基于图像处理技术的静脉穿刺机器人技术研究

来源:用户上传      作者:彭丽霞

　　摘   要：文章分析了静脉穿刺机器人研究目的及现状，明确了该系统需要解决的技术问题，着重论述了国外研究团队通过视觉系统，应用图像处理技术解决穿刺机器人自主静脉穿刺的血管定位及轨迹引导问题，为今后深入研究该问题提供思路和借鉴。
　　关键词：静脉穿刺机器人;视觉系统：血管定位;轨迹引导
　　1    静脉穿刺机器人研究目的
　　1.1  替代医护人员自动完成注射采血工作，减轻医护人员日益增加的工作强度
　　静脉穿刺注射和采血是临床治疗中最普遍的侵入治疗，也是使用最为广泛的医学临床手段。在我国，78%的护理工作与静脉输液治疗有关，90%以上的住院病人接受静脉输液治疗[1-2]。长期以来，该工作都靠医护人员重复手动进行。随着人们生活水平提高和健康意识的不断增强，抽血检查次数也会更多，医护人员的工作强度逐年增加。统计数据显示：我国千人占有护士数量排名世界倒数第6，护士紧缺已经成为各大医院的常态，亟待开发能替代医护人员自动完成注射采血工作的装置。
　　1.2  提高注射采血成功率，减轻患者痛苦
　　随着医疗技术的发展，尽管静脉注射流程已经十分清晰和规范，但依然存在操作过程复杂、医护人员经验影响注射准确率等诸多问题。数据显示，在美国，普通成年患者首次注射的失败率高达28%，对于幼儿及特殊病症患者而言，注射失败率更高。引起穿刺失败的原因由多方面组成，其中，由肤色、皮肤损伤、皮肤衰老、肥胖、血管过细等因素引起皮下静脉定位不准最为主要。反复的穿刺失败不仅会给患者带来创伤和痛苦，还会引起静脉硬化[1]。
　　1.3  提高工作效率，为患者节省时间，避免医护人员暴露危险
　　大量研究证明，在采血过程中，护士处于暴露危险中，经常发生针刺伤及感染经血液传播疾病等意外事件[3]。另外，随着经验丰富的医护人员岗位调动或退休等原因，其技能不能复制，机器人却可以随着样本数据的不断充实，科学技术及设备的不断发展，而将专家经验技能复制优化、反复长久使用。
　　静脉穿刺机器人系统拟采用视觉、力觉、位置检测手段获得穿刺注射采血工作临床统计数据，分析机器人应用环境和系统性能要求，基于人体工程学和机器人构型相关理论设计机器人构型，建立其三维模型和运动学模型，进行正逆运动学分析及求解。利用双目红外视觉系统进行血管三维重构，根据临床专家系统判断入针点。探索穿刺过程中力、位演化规律，进行轨迹规划及优化。利用视觉引导，力/位置混合控制策略，提高穿刺成功率及效率，达到市场应用要求。
　　2    静脉穿刺机器人技术研究现状
　　2009年，英国伦敦大学研究人员Alex Zivanovic等开发了一款采血机器人Bloodbot。根据不同的组织弹性，利用手臂静脉探测器，将目标静脉和周围组织区分开来，精确定位静脉穿刺点，但它需要医护人员调整扎针机构倾斜角度。Richard Harris在2010年开发了一种采血机器人VEEBOT， 采血准确率可达到83%;2013年，Xiaobin Dai等提出了一种快速提取血管的相机投影系统，实现了将血管区域投影在皮肤表面上。2014年，山东科技大学田和强等设计了一种三自由度前臂采血机器人，但完全没有实时检测反馈、控制功能。2015年，成都新澳冠医疗器械有限公司曾义成设计了一种采血辅助机器人，利用压脉装置和静脉显影仪设计，使医护人员寻找血管方便、穿刺成功率提高，但它只是辅助系统，无法实现自主穿刺。2017年，霍亮生等基于经外周静脉置入中心静脉导管（Peripherally Inserted Central Catheters，PICC）置管术提出了自动静脉穿刺装置，通过采集血管B超图像，计算出血管深度和半径。同时，基于STM32设计了速度控制方案，在体模上进行了实验验证。2018年，Zhuoqi Cheng等针对小孩因人为惯性力易导致穿刺失败的问题，提出了一种改进的手持式设备，通过传感器检测血液激活脱离机构以停止穿刺[2]。
　　3    静脉穿刺机器人系统解决的技术问题
　　3.1  机器人构型研究与运动学建模
　　对扎针机器人应用环境和性能要求分析，确定机器人构型、连杆参数及关节角转动范围，建立其三维模型和运动学模型，进行正逆运动学分析及求解算法研究，分析工作空间、运动特性，仿真验证。
　　3.2  机器人轨迹规划
　　根据扎针机器人临床统计数据，分析扎针过程中力/位演化规律，确定扎针各阶段力/位的不同要求，进行轨迹规划;对扎针目标进行三维与数学建模，建立机器人与目标物的空间约束关系，确定运动空间，对轨迹进行优化。
　　3.3  力/位混合控制研究
　　考虑进针系统稳定性、平顺性、安全性及扎针目标物复杂结构，入针前采用位置控制，入针后采用力/位混合控制，各阶段控制策略研究。
　　3.4  视觉图像处理技术研究
　　將视觉系统贯穿整个工作过程，扎针前利用双目红外视觉建立反映血管轮廓、分布的三维环境模型，根据临床专家系统判断目标静脉及入针点。针扎入后，利用视觉检测判断针尖与血管相对位置，实时引导调整末端操作器位姿，实现轨迹实时跟踪和调整。
　　4    国外静脉穿刺机器人系统设计思路
　　4.1  第一代三维近红外图像引导自主静脉穿刺便携式机器人
　　2013年Alvin Chen，Kevin Nikitczuk等组成的团队研制除了第一代5自由度的三维近红外图像引导的用于自主静脉穿刺的便携式机器人。利用增加的穿透度来改善皮下静脉相对于背景组织的对比度。12个发光二极管LED阵列提供反射率照明，2个具有更高近红外灵敏度的互补性氧化金属半导体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）相机可以实时检测反射光并捕捉图像。采用了一些标准的光学技术：首先，在每个相机前放置一个940 nm的带通滤波器，消除环境光;其次，全息扩散过滤器被放置在LED上，以增加光学各向同性;再次，近红外偏振器垂直放置在相机和LED上，以减少皮肤表层的镜面反射。先根据立体成像进行静脉图像分割，采取局部归一化和阈值化处理，然后提取中轴骨架，再通过投影校正、立体匹配、三维点云模型的建立实现血管图像的三位重建。最后，根据各种图像特征的综合评分来选择静脉目标血管，实施静脉和针的跟踪[3]。 　　4.2  第二代影像導航7自由度静脉穿刺机器人
　　2015年Max L Balter，Alvin Chen等组成的团队在第一代便携式机器人基础上开发了第二代机，即影像导航7自由度静脉穿刺机器人系统。
　　第一代机存在一些局限性，首先，该装置缺乏3个关键的运动程度，以适应人体生理变化的插管程序。即能够：（1）将针沿所选静脉的纵轴对齐。（2）在插入过程中逐步调整针的角度。（3）调整针式机械手的垂直高度。其次，该设备的限制是，没有纳入闭环针转向考虑微妙的手臂和组织运动。再次，该装置在操作前需要手动标定摄像机器人。从次，该设备依赖于医生对针的手动操作，因此，无法解决意外针刺伤的风险。最后，由于光技术的分辨率有限，该设备的成像能力在儿童和高身体质量指数（Body Mass Index，BMI）患者中被发现降低。为了解决第一代原型的局限性，开发了第二代设备—7自由度，包括原来的第一代设备的4自由度和增加了3自由度，极大地扩展了针插入任务的运动学和操作工作区。第二代设备的主要机械改进实现了小型化在闭环运动和图像制导控制下操纵针的4自由度系列机械手。
　　4.3  第三代基于立体视觉、超声波和力引导的9自由度静脉穿刺机器人
　　2017年Max L.Balter，Alvin Chen等组成的团队在第二代影像导航7自由度静脉穿刺机器人基础上开发了第三代机，基于立体视觉、超声波和力引导的静脉穿刺机器人。
　　首先，以前的系统缺乏将针插入和成像子系统与血管对齐的能力，因为成像组件是由龙门定位的。因此，尽管该设备可以在带有单向血管的影像模型上进行测试，但由于人体血管的方位范围很广，所以对人体进行插管将会很困难。其次，之前的设备缺乏径向旋转度，使得机器人无法到达前臂两侧的侧血管。由于缺少运动度，之前的原型无法充分利用近红外和超声波图像信息的结合来调整针尖的位置和方向。这种运动控制是至关重要的，使系统适应大臂运动和微妙的血管运动期间插入。第三代结合了三维近红外成像和超声波成像技术、计算机视觉和图像分析软件，9自由度针机械手内的便携式外壳。该装置通过绘制所选血管的三维位置，并根据实时图像和力的引导将针头插入静脉中心，所做的改进包括以下方面：首先，第三代系统的机械配置被完全重新设计，在不损害可移植性的前提下加入了额外的自由度。其次，近红外、美国和针插入子系统集成到一个紧凑的终端执行器单元，允许每个子系统保持对齐，而不管终端执行器的方向。再次，一个力传感器耦合到电动针插入作为一个额外的反馈方法静脉穿刺期间。最后，引入一种新的运动模型来反映摄像机的手眼构型，并利用立体视觉、超声波和力的测量来实现独立的运动控制方案，实时调整针的位置。
　　5    结语
　　静脉穿刺机器人配置视觉系统，通过图像处理技术，可以实现自主目标血管的定位以及穿刺过程中的实时导航，但从研究走向来说，临床应用还需解决系统实时性、穿刺成功率、工作效率、患者心理接受程度等一系列问题。
　　[参考文献]
　　[1]李晓燕，刘芳娟，庄彩骄.基层医院培养院内静脉输液专科护士的实践与效果[J].实用临床护理学，2018（16）：171.
　　[2]洪金花，徐宝兰，汪华萍，等.静脉输液治疗团队在规范静脉输液治疗中的作用[J].护理研究，2013（36）：4189-4191.
　　[3]李晓波，王爱平.静脉采血的职业暴露与防护[J].中华检验医学杂志，2013（36）：1156-1157.
　　Research on venous puncture robot technology based on image processing technology
　　Peng Lixia
　　（Xi’an International University， Xi’an 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
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