基于超聲圖像的PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

薛 明

(1.常州市第二人民醫(yī)院，江蘇 常州 213000； 2.常州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213000)

0 引言

機器人控制技術(shù)是為使機器人完成各種執(zhí)行動作，而制定出的多項精準(zhǔn)控制手段，作為計算機系統(tǒng)中的重點實施技術(shù)，包含人工智能、伺服控制、運動控制等多類進程性任務(wù)，既包括基礎(chǔ)的硬件執(zhí)行環(huán)境，也包括多種行為化應(yīng)用軟件[1-2]。早期的程式化機器人采用順序控制方式，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，整個硬件設(shè)備環(huán)境可完全實現(xiàn)對機電裝置的精準(zhǔn)配合，且能夠在原有控制程序的基礎(chǔ)上，插入適量的一體化控制節(jié)點，一方面實現(xiàn)了機器人控制技術(shù)的多元化應(yīng)用，另一方面也從根本上解決了多傳感器環(huán)境下信息融合穩(wěn)定性相對較差的問題。在C++、Java、VB等多項匯編語言的支持下，機器人的實際應(yīng)用范圍也正在不斷擴大，如近年來發(fā)展極為迅速的醫(yī)療機器人操作控制系統(tǒng)[3]。

靜脈穿刺置管是現(xiàn)階段PICC(peripheraly inserted central cathcte，外周靜脈置入的中心靜脈導(dǎo)管)智能醫(yī)療機器人所能執(zhí)行的最高等級穿刺手術(shù)，在實施穿刺處理的過程中，需要多個電機及傳感設(shè)備的共同配合，才能實現(xiàn)對底端操作手的精準(zhǔn)化定位與控制。常規(guī)靜脈穿刺手段需對患者進行局部麻醉，將管體置于指定位置后，可通過觀測既定體表標(biāo)志，來判斷本次操作是否能夠達到理想處置需求。但此方法的進針深度必須超過整個針頭3/4，易加劇患者所承擔(dān)的生理性傷痛，降低穿刺置管手術(shù)的實際成功率。為解決此問題，在超聲圖像的支持下，設(shè)計一種新型的PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制系統(tǒng)，聯(lián)合晶振復(fù)位電路與驅(qū)動控制電機，完成操作手與控制主機間穿刺數(shù)據(jù)的無損傳輸，根據(jù)穿刺后圖像的邊緣檢測結(jié)果，判斷本次置管手術(shù)是否成功。

1 PICC智能穿刺醫(yī)療機器人及其控制應(yīng)用結(jié)構(gòu)

PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境由晶振復(fù)位電路、驅(qū)動控制電機、智能傳感器三部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 晶振復(fù)位電路

晶振復(fù)位電路如圖1所示。晶振復(fù)位電路可為PICC智能穿刺醫(yī)療機器人提供操作手控制所需的應(yīng)用電子，在VCC輸入終端的作用下，經(jīng)過INT、RXD等多個電子接口的聚合作用，實現(xiàn)與GND輸出終端間的對應(yīng)連接。在此過程中，為保證靜脈穿刺置管手術(shù)超聲圖像的順利傳輸，R0電阻始終保持相對穩(wěn)定的連接阻值，一方面收集處于分散狀態(tài)的傳輸電子，另一方面可在未知電流傳輸量數(shù)值的情況下，更改輸入端、輸出端間的電子傳輸均值水平[4]。C1、C2作為兩個負(fù)載能力相同的電感元件，可借助滑動調(diào)阻器R與復(fù)位輸出端GND相連，當(dāng)AT89C51晶振控制主機接收到來自機器人操作手終端的電子應(yīng)用需求后，XTAL1、XTAL2接口開啟順序連接狀態(tài)，1-4號VPP接口自發(fā)建立與0號RXD接口的共聯(lián)關(guān)系，此時PICC智能醫(yī)療機器人執(zhí)行穿刺進針指令[5]。隨著EA接口中電子傳輸總量的增加，PROG接口與電阻R0間的傳輸關(guān)系也變得更加緊密，在確保穿刺針已進入患者靜脈環(huán)境中后，ALE1、ALE2接口自行屏蔽初始連接狀態(tài)，以此達到控制機器人穿刺進針深度的目的，此情況下的真實進針深度基本能夠保持在整個針頭長度的2/3之內(nèi)。

圖1 晶振復(fù)位電路圖

1.2 驅(qū)動控制電機

驅(qū)動控制電機結(jié)構(gòu)如圖2所示。驅(qū)動控制電機與系統(tǒng)晶振復(fù)位電路直接相連，可調(diào)節(jié)機器人操作手的實際穿刺處置行為，通常情況下，主電路輸出的傳輸電子量越多，醫(yī)療機器人的穿刺進針越深；主電路輸出的傳輸電子量越少，醫(yī)療機器人的穿刺進針越淺。主電機直立于控制底座上部，借助兩端的旋調(diào)接觸板與座體相連，為實現(xiàn)對PICC智能穿刺醫(yī)療機器人的精準(zhǔn)控制，可旋動接觸板螺絲的實際松緊程度，螺絲接觸得越緊，驅(qū)動電機對于機器人的控制效果越嚴(yán)格，反之則越松弛[6-7]。穿刺控制旋鈕主管機器人操作手在實際穿刺過程中的進針角度，規(guī)定鈕結(jié)構(gòu)順時針旋動為控制正方向，代表穿刺進針角度的逐漸增大；鈕結(jié)構(gòu)逆時針旋動為控制反方向，代表穿刺進針角度的逐漸縮小。新型控制系統(tǒng)的旋調(diào)范圍相對受限，實際穿刺操作的進針角度也始終處于30～40°之間，故鈕結(jié)構(gòu)向兩端旋調(diào)的最大幅度也必須保持在2～3圈之內(nèi)。連接臂包裹于主控制軸外部，可隨機器人操作手運動行為的改變，變動兩端軸體與臂體之間的實際距離。在操作轉(zhuǎn)軸的作用下，下部主控制軸與連接臂時刻處于不定性運動狀態(tài)，這也是機器人操作手具備較強穿刺靈活性的主要原因。

圖2 驅(qū)動控制電機結(jié)構(gòu)圖

1.3 智能傳感器

智能傳感器實現(xiàn)了PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制信號到實用信號的轉(zhuǎn)換，與晶振復(fù)位電路、驅(qū)動控制電機均保持緊密的電子傳輸連接關(guān)系。整個傳感結(jié)構(gòu)體由行進電機、圖像存儲器、萬向輪等多個應(yīng)用元件共同組成，在整個穿刺進針控制過程中，所有元件體之間互相協(xié)調(diào)配合，可為機器人操作手提供相對穩(wěn)定的執(zhí)行處置環(huán)境[8]。由前視圖來看，萬向輪位于智能傳感元件前端，與輔助行進輪同屬于機器人運動控制裝置，當(dāng)驅(qū)動控制電機開啟快速輸出模式后，圖像存儲器內(nèi)與靜脈穿刺置管手術(shù)相關(guān)的畫面信息大量累計，行進電機驅(qū)動遮擋板持續(xù)向下運動，直至板件能夠彎曲遮擋原始存儲器結(jié)構(gòu)，在此過程中，與靜脈穿刺置管手術(shù)相關(guān)的畫面信息始終保持相對穩(wěn)定的存儲狀態(tài)。智能傳感器前視圖如圖3所示。

圖3 智能傳感器前視圖

由圖3來看，智能傳感元件平均分布于底盤邊緣地帶，在驅(qū)動輪的作用下，PICC智能穿刺醫(yī)療機器人可實現(xiàn)自主行進運動。晶振復(fù)位電路作為可驅(qū)動智能傳感元件的應(yīng)用設(shè)備，與系統(tǒng)主電機始終保持連接互通關(guān)系。輔助行進輪可在穿刺手術(shù)實施的過程中，保持小幅轉(zhuǎn)向運動，一方面可促進機器人操作手的持續(xù)性穩(wěn)定，另一方面可避免進針角及進針深度的無故增大。

2 超聲圖像預(yù)處理

在相關(guān)機器人控制應(yīng)用結(jié)構(gòu)的支持下，按照圖像格式轉(zhuǎn)換、圖像特征分析、畫面邊緣檢測的操作流程，完成基于PICC智能穿刺醫(yī)療服務(wù)的超聲圖像預(yù)處理。

2.1 圖像格式轉(zhuǎn)換

符合PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制需求的靜脈穿刺置管手術(shù)圖像格式包含BMP、AVI、RAW三種類型。其中，BMP圖像是一類與存儲格式無關(guān)的待識別位圖信息，以BITMAPFILEHEADER節(jié)點作為控制文件的頭插入位置，在實施穿刺行為控制的過程中，系統(tǒng)調(diào)色板始終保持24位真彩色格式，轉(zhuǎn)換后圖像的陣列信息也均由圖像本身的色差數(shù)據(jù)構(gòu)成[9]。AVI圖像的生成類似于一種以輔助軟件為支持的數(shù)字化視頻壓縮技術(shù)，結(jié)合靜脈穿刺置管手術(shù)來看，PICC智能穿刺醫(yī)療機器人只負(fù)責(zé)承載與最終控制指令相關(guān)的數(shù)據(jù)流信息，主要以圖像數(shù)據(jù)為主。轉(zhuǎn)換前圖像基本保持隨機分布的排列方式，而轉(zhuǎn)換后圖像則可按照機器人操作手所處的實時位置進行排列，從而增強圖像與圖像之間的連貫性，最終生成完整的穿刺手術(shù)超聲圖像畫面[10]。RAW圖像指的是與節(jié)點控制程序完全匹配的數(shù)據(jù)文件，灰度化水平相對較高，每一個像素節(jié)點只能表示一個與之對應(yīng)的控制指令，隨機器人所執(zhí)行穿刺手術(shù)時間的延長，轉(zhuǎn)換后RAW圖像的灰度水平快速下降，能夠基本滿足超聲圖像的實際處理需求。

2.2 圖像特征分析

超聲圖像特征可分為灰度特征、紋理特征兩類。其中，灰度圖像特征主要用來描述超聲圖像中的節(jié)點信息，灰階級數(shù)越高，所顯示出靜脈穿刺置管手術(shù)畫面的聲像層次感也就越強，與影像相關(guān)的信息總量數(shù)值也就越大。在PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制系統(tǒng)中，圖像信號的傳遞或轉(zhuǎn)換會造成圖像質(zhì)量出現(xiàn)不可逆的下降基本表現(xiàn)為灰度覆蓋范圍的縮小或非線性現(xiàn)象的產(chǎn)生，即在穿刺置管手術(shù)中，所獲取圖像某些細(xì)節(jié)部分由于灰度表現(xiàn)形式過于接近而無法被人眼直接識別。在靜脈穿刺置管手術(shù)畫面的超聲圖像中，紋理是用來診斷圖像應(yīng)用性的重要特征條件[11]。一幅完整的超聲圖像紋理是成像控制系統(tǒng)能分辨出的最小單位條件，且一個單位內(nèi)往往包含大量不可分辨的微小散射體結(jié)構(gòu)。超聲波在人體血管中傳輸時，每遇到一個細(xì)微的不可辨結(jié)構(gòu)，就會發(fā)生一次超聲散射行為，波體與波體之間也存在著明顯的作用干擾，這也是導(dǎo)致機器人穿刺回波出現(xiàn)波動，從而形成超聲圖像紋理特征的主要原因。

2.3 畫面邊緣檢測

圖像邊緣是靜脈穿刺置管手術(shù)畫面的最本質(zhì)特征，廣泛存在于圖像中的血管與背景肌肉組織之間、血管與血管之間。常見檢測狀態(tài)可分為如下兩種：階越性圖像中各類邊緣像素的灰度值明顯不同；屋頂狀圖像中邊緣像素主要位于灰度值由增加到減小的轉(zhuǎn)折位置處[12]。畫面邊緣檢測也叫畫面邊緣增強，是使靜脈穿刺置管手術(shù)圖像輪廓更加突出的像素處理方法，具備較強的區(qū)域化灰度處理能力。邊緣檢測能夠突出已獲取靜脈穿刺置管手術(shù)畫面的邊緣化特征，而邊緣節(jié)點以外的圖像區(qū)域則可被逐漸削弱，特定情況下也可被完全舍棄。在實際圖像分割過程中，由于多種不可控因素，PICC智能穿刺醫(yī)療機器人的操作手可能會處于多個位置狀態(tài)，不僅會造成灰度像素的區(qū)域性覆蓋，也可能導(dǎo)致手術(shù)畫面圖像出現(xiàn)嚴(yán)重的模糊化問題[13]。設(shè)u0代表手術(shù)畫面的最小圖像邊緣特征值，u1代表手術(shù)畫面的最大圖像邊緣特征值，f(X)代表與超聲圖像相關(guān)的格式轉(zhuǎn)換定義式，X代表固定節(jié)點處的像素灰度值，聯(lián)立上述物理量，可將PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制系統(tǒng)超聲圖像的畫面邊緣檢測表達式定義為：

(1)

其中:K為機器人控制系統(tǒng)所能承受的最大圖像節(jié)點檢測量，L為與已獲取靜脈穿刺置管手術(shù)畫面相關(guān)的超聲波輸出條件。

3 新型微創(chuàng)運動模型分析

基于超聲圖像預(yù)處理理論，在靶向血管位置信息、穿刺規(guī)劃路徑等多項參量條件的作用下，完成PICC智能穿刺醫(yī)療機器人的運動控制模型分析。

3.1 靶向血管位置信息獲取

(2)

3.2 穿刺路徑規(guī)劃

機器人穿刺路徑規(guī)劃以已獲取的靶向血管位置信息作為支持，在多個空間坐標(biāo)系的作用下，實現(xiàn)對手術(shù)患者的穿刺置管處理。出于平穩(wěn)性考慮，PICC智能穿刺醫(yī)療機器人與控制系統(tǒng)位于同側(cè)，在明確患者手術(shù)部位后，令機器人操作手執(zhí)穿刺針深入靶向血管內(nèi)部[15-16]。在此過程中，針頭插入、針體偏轉(zhuǎn)、機器人手執(zhí)控制、進入血管等行為都遵循相同的坐標(biāo)參考形式，即以相對水平的橫向方向作為x軸，以垂直x軸的縱向方向作為y軸，以空間上同時垂直于x軸、y軸直線的正方向作為z軸。在已規(guī)劃穿刺路徑內(nèi)，除被手術(shù)患者外，其它所有控制主體都具備自由行動的能力，但機器人操作手的運動范圍相對受限，始終不能超過由手術(shù)超聲圖像最大、最小畫面邊緣特征值所決定的物理區(qū)間。穿刺路徑規(guī)劃原理如圖4所示。

圖4 穿刺路徑規(guī)劃原理

3.3 操作手重定位

操作手重定位是對PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制范圍的再次界定，在超聲圖像的支持下，可將實際穿刺進針行為分為多個方向(如圖5)，并根據(jù)舒適運動空間與邊界運動空間的具體配比關(guān)系，確定可準(zhǔn)確實施穿刺行為的物理控制范圍。根據(jù)已獲取的靶向血管位置信息可知，機器人操作手的舒適運動空間越大，實際受控范圍的覆蓋面積也就越大；運動邊界線越長，實際受控范圍的覆蓋面積也越大[17-18]?？偟膩碚f，上述兩項物理條件，都可以對機器人操作手重定位行為起到一定的促進性影響。至此，完成各項理論性研究及硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)連接，在可獲取穩(wěn)定超聲圖像畫面的情況下，實現(xiàn)PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。機器人操作手重定位控制范圍如圖6所示。

圖5 進針角與進針深度控制

圖6 機器人操作手重定位控制范圍

4 實驗結(jié)果及分析

為驗證基于超聲圖像PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值，設(shè)計如下對比實驗。在既定手術(shù)區(qū)域內(nèi)選取一受控點作為手術(shù)實施位置，分別應(yīng)用新型PICC智能穿刺醫(yī)療機器人和常規(guī)靜脈穿刺手段對患者進行手術(shù)處理，前者作為實驗組、后者作為對照組，如圖7所示。多次變更穿刺操作中的x軸、y軸與z軸坐標(biāo)，將機器人操作手置于最合理的手術(shù)范圍區(qū)間內(nèi)，截取指定時長作為實驗時間，分別記錄在該段時間內(nèi)，實驗組、對照組穿刺進針角度與進針深度的實際變化情況。

圖7 靜脈穿刺置管手術(shù)超聲圖像

圖8反映了80 min的實驗時間內(nèi)，實驗組、對照組實際穿刺進針角度的變化情況。

圖8 穿刺進針角度對比圖

分析圖8可知，實驗組穿刺進針角平均數(shù)值水平最低，在整個實驗過程中的角度最大值始終不會超過40°；對照組穿刺進針角平均數(shù)值水平最高，在整個實驗過程中的角度最大值基本能達到70°，與實驗組極值相比，上升了近30°。實驗組穿刺進針角度的數(shù)值水平較為穩(wěn)定，全局最小值始終高于10°，兩端極值之間的差值水平也僅能維持在30°左右；對照組穿刺進針角度的數(shù)值水平相對不穩(wěn)定，全局最小值可低至10°左右，兩端極值之間的差值水平可達到60°。

表1反映了實驗組、對照組穿刺進針深度的實際變化情況。

表1 穿刺進針深度對比表

分析表1可知，理想狀態(tài)下的穿刺進針深度始終等于針頭原長的3/4；而實驗組進針?biāo)较鄬^低，極大值也始終未達到針頭原長的2/3；對照組進針?biāo)捷^高，極大值達到19.2 cm，與針頭原長極為接近。

綜上可知，隨著基于超聲圖像PICC智能穿刺醫(yī)療機器人控制系統(tǒng)的應(yīng)用，靜脈穿刺置管手術(shù)的進針角度與進針深度都得到有效控制，可大幅降低手術(shù)給病人帶來的生理性疼痛。

5 結(jié)束語

與常規(guī)靜脈穿刺手段相比，新型控制系統(tǒng)按照超聲圖像的邊緣特征形式，獲取靶向血管的位置信息，再聯(lián)合晶振復(fù)位電路、智能傳感器等多個硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對穿刺進針路徑的集中性規(guī)劃。從實用層面來看，由PICC智能穿刺醫(yī)療機器人所操作手術(shù)的進針角度不超過40°、進針深度也不會超過針頭原長的2/3，能夠在緩解病人所承擔(dān)生理性傷痛的同時，提升穿刺置管手術(shù)的成功幾率，符合實際性應(yīng)用需求。