本發明涉及醫療器械技術領域，特別涉及一種穿刺機構及穿刺方法。

背景技術：

在臨床檢驗中采血、治療中扎針都是最廣泛、最基本的醫療操作項目，目前都是依賴于護士多年的經驗和手感進行的。然后，人工穿刺經常出現扎不準的現象，尤其是肥胖患者、嬰幼兒患者，對于護士的穿刺技術要求非常之高。

為了提高穿刺準確性，目前已有多篇專利文獻提出了自動穿刺的技術。中國專利文獻CN204218918U，專利名稱為：一種無需人工穿刺的全自動智能化采血設備，系統由智能導航血管識別定位裝置、全自動定位機械結構、穿刺針夾持裝置、試管轉運和儲存裝置、自動噴淋消毒裝置等模塊組成，以上幾個模塊在計算機的統一控制下自動聯動實現全自動運行，可以實現自動穿刺功能。中國專利文獻CN105056351A，專利名稱為：一種自動扎針裝置，包括架體、承放機構、獲取機構、第一控制機構，通過計算機的控制實現自動穿刺功能。

然而，上述專利文獻中僅揭示出利用機器結構取代人完成穿刺功能的概念，并未考慮如何設置機械結構和控制方式來實現精確穿刺的效果，而且也未考慮如何設置可以盡量減少給患者帶來疼痛感，而解決這些問題均要求整個機械運動過程要快速、準確，并要求壓、刺、挑、進針、退針一系列穿刺動作有特定的運動軌跡。

技術實現要素：

因此，為解決現有技術存在的技術缺陷和不足，本發明提出一種穿刺機構及穿刺方法。

本發明實施例提供了一種穿刺機構10，包括：

基座11；

控制模塊13；

直線軸機構15，設置于所述基座11上，用于根據所述控制模塊13的第一指令控制針頭沿X軸、Y軸及Z軸運動；

回轉軸機構17，與所述直線軸機構15連接，用于根據控制模塊13的第二指令調整所述針頭的俯仰和水平角度；

推送軸機構19，與所述回傳軸機構17連接，用于根據控制模塊13的第三指令推送所述針頭刺入血管。

在本發明的一個實施例中，所述直線軸機構15包括X軸運動副X1,X2、X軸動力源XD、Y軸運動副Y1,Y2、Y軸動力源YD、Z軸運動副Z1,Z2、Z軸動力源ZD，所述X軸動力源XD、所述Y軸動力源YD及所述Z軸動力源ZD根據所述控制模塊13的所述第一指令分別控制所述X軸運動副X1,X2、所述Y軸運動副Y1,Y2及所述Z軸運動副Z1,Z2運動。

在本發明的一個實施例中，所述回轉軸機構17包括水平回轉運動副U1,U2、水平回轉動力源UD、俯仰回轉運動副V1,V2、俯仰回轉動力源VD，所述水平回轉動力源UD及所述俯仰回轉動力源VD根據所述控制模塊13的所述第二指令分別控制所述水平回轉運動副U1,U2及所述俯仰回轉運動副V1,V2運動。

在本發明的一個實施例中，其中：

所述推送軸機構19根據所述控制模塊13的第四指令將所述針頭沿直線方向退出皮膚組織之外；

所述回轉軸機構17根據所述控制模塊13的第五指令將所述針頭恢復至初始化的俯仰和水平角度；

所述直線軸機構15根據所述控制模塊13的第六指令將所述針頭運動至初始位置以結束穿刺過程。

在本發明的一個實施例中，還包括力反饋和/或電阻抗反饋裝置，所述力反饋和/或電阻抗反饋裝置電連接至所述控制模塊13，用于根據針頭刺入皮膚組織后的力反饋和/或電阻抗反饋數據判斷所述針頭是否進入血管中。

本發明的另一個實施例提供了一種穿刺方法，由穿刺機構完成，所述穿刺機構包括X直線軸機構、Y直線軸機構、Z直線軸機構、水平回轉軸機構、垂直回轉軸機構及推送軸機構；所述方法包括：

控制所述X直線軸機構、所述Y直線軸機構、所述Z直線軸機構、所述水平回轉軸機構、所述垂直回轉軸機構運動將針頭至穿刺點位置以完成定位段的運動；

控制所述推送軸機構沿直線將所述針頭由穿刺點刺入血管并到達進入點以完成穿刺段的運動；

控制所述推送軸機構和所述垂直回轉軸機構將所述針頭由所述進入點推送至平推點以完成穿刺調整段的運動；

控制所述推送軸沿直線將所述針頭由所述平推點推送至終點位置以完成平推段的運動。

在本發明的一個實施例中，控制所述X直線軸機構、所述Y直線軸機構、所述Z直線軸機構、所述水平回轉軸機構、所述垂直回轉軸機構運動將針頭至穿刺點位置以完成定位段的運動，包括：

控制所述X直線軸機構、所述Y直線軸機構、所述Z直線軸機構以第一速度范圍將所述針頭推送至安全點位置以完成快速粗定位段的運動；

控制所述X直線軸機構、所述Y直線軸機構、所述Z直線軸機構及所述水平回轉軸機構、所述垂直回轉軸機構以第二速度范圍將所述針頭由所述安全點推送至所述穿刺點位置以完成慢速準確定位段的運動；其中，所述垂直回轉軸機構控制所述針頭與血管的俯仰夾角為5°～45°。

在本發明的一個實施例中，所述穿刺機構設置有力反饋和/或電阻抗反饋裝置；控制所述推送軸機構沿直線將所述針頭由穿刺點刺入血管并到達進入點以完成穿刺段的運動，包括：

控制所述推送軸機構沿直線方向推送所述針頭由穿刺點刺入皮膚組織，并根據所述力反饋和/或者電阻抗反饋裝置反饋的數據確定所述針頭是否已進入血管，并在確定所述針頭進入血管后繼續推進設定距離后形成所述進入點以完成所述穿刺段的運動。

在本發明的一個實施例中，控制所述推送軸機構和所述垂直回轉軸機構將所述針頭由所述進入點推送至平推點以完成穿刺調整段的運動，包括：

控制所述推送軸機構沿直線方向將所述針頭由所述進入點推送所述針頭，并同步控制所述垂直回轉軸機構采用圓弧插補方式分段調整垂直方向的角度以逐次逼近至所述平推點位置以完成穿刺調整段的運動。

在本發明的一個實施例中，該方法還包括：

控制所述推送軸機構沿直線方向將所述針頭由所述終點退出皮膚組織之外以完成退針段的運動；

控制所述X直線軸機構、所述Y直線軸機構、所述Z直線軸機構、所述水平回轉軸機構、所述垂直回轉軸機構以第三速度范圍恢復至初始位置以完成快速退回段的運動。

本發明實施例，通過采用6軸機械結構，并配合預設多段穿刺路線，精確快速地刺入血管，實現真正的全自動穿刺功能。另外，為了減輕患者的疼痛感，在針頭刺入皮膚組織時采用與血管成一定角度的方向刺入，并在推進過程中以步進微調、圓弧插補的方式調整進針路徑，保證血管受力變形最小，疼痛感最小。最后，為了防止血管被刺穿，在機械結構中增加力反饋和/或電阻抗反饋裝置，根據力反饋和/或電阻抗反饋的突變數據確定針頭是否插入血管或者插穿血管，保證自動穿刺的安全性。

通過以下參考附圖的詳細說明，本發明的其它方面和特征變得明顯。但是應當知道，該附圖僅僅為解釋的目的設計，而不是作為本發明的范圍的限定，這是因為其應當參考附加的權利要求。還應當知道，除非另外指出，不必要依比例繪制附圖，它們僅僅試圖概念地說明此處描述的結構和流程。

附圖說明

下面將結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細的說明。

圖1為本發明實施例提供的一種穿刺機構的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種穿刺機構的六軸機械結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種刺穿方法的示意圖；

圖4為本發明實施例提供的一種穿刺路徑的軌跡示意圖；

圖5為本發明實施例提供的一種穿刺路徑選擇的示意圖；

圖6為本發明實施例提供的一種直線插補的原理示意圖；

圖7為本發明實施例提供的一種圓弧插補的原理示意圖；

圖8為本發明實施例提供的一種穿刺調整段的進針路徑示意圖。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

實施例一

請參見圖1，圖1為本發明實施例提供的一種穿刺機構的結構示意圖。該穿刺機構10包括基座11、控制模塊13、直線軸機構15、回轉軸機構17、推送軸機構19。其中，直線軸機構15設置于所述基座11上，用于根據所述控制模塊13的第一指令控制針頭沿X軸、Y軸及Z軸運動；回轉軸機構17，與所述直線軸機構15連接，用于根據控制模塊13的第二指令調整所述針頭的俯仰和水平角度；推送軸機構19，分別與所述回傳軸機構17連接，用于根據控制模塊13的第三指令推送所述針頭刺入血管。

另外，所述推送軸機構19根據所述控制模塊13的第四指令將所述針頭沿直線方向退出皮膚組織之外；所述回轉軸機構17根據所述控制模塊13的第五指令將所述針頭恢復至初始化的俯仰和水平角度；所述直線軸機構15根據所述控制模塊13的第六指令將所述針頭運動至初始位置以結束穿刺過程。

請參見圖2，圖2為本發明實施例提供的一種穿刺機構的六軸機械結構示意圖。對于六軸結構，即3個直線軸機構、2個回轉軸機構及1個推送軸機構。

其中，所述直線軸機構15包括X軸運動副X1,X2、X軸動力源XD、Y軸運動副Y1,Y2、Y軸動力源YD、Z軸運動副Z1,Z2、Z軸動力源ZD，所述X軸動力源XD、所述Y軸動力源YD及所述Z軸動力源ZD根據所述控制模塊13的所述第一指令分別控制所述X軸運動副X1,X2、所述Y軸運動副Y1,Y2及所述Z軸運動副Z1,Z2運動。其中，X、Y、Z三直線軸分別表示空間直角坐標系三坐標軸，用于定位針尖扎針點。

所述回轉軸機構17包括水平回轉運動副U1,U2、水平回轉動力源UD、俯仰回轉運動副V1,V2、俯仰回轉動力源VD，所述水平回轉動力源UD及所述俯仰回轉動力源VD根據所述控制模塊13的所述第二指令分別控制所述水平回轉運動副U1,U2及所述俯仰回轉運動副V1,V2運動。水平調整回轉軸用于調整針頭與待扎針血管走向之間的水平方向夾角；俯仰調整回轉軸用于調整針頭與待扎針血管的豎直方向夾角。

所述推送軸機構19包括直線運動副W1,W2、直線運動動力源WD，所述直線運動動力源WD根據所述控制模塊13的所述第三指令控制所述直線運動副W1,W2運動。推送直線軸用于完成針頭穿刺與退出血管動作。

具體地，Y直線軸由直線運動副與動力源YD構成，直線運動副構件Y1與基座JZ(即基座11)固定連接，另一構件Y2與X直線軸構件X1連接，動力源YD與構件Y2直接或間接連接，驅動Y2動作；

X直線軸同樣由直線運動副與動力源XD構成，直線運動副構件X1與構件Y2連接，另一構件X2與Z直線軸構件Z1連接，動力源XD與構件X2直接或間接連接，驅動X2動作；

Z直線軸由直線運動副與動力源ZD構成，直線運動副構件Z1與構件X2連接，另一構件Z2與U回轉軸構件U1連接，動力源ZD與構件Z2直接或間接連接，驅動Z2動作；

U回轉軸由回轉運動副與動力源UD構成，回轉運動副構件U1與構件Z2連接，另一構件U2與V回轉軸構件V1連接，動力源UD與構件U2直接或間接連接，驅動U2動作；

V回轉軸由回轉運動副與動力源VD構成，回轉運動副構件V1與構件U2連接，另一構件V2與W直線軸構件W1連接，動力源VD與構件V2直接或間接連接，驅動V2動作；

W直線軸由直線運動副與動力源WD構成，直線運動副構件W1與構件V2連接，另一構件W2與針頭連接，動力源WD與構件W2直接或間接連接，驅動W2動作。

本發明的穿刺基本工作原理如下：

穿刺動作：當自動穿刺系統的視覺模塊在人體上獲取待扎針點空間坐標及穿刺角度后，控制模塊會根據計算結果驅動6軸的動力源(伺服電機)，6軸機構的直線軸和回轉軸進行聯動動作，使針頭以特定姿態、針尖按照特定軌跡不斷逼近獲取的空間坐標點；動作過程通過U回轉軸和V回轉軸優先保證針頭與血管的水平方向夾角和豎直方向夾角，X、Y、Z直線軸用以保證針尖到達獲取的坐標點；然后通過W直線軸執行扎針采血。

退針動作：當采取適量血液或者注射完成后，6軸機構在控制模塊驅動下進行聯動，首先通過W直線軸執行退針動作，隨后Z直線軸回零，使針尖退回至安全位置，防止人體離開時發生扎傷事故，緊接著Y直線軸向遠離人體方向退去，同時X直線軸、U回轉軸、V回轉軸按照控制程序進行回零。

本發明實施例，通過采用6軸機械結構，在控制模塊的控制下對針頭進行坐標調整和姿態調整，能夠實現快速、準確地穿刺功能。

進一步地，該穿刺機構還可以包括力反饋和/或電阻抗反饋裝置，所述力反饋和/或電阻抗反饋裝置電連接至所述控制模塊13，用于根據針頭刺入皮膚組織后的力反饋和/或電阻抗反饋數據判斷所述針頭是否進入血管中。這樣做的好處在于，根據力反饋和/或電阻抗反饋的突變數據確定針頭是否插入血管或者插穿血管，保證自動穿刺的安全性，防止針頭刺破血管。所述力反饋和/或電阻抗反饋裝置優選設置于推送軸機構上。

實施例二

請參見圖3，圖3為本發明實施例提供的一種刺穿方法的示意圖。該方法可以包括：

步驟1、控制X直線軸機構、Y直線軸機構、Z直線軸機構、水平回轉軸機構、垂直回轉軸機構將針頭運動至穿刺點位置以完成定位段的運動；

步驟2、控制推送軸機構沿直線將所述針頭由穿刺點刺入血管并到達進入點以完成穿刺段的運動；

步驟3、控制所述推送軸機構和所述垂直回轉軸機構將所述針頭由所述進入點推送至平推點以完成穿刺調整段的運動；

步驟4、控制所述推送軸沿直線將所述針頭由所述平推點推送至終點位置以完成平推段的運動。

其中，步驟1可以包括：

步驟11、控制所述X直線軸機構、所述Y直線軸機構、所述Z直線軸機構以第一速度范圍將所述針頭推送至安全點位置以完成快速粗定位段的運動。

步驟12、控制所述X直線軸機構、所述Y直線軸機構、所述Z直線軸機構及所述水平回轉軸機構、所述垂直回轉軸機構以第二速度范圍將所述針頭由所述安全點推送至所述穿刺點位置以完成慢速準確定位段的運動；其中，所述垂直回轉軸機構控制所述針頭與血管的俯仰夾角為5°～45°。

其中，所述穿刺機構可以設置有力反饋和/或電阻抗反饋裝置，則步驟2可以包括：

控制所述推送軸機構沿直線方向推送所述針頭由穿刺點刺入皮膚組織，并根據所述力反饋和/或電阻抗反饋裝置反饋的數據確定所述針頭是否已進入血管，并在確定所述針頭進入血管后繼續推進設定距離后形成所述進入點以完成所述穿刺段的運動。

其中，步驟3可以包括：

控制所述推送軸機構沿直線方向將所述針頭由所述進入點推送所述針頭，并同步控制所述垂直回轉軸機構采用圓弧插補方式分段調整垂直方向的角度以逐次逼近至所述平推點位置以完成穿刺調整段的運動。

其中，在步驟4之后還可以包括：

步驟5、控制所述推送軸機構沿直線方向將所述針頭由所述終點退出皮膚組織之外以完成退針段的運動；

步驟6、控制所述X直線軸機構、所述Y直線軸機構、所述Z直線軸機構、所述水平回轉軸機構、所述垂直回轉軸機構以第三速度范圍恢復至初始位置以完成快速退回段的運動。

本實施例，6軸機構根據控制模塊的指令，在各動力源驅動下，使針頭按照特定運動軌跡運動，實現扎針、退針一套完整扎針動作。

其中，對于第一速度范圍、第二速度范圍及第三速度范圍，由于每個速度范圍內均可能存在加速、勻速或減速動作，因此每一段的針頭運動并非勻速。

實施例三

請參見圖4，圖4為本發明實施例提供的一種穿刺路徑的軌跡示意圖。本實施例以示例形式對本發明的穿刺方法進行詳細描述如下。該穿刺方法將刺穿過程劃分為分快速粗定位段、慢速準確定位段、穿刺段、刺穿調整段、平推段、退針段和快速退回段，共計7段。

(1)快速粗定位段(A段)：這段軌跡由U、V兩旋轉軸及X、Y、Z三直線軸聯動，針尖從零位(X₀,Y₀,Z₀)向(X_m,Y_m,Z_m-a)以特定姿態逼近時所形成的軌跡曲線；

(2)慢速準確定位段(B段)：這段軌跡由U、V兩旋轉軸及X、Y、Z三直線軸聯動，針尖從(X_m,Y_m,Z_m-a)向(X_m＇,Y_m＇,Z_m＇)以特定姿態逼近時所形成的軌跡曲線；

(3)穿刺段(C段)：這段軌跡，在U、V兩旋轉軸及X、Y、Z三直線軸鎖定前提下，針尖隨W直線軸移動距離L₁，刺破血管壁從(X_m＇,Y_m＇,Z_m＇)到達(X_n,Y_n,Z_n)時所形成的軌跡曲線；

(4)刺穿調整段(E段)：這段軌跡，在U旋轉軸及X、Y、Z三直線軸鎖定前提下，針尖隨W直線軸移動距離L₂，同時V旋轉軸轉動α角度后，從(X_n,Y_n,Z_n)到達(X_n＇,Y_n＇,Z_n＇)時所形成的軌跡曲線；

(5)平推段(F段)：這段軌跡，在U、V兩旋轉軸及X、Y、Z三直線軸鎖定前提下，針尖隨W直線軸移動距離L₃，從(X_n＇,Y_n＇,Z_n＇)到達(X₁,Y₁,Z₁)時所形成的軌跡曲線。

(6)退針段(G段)：這段軌跡，在U、V兩旋轉軸及X、Y、Z三直線軸鎖定前提下，針尖隨W直線軸移動距離L₄，退出皮膚以外，從(X₁,Y₁,Z₁)到達(X₂,Y₂,Z₂)時所形成的軌跡曲線。

(7)快速退回段(H段)：這段軌跡由U、V兩旋轉軸及X、Y、Z、W四直線軸聯動，針尖從(X₂,Y₂,Z₂)回到(X₀,Y₀,Z₀)時所形成的軌跡曲線。

請參見圖5，圖5為本發明實施例提供的一種穿刺路徑選擇的示意圖。本發明的六軸機構與雙目紅外視覺系統配合，在待穿刺血管上選擇空間直徑相對大的一段血管，在該范圍內結合血管走向與進針角度，預定出位于血管內部的進入點、平推點和終點；然后結合單目相機與雙目紅外視覺的相對位置以及參考進針角度，預定出皮膚表層的穿刺點，在穿刺點豎直正上方H距離處預定出安全點。

其中，關于L1、L2、L3、L4的取值范圍，依據雙目和單目視覺得到的血管實際位置進行計算，L1為起點到血管上臂穿透深度：L2為從穿透點到血管深度中心一半距離，L3為血管深度終點距離。L4為血管深度終點到手臂皮膚組織外點，針頭長度為L，總體設計要求為L1+L2+L3＜L，同樣L1+L2+L3＜L4，這樣才能保證針尖退出皮膚。

需要強調的是，針頭的針尖在各個軌跡段，由對應起始點向目標點逼近過程中，根據預定直線或曲線軌跡對應的線條函數，按照運動學算法程序由插補器先將線條進行數據點密化，即求出一系列中間點的空間坐標，再由運動學解耦進行分開控制，控制6軸機構各關節的運動順序、位置、姿態，速度和加速度等，以控制針尖按照預定軌跡平滑經過各中間“插補”點動作。

請參見圖6，圖6為本發明實施例提供的一種直線插補的原理示意圖。快速粗定位段、慢速準確定位段、穿刺段、平推段、退針段及快速退回段均可以采用直線插補方式進行運動。請參見圖7，圖7為本發明實施例提供的一種圓弧插補的原理示意圖。刺穿調整段可以采用該圓弧插補方式進行運動。即，各點空間坐標預定后，按照對應的直線或圓弧軌跡，由插補器進行數據點密化，由解耦器進行解耦，控制各關節運動分量。

請參見圖8，圖8為本發明實施例提供的一種穿刺調整段的進針路徑示意圖。在刺穿調整段(E段)，由進入點逼近平推點時，針尖按照圓弧軌跡運動，針頭的姿態變化如圖所示。在這個過程中，V軸旋轉α角，因為針頭穿刺血管時與血管豎直方向夾角較大，當針尖刺破血管一側進入血管時，防止針尖刺破劃傷另一側血管，應減小針頭與血管豎直方向夾角；α角是一個不斷變化調整的角度，臨床上手工采血角度一般選擇為下針15°～25°，推針基本在5°，角度不斷減小。而本發明的機械機構，由于精度高，可以在穿刺中設置更大范圍自動變化的角度，本發明優選從進針45°到推針5°任意可調，調整原則是人體體感疼痛最小，同時血管受力變形最小為原則。

另外，在加入力反饋和/或電阻抗反饋裝置后，例如，在由安全點逼近穿刺點時，加入力反饋，力傳感器有數值突變時，證明針尖已接觸皮膚，將針尖當前坐標調整為新的穿刺點，以進入點為目標點，按照預定軌跡進行逼近；當由穿刺點逼近進入點時，加入力或電阻抗反饋，當有數值突變時，證明針尖已進入血管內部，繼續沿當前軌跡走距離S，以此坐標點為新的進入點，繼續下一段的軌跡運動。

本實施例，通過采用6軸機械結構，并配合預設多段穿刺路線，精確快速地刺入血管，實現真正的全自動穿刺功能。另外，為了減輕患者的疼痛感，在針頭刺入皮膚組織時采用與血管成一定角度的方向刺入，并在推進過程中以步進微調、圓弧插補的方式調整進針路徑，保證血管受力變形最小，疼痛感最小。最后，為了防止血管被刺穿，在機械結構中增加力反饋和/或電阻抗反饋裝置，根據力反饋和/或電阻抗反饋的突變數據確定針頭是否插入血管或者插穿血管，保證自動穿刺的安全性。

綜上所述，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制，本發明的保護范圍應以所附的權利要求為準。