆解计算得出穿刺机器人姿态调整伺服电机(平移电机、俯仰电机、穿刺电机)的运动参数(目标位置、运动速度)，以及使得穿刺机器人在最短时间内到达预设穿刺姿态的调整策略。然后将运行控制参数发送给运动控制单元504。

运动控制单元504将收到的运行控制参数转换为伺服电机控制所需的目标位置码值及转速设定值，通过总线通信模块508发送给运动控制单元504，总线通信模块508形式为CAN总线。

电机驱动单元60由三个驱动器(601、602、603)和三个直流伺服电机(604、605、606)组成，三个驱动器在CAN总线上串接在一起，通信节点编号分别设置为1、2、3。驱动器601与穿刺控制电机604相连，驱动器602与俯仰控制电机605相连，驱动器603与位置控制电机606相连。

平移控制电机606驱动平移调节机构607运动至目标位置，俯仰控制电机605驱动俯仰调节机构608至目标角度，穿刺控制电机604驱动穿刺调节机构609进行穿刺调节。

穿刺辅助机器人运动到预设穿刺姿态后，由操作者通过手持控制器70进行穿刺操作以及角度的调整等。手持控制器70通过数据线与数据采集模块509连接，数据采集模块509将手持控制器70发送的信号转换为标准信号后发送给运动控制单元504，实现对运动控制单元504的控制。

穿刺控制电机604驱动穿刺机构609沿优选穿刺路径运动至血管中心位置D，同时，针尖在超声影像中显影表示针尖已到达预设位置。穿刺辅助机器人系统通过对针尖位置计算跟踪及针尖超声影像识别双重验证，以确认针尖位于血管中间。此外，穿刺辅助机器人还装配有针筒负压装置80，针筒负压装置80通过软管801与三通接口610的c口连接，a、b、c三个口内部相通，其中三通接口610的b口与针体末端空腔相连，针筒负压装置80随着穿刺针具刺入人体组织自动建立负压，当穿刺针具进入目标血管后，血管中的血液会在负压的作用下经由针体空腔流向三通接口610的b口，并由三通接口610的c口经由软管801流入针筒负压装置80。

在进行下一步前需要减小穿刺针具刺入角度，以防止针尖从血管里脱出。启动针尖远心控制功能实现穿刺针具刺入角度调整的同时要确保穿刺针尖始终在超声平面内显影。

为进一步说明本发明实施例的技术方案，本发明实施例根据上述各实施例提供如下的处理流程，但不对本发明实施例的保护范围进行限制。

图6为根据本发明实施例提供的超声平面外血管穿刺辅助机器人的操作流程示意图，该流程可以包括：

步骤1，操作者根据检查对象体征数据(年龄、胖瘦)、穿刺部位选择适合患者的超声探头以及合适型号的穿刺针具安装在穿刺辅助机器人上。

步骤2，执行穿刺辅助机器人系统标定功能，标定功能包括初始化穿刺辅助机器人控制系统初始参数、自检穿刺辅助机器人传感器信号是否正常、自检系统运动功能是否工作正常、以及关联穿刺辅助机器人运动坐标系和超声影像显示画面坐标系，使得穿刺针具实际运动路径计算参数与穿刺针具超声影像显示坐标一致。

步骤3，操作者选择合适的超声波图像深度(比如2cm、3cm、4cm或其他深度)，手持或者通过自动臂装置把持穿刺辅助机器人超声探头移动扫查目标血管，观察目标血管是否位于超声图像区域的中场。

其中，操作者可以手持或者通过机械臂装置把持穿刺辅助机器人，使超声探头紧贴目标区域，采用与血管长轴平行方式查看目标血管。在超声影像下确定静脉位置后调整超声探头采用与血管长轴垂直方式探测穿刺目标血管，观察操作显示单元上的血管超声影像，确保目标血管影像位于超声显示区域中线上。

步骤4，当目标血管位置确定后保持穿刺机器人的位置，通过支架系统锁定穿刺辅助机器人位置。

步骤5，开启穿刺导航单元，穿刺导航单元根据计算机图像识别处理单元识别目标血管的中心点位置，结合经验穿刺数据，在操作显示单元画面上给出优选穿刺路径，操作者对优选穿刺路径进行确认或微调。

步骤6，执行穿刺机器人姿态准备功能，调整穿刺机器人姿态至优选穿刺路径，操作显示单元画面显示穿刺机器人姿态引导线与优选穿刺路径标示线相吻合表示穿刺机器人姿态调整到位。

步骤7，手动模式下操作者操作手持控制器上的进针按钮进行穿刺操作，自动模式下操作者执行手持控制器上的穿刺按钮启动穿刺操作，操作者同时观察穿刺操作显示画面的超声影像、平面内穿刺图例模拟状态、针尖位置跟踪虚拟图像以及穿刺运动数据信息，辅助判断针尖实际位置。

步骤8，手动模式下操作者控制穿刺针具刺入目标血管，到达目标点位置后，操作者在穿刺操作显示画面的超声影像中观察穿刺针具的针尖是否显影，以及针尖位置跟踪虚拟图像是否和目标点重合，自动模式下穿刺针具按设定参数自动运行到达目标点位置。

步骤9，执行穿刺针远心控制功能，然后操作者操作手持控制器上的俯仰减小按钮，调整穿刺针具入针角到适合下一步操作的角度。

步骤10，操作完成后操作者执行穿刺针具退出功能。

本发明实施例通过精密机械结构和高精度伺服电机驱动实现穿刺针具精准控制，应用计算机图像识别技术及穿刺导航技术，有效弥补医生经验的不足，解决了平面外穿刺技术的缺点，有效保证穿刺操作的成功率。

可以理解的是，通过以上实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解，各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等，包括若干指令，用以使得一台计算机设备(如个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行上述各方法实施例或者方法实施例的某些部分所述的方法。

另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明实施例的申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明实施例的说明书中，说明了大量具体细节。然而应当理解的是，本发明实施例的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明实施例公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明实施例的示例性实施例的描述中，本发明实施例的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明实施例要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明实施例的单独实施例。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种超声平面外血管穿刺辅助机器人，其特征在于，包括：依次连接的图像识别处理单元、穿刺导航单元、运动规划单元、运动控制单元和电机驱动单元；

所述图像识别处理单元用于对穿刺目标区域的血管实时影像进行分析计算，获取血管轮廓形状数据和血管中心位置数据；

所述穿刺导航单元用于基于所述血管轮廓形状数据和所述血管中心位置数据，计算优选穿刺姿态和优选穿刺路径；

所述运动规划单元用于基于所述优选穿刺路径，计算得出穿刺针具由当前姿态调整到所述优选穿刺姿态所需的电机控制参数；

所述运动控制单元用于基于所述电机控制参数，控制所述电机驱动单元，驱动所述穿刺针具移动到所述优选穿刺姿态，并沿所述优选穿刺路径进行穿刺；

所述穿刺导航单元具体用于：

基于所述血管轮廓形状数据和所述血管中心位置数据，通过比照预存的血管穿刺经验数据，计算得到包括优选穿刺角度、穿刺进针点坐标、穿刺进针深度和穿刺速度的优选穿刺姿态；

还包括操作显示单元，用于显示优选穿刺路径引导线，并以图例形式实时模拟并显示所述穿刺针具刺入血管的状态和轨迹；

还包括针尖远心控制单元，用于通过针尖远心控制技术，以所述穿刺针具刺入血管点为支点，旋转所述穿刺针具，并在调整所述穿刺针具的角度时，保持所述穿刺针具的针尖始终处于超声探测声束平面内，以使所述穿刺针具的针尖超声影像始终显影；

所述针尖远心控制单元与所述运动控制单元和电机运动数据处理单元连接，在穿刺针具刺入血管完成后，需要适当减小穿刺针具刺入血管的角度，以达到防止针尖从血管里脱出的效果；

所述针尖远心控制单元根据手持控制器对俯仰角度的调节量，以血管刺入点为支点进行穿刺针具的角度调整；

所述针尖远心控制单元计算得出穿刺控制以及平移控制的调节量，并发送给运动控制单元完成针尖远心控制，穿刺针具的针尖在调整穿刺角度过程中始终显影，能够避免手动调整穿刺角度时穿刺针具容易脱落及刺破血管的风险。

2.根据权利要求1所述的辅助机器人，其特征在于，所述穿刺导航单元还用于计算优选穿刺速度；

相应的，所述运动控制单元具体用于，控制所述电机驱动单元，驱动所述穿刺针具按所述优选穿刺速度沿所述优选穿刺路径进行穿刺。

3.根据权利要求1所述的辅助机器人，其特征在于，所述电机驱动单元包括平移控制电机、俯仰控制电机和穿刺控制电机；

相应的，所述运动规划单元具体用于：基于所述当前姿态、所述优选穿刺姿态和所述优选穿刺路径，通过逆解计算，获取所述平移控制电机、所述俯仰控制电机和所述穿刺控制电机分别对应的设定目标位置和设定速度。

4.根据权利要求3所述的辅助机器人，其特征在于，所述运动控制单元具体用于：

将所述平移控制电机、所述俯仰控制电机和所述穿刺控制电机分别对应的所述设定目标位置和设定速度转换为电机控制所需的位置码值和转速值，并通过通信总线，将所述位置码值和转速值发送给所述电机驱动单元的伺服电机控制器，以供所述伺服电机控制器根据所述位置码值和转速值，控制所述平移控制电机、所述俯仰控制电机和所述穿刺控制电机的位置和速度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的辅助机器人，其特征在于，还包括超声探测单元，用于通过超声扫描所述穿刺目标区域，对所述穿刺目标区域的血管进行超声成像，获取所述穿刺目标区域的血管实时影像。

6.根据权利要求1所述的辅助机器人，其特征在于，所述操作显示单元还用于，以图例形式，显示超声探测单元的超声探头、所述穿刺针具和穿刺目标血管之间的位置关系，并以不同颜色的实线或虚线，分别显示所述优选穿刺路径、所述优选穿刺路径引导线和所述穿刺针具的刺入轨迹模拟线。

7.根据权利要求1所述的辅助机器人，其特征在于，所述操作显示单元还用于，以第一设定颜色和第一设定形状，显示穿刺目标血管的中心位置，并根据所述穿刺针具的针尖位置，以第二设定颜色和第二设定形状，实时模拟并显示所述穿刺针具的针尖显影。

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