自動靜脈穿刺裝置及控制系統(tǒng)研究

霍亮生，黎進(jìn)遠(yuǎn)，王燕青，李岳峰

1 北京工商大學(xué)，材料與機械工程學(xué)院，北京市，100048

2 中國人民解放軍第三〇七醫(yī)院，北京市，100071

自動靜脈穿刺裝置及控制系統(tǒng)研究

【作 者】霍亮生1，黎進(jìn)遠(yuǎn)1，王燕青2，李岳峰1

1 北京工商大學(xué)，材料與機械工程學(xué)院，北京市，100048

2 中國人民解放軍第三〇七醫(yī)院，北京市，100071

基于臨床PICC（Peripherally Inserted Central Catheter）置管手術(shù)過程，提出了一套靜脈穿刺裝置及控制系統(tǒng)設(shè)計方案，該裝置采用B超圖像引導(dǎo)，通過微控制器，達(dá)到自動靜脈穿刺置管目的。自動靜脈穿刺裝置采用雙步進(jìn)電機絲杠螺母傳動裝置，控針電機推動穿刺針和軟管穿刺皮膚進(jìn)入血管，置管電機推動軟管到位并觸發(fā)退針按鈕，使針體退回針筒內(nèi)。采用速度和加速度分段控制策略，在整個穿刺過程中設(shè)置多個關(guān)鍵控制點，再分別對各行程段進(jìn)行控制，各段行程和速度根據(jù)不同靜脈血管的深度和內(nèi)徑情況進(jìn)行自動預(yù)選，從而達(dá)到快速精確控制進(jìn)針和置管的目的。

靜脈穿刺；PICC；B超引導(dǎo)；微型步進(jìn)電機

0 引言

靜脈穿刺是為了減輕病人反復(fù)穿刺的痛苦，便于長期輸液的一種醫(yī)學(xué)護(hù)理手段。靜脈穿刺能有效避免淺靜脈反復(fù)穿刺造成的痛苦，也能有效避免抗腫瘤藥物對血管的破壞及藥物外滲引起的局部組織壞死[1]。B超引導(dǎo)下的PICC技術(shù)，是近年來興起的新型靜脈穿刺置管術(shù)，它采用超聲無創(chuàng)定位技術(shù)，對血管進(jìn)行準(zhǔn)確定位，在直視下進(jìn)行靜脈穿刺插管的方法。超聲下穿刺部位的動脈、靜脈、神經(jīng)及周圍組織顯示清晰，穿刺時在 B 超下可以制定穿刺針的方向、角度和進(jìn)針深度，讓穿刺變得直觀、準(zhǔn)確、針對性強，既可避免穿剌時誤入動脈、刺穿血管或誤傷周圍組織等弊端，又可提高一次穿刺的成功率，防止血腫、氣胸等不良癥狀的發(fā)生，減少穿刺次數(shù)及置管并發(fā)癥的發(fā)生。

然而，要成為一名成功的PICC置管者，不僅需要掌握學(xué)習(xí)血管超聲成像原理、了解超聲下動靜脈的特征及條件評估、如何測量血管內(nèi)徑、評估進(jìn)針方式等專業(yè)知識，還需要進(jìn)行針對性訓(xùn)練，掌握手眼協(xié)調(diào)的方法，特別是掌握超聲下進(jìn)針過程的判斷，才能保證操作成功。由于培養(yǎng)周期長，條件嚴(yán)格，導(dǎo)致國內(nèi)優(yōu)秀的PICC置管者并不多，供不應(yīng)求。同時在重大災(zāi)害或軍事救援中，人在動態(tài)環(huán)境下完全依靠手動很難完成穿刺，在這種緊急狀態(tài)中一次穿刺成功率很低，因此對該技術(shù)也提出了更高的要求。針對這些情況，本文設(shè)計了一種輕便簡易的穿刺引導(dǎo)裝置，采用B超圖像引導(dǎo)，通過微型系統(tǒng)控制，達(dá)到自動靜脈穿刺置管的效果[3]。

該裝置的特點如下：①根據(jù)靜脈血管B超圖像自動完成進(jìn)針、置管和退針動作；②刺穿引導(dǎo)架與B超探頭靈活結(jié)合，方便拆卸與安裝；③該裝置除電機外，絕大部分構(gòu)件是采用聚乙烯材料加工而成，不僅強度高，而且體積小（240 mm×80 mm×60 mm），質(zhì)量輕，手持舒適度好；④系統(tǒng)通過B超圖像引導(dǎo)，定位精度高；⑤由原來的雙手操作改為可單手操作，對操作者的經(jīng)驗要求降低，而且能適應(yīng)一定的動態(tài)環(huán)境；⑥造價相對機器人醫(yī)療系統(tǒng)便宜得多。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體方案

本文基于模塊化設(shè)計方法和系統(tǒng)使用的功能性要求設(shè)計了自動靜脈穿刺裝置的總體方案，如圖 1 所示。該系統(tǒng)由穿刺機械本體和控制系統(tǒng)兩大部分組成。機械本體主要包括自動穿刺裝置、定位支撐架和B超探頭。自動穿刺裝置包括控針電機、置管電機、穿刺引導(dǎo)架等其他連接零部件。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 The block diagram of the system

自動靜脈穿刺裝置采用雙電機絲杠螺母傳動方式，控針電機推動穿刺針和軟管穿刺皮膚進(jìn)入血管，置管電機推動軟管到位并觸發(fā)退針按鈕，使針體退回針筒內(nèi)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

操作者手持自動穿刺裝置，移動B超探頭找準(zhǔn)靶血管位置，定位好裝置姿勢。圖像處理器根據(jù)B超主機傳回的圖像數(shù)據(jù)，計算靶血管的深度和內(nèi)徑，控制器STM32F411根據(jù)該位置信號自動計算PWM脈沖數(shù)，并選定速度與加速度，經(jīng)過智能步進(jìn)電機驅(qū)動芯片L6470 分別控制控針電機和置管電機有序運動?？蒯橂姍C驅(qū)動針體，使鋼針和PICC導(dǎo)管均穿刺皮膚，在準(zhǔn)確到達(dá)靶血管中心位置后，控針電機停止運動，然后置管電機推進(jìn)導(dǎo)管繼續(xù)深入血管一段距離；在導(dǎo)管進(jìn)入血管設(shè)定長度后，置管電機停止運動，同時觸發(fā)退針按鈕，導(dǎo)管與針體自動分離，鋼針安全退回針筒內(nèi)，導(dǎo)管留置血管內(nèi)；最后控針電機驅(qū)動針體后退，回到原點停止。

2 穿刺裝置

2.1 電機的選型

在裝置的設(shè)計中，進(jìn)針電機的負(fù)載主要來源于穿刺皮膚的阻力、針體與其導(dǎo)向內(nèi)筒的摩擦力以及絲杠螺母副傳動摩擦阻力等。針體的質(zhì)量約為20 g，針體與導(dǎo)向內(nèi)筒的阻尼系數(shù)為0.3，故摩擦阻力為0.006 N。穿刺針在穿刺皮膚的過程中所受的阻力比較復(fù)雜，整個穿刺過程可以分為以下三個階段：刺破皮膚前、刺破皮膚后、進(jìn)入血管后。在整個過程中受到的阻力主要是剛性力、摩擦力和切割力，針體在皮膚和血管等不同的組織及不同的階段受到的力也不相同，這三個力屬于非線性力；同時，穿刺阻力還與針的穿刺速度有關(guān)，由于穿刺速度不同，步進(jìn)電機輸出轉(zhuǎn)矩不同，所受到的阻力也不相同[4]。

在保證控制精度的前提下，為了硬件系統(tǒng)盡可能輕便簡單，系統(tǒng)采用直線運動實現(xiàn)自動穿刺，要實現(xiàn)傳動平穩(wěn)，定位精度高，便于控制，最終選定自帶絲杠滑臺的微型電機作為控針電機。該步進(jìn)電機基本參數(shù)為：2相4線制，驅(qū)動參數(shù)為（4～9 ）V/（100～500） mA， 絲桿長度為90 mm，滑塊行程為80 mm，電機直徑為15 mm，絲桿直徑為3 mm，絲桿螺距為0.5 mm，步距角為18o。同樣，通過查詢資料和計算，最終選擇單頭微型螺桿步進(jìn)電機作為置管電機。其參數(shù)如下：2相4線制，驅(qū)動參數(shù)為5 V/100～500 mA ，絲桿長度為55 mm ，電機直徑為10 mm，絲桿螺距為1.2 mm，步距角為18o。

2.2 穿刺裝置的結(jié)構(gòu)

根據(jù)選定的驅(qū)動電機型號和尺寸，結(jié)合裝置需要實現(xiàn)的動作流程，設(shè)計如圖2所示的穿刺裝置裝配示意圖。

圖2 穿刺裝置裝配示意圖Fig.2 The assembly diagram of puncture device

2.3 探頭與穿刺裝置的安裝方式

根據(jù)超聲平面與穿刺針的位置關(guān)系，可分為平面內(nèi)技術(shù)和平面外技術(shù)。所謂平面內(nèi)技術(shù)，是指針與探頭在同一平面內(nèi)，穿刺過程中可全程觀察到針的穿刺路徑，也就是我們通常所說的縱切面，如圖3所示。平面外技術(shù)，是指針的方向與探頭垂直，看到的圖像是我們通常所說的橫斷面，如圖4所示。圖3和圖4中，上圖表示調(diào)整探頭，下圖表示超聲屏幕圖像，Art表示動脈，Vn表示靜脈，P表示探頭，US表示超聲波束平面，a表示穿刺針進(jìn)入靜脈，b為穿刺針與超聲平面交叉，c為穿刺針穿過靜脈[5]。

圖3 平面內(nèi)Fig.3 In-plane

圖4 平面外Fig.4 Out-of-plane

圖5 定位支撐架示意圖Fig.5 The sketch of positioning support frame

2.4 定位支撐架

由于縱軸位置時，探頭與針體相對的正面面積小，而且曲面曲率變化大、不規(guī)則，穿刺裝置的安裝難度大；同時縱軸位置時需要針體與超聲波束在同一平面內(nèi)，而在穿刺過程中針和血管都會產(chǎn)生擠壓變形，這一點很難得到保證。綜合考慮，采取有大平面的平面外技術(shù)，也就是采用橫軸安裝方式。根據(jù)探頭的特點和操作者的手持習(xí)慣，設(shè)計一種有空心三角結(jié)構(gòu)的定位支撐架用于穿刺裝置與探頭的固定安裝。圖5為定位支撐架示意圖。

以B超探頭模型作為模具，運用聚乙烯熱成型技術(shù)做成的底面套模，不僅質(zhì)量輕、強度高，而且與探頭結(jié)合穩(wěn)固，操作者手持的舒適度也大大提高。同時在底面套模上加工基準(zhǔn)平面，通過墊塊的調(diào)節(jié)作用，這樣可保證探頭與針體的定位精度。

3 運動控制方案

3.1 速度控制策略

圖6為靜脈血管在B超中的顯示圖像，通過對圖像的灰度值進(jìn)行處理，可以計算出血管的半徑r、血管中心距離皮膚的深度h等重要位置信息。圖中圓圈為經(jīng)過圖像處理標(biāo)示出的血管范圍，中心亮點即為穿刺針尖在血管中的顯影。大量采集靜脈血管B超圖像，計算相應(yīng)的r和h值，形成血管圖像數(shù)據(jù)庫。通過采集中國人民解放軍第307醫(yī)院73例靜脈穿刺成功的血管B超圖像，計算出73組數(shù)據(jù)中，靜脈血管半徑的最小值為1.23 mm，最大值為3.22 mm，平均值為2.06 mm；靜脈血管中心距離皮膚的深度最小值為3.06 mm，最大值為14.21 mm，平均值為8.51 mm。為了安全考慮，根據(jù)數(shù)據(jù)將進(jìn)針的深度許可范圍設(shè)為（5.95～10.91） mm，將進(jìn)針的血管半徑許可范圍設(shè)為（1.57～2.65） mm。

圖6 靜脈血管B超中的顯示圖像Fig.6 The display image of venous ultrasound

圖7 進(jìn)針過程與速度控制對比圖Fig.7 The block diagram of the system

在安全進(jìn)針的前提下，為了保證能夠精確控制進(jìn)針的距離和為了減輕患者痛苦而減少針刺破皮膚的時間，根據(jù)穿刺針的整個進(jìn)針情況設(shè)置6個關(guān)鍵控制點，如圖7進(jìn)針過程與速度控制對比圖中的O、E、B、F、C和D點表示的是控制進(jìn)針?biāo)俣鹊年P(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。通過這6個控制點將整個進(jìn)針過程分為5個控制段，每一個控制段（圖7中的1、2、3、4、5段）都是針尖原點距離皮膚高度h、血管中心深度d、血管半徑r三個變量的函數(shù)。給定一組數(shù)值，就可以確定每段的進(jìn)針距離，再根據(jù)步進(jìn)電機的脈沖當(dāng)量，就可以計算出每段需要的脈沖數(shù)。對所選的步進(jìn)電機，為了提高控制精度，采取細(xì)分驅(qū)動的方法細(xì)分步距角，通過PWM脈寬調(diào)制，改變PWM周期來調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。

3.2 速度控制程序設(shè)計

控制系統(tǒng)采用ST公司STM32F411 MCU，是64腳封裝。該單片機擁有100 MHz CPU頻率，工作電壓為（1.7～3.6）V，低功耗、低價格、高性能[6]。

由于控制對象只有步進(jìn)電機，為簡化程序開發(fā)難度，故采用PWM調(diào)頻調(diào)寬法控制電機轉(zhuǎn)速，在給定PWM占空比的情況下，只改變PWM脈沖周期進(jìn)行調(diào)速，STM32F411通過SPI接口訪問或改寫L6470內(nèi)部寄存器對步進(jìn)電機加速、減速和停止進(jìn)行控制。

4 實驗驗證

為了程序的調(diào)試方便，編寫了上位機程序調(diào)試界面，每給定一組d、h、r數(shù)值就可以計算出各控制段所需要的脈沖數(shù)和總行程脈沖數(shù)，從而精確控制進(jìn)針距離。在調(diào)試界面只需要給出總行程所需的脈沖數(shù)，程序會自動分配各控制段所需的脈沖數(shù)，通過“進(jìn)針”、“退針”及“進(jìn)針測速”等按鈕進(jìn)行對裝置進(jìn)行調(diào)試和檢測。圖8為上位機程序調(diào)試界面，圖9為調(diào)試平臺實物圖。

圖8 上位機程序調(diào)試界面Fig.8 The PC debugging interface

本實驗測試中，B超探頭模型以及導(dǎo)針卡槽是唯一的，所以d值也是恒定的。通過采集不同的靜脈血管B超圖像，計算出每張圖像中血管的深度h和半徑r，上位機根據(jù)由這兩個參數(shù)所給定的進(jìn)針路程（脈沖數(shù)）和置管路程（脈沖數(shù)），應(yīng)用上述速度分段控制策略，自動進(jìn)行進(jìn)針和退針的速度控制。為了安全考慮，衡量該裝置系統(tǒng)可行性的一個標(biāo)準(zhǔn)是：控針電機的理論行程和實際行程誤差范圍是-r/3～+r/3，置管電機的理論行程與實際行程誤差范圍是-r/2～+r/2。在可適用范圍內(nèi)，給定30組不同的血管半徑和血管深度值，應(yīng)用上位機程序進(jìn)行調(diào)試，分別計算和測試控針電機和置管電機的理論行程和實際行程，實驗測試結(jié)果為：控針電機誤差最小值為-r/4，最大值為r/6；置管電機誤差最小值為-r/3，最大值為r/5。實驗結(jié)果都滿足要求，均在誤差允許范圍內(nèi)。

圖9 調(diào)試平臺實物圖Fig.9 The practicality picture of debugging platform

5 結(jié)論

本文所述自動穿刺裝置以STM32F411為核心，通過模塊化設(shè)計方法，實現(xiàn)了進(jìn)針和退針動作的自動控制，完成了整個預(yù)期的動作流程；能夠通過B超圖像引導(dǎo)，實現(xiàn)對靶血管的準(zhǔn)確定位；在進(jìn)針和置管測試實驗中，兩個電機的實際行程均比理論值偏小，說明針體在血管模型行進(jìn)的摩擦阻力比理論預(yù)設(shè)值要大，可能導(dǎo)致電機減速過程中丟步，但均在誤差安全允許范圍內(nèi)，證明本文設(shè)計的自動穿刺裝置能夠準(zhǔn)確地實現(xiàn)自動進(jìn)針功能，穩(wěn)定性良好。

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Study on Automatic Venipuncture Device and Control system

【Key words 】HUO Liangsheng1, LI Jinyuan1, WANG Yanqing2, LI Yuefeng1
1 Beijing Technology and Business University, School of Materials and Mechanical Engineering, Beijing, 100048
2 The 307th Hospital of Chinese People’s Liberation Army, Beijing, 100071

venipuncture, PICC, Ultrasound guided, micro-step motor

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.012

1671-7104(2017)03-0200-04

2017-02-22

中國人民解放軍第三〇七醫(yī)院（橫向課題）

霍亮生，E-mail：huols@th.btbu.edu.cn

【 Abstract 】According to clinical PICC（Peripherally Inserted Central Catheter）catheter surgery, this project introduces a new scheme for vein puncturing device and its controlling system. This device adopts ultrasonic image guided by the microcontroller, to achieve automatic venous catheterization. This kind of automatic vein puncture device adopts double stepping motors and screws as its transmission. One motor drives the needle and the hose to puncture into vein through skin. The other one drives the hose to speci fi ed location, then triggers withdrawal button and then the needle withdraws back into its cylinder. Several key points were set in the process of puncturing, the velocity period and the acceleration period can be preselected respectively. Moving distance and velocity of the needle in vein puncturing were setup automatically according to diameter and depth of the vein, achieving controlling puncturing and placing hose accurately.