CN111643123A - 一种咽拭子自动采样装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种咽拭子自动采样装置，包括待测人员头部定位单元、导航定位单元和样本采集执行单元；待测人员头部定位单元用于实现头部定位以及将待测人员的口腔张开并将其舌头压平，为导航定位单元和样本采集执行单元末端提供通往咽部的通畅空间；导航定位单元跟随样本采集执行单元末端进入待测人员口腔，用于采集咽喉图像并确定深度传感器与待测人员咽喉之间的深度信息；样本采集执行单元包括三自由度的导轨式装置及一个自由度的末端执行机构；导轨式装置可实现待测人员咽部擦拭动作以及向待测人员口腔内深入的进给运动和擦拭动作力控部分的控制，各单元均由控制端实时控制。本装置为咽拭子采集过程的全自动化提供了基础。

Description

一种咽拭子自动采样装置
技术领域
本发明属于医疗机器人领域，具体涉及一种咽拭子自动采样装置。
背景技术
病毒感染检测手段主要通过咽拭子采集的样本进行核酸检查。然而咽拭子样本采集是 传染风险系数极高且需要一定操作技巧的过程。采样中患者需张口暴露咽喉部位，采样咽 喉区域是病毒相对集中的区域，患者用力呼吸、咳嗽等可产生大量飞沫或气溶胶。目前采 样室大多为10平米左右的封闭区域，采样室气溶胶浓度较高。采样医护人员近距离采集 咽拭子，即便进行三级防护(穿防护服、戴护目镜、戴手套)，也具有较高交叉感染的风险。同时在新冠肺炎爆发阶段，感染人数众多，医护人员需要长期穿着全面防护设备，导 致工作强度过大、工作时间过长。而且采集咽拭子过程因不同级别的医务人员水平的差异、心理的畏惧、医护人员的疲劳等多种因素，咽拭子采集操作很容易导致拭子质量的差异容易出现假阴性，影响对病情的判断。
咽拭子采集对病毒种类检测的必要性、以及类似新冠病毒等具有高传染风险的高危 性，亟需采用机器人技术替代医护人员进行自主采样，降低医护人员工作负荷与感染风险， 对于战伤救治、灾害救援、传染病防控均具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种咽拭子自动采样装置，该系 统将医护人员对咽拭子采集的操作实现自动化，可有效降低医护人员的工作负荷与感染风 险。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种咽拭子采样自动装置，其特征在于，包括位于工作平台上的待测人员 头部定位单元、导航定位单元、样本采集执行单元和远程监控单元；其中，
所述待测人员头部定位单元，包括头部定位架和固定在该头部定位架上的咬口器；通 过头部定位架固定待测人员头部并调节所述咬口器至工作平台的距离，使得咬口器位于待 测人员的舒适高度；所述咬口器采用一次性耗材制成，用于将待测人员的口腔张开并将其 舌头压平，提供通往咽部的通畅空间；
所述导航定位单元，包括固定在所述样本采集执行单元末端的深度传感器，该深度传 感器随所述样本采集执行单元进入待测人员口腔，用于采集咽喉图像并确定深度传感器与 待测人员咽喉之间的深度信息；
所述样本采集执行单元，包括三自由度的导轨式装置及一个自由度的末端执行机构； 所述三自由度的导轨式装置为龙门式三轴机构，分别将沿口腔宽度方向、沿口腔进深方向 和垂直于工作平台平面方向作为X、Y、Z轴，龙门式三轴机构包括一个X轴模组、两个 Y轴模组和一个Z轴模组，两个所述Y轴模组间隔固定于所述工作平台上，所述Y轴模 组、X轴模组和Z轴模组依次连接且彼此联动，所述Z轴模组上固定有所述导航定位单元 内的深度传感器及所述末端执行机构；在待测人员咽部擦拭的动作由所述X轴模组和Z轴 模组控制，向待测人员口腔内深入的进给运动和擦拭动作力控部分的轴向进给运动均由所 述Y轴模组控制；
所述远程监控单元，通过USB与所述导航定位单元相连，以此接收由深度传感器采集 到的图像及其深度信息，对深度传感器采集的图像和深度信息通过均值滤波算法补偿来进 行消噪后准确计算出待测人员口腔内两侧扁桃体的位置信息，随后对深度传感器获得的两 侧扁桃体的位置信息进行坐标转换，以与所述样本采集执行单元的坐标系相匹配，随后引 导所述样本采集执行单元到该位置进行样本采集；所述远程监控单元通过RS-485接口和 GPIO接口与样本采集执行单元内的导轨式装置相连，由该远程监控单元进行所述龙门式 三轴机构的运动解算和轨迹跟踪所需的多任务调度，该调度实时将对深度传感器采集的图 像和深度信息进行处理后转化为龙门式三轴机构的机械运动通过所述GPIO接口向样本采 集执行单元内的各轴模组发送相应的控制信号；所述远程监控单元通过串口与样本采集执 行单元内的末端执行机构相连，以获取末端执行机构的实时状态。
本发明的特点及有益效果：
本发明提出的一种咽拭子采样自动装置成本低，结构简洁，可靠性强，控制精度高， 自动化程度高，可以自主完成咽拭子采样过程，适合大范围的推广使用，替代医务人员完 成高风险的咽拭子样本采集任务；此外，本装置还同时具备柔性控制采样功能，避免对待 测人员的咽喉组织产生硬刺激。
附图说明
图1是本发明实施例的一种咽拭子自动采样装置的整体结构示意图。
图2的(a)、(b)分别是图1所示咽拭子自动采样装置中待测人员头部定位单元的侧视图和主视图。
图3的(a)～(d)分别是图1所示咽拭子自动采样装置中样本采集执行单元的导轨式装置和末端执行机构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明， 并不限定本发明的保护范围。
为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种咽拭子自动采样装置的应用 实例。
参见图1，本发明实施例的一种咽拭子自动采样装置包括设置在工作平台100上的待 测人员头部定位单元300、导航定位单元500、样本采集执行单元600和以及远程监控单元800。该咽拭子自动采样机器人系统在采样过程中，可以实现对患者身份信息的自动核对确认；自动完成咽拭子装卸载，可以和外部的采样管贴标系统、输送系统、分拣系统无 缝对接；采样动作的自主轨迹规划执行，具有操作简单；仅需要普通的远程值守人员，节 省专业医护人员人力；具备柔性控制采样功能，避免对咽喉组织产生硬刺激。
本实施例中各组成部件的具体实现方式及功能分别描述如下：
工作平台100，作为本咽拭子自动采样系统的支撑结构，工作平台100具有第一工作 平面101和第二工作平面102，优选地，第一工作平面101较第二工作平面102低。待测 人员头部定位单元300均设置于第一工作平面101上，第一工作平面101面向待测人员的 一侧为圆弧面103，便于待测人员更好地靠近头部定位单元300。导航定位单元500和样 本采集执行单元600均设置于第二工作平面102上。
待测人员头部定位单元300，参见图2的(a)和(b)，包括头部定位架310和固定 在该头部定位架310上的咬口器320。头部定位架310包括固定在第一工作平面101中部 的底座311、与该底座311固定的两个螺杆312、通过螺纹套设在两个螺杆312上的颌托 314以及通过螺栓与两个螺杆312顶部连接的额托313，利用颌托314在螺杆312上的转 动，来调节颌托314及其上咬口器320至底座311的距离，使得咬口器320位于待测人员 的舒适高度。咬口器320包括一体成型的半圆环321、弧形压舌板323、两个开颌垫322 和咬口器固定板325，两个开颌垫322位于半圆环321和弧形压舌板323的开口处之间； 咬口器320通过咬口器固定板325与颌托314通过螺钉固定，具体地，半圆环321的底部 通过咬口器固定板325和螺钉固定在颌托314中部。为方便生产且避免交叉感染，咬口器 320整体采用一次性耗材制成。开颌垫322整体呈梯形，且梯形斜面朝上放置，在各开颌 垫322的斜面以及与斜面相对的侧面上分别均开设有牙槽324，供待测人员上下牙槽咬住。 弧形压舌板323与待测人员口腔尺寸相匹配，用于将患者舌头压平，提供通往咽部的通畅 空间。通过咬口器320将待测人员的口腔张开，供样本采集执行单元600中的传感器以及 咽拭子末端执行器进入口腔；当待测人员将咬口器320含入口中时，弧形压舌板323靠近 口腔内部，向下压住舌头，防止舌头隆起；同时待测人员的上下槽牙咬住开颌垫322，由 于开颌垫是梯形，保证待测人员的嘴部张到一定程度；牙槽位于开颌垫322上下两个面， 起到固定槽牙，防止打滑的作用；前端半圆环321抵住下门牙，在口腔进深方向固定咬口 器320，防止咬口器320从口中滑出。待头部定位架310调节到待测人员的舒适高度后， 此时待测人员面部五官大致位置固定，可通过导航定位单元500的tof传感器进行图像识 别找到待测人员的口腔位置。找到待测人员的口腔位置后，由样本采集执行单元600将咽 拭子采集头移动到口腔附近，等待进一步精密操作。
导航定位单元500，包括深度传感器该深度传感器固定在样本采集执行单元600的末 端，本实施中深度传感器采用ToF传感器；当深度传感器随样本采集执行单元600运动进入待测人员口腔后，由ToF传感器自带的摄像头采集口腔内部实时图像并通过ToF传感器发射调制红外光，人体咽喉经过反射后，由ToF传感器内的接收模块接收到反射的红外光。由于发射和接收的都是调制波，ToF传感器自带的摄像头可以计算发射和接收的相位差，通过换算得到深度值，即摄像头与咽喉之间的深度距离，从而获得咽喉的图像及深度信息，将获得的咽喉的图像及深度信息传输至远程监控单元800进行处理。
样本采集执行单元600，包括三自由度的导轨式装置610及一个自由度的末端执行机 构620，共计四个自由度，参见图3的(a)、(b)。分别将沿口腔宽度方向、沿口腔进 深方向和垂直于工作平台100平面方向作为X、Y、Z轴；三自由度的导轨式装置610为 龙门式三轴机构，包括一个X轴模组611、两个Y轴模组612和一个Z轴模组613。X、Y、 Z模组的结构完全相同，现以其中的一个模组为例进行说明，参见图3的(c)，包括电机 631、电机支撑板632、联轴器633、滚珠丝杠634、滑块635和驱动器模块636(本实施 例中采用型号为瑞芯DK-1数字式驱动器)，电机支撑板632呈U型；电机631通过螺钉 固定在电机支撑板632的一个侧壁上，电机631的输出轴通过联轴器633与滚珠丝杠634 一端相连接，滚珠丝杠634的另一端固定在电机支撑板632的另一个侧壁上，滑块635套 设在滚珠丝杠634上，电机631的正反转动通过联轴器633传递到滚珠丝杠634上，滚珠 丝杠634带动滑块635做往返进给运动，驱动器模块636与电机631的输入轴相连。两个 Y轴模组间隔固定在第二工作平面102上，两个Y轴模组的间距为X轴模组612中滚珠丝 杠634的进程，X轴模组612内电机支撑板632的两个侧壁分别通过第一连接板与两个Y 轴模组612内各滑块635固定连接。Z轴模组613内的滑块面向待测人员的口腔，Z轴模 组613内电机支撑板632的底板通过第二连接板与Y轴模组612内的滑块固定连接，Z轴 模组613内电机支撑板632的底部侧壁悬空于第二工作平面102，使得Z轴模组613可随 Y轴模组612内的滑块沿Y轴移动，此外，Z轴模组613内的滑块上还通过连接板固定导 航定位单元500中的深度传感器。在待测人员咽部擦拭的动作由X轴模组611和Z轴模组 613控制，向待测人员口腔内深入的进给运动和擦拭动作力控部分的轴向进给运动均由Y 轴模组612控制；X轴模组611和Z轴模组613联动构成水平的环形运动轨迹。咽拭子自动采样系统主体运动部分由龙门式三轴(X、Y、Z轴)机构实现沿各轴方向的运动，该龙 门式三轴机构由远程监控单元800控制。末端执行机构620的结构参见图3的(d)，该 末端执行机构620包括拭子夹622、直线滑轨623、压力传感器624、直线伺服电机625和 第一控制板626，在末端执行机构620的拭子夹622末端夹持咽拭子621，末端执行机构 620的第一控制板626一侧通过螺钉与导轨装置610中Z轴模组613的滑块635相连接， 且随该滑块运动。拭子夹622置于直线伺服625的最前端，用于夹紧固定咽拭子621。直 线滑轨623置于末端执行机构620的前端，用于保证直线伺服电机625的轴向运动顺畅。 压力传感器624为一维力传感器，置于直线伺服电机625的前端，用于检测咽拭子621触 及待测人员咽部柔软组织时的压力值，对接收到的压力值以模拟信号的形式发送控制板 626。直线伺服电机625为动力单元，固定于控制板626的前端，用于带动咽拭子621在 轴向方向上的前后运动。第一控制板626固定在末端执行机构620的末端，该第一控制板 626上集成有电源、运放电路(即运算放大器电路)、第一控制芯片TMS320F28377、ADC 芯片，用于为压力传感器提供电源，并采集其输出的咽拭子621轴向压力模拟信号ADC， 经过运放放大滤波后转化为咽拭子621轴向压力数字信号，该数字信号由第一控制芯片采 集，第一控制芯片将该数字信号与直线伺服电机625的位置信息进行比对，然后通过PID 控制器对直线伺服电机625进行调节控制，以此利用直线伺服电机625的运动来带动咽拭 子621的进退运动从而调节咽拭子621触及待测人员咽部柔软组织时的压力值。第一控制 芯片将采集的咽拭子621轴向压力数字信号、直线伺服电机625的位置和转速信息通过串 口发送至远程监控单元800，进行数据读取以及存储，获取末端执行机构620的实时状态。
远程监控单元800，主要由主控系统组成，该主控系统的PC机内的第二控制板上集成 有第二控制芯片(本实施例中，第二控制芯片采用STM32H743单片机)，第二控制芯片 通过RS-485接口与PC机通信。样本采集执行单元600通过RS-485接口与主控系统的PC 机相连通，导航定位单元500通过USB与主控系统的PC机相连通，在咽拭子采集的过程 中，各个单元的实时信息与主控系统通信，医护人员在远程安全房间通过电脑对被采集者 及其各个单元进行实时监控，出现意外问题，及时的采取措施，以保证整个过程的安全性 和有效性。具体为，样本采集执行单元600内的各驱动器模块与第二控制板之间均通过 GPIO(General-purpose input/output)接口进行通信，通过RS-485接口与主控系统的PC机 相连通，导航定位单元500通过USB与主控系统的PC机相连，将深度传感器采集到的图 像及其深度信息传送到主控系统的PC机上，由于外界环境影响，深度传感器在采集的过 程中会出现一定干扰的噪声，使得图像及其深度信息受到一定的影响，此时远程监控单元 800对深度传感器采集的图像和深度信息通过均值滤波算法补偿来进行具体的消噪，从而 获得准确的图像及其深度信息，进而准确计算出待测人员口腔内两侧扁桃体的位置信息。 随后，远程监控单元800对深度传感器获得的两侧扁桃体的位置信息进行坐标转换，以与 样本采集执行单元600的坐标系相匹配，随后引导样本采集执行单元600到该位置进行具 体的样本采集。在第二控制芯片内部运行Free-RTOS操作系统进行龙门式三轴机构的运动 解算和轨迹跟踪所需的多任务调度，该调度实时将对深度传感器采集的图像和深度信息进 行处理后转化为龙门式三轴机构的机械运动(为本领域的公知技术)并通过GPIO接口向 样本采集执行单元600内的各驱动器模块发送相应的控制信号，共计三路控制信号(其中 两个Y轴模组612共用一路信号，X轴模组611和Z轴模组613各由一路信号控制)，每 路控制信号均分别包括PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)、方向和使能信号，以 此控制各轴模块内的电机。远程监控单元800的PC机内的第二控制芯片与末端执行机构 620内的第一控制芯片通过串口连接进行通信，第二控制芯片对第一控制芯片将采集的咽 拭子621轴向压力数字信号、直线伺服电机625的位置和转速信息进行数据读取以及存储， 获取末端执行机构620的实时状态。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的 也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受 其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方 式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种咽拭子采样自动装置，其特征在于，包括位于工作平台(100)上的待测人员头部定位单元(300)、导航定位单元(500)、样本采集执行单元(600)和远程监控单元(800)；其中，
所述待测人员头部定位单元(300)，包括头部定位架(310)和固定在该头部定位架(310)上的咬口器(320)；通过头部定位架(310)固定待测人员头部并调节所述咬口器(320)至工作平台(100)的距离，使得咬口器(320)位于待测人员的舒适高度；所述咬口器(320)采用一次性耗材制成，用于将待测人员的口腔张开并将其舌头压平，提供通往咽部的通畅空间；
所述导航定位单元(500)，包括固定在所述样本采集执行单元(600)末端的深度传感器，该深度传感器随所述样本采集执行单元(600)进入待测人员口腔，用于采集咽喉图像并确定深度传感器与待测人员咽喉之间的深度信息；
所述样本采集执行单元(600)，包括三自由度的导轨式装置(610)及一个自由度的末端执行机构(620)；所述三自由度的导轨式装置(610)为龙门式三轴机构，分别将沿口腔宽度方向、沿口腔进深方向和垂直于工作平台(100)平面方向作为X、Y、Z轴，龙门式三轴机构包括一个X轴模组(611)、两个Y轴模组(612)和一个Z轴模组(613)，两个所述Y轴模组(612)间隔固定于所述工作平台(100)上，所述Y轴模组(612)、X轴模组(611)和Z轴模组(613)依次连接且彼此联动，所述Z轴模组(613)上固定有所述导航定位单元(500)内的深度传感器及所述末端执行机构(620)；在待测人员咽部擦拭的动作由所述X轴模组(611)和Z轴模组(613)控制，向待测人员口腔内深入的进给运动和擦拭动作力控部分的轴向进给运动均由所述Y轴模组(612)控制；
所述远程监控单元(800)，通过USB与所述导航定位单元(500)相连，以此接收由深度传感器采集到的图像及其深度信息，对深度传感器采集的图像和深度信息通过均值滤波算法补偿来进行消噪后准确计算出待测人员口腔内两侧扁桃体的位置信息，随后对深度传感器获得的两侧扁桃体的位置信息进行坐标转换，以与所述样本采集执行单元(600)的坐标系相匹配，随后引导所述样本采集执行单元(600)到该位置进行样本采集；所述远程监控单元(800)通过RS-485接口和GPIO接口与样本采集执行单元(600)内的导轨式装置(610)相连，由该远程监控单元(800)进行所述龙门式三轴机构的运动解算和轨迹跟踪所需的多任务调度，该调度实时将对深度传感器采集的图像和深度信息进行处理后转化为龙门式三轴机构的机械运动通过所述GPIO接口向样本采集执行单元(600)内的各轴模组发送相应的控制信号；所述远程监控单元(800)通过串口与样本采集执行单元(600)内的末端执行机构(620)相连，以获取末端执行机构(620)的实时状态。
2.根据权利要求1所述的咽拭子自动采样装置，其特征在于，各路控制信号包括控制相应轴模组的PWM、方向和使能信号。
3.根据权利要求1所述的咽拭子采样装置，其特征在于，所述待测人员头部定位单元(300)内，
所述头部定位架(310)包括固定在所述工作平面(100)上的底座(311)、与该底座(311)固定的两个螺杆(312)、套设在两个螺杆(312)上的颌托(314)以及与两个螺杆(312)顶部连接的额托(313)，利用颌托(314)在螺杆(312)上的转动调节颌托(314)及其上咬口器(320)至底座(311)的距离；
所述咬口器(320)包括一体成型的半圆环(321)、弧形压舌板(323)、两个开颌垫(322)和咬口器固定板(325)，两个开颌垫(322)位于半圆环(321)和弧形压舌板(323)的开口处之间，通过咬口器固定板(325)将咬口器(320)与颌托(314)固定，开颌垫(322)整体呈梯形，且梯形斜面朝上放置，在各开颌垫(322)的斜面以及与斜面相对的侧面上分别均开设有牙槽(324)，供待测人员上下牙槽咬住；所述弧形压舌板(323)与待测人员口腔尺寸相匹配；当待测人员将咬口器(320)含入口中时，弧形压舌板(323)靠近口腔内部。
4.根据权利要求1所述的咽拭子采样装置，其特征在于，所述样本采集执行单元(600)中，各轴模组结构相同，均分别包括电机(631)、电机支撑板(632)、联轴器(633)、滚珠丝杠(634)、滑块(632)和驱动器模块；所述电机支撑板(632)呈U型，所述电机(631)固定在该电机支撑板(632)的一个侧壁上，电机(631)的输出轴通过联轴器(633)与滚珠丝杠(634)一端相连接，滚珠丝杠(634)的另一端固定在电机支撑板(632)的另一个侧壁上，滑块(632)套设在滚珠丝杠(634)上，驱动器模块与电机(631)的输入轴相连；各轴模组内的驱动器模块分别通过所述GPIO接口与远程监控单元(800)相连；
两个所述Y轴模组(612)间隔固定在所述工作平面(100)上，两个Y轴模组的间距为X轴模组(611)中滚珠丝杠的进程，X轴模组(611)内电机支撑板的两个侧壁分别通过第一连接板与两个Y轴模组(612)内各滑块固定连接；所述Z轴模组(613)内的滑块面向待测人员的口腔，Z轴模组(613)内电机支撑板的底板通过第二连接板与Y轴模组(612)内的滑块固定连接，Z轴模组(613)内电机支撑板的底部侧壁悬空于工作平面(100)，使得Z轴模组(613)可随Y轴模组(612)内的滑块沿Y轴移动，所述Z轴模组(613)内的滑块上还通过第三连接板固定所述导航定位单元(500)中的深度传感器。
5.根据权利要求4所述的咽拭子自动采样系统，其特征在于，所述末端执行机构(620)包括拭子夹(622)、直线滑轨(623)、压力传感器(624)、直线伺服电机(625)和第一控制板(626)，在所述拭子夹(622)末端夹持咽拭子(621)，且该拭子夹(622)置于直线伺服(625)的最前端，所述第一控制板(626)一侧与所述Z轴模组(613)内的滑块相连接，且随该滑块运动；所述压力传感器(624)置于直线伺服电机(625)的前端，用于检测咽拭子(621)触及待测人员咽部柔软组织时的压力值，对接收到的压力值以模拟信号的形式发送给第一控制板(626)；所述直线伺服电机(625)固定于第一控制板(626)前端，用于带动咽拭子(621)在轴向方向上的前后运动；所述第一控制板(626)上集成有电源、运放电路、第一控制芯片和ADC芯片，用于为压力传感器提供电源，并采集其输出的咽拭子轴向压力模拟信号ADC，经过运放放大滤波后，将该模拟信号ADC转化为咽拭子轴向压力数字信号，该数字信号由第一控制芯片采集，第一控制芯片将该数字信号与直线伺服电机(625)的位置信息进行比对，然后通过PID控制器对直线伺服电机(625)进行调节控制；第一控制芯片将采集的咽拭子轴向压力数字信号、直线伺服电机(625)的位置和转速信息通过串口发送至远程监控单元(800)，进行数据读取以及存储，获取末端执行机构620的实时状态。
6.根据权利要求5所述的咽拭子自动采样系统，其特征在于，所述压力传感器(624)为一维力传感器。
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