CN115227286A - 超声探头自适应引导穿刺的装置、方法及采血箱 - Google Patents

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CN115227286A CN202210742045.0A CN202210742045A CN115227286A CN 115227286 A CN115227286 A CN 115227286A CN 202210742045 A CN202210742045 A CN 202210742045A CN 115227286 A CN115227286 A CN 115227286A
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Abstract

本发明公开了一种超声探头自适应引导穿刺的装置、方法及采血箱，以解决超声探头按压力无法自适应调节而影响超声图像质量的问题。所述装置包括超声探头、超声探头支撑组件、丝杆模组、驱动电机和控制芯片；所述超声探头支撑组件在超声探头非检测端上方内置压力传感器；所述压力传感器将压力信息实时反馈至所述控制芯片，通过代码判断表面挤压力是否超过压力设置阈值以控制所述驱动电机。包括所述装置的采血箱先通过近红外相机和计算机图像处理获得最佳穿刺区域，再通过控制芯片获取超声探头压力信息以保证得到高质量的超声图像，从而高精度地引导穿刺。本发明机械操作端可满足多个穿刺区域的穿刺需求，同时降低了控制操作难度。

Description

超声探头自适应引导穿刺的装置、方法及采血箱
技术领域
本发明涉及静脉穿刺机器人技术领域，更具体地，涉及一种超声探头自适应引导穿刺的装置、方法及采血箱。
背景技术
近红外与超声引导穿刺已成为实现自动穿刺的主要手段。近红外相机获取静脉血管的平面分布信息，而超声探头对皮下静脉发出超声，从而显示静脉的纵向信息，引导穿刺针进行穿刺。由于超声波无法穿透空气，超声探头必须以合适压力接触患者皮肤表面，当压力过大时，血管将会被挤扁；当压力过小时，会导致空气进入皮肤和探头之间，最终导致超声图像全黑，因此测量时超声探头的按压力，直接影响组织的变形率，从而影响超声图像质量。合适的按压力成为超声检测的重点。
公开号为CN105107067A、公开日为20151202的中国专利公开了一种通过红外引导与超声定位的静脉穿刺***，该静脉穿刺***通过近红外与超声引导穿刺针穿刺，初步实现了自动穿刺的基本构架。但是，该发明的超声高度调节装置为手动机械旋钮式调节，与传统的医护人员手持超声探头进行检测引导类似，均不能实现自动的超声高度调节与定位。
公开号为CN111084638A，公开日为20200501的中国专利公开了一种超声探头表面压力检测装置，该检测装置将薄膜压力传感器固定在超声探头检测端表面，反馈压力信息，进而控制芯片通过改变电机参数，改变检测位置、方向与角度。但是，该发明也具有一定局限。由于在人体皮肤表面并非光滑，存在空气间隙，因此超声检测前通常需要涂抹医用超声耦合剂，以提高超声图像质量。而该发明将薄膜压力传感器置于超声探头检测端表面，在实际应用中，直接与超声耦合剂接触，对传感器造成污染与损害。同时，该装置采用机械臂结构，控制方法较为复杂，对于常见的静脉穿刺区域，即肘前区肘正中静脉、贵要静脉等所在区域相对水平，无需复杂的角度与方向调节。
因此，开发一种既能科学高效地实现超声引导穿刺，又能自适应调节高度与按压力度的静脉穿刺装置和方法是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
由于现有技术存在上述缺陷，本发明提供了一种超声探头自适应引导穿刺的装置、方法及采血箱，以解决超声探头按压力无法自适应调节而影响超声图像质量的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种超声探头自适应引导穿刺的装置，包括超声探头、超声探头支撑组件，其特征在于，还包括直线丝杆模组、驱动电机和控制芯片；
所述超声探头支撑组件分为内外两层，外层底座与所述直线丝杆模组上的滑块固定连接，内层包裹壳与内层支撑底座夹紧固定所述超声探头；所述内层支撑底座在所述外层底座内通过滑轨实现上下移动；所述内层支撑底座上方设置压力传感器；所述驱动电机驱动所述直线丝杆模组，通过所述滑块带动所述超声探头沿竖直方向移动；所述控制芯片包括电机驱动模块和压力采集模块；所述压力传感器将压力信息实时反馈并通过连接线输出至所述控制芯片，通过代码判断表面挤压力F是否超过压力设置阈值F’以控制所述驱动电机的工作。
进一步地，所述内层包裹壳固定连接斜向下的支撑板，一台近红外相机固定于所述支撑板；一台计算机通过算法对所述近红外相机获取的图像进行图像分割等操作，获取最优穿刺区域与坐标位姿回归，进而引导超声探头的位置参数运动。
进一步地，所述内层包裹壳与内层支撑底座通过螺栓螺母旋紧或卡紧以固定所述超声探头；所述外层底座下方两侧存在平台凸起，以确定所述超声探头与内层包裹壳整体相对于所述外层底座底面的最低高度。
进一步地，所述控制芯片为单片机；所述超声探头选用75MHz、48阵元的ST-1C超声探头，向皮肤组织发射和接收高频超声信号，可实时显示血管的切面图像、管壁结构的厚度、管腔大小和形态，并实时追踪穿刺针位置及角度。
进一步地，所述压力传感器自带供电模块，压力额定量程为0-100Mpa，最高分辨率达100Pa，最高工作温度达175℃，额定综合精度达±0.02％FS。
另一方面，本发明提供一种采血箱，包括穿刺组件，其特征在于，还包括上述超声探头自适应引导穿刺的装置作为图像检测模块、三组正交直线丝杆模组、软质托板；所述直线丝杆模组为所述正交直线丝杆模组的其中一组；所述软质托板承托人体手臂；所述图像检测模块位于人体手臂正上方，可沿所述正交直线丝杆模组运动，实现定位待穿刺区域功能。
进一步地，所述软质托板设有固定把手供患者握紧以稳定手臂。
再一方面，本发明提供一种超声探头自适应引导穿刺的方法，其特征在于，采用上述采血箱，包括以下步骤：
S11、人体手臂肘前区正面朝上平放至所述软质托板上；
S12、所述近红外相机获取手臂局部的近红外图像，通过计算机处理，建立穿刺静脉的二维模型，获取血管的平面分布信息，得到最优穿刺区域；
S13、所述正交直线丝杆模组带动所述超声探头运动至最优穿刺区域正上方；所述驱动电机驱动所述超声探头沿竖直方向向下运动；
S14、当所述超声探头检测端受压，所述压力传感器将实时检测到的压力信号经分压电路转换成模拟电压信号，输入所述控制芯片；通过控制芯片中所述压力采集模块的A/D转换获得超声探头检测端的压力信息；
S15、所述控制芯片通过数据线传输超声探头表面和被检人体各部位的压力，并进行数据处理，判断F是否大于压力设置阈值F’；若F≥F’，控制芯片的所述电机驱动模块控制驱动电机立刻停止工作，否则驱动电机继续转动，重复上述步骤，直至电机停止工作，从而控制超声探头对皮肤表面挤压力大小；
S16、所述超声探头将清晰的超声图像传输至计算机，通过深度学习相关算法进行图像分割，计算静脉直径与穿刺中心距离皮肤表面深度，建立穿刺深度模型，进而引导穿刺。
进一步地，所述控制芯片进行数据处理的具体控制步骤包括：
S21、初始化GPIO口；
S22、设定一个定时器为编码器模式并初始化；
S23、设置电机转速的PWM输出与相关寄存器配置；
S24、结合编码器读出的数值编写PID控制算法，并根据PID控制算法所返回的值，以改变PWM占空比。
进一步地，在使用超声探头之前需要在待检测区域涂抹医用超声耦合剂，以提高图像质量。
与现有技术相比，上述发明具有如下优点或者有益效果：
(1)通过超声非检测端上方内置压力传感器，输出压力信号，可实现竖直方向的自适应高度调节；
(2)针对不同待检测患者，通过设置压力阈值可以有效控制超声探头对皮肤表面挤压力大小，从而大幅提升了超声图像的成像质量；
(3)有效就避免了超声耦合剂与传感器直接接触，提高了传感器耐用寿命与传感精度；
(4)采用笛卡尔直角坐标系，通过三组正交的丝杆传动模组实现定位需求，针对性更强，可满足肘正中静脉、贵要静脉等穿刺区域的穿刺需求，同时降低了控制操作难度；
(5)控制芯片及其算法可实现高精度高灵敏度的超声探头驱动电机的输出控制；
(6)装置结构合理，易于加工，控制硬件通用性强，便于推广使用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明的超声探头自适应引导穿刺装置的立体示意图；
图2为本发明的超声探头自适应引导穿刺装置的主视图；
图3为本发明的超声探头自适应引导穿刺装置的左视图；
图4为本发明的采血箱的结构示意图；
图5为本发明的超声探头自适应引导穿刺方法的步骤流程图；
图6为本发明的超声探头自适应高度调节的控制流程图；
附图标记：
1、超声图像检测模块；101、竖直方向驱动电机；102、直线丝杆模组；103、超声探头；104、近红外相机；105、外层底座；106、滑轨；107、内层支撑底座；108、压力传感器；109、滑块；110、包裹壳；2、正交直线丝杆模组；3、人体手臂；4、软质托板。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明中的结构作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
实施例1
如图1至图3所示，本实施例提供了一种超声探头自适应引导穿刺的装置，包括超声探头103、超声探头支撑组件、直线丝杆模组102、驱动电机101和控制芯片；
所述超声探头支撑组件分为内外两层，外层底座105与所述直线丝杆模组102上的滑块109固定连接，内层包裹壳110与内层支撑底座107通过螺栓螺母旋紧固定所述超声探头103；所述内层支撑底座107在所述外层底座105内通过滑轨106实现上下移动；所述内层支撑底座107上方设置压力传感器108；所述驱动电机101驱动所述直线丝杆模组102，通过所述滑块109带动所述超声探头103沿竖直方向移动；
所述控制芯片包括电机驱动模块和压力采集模块；所述压力传感器108将压力信息实时反馈并通过连接线输出至所述控制芯片，通过代码判断表面挤压力F是否超过压力设置阈值F’以控制所述驱动电机101的工作。
本实施例中，支撑底座107上方内置的压力传感器108实时反馈超声探头103非检测段与内层支撑底座107上端对压力传感器108的挤压力大小。由牛顿第三定律可知，超声探头沿竖直方向受力平衡，而包裹壳110内层摩擦力可忽略不计，从而检测端表面挤压力大小F1就等于超声探头103非检测段与内层支撑底座107上端对压力传感器108的挤压力大小F2，从而实现了压力传感器108非直接接触皮肤表面测量挤压力F的功能。压力设置阈值F’可根据实际医用需求更改，具体数值可咨询专业医护人员或通过临床实验获取。
本实施例中，所述外层底座105下方两侧存在平台凸起，以确定所述超声探头103与内层包裹壳110整体相对于所述外层底座105底面的最低高度。压力传感器108保持非挤压状态时，反馈输出力在数值上应为0，此时由外层底座105下方两侧存在的平台凸起提供竖直向上的支持力。所述控制芯片为STM32F103RBT6单片机；所述超声探头103选用75MHz、48阵元的ST-1C超声探头，向皮肤组织发射和接收高频超声信号，可实时显示血管的切面图像、管壁结构的厚度、管腔大小和形态，并实时追踪穿刺针位置及角度。所述压力传感器108自带供电模块，压力额定量程为0-100Mpa，最高分辨率达100Pa，最高工作温度达175℃，额定综合精度达±0.02％FS。
本实施例中，所述内层包裹壳110固定连接斜向下的支撑板，一台近红外相机104固定于所述支撑板；一台计算机通过算法对所述近红外相机104获取的图像进行图像分割等操作，获取最优穿刺区域与坐标位姿回归，进而引导超声探头103的位置参数运动。近红外相机104发出波长为780～2526纳米的近红外光，皮下静脉的血红细胞和周围组织对特定波长的近红外光源具有不同的吸收峰值。利用去氧血红蛋白的特异性吸收光谱特性，可以实现血管的精确识别，再使用算法进行血管分割，得到静脉网络分布，选择穿刺区域并进行优选，最终确定一系列适合静脉穿刺的进针点。
实施例2
如图4所示，本实施例提供了一种采血箱，包括穿刺组件、实施例1所述的超声探头自适应引导穿刺的装置作为图像检测模块1、三组正交直线丝杆模组2、软质托板4；所述直线丝杆模组102为所述正交直线丝杆模组2的其中一组；所述软质托板4承托人体手臂3；所述图像检测模块1位于人体手臂3正上方，可沿所述正交直线丝杆模组2运动，实现定位待穿刺区域功能。
本实施例中，所述内层包裹壳110与内层支撑底座107通过卡扣固定所述超声探头103；所述软质托板4设有固定把手供患者握紧以稳定手臂。
如图5和图6所示，上述采血箱采用的一种超声探头自适应引导穿刺的方法，包括以下步骤：
S11、人体手臂3肘前区正面朝上平放至所述软质托板4上；
S12、所述近红外相机104获取手臂局部的近红外图像，通过计算机处理，建立穿刺静脉的二维模型，获取血管的平面分布信息，得到最优穿刺区域；
S13、所述正交直线丝杆模组2带动所述超声探头运动至最优穿刺区域正上方；所述驱动电机101驱动所述超声探头沿竖直方向向下运动；
S14、当所述超声探头103的检测端受压，所述压力传感器108将实时检测到的压力信号经分压电路转换成模拟电压信号，输入所述控制芯片；通过控制芯片中所述压力采集模块的A/D转换获得超声探头检测端的压力信息；
S15、所述控制芯片通过数据线传输超声探头表面和被检人体各部位的压力，并进行数据处理，判断F是否大于压力设置阈值F’；若F≥F’，控制芯片的所述电机驱动模块控制驱动电机立刻停止工作，否则驱动电机继续转动，重复上述步骤，直至电机停止工作，从而控制超声探头对皮肤表面挤压力大小；
S16、所述超声探头103将清晰的超声图像传输至计算机，通过深度学习相关算法进行图像分割，计算静脉直径与穿刺中心距离皮肤表面深度，建立穿刺深度模型，进而引导穿刺。
本实施例中，在使用超声探头之前需要在待检测区域涂抹医用超声耦合剂，以提高图像质量。所述控制芯片进行数据处理的具体控制步骤包括：
S21、初始化GPIO口；
S22、设定一个定时器为编码器模式并初始化；
S23、设置电机转速的PWM输出与相关寄存器配置；
S24、结合编码器读出的数值编写PID控制算法，并根据PID控制算法所返回的值，以改变PWM占空比。
本实施例采用基于单片机STM32的电机转速PID控制，即比例、积分、微分控制器，该算法以误差作为输入量，经过比例，积分，微分三项加权求和后得到输出量。在模拟***中，PID算法的表达式为：
Figure BDA0003718335970000091
其中，u(t)为调节器输出，e(t)为调节器的偏差信号，Kp为比例系数，Ti为积分时间，Td为微分时间。
在自动高度控制***中，采用PID算法调整电机转速，使电机根据设定的条件快速响应，使超声探头103实现竖直方向定位，结合PID控制器中的积分器控制，响应与激励的积分成正比，从而达到消除稳态误差的功能。根据***的功能和设计要求，设计了数字增量PID控制器，控制器的计算公式如下：
Δu＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
其中，Kp、Ki和Kd表示PID控制器的比例、积分和微分系数，e为转速误差。根据压力传感器108反馈压力信息，比例项Kp的调节可以快速提取转速误差，积分项Ki可以使电机的转速与设定阈值一致，保证静态误差为零，微分项Kd可以对电机在下个周期的输出信号进行预测，从而快速提高***的响应速率。
综上，本发明公开了一种超声探头自适应引导穿刺的装置、方法及采血箱，以解决超声探头按压力无法自适应调节而影响超声图像质量的问题。所述装置包括超声探头、超声探头支撑组件、丝杆模组、驱动电机和控制芯片；所述超声探头支撑组件在超声探头非检测端上方内置压力传感器；所述压力传感器将压力信息实时反馈至所述控制芯片，通过代码判断表面挤压力是否超过压力设置阈值以控制所述驱动电机。包括所述装置的采血箱先通过近红外相机和计算机图像处理获得最佳穿刺区域，再通过控制芯片获取超声探头压力信息以保证得到高质量的超声图像，从而高精度地引导穿刺。本发明机械操作端可满足多个穿刺区域的穿刺需求，同时降低了控制操作难度。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种超声探头自适应引导穿刺的装置，包括超声探头(103)、超声探头支撑组件，其特征在于，还包括直线丝杆模组(102)、驱动电机(101)和控制芯片；
所述超声探头支撑组件分为内外两层，外层底座(105)与所述直线丝杆模组(102)上的滑块(109)固定连接，内层包裹壳(110)与内层支撑底座(107)夹紧固定所述超声探头(103)；所述内层支撑底座(107)在所述外层底座(105)内通过滑轨(106)实现上下移动；所述内层支撑底座(107)上方设置压力传感器(108)；所述驱动电机(101)驱动所述直线丝杆模组(102)，通过所述滑块(109)带动所述超声探头(103)沿竖直方向移动；
所述控制芯片包括电机驱动模块和压力采集模块；所述压力传感器(108)将压力信息实时反馈并通过连接线输出至所述控制芯片，通过代码判断表面挤压力F是否超过压力设置阈值F’以控制所述驱动电机(101)的工作。
2.根据权利要求1所述的一种超声探头自适应引导穿刺的装置，其特征在于，所述内层包裹壳(110)固定连接斜向下的支撑板，一台近红外相机(104)固定于所述支撑板；一台计算机通过算法对所述近红外相机(104)获取的图像进行图像分割等操作，获取最优穿刺区域与坐标位姿回归，进而引导超声探头(103)的位置参数运动。
3.根据权利要求2所述的一种超声探头自适应引导穿刺的装置，其特征在于，所述内层包裹壳(110)与内层支撑底座(107)通过螺栓螺母旋紧或卡紧以固定所述超声探头(103)；所述外层底座(105)下方两侧存在平台凸起，以确定所述超声探头(103)与内层包裹壳(110)整体相对于所述外层底座(105)底面的最低高度。
4.根据权利要求2所述的一种超声探头自适应引导穿刺的装置，其特征在于，所述控制芯片为单片机；所述超声探头(103)选用75MHz、48阵元的ST-1C超声探头，向皮肤组织发射和接收高频超声信号，可实时显示血管的切面图像、管壁结构的厚度、管腔大小和形态，并实时追踪穿刺针位置及角度。
5.根据权利要求2所述的一种超声探头自适应引导穿刺的装置，其特征在于，所述压力传感器(108)自带供电模块，压力额定量程为0-100Mpa，最高分辨率达100Pa，最高工作温度达175℃，额定综合精度达±0.02％FS。
6.一种采血箱，包括穿刺组件，其特征在于，还包括权利要求2至5任一项所述的超声探头自适应引导穿刺的装置作为图像检测模块(1)、三组正交直线丝杆模组(2)、软质托板(4)；所述直线丝杆模组(102)为所述正交直线丝杆模组(2)的其中一组；所述软质托板(4)承托人体手臂(3)；所述图像检测模块(1)位于人体手臂(3)正上方，可沿所述正交直线丝杆模组(2)运动，实现定位待穿刺区域功能。
7.根据权利要求6所述的一种采血箱，其特征在于，所述软质托板(4)设有固定把手供患者握紧以稳定手臂。
8.一种超声探头自适应引导穿刺的方法，其特征在于，采用权利要求6或7所述的采血箱，包括以下步骤：
S11、人体手臂(3)肘前区正面朝上平放至所述软质托板(4)上；
S12、所述近红外相机(104)获取手臂局部的近红外图像，通过计算机处理，建立穿刺静脉的二维模型，获取血管的平面分布信息，得到最优穿刺区域；
S13、所述正交直线丝杆模组(2)带动所述超声探头运动至最优穿刺区域正上方；所述驱动电机(101)驱动所述超声探头沿竖直方向向下运动；
S14、当所述超声探头(103)的检测端受压，所述压力传感器(108)将实时检测到的压力信号经分压电路转换成模拟电压信号，输入所述控制芯片；通过控制芯片中所述压力采集模块的A/D转换获得超声探头检测端的压力信息；
S15、所述控制芯片通过数据线传输超声探头表面和被检人体各部位的压力，并进行数据处理，判断F是否大于压力设置阈值F’；若F≥F’，控制芯片的所述电机驱动模块控制驱动电机立刻停止工作，否则驱动电机继续转动，重复上述步骤，直至电机停止工作，从而控制超声探头对皮肤表面挤压力大小；
S16、所述超声探头(103)将清晰的超声图像传输至计算机，通过深度学习相关算法进行图像分割，计算静脉直径与穿刺中心距离皮肤表面深度，建立穿刺深度模型，进而引导穿刺。
9.根据权利要求8所述的一种超声探头自适应引导穿刺的方法，其特征在于，所述控制芯片进行数据处理的具体控制步骤包括：
S21、初始化GPIO口；
S22、设定一个定时器为编码器模式并初始化；
S23、设置电机转速的PWM输出与相关寄存器配置；
S24、结合编码器读出的数值编写PID控制算法，并根据PID控制算法所返回的值，以改变PWM占空比。
10.根据权利要求8所述的一种超声探头自适应引导穿刺的方法，其特征在于，在使用超声探头之前需要在待检测区域涂抹医用超声耦合剂，以提高图像质量。
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