基于圖像處理技術(shù)的靜脈穿刺機(jī)器人技術(shù)研究

彭麗霞

摘? ?要：文章分析了靜脈穿刺機(jī)器人研究目的及現(xiàn)狀，明確了該系統(tǒng)需要解決的技術(shù)問題，著重論述了國外研究團(tuán)隊(duì)通過視覺系統(tǒng)，應(yīng)用圖像處理技術(shù)解決穿刺機(jī)器人自主靜脈穿刺的血管定位及軌跡引導(dǎo)問題，為今后深入研究該問題提供思路和借鑒。

關(guān)鍵詞：靜脈穿刺機(jī)器人;視覺系統(tǒng)：血管定位;軌跡引導(dǎo)

1? ? 靜脈穿刺機(jī)器人研究目的

1.1? 替代醫(yī)護(hù)人員自動(dòng)完成注射采血工作，減輕醫(yī)護(hù)人員日益增加的工作強(qiáng)度

靜脈穿刺注射和采血是臨床治療中最普遍的侵入治療，也是使用最為廣泛的醫(yī)學(xué)臨床手段。在我國，78%的護(hù)理工作與靜脈輸液治療有關(guān)，90%以上的住院病人接受靜脈輸液治療[1-2]。長期以來，該工作都靠醫(yī)護(hù)人員重復(fù)手動(dòng)進(jìn)行。隨著人們生活水平提高和健康意識(shí)的不斷增強(qiáng)，抽血檢查次數(shù)也會(huì)更多，醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度逐年增加。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：我國千人占有護(hù)士數(shù)量排名世界倒數(shù)第6，護(hù)士緊缺已經(jīng)成為各大醫(yī)院的常態(tài)，亟待開發(fā)能替代醫(yī)護(hù)人員自動(dòng)完成注射采血工作的裝置。

1.2? 提高注射采血成功率，減輕患者痛苦

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，盡管靜脈注射流程已經(jīng)十分清晰和規(guī)范，但依然存在操作過程復(fù)雜、醫(yī)護(hù)人員經(jīng)驗(yàn)影響注射準(zhǔn)確率等諸多問題。數(shù)據(jù)顯示，在美國，普通成年患者首次注射的失敗率高達(dá)28%，對(duì)于幼兒及特殊病癥患者而言，注射失敗率更高。引起穿刺失敗的原因由多方面組成，其中，由膚色、皮膚損傷、皮膚衰老、肥胖、血管過細(xì)等因素引起皮下靜脈定位不準(zhǔn)最為主要。反復(fù)的穿刺失敗不僅會(huì)給患者帶來創(chuàng)傷和痛苦，還會(huì)引起靜脈硬化[1]。

1.3? 提高工作效率，為患者節(jié)省時(shí)間，避免醫(yī)護(hù)人員暴露危險(xiǎn)

大量研究證明，在采血過程中，護(hù)士處于暴露危險(xiǎn)中，經(jīng)常發(fā)生針刺傷及感染經(jīng)血液傳播疾病等意外事件[3]。另外，隨著經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)護(hù)人員崗位調(diào)動(dòng)或退休等原因，其技能不能復(fù)制，機(jī)器人卻可以隨著樣本數(shù)據(jù)的不斷充實(shí)，科學(xué)技術(shù)及設(shè)備的不斷發(fā)展，而將專家經(jīng)驗(yàn)技能復(fù)制優(yōu)化、反復(fù)長久使用。

靜脈穿刺機(jī)器人系統(tǒng)擬采用視覺、力覺、位置檢測手段獲得穿刺注射采血工作臨床統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)性能要求，基于人體工程學(xué)和機(jī)器人構(gòu)型相關(guān)理論設(shè)計(jì)機(jī)器人構(gòu)型，建立其三維模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及求解。利用雙目紅外視覺系統(tǒng)進(jìn)行血管三維重構(gòu)，根據(jù)臨床專家系統(tǒng)判斷入針點(diǎn)。探索穿刺過程中力、位演化規(guī)律，進(jìn)行軌跡規(guī)劃及優(yōu)化。利用視覺引導(dǎo)，力/位置混合控制策略，提高穿刺成功率及效率，達(dá)到市場應(yīng)用要求。

2? ? 靜脈穿刺機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀

2009年，英國倫敦大學(xué)研究人員Alex Zivanovic等開發(fā)了一款采血機(jī)器人Bloodbot。根據(jù)不同的組織彈性，利用手臂靜脈探測器，將目標(biāo)靜脈和周圍組織區(qū)分開來，精確定位靜脈穿刺點(diǎn)，但它需要醫(yī)護(hù)人員調(diào)整扎針機(jī)構(gòu)傾斜角度。Richard Harris在2010年開發(fā)了一種采血機(jī)器人VEEBOT， 采血準(zhǔn)確率可達(dá)到83%;2013年，Xiaobin Dai等提出了一種快速提取血管的相機(jī)投影系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將血管區(qū)域投影在皮膚表面上。2014年，山東科技大學(xué)田和強(qiáng)等設(shè)計(jì)了一種三自由度前臂采血機(jī)器人，但完全沒有實(shí)時(shí)檢測反饋、控制功能。2015年，成都新澳冠醫(yī)療器械有限公司曾義成設(shè)計(jì)了一種采血輔助機(jī)器人，利用壓脈裝置和靜脈顯影儀設(shè)計(jì)，使醫(yī)護(hù)人員尋找血管方便、穿刺成功率提高，但它只是輔助系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)自主穿刺。2017年，霍亮生等基于經(jīng)外周靜脈置入中心靜脈導(dǎo)管（Peripherally Inserted Central Catheters，PICC）置管術(shù)提出了自動(dòng)靜脈穿刺裝置，通過采集血管B超圖像，計(jì)算出血管深度和半徑。同時(shí)，基于STM32設(shè)計(jì)了速度控制方案，在體模上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2018年，Zhuoqi Cheng等針對(duì)小孩因人為慣性力易導(dǎo)致穿刺失敗的問題，提出了一種改進(jìn)的手持式設(shè)備，通過傳感器檢測血液激活脫離機(jī)構(gòu)以停止穿刺[2]。

3? ? 靜脈穿刺機(jī)器人系統(tǒng)解決的技術(shù)問題

3.1? 機(jī)器人構(gòu)型研究與運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

對(duì)扎針機(jī)器人應(yīng)用環(huán)境和性能要求分析，確定機(jī)器人構(gòu)型、連桿參數(shù)及關(guān)節(jié)角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，建立其三維模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及求解算法研究，分析工作空間、運(yùn)動(dòng)特性，仿真驗(yàn)證。

3.2? 機(jī)器人軌跡規(guī)劃

根據(jù)扎針機(jī)器人臨床統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析扎針過程中力/位演化規(guī)律，確定扎針各階段力/位的不同要求，進(jìn)行軌跡規(guī)劃;對(duì)扎針目標(biāo)進(jìn)行三維與數(shù)學(xué)建模，建立機(jī)器人與目標(biāo)物的空間約束關(guān)系，確定運(yùn)動(dòng)空間，對(duì)軌跡進(jìn)行優(yōu)化。

3.3? 力/位混合控制研究

考慮進(jìn)針系統(tǒng)穩(wěn)定性、平順性、安全性及扎針目標(biāo)物復(fù)雜結(jié)構(gòu)，入針前采用位置控制，入針后采用力/位混合控制，各階段控制策略研究。

3.4? 視覺圖像處理技術(shù)研究

將視覺系統(tǒng)貫穿整個(gè)工作過程，扎針前利用雙目紅外視覺建立反映血管輪廓、分布的三維環(huán)境模型，根據(jù)臨床專家系統(tǒng)判斷目標(biāo)靜脈及入針點(diǎn)。針扎入后，利用視覺檢測判斷針尖與血管相對(duì)位置，實(shí)時(shí)引導(dǎo)調(diào)整末端操作器位姿，實(shí)現(xiàn)軌跡實(shí)時(shí)跟蹤和調(diào)整。

4? ? 國外靜脈穿刺機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

4.1? 第一代三維近紅外圖像引導(dǎo)自主靜脈穿刺便攜式機(jī)器人

2013年Alvin Chen，Kevin Nikitczuk等組成的團(tuán)隊(duì)研制除了第一代5自由度的三維近紅外圖像引導(dǎo)的用于自主靜脈穿刺的便攜式機(jī)器人。利用增加的穿透度來改善皮下靜脈相對(duì)于背景組織的對(duì)比度。12個(gè)發(fā)光二極管LED陣列提供反射率照明，2個(gè)具有更高近紅外靈敏度的互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）相機(jī)可以實(shí)時(shí)檢測反射光并捕捉圖像。采用了一些標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)技術(shù)：首先，在每個(gè)相機(jī)前放置一個(gè)940 nm的帶通濾波器，消除環(huán)境光;其次，全息擴(kuò)散過濾器被放置在LED上，以增加光學(xué)各向同性;再次，近紅外偏振器垂直放置在相機(jī)和LED上，以減少皮膚表層的鏡面反射。先根據(jù)立體成像進(jìn)行靜脈圖像分割，采取局部歸一化和閾值化處理，然后提取中軸骨架，再通過投影校正、立體匹配、三維點(diǎn)云模型的建立實(shí)現(xiàn)血管圖像的三位重建。最后，根據(jù)各種圖像特征的綜合評(píng)分來選擇靜脈目標(biāo)血管，實(shí)施靜脈和針的跟蹤[3]。

4.2? 第二代影像導(dǎo)航7自由度靜脈穿刺機(jī)器人

2015年Max L Balter，Alvin Chen等組成的團(tuán)隊(duì)在第一代便攜式機(jī)器人基礎(chǔ)上開發(fā)了第二代機(jī)，即影像導(dǎo)航7自由度靜脈穿刺機(jī)器人系統(tǒng)。

第一代機(jī)存在一些局限性，首先，該裝置缺乏3個(gè)關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)程度，以適應(yīng)人體生理變化的插管程序。即能夠：（1）將針沿所選靜脈的縱軸對(duì)齊。（2）在插入過程中逐步調(diào)整針的角度。（3）調(diào)整針式機(jī)械手的垂直高度。其次，該設(shè)備的限制是，沒有納入閉環(huán)針轉(zhuǎn)向考慮微妙的手臂和組織運(yùn)動(dòng)。再次，該裝置在操作前需要手動(dòng)標(biāo)定攝像機(jī)器人。從次，該設(shè)備依賴于醫(yī)生對(duì)針的手動(dòng)操作，因此，無法解決意外針刺傷的風(fēng)險(xiǎn)。最后，由于光技術(shù)的分辨率有限，該設(shè)備的成像能力在兒童和高身體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index，BMI）患者中被發(fā)現(xiàn)降低。為了解決第一代原型的局限性，開發(fā)了第二代設(shè)備—7自由度，包括原來的第一代設(shè)備的4自由度和增加了3自由度，極大地?cái)U(kuò)展了針插入任務(wù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和操作工作區(qū)。第二代設(shè)備的主要機(jī)械改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了小型化在閉環(huán)運(yùn)動(dòng)和圖像制導(dǎo)控制下操縱針的4自由度系列機(jī)械手。

4.3? 第三代基于立體視覺、超聲波和力引導(dǎo)的9自由度靜脈穿刺機(jī)器人

2017年Max L.Balter，Alvin Chen等組成的團(tuán)隊(duì)在第二代影像導(dǎo)航7自由度靜脈穿刺機(jī)器人基礎(chǔ)上開發(fā)了第三代機(jī)，基于立體視覺、超聲波和力引導(dǎo)的靜脈穿刺機(jī)器人。

首先，以前的系統(tǒng)缺乏將針插入和成像子系統(tǒng)與血管對(duì)齊的能力，因?yàn)槌上窠M件是由龍門定位的。因此，盡管該設(shè)備可以在帶有單向血管的影像模型上進(jìn)行測試，但由于人體血管的方位范圍很廣，所以對(duì)人體進(jìn)行插管將會(huì)很困難。其次，之前的設(shè)備缺乏徑向旋轉(zhuǎn)度，使得機(jī)器人無法到達(dá)前臂兩側(cè)的側(cè)血管。由于缺少運(yùn)動(dòng)度，之前的原型無法充分利用近紅外和超聲波圖像信息的結(jié)合來調(diào)整針尖的位置和方向。這種運(yùn)動(dòng)控制是至關(guān)重要的，使系統(tǒng)適應(yīng)大臂運(yùn)動(dòng)和微妙的血管運(yùn)動(dòng)期間插入。第三代結(jié)合了三維近紅外成像和超聲波成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺和圖像分析軟件，9自由度針機(jī)械手內(nèi)的便攜式外殼。該裝置通過繪制所選血管的三維位置，并根據(jù)實(shí)時(shí)圖像和力的引導(dǎo)將針頭插入靜脈中心，所做的改進(jìn)包括以下方面：首先，第三代系統(tǒng)的機(jī)械配置被完全重新設(shè)計(jì)，在不損害可移植性的前提下加入了額外的自由度。其次，近紅外、美國和針插入子系統(tǒng)集成到一個(gè)緊湊的終端執(zhí)行器單元，允許每個(gè)子系統(tǒng)保持對(duì)齊，而不管終端執(zhí)行器的方向。再次，一個(gè)力傳感器耦合到電動(dòng)針插入作為一個(gè)額外的反饋方法靜脈穿刺期間。最后，引入一種新的運(yùn)動(dòng)模型來反映攝像機(jī)的手眼構(gòu)型，并利用立體視覺、超聲波和力的測量來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制方案，實(shí)時(shí)調(diào)整針的位置。

5? ? 結(jié)語

靜脈穿刺機(jī)器人配置視覺系統(tǒng)，通過圖像處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自主目標(biāo)血管的定位以及穿刺過程中的實(shí)時(shí)導(dǎo)航，但從研究走向來說，臨床應(yīng)用還需解決系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、穿刺成功率、工作效率、患者心理接受程度等一系列問題。

[參考文獻(xiàn)]

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Research on venous puncture robot technology based on image processing technology

Peng Lixia

（Xian International University， Xian 710077， China）

Abstract：This paper analyzes the venipuncture robot research purpose and the present situation， made clear the system needs to solve technical problems， emphatically discusses the foreign team through the visual system， the application of image processing technology to solve the puncture robot autonomous venipuncture blood vessels and track lead question， for future ideas and references for further study of the problem.

Key words：venipuncture robot;visual system; vascular localization;trajectory guide