一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统专利检索-风地球科学专利检索查询-专利查询网

一种穿刺辅助 机器人的控制决策方法与系统

阅读：721发布：2023-02-06

专利汇可以提供一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统，所述方法包括：S1，基于目标人体上穿刺目标区域的实时超声影像数据，建立所述穿刺目标区域中血管的实时血管模型，并基于所述目标人体的给定体征参数和预先存储的医学数据，建立参照血管模型；S2，将所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的血管进行逐段对应比对，确定所述实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据；S3，基于所述穿刺可行性评价数据，确定所述穿刺目标区域中的最优穿刺部位。本发明能够有效弥补医生经验的不足，为穿刺操作提供量化指标，有效保证穿刺操作可行性的成功率和积极效果，避免穿刺失败风险。，下面是一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种穿刺辅助机器人的控制决策系统，其特征在于，包括：
数据存储模块，用于存储医学数据和目标人体上穿刺目标区域的实时超声影像数据；
数据输入接口，用于获取所述目标人体的给定体征参数；
数据处理模块，用于基于所述实时超声影像数据，建立所述穿刺目标区域中血管的实时血管模型，以及基于所述目标人体的给定体征参数和所述医学数据，建立参照血管模型，以及将所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的血管进行逐段对应比对，确定所述实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据；
控制决策模块，用于基于所述穿刺可行性评价数据，确定所述穿刺目标区域中的最优穿刺部位。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
运动控制模块，用于根据确定的最优穿刺路径，以及确定的穿刺控制参数，调整穿刺针具的姿态和运动状态，控制所述穿刺针具到达最优穿刺点并刺向所述最优穿刺点处的人体血管；
相应的，所述数据处理模块还用于：
基于所述最优穿刺部位的实时超声影像数据，利用图像识别技术，获取血管在所述最优穿刺部位的实时超声影像数据中的位置数据及形状数据；
相应的，所述控制决策模块还用于：基于所述位置数据及形状数据，利用穿刺规划模型，计算所述最优穿刺点、所述最优穿刺路径和所述穿刺控制参数。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括：
压力检测模块，用于检测穿刺过程中穿刺针具的受力状态；
相应的，所述数据处理模块还用于：基于所述受力状态判断所述穿刺针具的刺入状态。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括展示模块，用于：
通过受力曲线展示所述刺入状态；
和/或，针对不同的所述刺入状态，发出对应的提示信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述展示模块具体用于：
记录刺中血管提示信号发出后的穿刺时间，并且当判断所述穿刺时间达到设定安全时间时，发出刺穿血管风险报警提示信号，提示停止穿刺操作。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理模块具体用于：
将所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的对应血管按相同间隔单元进行分段，并计算所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的血管上对应分段的横截面积比值；
基于所述横截面积比值，确定所述实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述给定体征参数包括性别、年龄、体型和血压；
相应的，所述数据处理模块具体用于：
基于所述性别、年龄、体型，匹配所述医学数据中的参照血管数据，并基于所述血压，修正所述参照血管数据，生成所述参照血管模型。

说明书全文

一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统。

背景技术

[0002] 中心静脉穿刺是中心静脉穿刺置管术的首要步骤，是广泛应用于急救治疗、重症监护、心血管介入治疗、手术麻醉、高能营养支持等领域的重要医疗技术。穿刺操作对医护人员的操作技能水平要求较高，而且初次穿刺成功率较低。

[0003] 影响中心静脉穿刺成功率的主要因素有穿刺部位的选择、穿刺路径以及穿刺针具的控制等。此外还有其他因素，如目标血管的形变。采用超声介入下的穿刺辅助机器人则在实时超声图像获取及识别、穿刺决策、穿刺运动精准定位等方面解决了穿刺操作需要医生具有较好临床经验的问题，避免了人为因素导致的穿刺失败、以及并发症的风险。现有技术中存在一种根据血管的位置、大小等几何及位置参数，由计算机程序来确定穿刺位置的方法。

[0004] 但是，实际的穿刺操作过程中，受患者体型、年龄、血压、血管形变、解剖变异等多种体征因素的影响，穿刺的可行性不能准确评估，穿刺操作的成功率和效果不能保证。

发明内容

[0005] 为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统，用以综合考虑穿刺过程的多项影响因素，从而有效保证穿刺操作的成功率和积极效果。

[0006] 一方面，本发明提供一种穿刺辅助机器人的控制决策方法，包括： S1，基于目标人体上穿刺目标区域的实时超声影像数据，建立所述穿刺目标区域中血管的实时血管模型，并基于所述目标人体的给定体征参数和预先存储的医学数据，建立参照血管模型；S2，将所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的血管进行逐段对应比对，确定所述实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据；S3，基于所述穿刺可行性评价数据，确定所述穿刺目标区域中的最优穿刺部位。

[0007] 进一步的，在所述S3的步骤之后，所述方法还包括：基于所述最优穿刺部位的实时超声影像数据，利用图像识别技术，获取血管在所述最优穿刺部位的实时超声影像数据中的位置数据及形状数据；基于所述位置数据及形状数据，利用穿刺规划模型，计算最优穿刺点、最优穿刺路径和穿刺控制参数；根据所述最优穿刺路径，以及所述穿刺控制参数，调整穿刺针具的姿态和运动状态，控制所述穿刺针具到达所述最优穿刺点并刺向所述最优穿刺点处的人体血管。

[0008] 进一步的，所述方法还包括：检测穿刺过程中穿刺针具的受力状态，并基于所述受力状态判断所述穿刺针具的刺入状态。

[0009] 进一步的，所述方法还包括：通过受力曲线展示所述刺入状态；和/或，针对不同的所述刺入状态，发出对应的提示信号。

[0010] 其中，所述针对不同的所述刺入状态，发出对应的提示信号的步骤进一步包括：记录刺中血管提示信号发出后的穿刺时间，并且当判断所述穿刺时间达到设定安全时间时，发出刺穿血管风险报警提示信号，提示停止穿刺操作。

[0011] 其中，所述S2的步骤进一步包括：将所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的对应血管按相同间隔单元进行分段，并计算所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的血管上对应分段的横截面积比值；基于所述横截面积比值，确定所述实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据。

[0012] 其中，所述给定体征参数包括性别、年龄、体型和血压；相应的，步骤S1中所述基于所述目标人体的给定体征参数和预先存储的医学数据，建立参照血管模型的步骤进一步包括：基于所述性别、年龄、体型，匹配所述医学数据中的参照血管数据，并基于所述血压，修正所述参照血管数据，生成所述参照血管模型。

[0013] 另一方面，本发明提供一种穿刺辅助机器人的控制决策系统，包括：数据存储模块，用于存储医学数据和目标人体上穿刺目标区域的实时超声影像数据；数据输入接口，用于获取所述目标人体的给定体征参数；数据处理模块，用于基于所述实时超声影像数据，建立所述穿刺目标区域中血管的实时血管模型，以及基于所述目标人体的给定体征参数和所述医学数据，建立参照血管模型，以及将所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的血管进行逐段对应比对，确定所述实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据；控制决策模块，用于基于所述穿刺可行性评价数据，确定所述穿刺目标区域中的最优穿刺部位。

[0014] 进一步的，所述系统还包括：运动控制模块，用于根据确定的最优穿刺路径，以及确定的穿刺控制参数，调整穿刺针具的姿态和运动状态，控制所述穿刺针具到达最优穿刺点并刺向所述最优穿刺点处的人体血管；相应的，所述数据处理模块还用于：基于所述最优穿刺部位的实时超声影像数据，利用图像识别技术，获取血管在所述最优穿刺部位的实时超声影像数据中的位置数据及形状数据；相应的，所述控制决策模块还用于：基于所述位置数据及形状数据，利用穿刺规划模型，计算所述最优穿刺点、所述最优穿刺路径和所述穿刺控制参数。

[0015] 进一步的，所述系统还包括：压力检测模块，用于检测穿刺过程中穿刺针具的受力状态；相应的，所述数据处理模块还用于：基于所述受力状态判断所述穿刺针具的刺入状态。

[0016] 本发明提供的一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统，针对不同体质的患者通过多种数据信息做出穿刺决策，具有辅助医生评估穿刺可行性、提供最优穿刺部位及穿刺运动控制参数以及穿刺过程安全监护的功能，能够有效弥补医生经验的不足，为穿刺操作提供量化指标，有效保证穿刺操作的成功率和积极效果，避免穿刺失败风险。附图说明

[0017] 图1为本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法的流程图；

[0018] 图2为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法中确定血管上各段的穿刺可行性评价数据的流程图；

[0019] 图3为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法中建立的实时血管模型和参照血管模型示意图；

[0020] 图4为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法中穿刺针具的调整决策流程图；

[0021] 图5为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法的穿刺过程中穿刺针具的受力示意曲线图；

[0022] 图6为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法的穿刺过程中血管状态变化示意图；

[0023] 图7为本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策系统的结构示意图；

[0024] 图8为根据本发明实施例另一种穿刺辅助机器人的控制决策系统的结构示意图；

[0025] 图9为根据本发明实施例又一种穿刺辅助机器人的控制决策系统的结构示意图；

[0026] 图10为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策系统的穿刺点及穿刺角度原理示意图。

具体实施方式

[0027] 为使本发明的目的、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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

[0028] 作为本发明实施例的一个方面，本实施例提供一种穿刺辅助机器人的控制决策方法，参考图1，为本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法的流程图，包括：

[0029] S1，基于目标人体上穿刺目标区域的实时超声影像数据，建立所述穿刺目标区域中血管的实时血管模型，并基于所述目标人体的给定体征参数和预先存储的医学数据，建立参照血管模型；

[0030] S2，将所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的血管进行逐段对应比对，确定所述实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据；

[0031] S3，基于所述穿刺可行性评价数据，确定所述穿刺目标区域中的最优穿刺部位。

[0032] 可以理解为，考虑到临床数据显示手动操作穿刺成功率主要取决于医生对解剖知识的了解以及自身技术水平的高低，同时患者的体质 (比如肥胖、血管充盈度低)也是影响穿刺成功率的重要因素。

[0033] 因此，在本实施例实施之前，事先获取目标人体上穿刺目标区域的实时超声影像数据。例如，通过辅助穿刺机器人超声探头对目标人体的穿刺目标区域进行扫描，获取穿刺目标区域连续、完整的血管实时超声影像数据。

[0034] 同时，事先收集医学数据进行存储，或者连接到医学大数据的数据接口。并且，对目标人体的给定体征参数进行测量和记录。如利用血压检测装置检测目标人体的血压，通过测量目标人体的身高、体重，判断目标人体的体形、脂肪含量等。

[0035] 在其中一个实施例中，所述给定体征参数包括性别、年龄、体型和血压。

[0036] 其中，在步骤S1中，根据事先获取的实时超声影像数据，进行数字化处理，提取血管特征，并根据提取的特征对穿刺目标区域中的血管进行三维重建，建立实时血管模型。

[0037] 同时，通过将目标人体的给定体征参数与存储的医学数据进行匹配及修正，建立参照血管模型。例如，根据上述实施例的给定体征参数性别、年龄、体型和血压，相应的，步骤S1中所述基于所述目标人体的给定体征参数和预先存储的医学数据，建立参照血管模型的步骤进一步包括：基于所述性别、年龄、体型，匹配所述医学数据中的参照血管数据，并基于所述血压，修正所述参照血管数据，生成所述参照血管模型。

[0038] 其中，在步骤S2中，通过将建立的实时血管模型和参照血管模型进行比对，给出穿刺可行性的量化判定依据。即，根据实时血管模型中血管的具体给定参数与参照血管模型中对应血管在对应位置处的相同参数，将二者进行对应比对，根据比对结果按设定规则，确定血管上各位置处的可行性量化数据。

[0039] 例如，在一个实施例中，所述S2的进一步处理步骤参考图2，为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法中确定血管上各段的穿刺可行性评价数据的流程图，包括：

[0040] S21，将所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的对应血管按相同间隔单元进行分段，并计算所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的血管上对应分段的横截面积比值；

[0041] S22，基于所述横截面积比值，确定所述实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据。

[0042] 步骤S21可以理解为，为了避免局部最优，而对目标血管进行整体的比对判断，首先将实时血管模型中的血管与参照血管模型中的对应血管按照对应位置、以相同分段单元进行分段，然后遍历该血管中所有分段，计算每个分段中血管的横截面积，并计算实时血管模型对应的横截面积与参照血管模型中对应位置血管的横截面积的比值。

[0043] 然后，在步骤S22中，根据上述步骤中各分段的横截面积比值，按照事先设定的穿刺可行性评价规则，确定实时血管模型中的血管上各分段的穿刺可行性量化数据，即穿刺可行性评价数据。

[0044] 在其中一个实施例中，在根据上述实施例确定血管上各分段的穿刺可行性评价数据之后，根据该评价数据将评价结果在穿刺目标区域的实时超声影像数据中对应位置处按不同颜色进行显示。

[0045] 例如，首先进行实时血管模型与参照血管数据模型的比对，比对系数为实时血管模型与参照血管数据模型中对应血管横截面积的比值，比值越接近1则表明实时血管模型越接近参照血管数据模型，同时将比值通过显示系统在实时影像上进行显示。

[0046] 根据比值大小将穿刺可行性分为三个区间，比值小于0.5(图形颜色标示为红色，数值越小，颜色越深)为穿刺操作有较大风险；比值在0.5～0.7区间(图形颜色标示为黄色，数值越小，颜色越深)时表示穿刺需谨慎操作；比值大于0.7(图形颜色标示为绿色，数值越大，颜色越深)时表示穿刺具有较高成功率。

[0047] 其中，在步骤S3中，根据上述步骤获取的穿刺可行性评价数据，确定最优穿刺部位。例如，图3中的 (a)重建血管模型中I位置血管截面积比值(0.92)要大于II位置血管截面积比值(0.64)，因此，选取I位置作为优选穿刺部位。

[0048] 其中，在一个实施例中，为了进一步确认最优穿刺部位，在根据上述实施例确定穿刺目标区域中的最优穿刺部位之后，根据确定的最优穿刺部位，将辅助穿刺机器人超声探头移动至目标部位再次扫描，由控制决策系统比对判断并确认最优穿刺部位，然后固定辅助穿刺机器人位置。其中，移动辅助穿刺机器人的固定方式可采用手持或辅助机械臂夹持的方式。

[0049] 本发明实施例提供的一种穿刺辅助机器人的控制决策方法，针对不同体质的患者通过多种数据信息做出穿刺决策，具有辅助医生评估穿刺可行性、提供最优穿刺部位及穿刺运动控制参数以及穿刺过程安全监护的功能，能够有效弥补医生经验的不足，为穿刺操作可行性评价提供量化指标，有效保证穿刺操作的成功率和积极效果，避免穿刺失败风险。

[0050] 为了进一步说明上述实施例，以下进行更具体的说明，但不限制本发明的保护范围。

[0051] 穿刺操作者首先测量患者的血压，并将患者的血压数据及体征数据(性别、年龄、身高、体重等)输入。然后参考表1选择适合患者的超声探头并安装在穿刺辅助机器人上，选择合适的超声波图像深度。其中合适的图像深度表示将目标血管置于超声图像的正中或使其深度比目标血管深1cm，观察患者目标组织是否位于超声图像区域的中场。手持穿刺辅助机器人的超声探头紧贴皮肤，采用探头轴线与血管长轴平行方式由患者右侧锁骨下外侧向内查看目标静脉。

[0052] 表1，为本发明实施例对应不同患者所选用的超声探头类型表

[0053]患者类型颈内静脉锁骨下静脉
婴幼儿高频线阵高频线阵
儿童高频线阵中高频线阵
普通成年中高频线阵中高频线阵/微凸阵
肥胖成年中高频线阵中低频微凸阵

[0054] 在彩超影像下，朝向探头的血流颜色为红色，而背离探头的血流颜色为蓝色，定义静脉颜色为蓝色。确定静脉位置后调整超声探头采用与血管长轴垂直方式沿静脉走向缓慢滑动探头探测穿刺目标区域，同时观察显示系统上的超声影像，确保静脉影像位于显示区域中场，采集实时超声影像数据。应用医学图像获取、分割、三维重建技术实现血管组织重建，获取如图3中的 (a)所示的实时血管模型。图3中的 (a)为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法中建立的实时血管模型的示意图。

[0055] 同时，根据输入的患者体征数据自动匹配医学数据存储单元中的血管数据，再根据患者血压数据进行修正，生成参照血管模型，如图 3中的 (b)所示。图3中的 (b)为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法中建立的参照血管模型的示意图。

[0056] 然后，将实时血管模型和参照血管模型按照上述实施例进行比对，并根据比对结果确定最优穿刺部位。

[0057] 为了进一步确认最优穿刺部位，操作者再次移动超声探头至I位置上进行确认。确认后即可通过手持方式或其他辅助机械臂固定穿刺机器人。

[0058] 进一步的，在上述实施例的基础上，在所述S3的步骤之后，所述方法还包括如图4所示的控制流程，图4为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法中穿刺针具的调整决策流程图，包括：

[0059] S4，基于所述最优穿刺部位的实时超声影像数据，利用图像识别技术，获取血管在所述最优穿刺部位的实时超声影像数据中的位置数据及形状数据；

[0060] S5，基于所述位置数据及形状数据，利用穿刺规划模型，计算最优穿刺点、最优穿刺路径和穿刺控制参数；

[0061] S6，根据所述最优穿刺路径，以及所述穿刺控制参数，调整穿刺针具的姿态和运动状态，控制所述穿刺针具到达所述最优穿刺点并刺向所述最优穿刺点处的人体血管。

[0062] 可以理解为，在根据上述实施例决策穿刺的最优部位之后，还要控制穿刺针具进行穿刺操作。穿刺辅助机器人可通过获取及分析病患体征数据，经由穿刺决策系统判定，实现对目标静脉穿刺操作条件的量化评估以及给定最优穿刺运动控制数据，包括最优穿刺位置、穿刺路径、穿刺角度及穿刺速度等参数，实现在实时超声引导下的精准穿刺及导丝置入。

[0063] 具体在步骤S4中，根据确定的最优穿刺部位位置处的血管超声影像，通过超声图像识别技术，对此位置获得的超声血管影像识别和解析，计算得出目标血管的位置及形状数据，即在超声影像中的坐标数据及形状数据。

[0064] 然后在步骤S5中，根据获取的血管在超声影像中的坐标数据及形状数据，利用预先建立的穿刺规划模型，计算最优穿刺点位置坐标，以及穿刺最优路径，以及具体的穿刺控制参数，如穿刺角度、穿刺速度等。

[0065] 最后在步骤S6中，根据最优穿刺路径，并根据上述步骤获取的穿刺控制参数对穿刺针具进行相应调整。包括但不限于对穿刺针具的姿态，如位置、角度等；运动状态，如运动方向、穿刺速度和穿刺加速度等的调整，控制穿刺针具移动到最优穿刺点及刺向血管。

[0066] 其中在一个实施例中，通过穿刺规划模型计算出最优穿刺路径之后，以标示线的形式将最优穿刺路径显示于超声图像上，然后由操作者进行确认。

[0067] 本发明实施例提供的一种穿刺辅助机器人的控制决策方法，通过对确定的最优穿刺部位处目标静脉超声影像的分析，实现对穿刺针具的姿态和运动参数的自动计算，从而实现对穿刺针具姿态和运动状态的快速调整，能够有效提高穿刺操作的成功率和效率。

[0068] 进一步的，在上述实施例的基础上，所述方法还包括：检测穿刺过程中穿刺针具的受力状态，并基于所述受力状态判断所述穿刺针具的刺入状态。

[0069] 可以理解为，由于血管组织具有一定的弹性，因此在穿刺针具刺入过程中会发生形变，血管形变的过程和穿刺针具所受到的阻力具有一定的关系，通过实时监测穿刺阻力来判断血管形变是否处于安全范围内，以避免穿刺针具贯穿目标血管。

[0070] 具体在进行穿刺操作的过程中，通过压力传感器实时检测穿刺针具在穿刺过程中的受力状态。在一个实施例中，同时还将受力状态以受力曲线的形式显示在显示系统上。

[0071] 如图5所示，为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法的穿刺过程中穿刺针具的受力示意曲线图，图5显示穿刺针具刺入人体模型过程中穿刺针具的受力状态。由于静脉血管壁具有一定的弹性，当穿刺针刺中血管时，并不会立即刺穿。图6显示了穿刺针具刺入血管过程中血管的变形情况，为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策方法的穿刺过程中血管状态变化示意图。图6中的 (a) 显示穿刺针刺中血管但是没有刺破，血管产生一定的凹陷形变。此时由图5显示穿刺针的力反馈数值快速上升。当穿刺针继续刺入，图6中的 (b) 显示穿刺针前端已切开血管壁，图5显示此刻穿刺针力反馈数值有小幅回落。随着穿刺针的继续刺入，图6中的 (c)显示穿刺针前端已完全切开血管壁，图5显示穿刺针力反馈数值小幅反弹后快速回落。

[0072] 进一步的，在上述实施例的基础上，所述方法还包括：

[0073] 通过受力曲线展示所述刺入状态；

[0074] 和/或，针对不同的所述刺入状态，发出对应的提示信号。

[0075] 可以理解为，根据上述实施例，可以将穿刺针具的受力状态以受力曲线的形式显示在显示系统上。同时可以将不同的刺入状态以不同的提示信号进行显示，例如用不同的颜色进行提示。当然，也可以单独用提示信号对刺入状态进行提示。因此，当穿刺针具穿入血管的瞬间，穿刺阻力随之回落，控制决策系统会立即以声、光的形式发出提示信息，提示穿刺操作者应停止进针操作，从而有效提高穿刺过程的安全性。

[0076] 例如，根据单位时间内受力曲线斜率的变化情况，发出判断信号，分别为刺破皮肤、刺中血管、刺破血管和刺入血管。信号以信息及状态的方式显示于显示系统上，并且当发出刺中血管信号时，会触发穿刺辅助机器人灯光信号(灯光信号为黄色等级)，提示操作者注意；当发出刺入血管信号时，会触发灯光信号及声音信号(灯光信号为红色等级)，提示操作者应停止穿刺操作。

[0077] 在穿刺针具成功刺入静脉血管后，穿刺辅助机器人的针筒负压装置通过一次性软管和穿刺针具的三通接口端口相连，而针筒负压装置是随着穿刺针具刺入皮肤后开始自动拉抽针筒从而建立负压状态，拉抽针筒的速度与穿刺针刺入速度保持一致。当穿刺针刺入血管后，静脉血即通过穿刺针，经由三通接口端口通过软管流向针筒负压装置，而回抽到静脉血是穿刺成功的重要标志。

[0078] 其中，在一个实施例中，所述针对不同的所述刺入状态，发出对应的提示信号的步骤进一步包括：记录刺中血管提示信号发出后的穿刺时间，并且当判断所述穿刺时间达到设定安全时间时，发出刺穿血管风险报警提示信号，提示停止穿刺操作。

[0079] 可以理解为，参考图5，穿刺针具刺中血管到刺入血管是有一定时间间隔，系统记录发出刺中血管信号后的时间TP，并与系统中存储的安全时间TPS相比对。其中一个实施例中，安全时间的计算方法为通过图像识别得到的血管直径与穿刺速度的比值，即TPS＝DV/VP，其中DV为血管直径，VP为穿刺速度值。

[0080] 当TPS-TP小于设定的阈值时，发出提示信息显示于显示系统上及灯光信号(灯光信号为红色等级)，提示操作者应停止穿刺操作，以避免继续穿刺造成贯穿整个静脉血管。

[0081] 作为本发明实施例的另一个方面，本实施例提供一种穿刺辅助机器人的控制决策系统，参考图7，为本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策系统的结构示意图，包括：数据存储模块701、数据输入接口702、数据处理模块703和控制决策模块704。其中，[0082] 数据存储模块701用于存储医学数据和目标人体上穿刺目标区域的实时超声影像数据；数据输入接口702用于获取所述目标人体的给定体征参数；数据处理模块703用于基于所述实时超声影像数据，建立所述穿刺目标区域中血管的实时血管模型，以及基于所述目标人体的给定体征参数和所述医学数据，建立参照血管模型，以及将所述实时血管模型中的血管与所述参照血管模型中的血管进行逐段对应比对，确定所述实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据；控制决策模块704用于基于所述穿刺可行性评价数据，确定所述穿刺目标区域中的最优穿刺部位。

[0083] 可以理解为，参考图7，本实施例的一种穿刺辅助机器人的控制决策系统包括数据存储模块701、数据输入接口702、数据处理模块703 和控制决策模块704。其中，数据存储模块701进一步包括外部医学数据单元和超声影像单元。数据输入接口702用于目标人体血压及体征数据的输入，外部医学数据单元、超声影像单元和数据输入接口702 与数据处理模块703连接，数据处理模块703与控制决策模块704连接。

[0084] 具体的，数据采集装置包含超声探测仪器、血压检测装置等；数据存储包括医学数据存储和超声影像存储；处理模块包括数据处理模块703与控制决策模块704。

[0085] 系统运行时，超声探测仪器的超声波探头安装在穿刺辅助机器人的底端。超声探测仪器、体征及血压数据输入模块和压力检测装置均与数据处理系统连接，数据处理模块703与控制决策模块704连接。数据处理模块703从数据存储模块701获取医学数据和目标人体上穿刺目标区域的实时超声影像数据，从数据输入接口702获取目标人体的给定体征参数。

[0086] 之后，基于穿刺目标区域的实时超声影像数据，建立穿刺目标区域中血管的实时血管模型，基于目标人体的给定体征参数和医学数据，建立参照血管模型，并且将实时血管模型中的血管与参照血管模型中的血管进行逐段对应比对，确定实时血管模型中的血管上各段的穿刺可行性评价数据。最后由控制决策模块704进行决策计算，得到穿刺目标区域中的最优穿刺部位。

[0087] 本发明实施例提供的一种穿刺辅助机器人的控制决策系统，针对不同体质的患者利用数据处理模块703与控制决策模块704通过多种数据信息做出穿刺决策，具有辅助医生评估穿刺可行性、提供最优穿刺部位及穿刺运动控制参数以及穿刺过程安全监护的功能，能够有效弥补医生经验的不足，为穿刺操作提供量化指标，有效保证穿刺操作的成功率和积极效果，避免穿刺失败风险。

[0088] 进一步的，在上述实施例的基础上，所述系统还包括：运动控制模块，用于根据确定的最优穿刺路径，以及确定的穿刺控制参数，调整穿刺针具的姿态和运动状态，控制所述穿刺针具到达最优穿刺点并刺向所述最优穿刺点处的人体血管；

[0089] 相应的，数据处理模块703还用于：基于所述最优穿刺部位的实时超声影像数据，利用图像识别技术，获取血管在所述最优穿刺部位的实时超声影像数据中的位置数据及形状数据；

[0090] 相应的，控制决策模块704还用于：基于所述位置数据及形状数据，利用穿刺规划模型，计算所述最优穿刺点、所述最优穿刺路径和所述穿刺控制参数。

[0091] 可以理解为，本实施例中数据处理模块703还可以用来根据确定的最优穿刺部位位置处的血管超声影像，通过超声图像识别技术，对此位置获得的超声血管影像识别和解析，计算得出目标血管的位置及形状数据，即在超声影像中的坐标数据及形状数据。

[0092] 相应的，控制决策模块704还需要根据获取的血管在超声影像中的坐标数据及形状数据，利用预先建立的穿刺规划模型，计算最优穿刺点，以及穿刺针具由最优穿刺点刺向血管的最优路径，以及具体的穿刺控制参数，如穿刺角度、穿刺速度等。

[0093] 相应的，在系统中另外设置运动控制模块，用来根据最优穿刺路径，以及穿刺控制参数对穿刺针具进行相应调整，包括但不限于对穿刺针具的姿态，如方向位置、角度等；运动状态，如运动方向、穿刺速度和穿刺加速度等的调整，控制穿刺针具移动到最优穿刺点及刺向血管。

[0094] 进一步的，在上述实施例的基础上，所述系统还包括：压力检测模块，用于检测穿刺过程中穿刺针具的受力状态；

[0095] 相应的，数据处理模块703还用于：基于所述受力状态判断所述穿刺针具的刺入状态。

[0096] 可以理解为，由于血管组织具有一定的弹性，因此在穿刺针具刺入过程中会发生形变，血管形变的过程和穿刺针具所受到的阻力具有一定的关系，通过实时监测穿刺阻力来判断血管形变是否处于安全范围内，以避免穿刺针具贯穿目标血管。

[0097] 因此，本实施例在根据上述实施例的中的数据处理模块703还需要在进行穿刺操作的过程中，通过压力传感器等实时检测穿刺针具在穿刺过程中的受力状态。在一个实施例中，同时还将受力状态以受力曲线的形式显示在显示系统上。

[0098] 为了进一步说明本发明的技术方案，以下举例进行更具体的说明，但是不限制本发明的保护范围。

[0099] 首先，根据本发明实施例中的穿刺辅助机器人具有如下特点：根据不同患者体质装配对应超声探头；根据超声连续扫描的患者静脉血管影像进行三维模型重建，通过和结合血压等体征数据生成的参照血管数据模型比对，以穿刺可行性系数(0～1)或颜色图形(红色表示有较大风险、黄色表示需谨慎操作、绿色表示穿刺成功率较高)的形式提示给操作者，并给出适合进行穿刺操作的部位；根据静脉血管超声影像自动识别血管形状及位置并计算出穿刺运动控制参数；具有患者体征数据及其他外部医学大数据输入接口；穿刺针具姿态调整具有横向移动、俯仰摆动以及穿刺运动三个运动自由度；穿刺针具路径模拟功能；穿刺针具力反馈功能及安全监护功能；同步退针进导丝功能；自动回抽静脉血功能；超声影像实时显示功能；手柄操控功能。且面向的是颈内静脉和锁骨下静脉穿刺术，此处动静脉伴行在一起。

[0100] 如图8所示，在一个实施例中，提供的穿刺辅助机器人的控制决策系统包括：多种数据采集模块806、数据处理及决策控制模块8011，其中多种数据采集模块806由外部医学数据807、血压及体征数据808、压力检测单元809、超声影像单元8010组成。数据处理及决策控制模块8011由数据存储单元8013、数据处理单元8014、穿刺决策单元8015 和运动控制单元8016组成。血压及体征数据808、压力检测单元809、超声影像单元8010均与数据处理单元8014连接。

[0101] 同时，数据处理单元8014分别和显示模块8012及穿刺决策单元 8015连接，穿刺决策单元8015和运动控制单元8016连接，并和显示模块8012连接。外部医学数据807和数据储存单元8013连接，运动控制单元8016和穿刺主机804连接。穿刺主机804底部装有超声波探头803，穿刺针具802端部安装有压力传感器805。运动控制单元8016 和穿刺决策单元8015连接，显示模块8012和穿刺决策单元8015连接。801为目标血管。图8为根据本发明实施例另一种穿刺辅助机器人的控制决策系统的结构示意图。

[0102] 根据上述实施例中的力检测装置的压力传感器805设置在穿刺针具顶端，穿刺针具姿态调节装置包括水平位置和穿刺角度的调整装置，穿刺及导丝置入装置包括穿刺控制装置和导丝置入控制装置。

[0103] 参考图9，为根据本发明实施例又一种穿刺辅助机器人的控制决策系统的结构示意图。由高性能多种标准接口的嵌入式工控机100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穿刺辅助医疗机器人超声探头查找病患的目标静脉，确定目标静脉后固定穿刺辅助医疗机器人位置。

[0104] 然后，选择工作模式，自动模式下穿刺辅助机器人根据数据处理及决策控制模块8011给出的最优路径及运动参数将穿刺针具自动调整到给定穿刺位置及穿刺角度；手动模式下则通过手持控制器22进行操控，控制穿刺辅助机器人穿刺针具的姿态使之和穿刺决策系统给出的最优路径相吻合。两种模式下均需手动控制进行穿刺和导丝的置入。工控机100通过总线通信模块20和穿刺辅助机器人的运动控制模块 110中的电机驱动器进行连接。采用总线通信确保了控制信号传输的稳定性和可靠性。

[0105] 参考图9，为了确保穿刺定位的精准可靠，穿刺针具的姿态调整(位置及俯仰角度)和穿刺(速度、加速度)的控制采用了微型伺服电机结合高精密滚珠丝杠，滚珠丝杠采用C5级，导程1mm，定位精度误差为±0.018mm。对于导丝控制电机以及穿刺俯仰角度控制电机，其运动速度相对穿刺运动要慢，因此采用两种规格的伺服电机，其中穿刺俯仰角度、导丝置入控制伺服电机最高转速9430rpm，电机减速比16:1，穿刺俯仰角度最大调节速度为18.5°/s，穿刺位置平移、穿刺运动及导丝置入控制伺服电机最高转速6220rpm，电机减速比6.6:1，穿刺针具调节最大速度为12.6mm/s，伺服电机编码器分辨率为每圈输出4096个脉冲，驱动电源为24V/0.17mA。

[0106] 本发明实例中，超声波探头803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，将采集到的数据信息传输给超声影像单元8010。超声影像单元8010接收探头803发送的数据信息，并将数据信息处理为超声图像数据信息后再传输给嵌入式工控机的信号采集单元19。信号采集单元19是计算机的标准硬件接口，用于读入超声影像单元8010输出的图像数据信息。

[0107] 计算机穿刺辅助机器人软件系统的数据处理单元8014通过调用影像功能函数对信号采集单元19采集到的超声图像数据信息进行数字化处理，基于医学图像获取、分割、三维重建技术实施血管组织实时重建。

[0108] 穿刺决策单元8015负责判断最优穿刺部位，数据处理单元根据最优穿刺部位的超声血管影像计算血管在超声影像中的坐标数据及形状数据，以及通过穿刺规划模型计算出最优穿刺路径。如图10所示，为根据本发明实施例一种穿刺辅助机器人的控制决策系统的穿刺点及穿刺角度原理示意图。最优穿刺路径确定穿刺点C，坐标位置(x2,y2)，穿刺角度为θ。最优穿刺路径以标示线的形式显示于超声图像上。

[0109] 穿刺决策单元8015将计算出的穿刺点坐标数据、穿刺角度及穿刺运动速度参数传送给运动控制单元8016，运动控制单元8016将控制参数通过工控机主板数据总线发送给总线通信模块20。总线通信为CAN 总线，通信协议为CANOpen，总线通信模块20型号为CAN-IB100。

[0110] 总线通信模块20将穿刺运动控制参数发送给运动控制模块110，运动控制模块110由四个驱动器(23、24、25、26)和四个直流伺服电机(27、28、29、30)组成，四个驱动器在CAN总线上的通信节点编号分别设置为1、2、3、4，驱动器型号为EPOS 2 24/2。驱动器23 与导丝控制电机27相连，驱动器24与穿刺控制电机28相连，驱动器 25与俯仰控制电机29相连，驱动器26与位置控制电机30相连。

[0111] 位置控制电机30驱动位置调节机构6运动至目标位置，俯仰控制电机29驱动俯仰调节机构33至目标角度，然后穿刺控制电机28驱动穿刺调节机构32开始穿刺操作，穿刺完成后，导丝控制电机27驱动导丝调节机构31进行导丝置入。

[0112] 在穿刺针具成功刺入静脉血管后，穿刺辅助机器人的针筒负压装置36通过一次性软管35和穿刺针具的三通接口34端口c相连，而针筒负压装置36是随着穿刺针具刺入皮肤后开始自动拉抽针筒从而建立负压状态，拉抽针筒的速度与穿刺针刺入速度保持一致。当穿刺针刺入血管后，静脉血即通过穿刺针具802，经由三通接口34端口c通过软管35流向针筒负压装置36，而回抽到静脉血是穿刺成功的重要标志。

[0113] 穿刺成功后即可以开始导丝的置入，操作者操作手持控制器22，发出导丝置入信号给运动控制单元8016，通过总线通信模块20，传输给驱动器23，进而控制导丝控制电机27，驱动导丝调节机构31开始运动，导丝调节机构31带动导丝经由穿刺针具侧孔进入，直到进入静脉血管中，导丝的进入长度通过记录导丝控制电机编码器的旋转码值可以计算。

[0114] 导丝控制电机编码器旋转一圈的码值数为65536，导丝控制电机旋转一圈导丝的置入长度为47.124mm。当导丝置入长度超过穿刺针的长度后，此时通过手持控制器22启动退针进丝功能，即可同步完成导丝置入和退针操作，导丝置入长度根据患者的体质情况事先进行设定，数值区间为15～20cm，当导丝置入长度达到设定数值后，穿刺决策系统发出信号提示操作人员停止导丝置入操作，由操作人员进行确认导丝置入长度是否已达到设定值要求。确认无误后，穿刺辅助机器人即完成穿刺及导丝置入功能，由操作人员移出穿刺区域，再进行插入扩张管及中心静脉导管的插入手动操作。

[0115] 另外，本领域内的技术人员应当理解的是，在本发明的申请文件中，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。

[0116] 本发明的说明书中，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，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明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。

[0117] 然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明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的单独实施例。

[0118] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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各实施例技术方案的精神和范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种照明灯电路过流保护装置	2020-05-08	839
中高频复合波导号角	2020-05-08	159
无人机多链路中继通信系统的功率分配与飞行路线优化方法	2020-05-08	844
服务授权方法及通信装置	2020-05-08	141
一种信息流路径的确定方法、装置、设备和存储介质	2020-05-11	795
一种基于CML的智能变电站设备网络结点连锁失效风险分析方法	2020-05-08	582
基于无模型控制器的永磁同步电机控制方法及装置	2020-05-11	4
激光电视的滤网固定结构及激光电视机	2020-05-08	246
一种构建信息通信智能调度指挥沙盘的方法	2020-05-11	653
一种多功能智能耳机	2020-05-08	342

一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统

一种穿刺辅助机器人的控制决策方法与系统

技术领域

背景技术

发明内容

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：