CN113208657A - 一种咽后壁体液自动采样装置及其采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种咽后壁体液自动采样装置，包括采样室，设置在采样室内的自动采样机、门禁系统、消毒系统、温湿度调节系统、样本处理保存系统和控制装置；自动采样机包括头部限位装置，采样装置、显示装置和紧急制动装置；头部限位装置包括用于固定被采样人员头部的限位机构，和用于压住被采样者舌头以便于自动采样机到达采样点的张口器；采样装置包括采样机械臂，设置在采样机械臂前端的棉签装卸装置、测距雷达、微型摄像头；显示装置包括语音提示模块和图像显示模块。本发明能够实现自动采样，有效的减少操作失误和漏检，提高检测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种咽后壁体液自动采样装置及采样方法。
背景技术
新冠病毒已经蔓延到全球二百多个国家，为了实现早发现、早隔离、早治疗的目的，进行大范围的核酸检测是一种十分重要而有效的手段。这一点已被多国抗疫实践所证明且为专家们认可。核酸检测的主要样本来自人体咽后壁体液，目前这种样本的采样完全依赖于人工采样，即医务人员用棉签深入被采样人咽后壁采样。这种采样方法需要近距离完成，给采样人带来传染风险。最安全的采样方式为被采样人自己独立完成采样，不与其他人员接触。此外，由于人工采样很难看清咽后壁，容易产生漏检现象，即所采样本并不都是出自被采样人的咽后壁，而只是其唾液。为了防止漏检或者误检，人工采样对操作流程要求很高，才能保证核酸检测准确性。对于被采样人进行自采样的情况，由于没有医护操作经验，很容易出现操作失误和漏检情况。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中人工采样对操作流程要求高，易产生检测不准确的技术问题，提供一种咽后壁体液采样辅助装置，能够实现自动采样，有效的减少操作失误和漏检，提高检测的准确性。
本发明提供一种咽后壁体液自动采样装置，包括采样室，设置在采样室内的自动采样机、门禁系统、消毒系统、温湿度调节系统和样本处理保存系统；
自动采样机包括头部限位装置，采样装置、显示装置和紧急制动装置；所述头部限位装置包括用于固定被采样人员头部的限位机构，用于压住被采样者舌头以便于自动采样机到达采样点的张口器；采样装置包括采样机械臂，设置在采样机械臂前端的棉签装卸装置、测距雷达、微型摄像头；所述显示装置包括语音提示模块和图像显示模块。
本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其中，所述张口器包括导向管和垂直设置在所述导向管底端的挡板。
本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其中，所述限位机构包括：一个立柱，在所述立柱上设有一个具有下凹弧状的用于支撑下颚的下托板，一个呈上凹弧状的用于与头顶部配合的上托板，所述上、下托板可以沿立柱升降，在上、下托板的前端分别具有前额挡板和下颚挡板；一个可以驱动上托板或下托板向下或上移动的驱动部件设在立柱上。
本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其中，在所述采样室内设有采样座椅，所述紧急制动装置包括设置在采样座椅一侧的急停恢复按钮。被采样人任何时候按动紧急恢复按钮，机器臂都将暂停操作，并头部限位装置松开夹紧，恢复到初始位置。
本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其中，所述头部限位装置包括一用于调节所述被采样人员头部位姿的调整机构，该调整机构包括：设在头部左右侧后方的两个挡板，所述挡板为与头后两侧形状吻合的弧状板或两个呈120°夹角倾斜设置的直板状；所述挡板固定在采样座椅靠背位置上。
本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置，作为优选方式，门禁系统包括：
身份证识别模块：用于识别被采样人员的身份信息；
人脸识别模块：用于核实被采样人员的身份信息；
自动开关门装置：用于当被采样人员身份识别无误时或当被采样人员完成采样后打开、关闭采样室。
本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置，作为优选方式，样本处理保存系统包括试管箱，所述试管箱内设置有试管架，试管架内设有若干个试管；所述试管上面具有编码。
本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置，作为优选方式，所述棉签装卸装置包括设在机械臂端部的套筒，所述套筒的中心孔中设有一个连杆，连杆的前端具有三个弹力金属片，用于夹紧棉签；当三个弹力金属片伸出套筒端部时，其在自身弹力作用下呈张开状，当三个弹力金属片收入到套筒端部时，其在套筒端部的侧壁的推动下呈收缩状态，由此可以夹持棉签。
本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置，作为优选方式，所述棉签装卸装置还可以包括一个用于三个弹力金属片在张开和闭合状态之间转换的驱动机构，该驱动机构可以为：在连杆的前端部、位于三个弹力金属片中心位置设有电磁铁触发开关，一个电磁铁设在所述连杆的后方，且当电磁铁触发开关触发时，所述电磁铁吸合连杆尾端，使连杆向后移动，使三个弹力金属片闭合，当机械臂采样完成后回到原始位置，电磁铁断电，与连杆松开，连杆上的复位弹簧使之复位，并使三个弹力金属片呈张开状，拔出棉签，放到采样瓶中封闭。
其中，所述采样机器臂为三轴直角坐标系机器人，底座固定在采样室顶端，采用倒垂式操作。末端带有激光测距雷达和微型摄像头，根据被采样人嘴部位置，通过专用张口器中间的过孔，自适应控制机器臂深入被采样人口腔咽后壁进行采样。采样时，通过头部限位装置提供的被采样人头部固定位姿信息和嘴部位姿信息，确定采样机器臂的高度和左右移动位置；
采样机器臂延第三轴伸出末端，通过棉签装卸装置，夹紧采样棉签，同时末端装配的激光测距雷达实时反馈咽后壁位置；采样机器臂末端的微型摄像头实时采集末端图像，可以显示在显示屏上；被采样人如果不想看到采集过程的图像信息，可以关闭图像显示；机器臂末端棉签接触咽后壁后轻轻旋转，进行样本采集；采样结束后，机器臂末端缩回，并将棉签送入样本处理保存系统的试管中，同时记录试管上的编码。
本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置，作为优选方式，微型摄像头能够采集口腔内部的影像，控制采样机器臂将棉签推送到合适的位置进行采样，提高采样的准确性。图像显示模块为液晶显示屏，可以显示口腔图像、显示系统给出的指令等信息。测距雷达咽部的距离，以便采样机器臂可以精准到达咽喉壁采样位置。
其中，所述的门禁系统为现有技术中能够进行身份认证门禁系统；温湿度调节系统为空调和加湿器；消毒系统，可以为紫外消毒，或者采用其他的现有的消杀设备。
所述控制装置，用于输出控制自动采样机动作命令，输出头部限位装置动作命令，发出开、关门的命令，发出消毒系统进行消毒的命令；接收人脸识别模块识别信息，接收压力传感器检测信息并与阈值比较，接收测距雷达、微型摄像头采集的信息。
本发明所述咽后壁体液自动采样装置的自动采样方法，包括以下步骤：
S1-1、被采样人员在采样室门口刷身份证，身份证识别模块识别被采样人员的身份信息；
S1-2、人脸识别模块对被采样人员进行身份验证；
S2、认证通过后自动开关门装置开启采样室大门；
S3-1、显示装置提示被采样人员坐在固定座椅上；
S3-2、显示装置提示被采样人员将张口器放入口中；
S4、显示装置提示将头部放在头部限位装置内；
S5、头部限位装置固定被采样人员的头部；
S6，检测头部压力值，并与压力阈值比较，大于等于阈值时，停止夹紧；
S7，停止夹紧；
S8、采样机械臂自动安装棉签，进行采样；
S9、头部限位装置恢复到原始放松位置；
S10-1、采样机械臂将棉签投放在试管箱的试管中，并通过机械臂前端的摄像头采集试管的编码；
S10-2、显示装置提示被采样人员完成采样，取出张口器放入指定的张口器收集箱，自动开关门装置开启采样室大门；
S11、被采样人员离开采样室后系统恢复到初始位置，消毒系统对采样室进行消毒。
本发明由于通过控制装置自动控制采样机对被采样人员进行自动采样，同时能够识别、跟踪被采样人员头部位姿，实现采样过程的自动化，提高采样的准确性。在采样过程中，不需要人员参与，整个过程无人操作，每次采样后，进行消毒，在进行下一人次的检测，因此，使得检测过程无交叉感染，同时省去医务人员繁杂的劳动。
本发明进一步将微型摄像头设置在采样装置前端，可以使采样机械臂棉签同时进入被采样人员口腔内部，并通过显示装置实时观察采样情况，能够提高采样的准确性。
本发明进一步为根据人体口腔的空间结构专门设计三维空间支撑结构的张口器，导向管可以保证被采样人含在口中时，无法闭合上下颚，同时压住舌部，使得被采样人舌部无法干扰采样过程，后部环型防吞咽挡板可以挡住被采样人嘴唇和牙齿，避免不慎吞入。
本发明通过在采样机械臂的前端设置棉签装卸装置，可以实现采样机械臂自动抓取和更换棉签；通过头部限位装置可以实现头部的固定和限位，以及根据设上托板上的压力传感器感知夹紧力的大小，从而使得头部在固定状态下进行采样，避免头部动作导致采样失败。
附图说明
图1为本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置组成图；
图2a、2b为本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置的结构示意图一、二；
图2 c是为本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置的采样室示意图；
图3为本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置张口器立体图；
图4为本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置的采样装置示意图；
图5a、5b分别为本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置的棉签装卸装置在安装前和安装后的结构示意图；
图6为本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置的头部限位装置的示意图；
图7为本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置门禁系统组成图；
图8a、8b为本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置的试管箱的示意图和纵剖面图；
图9是本发明所述的一种咽后壁体液自动采样装置的采样方法流程图。
附图标记：
采样室100，采样座椅101；自动采样机200，头部限位装置201，限位机构2011，立柱20111、下托板20112、上托板20113、前额挡板20114、下颚挡板20115、驱动部件20116，调整机构2012，张口器2013，导向管20131、挡板20132；采样装置202，采样机械臂2021，棉签装卸装置2022，套筒20221，连杆20222，弹力金属片20223，驱动机构20224，电磁铁触发开关202241，电磁铁202242，复位弹簧202243，测距雷达2023，微型摄像头2024；显示装置203；紧急制动装置204；门禁系统300，身份证识别模块310，人脸识别模块320，自动开关门装置330；消毒系统400；温湿度调节系统500；样本处理保存系统600，试管箱610，试管架620，试管630，编码640；控制装置700。
具体实施方式
实施例1，如图1、2a、2b、2c所示，一种咽后壁体液自动采样装置，包括采样室100，设置在采样室100内的自动采样机200、门禁系统300、消毒系统400、温湿度调节系统500、样本处理保存系统600和控制装置700；
采样室100为具有自动门的独立的密闭空间。
自动采样机200包括头部限位装置201，采样装置202、显示装置203和紧急制动装置204；
参见图2a、2b、2c、图3、图4、图5a 图5b、图6，头部限位装置201设在采样装置202的前方，且大致位于人体头部的高度位置，头部限位装置201具有用于固定被采样人员头部的限位机构2011，用于调节所述被采样人员头部位姿的调整机构2012和用于压住被采样者舌头以便于所述自动采样机200到达采样点的张口器2013；
其中，限位机构2011包括一个立柱20111，该立柱20111可以固定在采样室100的墙壁上，或者直接立于地面，在所述立柱20111上设有一个具有下凹弧状的下托板20112，用于支撑下颚，一个呈上凹弧状的上托板20113，用于与头顶部配合，所述上、下托板20112、20113可以沿立柱20111升降，调整其间的距离以适应不同的头部，上、下托板20112、20113用于固定被采样人员头部的限位，在上、下托板20112、20113的前端分别具有前额挡板20114和下颚挡板20115；一个可以驱动上、下托板20112、20113上下移动的驱动部件20116设在立柱20111上，可以用于驱动上、下托板20112、20113并固定人体头部，驱动部件20116可以为伺服电机和齿带传动机构，可以精确控制上、下托板20112、20113的移动距离；
参见图2b，其中，用于调节被采样人员头部位姿的调整机构2012包括：设在头部左右侧后方的两个挡板20121，所述挡板20121为与头后两侧形状吻合的弧状板或两个呈120°夹角倾斜设置的直板状；所述挡板20121固定在采样座椅101的靠背位置上。
参见图3，张口器2013用于压住被采样者舌头以便于自动采样机200到达采样点；张口器2013包括导向管20131和垂直设置在导向管20131底端的挡板20132。
如图4所示，采样装置202包括采样机械臂2021，设置在采样机械臂前端的棉签装卸装置2022、测距雷达2023、微型摄像头2024；
参见图5a、5b，棉签装卸装置2022包括：设在机械臂2021端部的套筒20221，套筒20221的中心孔中设有一个连杆20222，连杆20222的前端具有三个弹力金属片20223，用于夹紧棉签；当三个弹力金属片20223伸出套筒端部时，其在自身弹力作用下呈张开状，当三个弹力金属片20223收入到套筒20221端部时，其在套筒20221端部的侧壁的推动下呈收缩状态，由此可以夹持棉签。其还可以包括一个用于三个弹力金属片20223在张开和闭合状态之间转换的驱动机构20224，该驱动机构可以为：在连杆20222的前端部、位于三个弹力金属片20223中心位置设有电磁铁触发开关202241，一个电磁铁202242设在所述连杆20222的后方，且当电磁铁触发开关触发时，所述电磁铁202242吸合连杆尾端，使连杆20222向后移动，使三个弹力金属片闭合，当机械臂2021采样完成后回到原始位置，电磁铁202242断电，与连杆20222松开，连杆20222上的复位弹簧202243使之复位，并使三个弹力金属片13呈张开状，拔出棉签，放到采样瓶中封闭，图5a、5b分别展示了开始插入棉签和夹紧棉签的两个状态。
其中，测距雷达2023和微型摄像头2024设置在所述采样机械臂2021前端，测距雷达2023用于采集机械臂至咽后壁的采样点的距离，微型摄像头2024用于采集咽后壁采样点的图像，并传送给控制装置。
参见图2a，所述显示装置203包括语音提示模块和图像显示模块；在采样室内100设有采样座椅101，紧急制动装置204包括设置在座椅101一侧的急停恢复按钮，当急停恢复按钮启动时，控制装置700发出指令使所述头部限位装置201自动松开，采样机械臂2021恢复到初始位置。
如图7所示，门禁系统300包括：
身份证识别模块310：用于识别被采样人员的身份信息；
人脸识别模块320：用于核实被采样人员的身份信息；
自动开关门装置330：用于当被采样人员身份识别无误时或当被采样人员完成采样后打开、关闭采样室100。
参见图1，消毒系统400，为设在采样室顶部消毒喷头，可定期和当人员离开时进行喷雾消毒。
温湿度调节系统500，包括空调和加湿器，用于调整采样室的温度和湿度；
如图8a、8b所示，样本处理保存系统600包括试管箱610：所述试管箱610内设置有试管架620，试管架620内设有若干个试管630；所述试管上面具有编码640。
所述控制装置700，可以采用PLC控制器，用于输出控制自动采样机2021动作命令，输出头部限位装置201动作命令，发出开、关门的命令，发出消毒系统400进行消毒的命令；接收人脸识别模块320识别信息，接收压力传感器检测信息并与阈值比较，接收测距雷达2023、微型摄像头2024采集的信息，并确定运动轨迹和运动距离。
参见图9，采用本发明所述咽后壁体液自动采样装置自动采样的方法包括以下步骤：
S1-1、被采样人员在采样室100门口刷身份证，身份证识别模块310识别被采样人员的身份信息；
S1-2、人脸识别模块320对被采样人员进行身份验证；
S2、认证通过后，控制装置700输出命令，自动开关门装置330开启采样室大门；
S3-1、控制装置700给出命令，由显示装置203提示被采样人员坐在固定座椅101上，采样人可以自己调整座椅高度，以适合将头部放在头部限位装置201中；
S3-2、控制装置700给出命令，由显示装置203提示被采样人员将张口器2013放入口中；
S4、显示装置提示将头部放在头部限位装置201内；
S5、头部限位装置201固定被采样人员的头部，同时调整机构2012调节被采样人员头部位姿以便于完成采样；
S6、判断头部压力值，当压力值≥阈值时，进入下一步，停止夹紧，否则返回S5，继续夹紧；
S7，停止夹紧；
S8-1，采样机械臂2021进行棉签抓取，当棉签触发电磁铁开关202241时，电磁铁202242动作将棉签夹紧，用棉签插破试管630上盖，再将棉签投掷废弃棉签收集处；
S8-2，再次安装棉签，采样机械臂2021通过测距雷达2023和微型摄像头2024采集的信息，确定运动方向和位置，可精准到采样位置，进行采样；
S9、采样结束后，控制装置命令头部限位装置松开头部夹紧，使之恢复到原始放松位置；
S10-1、采样机械臂2021将棉签投放在试管箱610的试管630中，并通过采样机械臂2021前端的摄像头采集试管的编码640，记录；
S10-2、显示装置203提示被采样人员完成采样，取出张口器2013放入指定的张口器收集箱，自动开关门装置开启采样室100大门；
S11、被采样人员离开采样室100后系统恢复到初始位置，消毒系统400对采样室100进行消毒。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出的任何修改、变化或等效，都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种咽后壁体液自动采样装置，其特征在于：包括采样室(100)，设置在采样室(100)内的自动采样机(200)、门禁系统(300)、消毒系统(400)、温湿度调节系统(500)、样本处理保存系统(600)和控制装置(700)；
所述自动采样机(200)包括头部限位装置(201)，采样装置(202)、显示装置(203)和紧急制动装置(204)；所述头部限位装置(201)包括用于固定被采样人员头部的限位机构(2011)，用于压住被采样者舌头以便于所述自动采样机(200)到达采样点的张口器(2013)；所述采样装置(202)包括采样机械臂(2021)，设置在所述采样机械臂(2021)前端的棉签装卸装置(2022)、测距雷达(2023)、微型摄像头(2024)；所述显示装置(203)包括语音提示模块和图像显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其特征在于：所述张口器(2013)包括导向管(20131)和垂直设置在所述导向管(20131)底端的挡板(20132)。
3.根据权利要求2所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其特征在于：所述限位机构(2011)包括：一个立柱(20111)，在所述立柱(20111)上设有一个具有下凹弧状的用于支撑下颚的下托板(20112)，一个呈上凹弧状的用于与头顶部配合的上托板(20113)，所述上、下托板(20112)、(20113)可以沿立柱(20111)升降，在上、下托板(20112)、(20113)的前端分别具有前额挡板(20114)和下颚挡板(20115)；一个可以驱动上托板(20112)或下托板(20113)向下或上移动的驱动部件(20116)设在立柱(20111)上，一个压力传感器设在所述上托板(20113)上。
4.根据权利要求3所述的一种人工咽后壁体液自动采样装置，其特征在于：在所述采样室(100)内设有采样座椅(101)，所述紧急制动装置装置(204)包括设置在采样座椅(101)一侧的急停恢复按钮。
5.根据权利要求4所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其特征在于：所述头部限位装置(201)包括一用于调节所述被采样人员头部位姿的调整机构(2012)，该调整机构(2012)包括：设在头部左右侧后方的两个挡板，所述挡板为与头后两侧形状吻合的弧状板或两个呈120°夹角倾斜设置的直板状；所述挡板为固定结构，固定在采样座椅(101)靠背位置上。
6.根据权利要求1-5其中任一项所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其特征在于：所述门禁系统(300)包括：
身份证识别模块(310)：用于识别所述被采样人员的身份信息；
人脸识别模块(320)：用于核实所述被采样人员的身份信息；
自动开关门装置(330)：用于当被所述采样人员身份识别无误时或当所述被采样人员完成采样后打开、关闭采样室。
7.根据权利要求6所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其特征在于：样本处理保存系统(600)为试管箱(610)，所述试管箱(610)内设置有试管架(620)，试管架(620)内设有若干个试管(630)；所述试管上面具有编码(640)。
8.根据权利要求7所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其特征在于：所述棉签装卸装置(2022)包括设在机械臂(2021)端部的套筒(20221)，所述套筒(20221)的中心孔中设有一个连杆(20222)，连杆(20222)的前端具有三个弹力金属片(20223)，用于夹紧棉签；当三个弹力金属片(20223)伸出套筒(20221)端部时，其在自身弹力作用下呈张开状，当三个弹力金属片(20223)收入到套筒(20221)端部时，其在套筒(20221)端部的侧壁的推动下呈收缩状态，由此可以夹持棉签。
9.根据权利要求8所述的一种咽后壁体液自动采样装置，其特征在于：所述棉签装卸装置(2022)还可以包括一个用于三个弹力金属片(20223)在张开和闭合状态之间转换的驱动机构(20224)，该驱动机构(20224)可以为：在连杆的前端部、位于三个弹力金属片(20223)中心位置设有电磁铁触发开关(20225)，一个电磁铁(20226)设在所述连杆(20222)的后方，且当电磁铁触发开关(20225)触发时，所述电磁铁(20226)吸合连杆(20222)尾端，使连杆(20222)向后移动，使三个弹力金属片闭合，当机械臂采样完成后回到原始位置，电磁铁断电，与连杆(20222)松开，连杆(20222)上的复位弹簧(20227)使之复位，并使三个弹力金属片(20223)呈张开状，拔出棉签，放到采样瓶中封闭。
10.一种咽后壁体液自动采样装置的采样方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1-1、被采样人员在采样室(100)门口的门禁系统(300)上刷身份证，身份证识别模块(310)识别被采样人员的身份信息；
S1-2、人脸识别模块(320)对被采样人员进行身份验证；
S2、认证通过后自动开关门装置开启采样室(100)大门；
S3-1、显示装置(203)提示被采样人员坐在固定座椅(101)上；
S3-2、显示装置(203)提示被采样人员将张口器(2013)放入口中；
S4、显示装置(203)提示将头部放在头部限位装置(201)内；
S5、头部限位装置(201)固定被采样人员的头部；
S6，检测头部压力值，并与压力阈值比较，大于等于阈值时，停止夹紧；
S7，停止夹紧；
S8、采样机械臂(2021)自动安装棉签，进行采样；
S9、头部限位装置(201)恢复到原始放松位置；
S10-1、采样机械臂(2021)将棉签投放在试管箱(610)的试管中，并通过机械臂前端的摄像头采集试管的编码；
S10-2、显示装置(203)提示被采样人员完成采样，取出张口器(2013)放入指定的张口器收集处，自动开关门装置开启采样室大门；
S11、被采样人员离开采样室后系统恢复到初始位置，消毒系统(400)对采样室进行消毒。
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