張鵬飛 張 硌 張 鵬* 王燕青

在臨床工作中，靜脈穿刺是一項(xiàng)重要的介入式治療方法，早期靜脈穿刺完全依賴醫(yī)護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)，隨后的圖像處理技術(shù)的發(fā)展為可視化引導(dǎo)下的人工穿刺奠定了基礎(chǔ)，如高速投影式血管顯像儀和塞丁格穿刺法[1-2]。高速投影式血管顯像儀為醫(yī)護(hù)人員提供了穿刺靜脈血管的平面圖，但仍需護(hù)士徒手實(shí)施靜脈穿刺，且護(hù)士對穿刺深度難以控制。而塞丁格穿刺法，雖可將PICC管送入中心靜脈，解決長期輸液患者靜脈穿刺的問題。然而，高速投影式血管顯像儀和塞丁格穿刺法穿刺操作程序繁瑣，耗費(fèi)時間較長，患者血栓發(fā)病率高，無法解決普通輸液和搶救所需的靜脈穿刺成功的要求。

為解決護(hù)士穿刺手法穩(wěn)定性的問題，逐步提出的半自動靜脈穿刺儀和全自動靜脈穿刺的研究[3-4]。全自動靜脈穿刺系統(tǒng)尚未研制出樣機(jī)，且該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靜脈穿刺需多種儀器共同完成，體積龐大不能便攜。而自動靜脈穿刺機(jī)器人是在血管彎曲時，可實(shí)時調(diào)整進(jìn)針角度用于抽血[5]。機(jī)器人Veebot[6]可通過紅外線找到血管，超聲檢驗(yàn)血管后校準(zhǔn)針頭刺入血管，其精準(zhǔn)度達(dá)83%。但該儀器體積龐大，機(jī)器不能做到無菌性操作，成功率低。目前，國內(nèi)外尚無應(yīng)用留置針進(jìn)行穿刺輸液的全自動的靜脈穿刺儀器。因此，本研究時機(jī)研制一種自動靜脈穿刺器，可應(yīng)用于野外、夜晚、戰(zhàn)場、自然災(zāi)害等特殊環(huán)境中。

1 自動靜脈穿刺器的設(shè)計(jì)方案

本研究設(shè)計(jì)的自動靜脈穿刺器是利用B超識別靜脈血管后，將數(shù)據(jù)傳送至圖像采集系統(tǒng)，圖像采集系統(tǒng)將采集到的靜脈血管深度、直徑及所用導(dǎo)向塊角度等信息計(jì)算出進(jìn)針長度并轉(zhuǎn)換為進(jìn)針脈沖數(shù)，用串行接口傳輸至進(jìn)針控制器，控制器根據(jù)初始位置，計(jì)算出刺入皮膚的距離進(jìn)行加速度控制并以最快速度刺入皮膚，之后以慢速控制針頭刺入血管的2/3處，停止并推送留置針進(jìn)入血管，連接輸液接頭，并給予沖管，貼敷料固定，完成靜脈穿刺，從而進(jìn)行輸液給藥。

1.1 自動靜脈穿刺器的結(jié)構(gòu)

本研究研制的自動靜脈穿刺器是一種簡易化、自動化的儀器，其能夠準(zhǔn)確、快速地識別目標(biāo)血管，進(jìn)行靜脈穿刺[7]。自動靜脈穿刺器由簡易B超機(jī)、圖像采集系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成。但為了實(shí)現(xiàn)儀器的便攜和小型化，本研究將B超機(jī)與圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行了集成，因此，該儀器主要由圖像采集系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)兩部分組成。

1.2 圖像采集系統(tǒng)

儀器圖像采集系統(tǒng)通過采集超聲探頭在欲穿刺區(qū)域的運(yùn)動和對應(yīng)的超聲圖像，運(yùn)用仿真軟件對欲穿刺區(qū)域的血管分布進(jìn)行建模[8]。圖像采集系統(tǒng)自動識別超聲圖像中的穿刺靶目標(biāo)，并結(jié)合超聲系統(tǒng)內(nèi)部成像參數(shù)確定穿刺靶目標(biāo)的物理位置。圖像采集系統(tǒng)可采集5000余張靜脈血管照片，其中圖像采集系統(tǒng)確定目標(biāo)血管的物理位置與專家手工標(biāo)注的結(jié)果誤差＜5像素(如圖1所示)。

圖1 圖像采集系統(tǒng)超聲影像圖

1.3 驅(qū)動系統(tǒng)

儀器進(jìn)針驅(qū)動系統(tǒng)所用的驅(qū)動元件為微型步進(jìn)電機(jī)，通過絲杠螺母副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動[9-10]。所選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片具有最大128細(xì)分功能，使得脈沖當(dāng)量＜0.01 mm。主控制器芯片具有脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)模塊和脈沖計(jì)數(shù)模塊。圖像識別系統(tǒng)通過靜脈血管深度、直徑及所用導(dǎo)向塊角度計(jì)算出進(jìn)針長度，并轉(zhuǎn)換為進(jìn)針脈沖數(shù)，將脈沖數(shù)據(jù)用串行接口發(fā)給進(jìn)針控制器，控制器根據(jù)初始位置計(jì)算出刺入皮膚的距離，進(jìn)行加速度控制并以最快速度刺入皮膚后再以慢速到位準(zhǔn)確停止。操作人員見血管回血后，將留置針軟管向前推送至導(dǎo)針器處，并向機(jī)械臂下達(dá)針退指令，退出留置針內(nèi)的鋼針，操作人員將剩余軟管推入血管內(nèi)，完成穿刺。

2 自動靜脈穿刺器的研制

隨著B超機(jī)的發(fā)展，研制的自動靜脈穿刺器可實(shí)現(xiàn)小型化，為便攜式靜脈穿刺設(shè)備的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。技術(shù)成熟后，可將其應(yīng)用于臨床、重癥監(jiān)護(hù)室及急診，配備于急救車以及應(yīng)用于輸液及輸血、動脈采血、組織取樣等操作中。在此基礎(chǔ)上，擬研制超聲實(shí)時引導(dǎo)下靜脈穿刺儀器，可將其應(yīng)用于狹小空間(地震塌方等)及戰(zhàn)時核化生病房或傳染性疾病等，護(hù)士不能近距離接觸患者進(jìn)行靜脈穿刺的操作中。目前，本研究已完成第一代試驗(yàn)樣機(jī)和第二代試驗(yàn)樣機(jī)的研制。

2.1 第一代試驗(yàn)樣機(jī)

研制的第一代試驗(yàn)樣機(jī)尚未將圖像采集系統(tǒng)軟件嵌入至B超主機(jī)中，使用前需將B超機(jī)、圖像采集系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)連接。在使用過程中需要根據(jù)目標(biāo)血管信息選擇安裝導(dǎo)針架型號0.5 cm、1 cm及1.5 cm，使用步驟較繁瑣(如圖2所示)。

2.2 第二代試驗(yàn)樣機(jī)

圖2 第一代自動靜脈穿刺器操作示圖

本研究與無錫海鷹公司合作研制的第二代儀器，將圖像采集軟件嵌入至B超機(jī)中，驅(qū)動系統(tǒng)可根據(jù)圖像采集系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)自動選擇進(jìn)針角度，并且該儀器增加了糾偏系統(tǒng)，在進(jìn)針過程中，若血管發(fā)生偏移，驅(qū)動系統(tǒng)可根據(jù)糾偏系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動糾偏，以保證進(jìn)針準(zhǔn)確性(如圖3所示)。

圖3 第二代自動靜脈穿刺器示圖

3 自動靜脈穿刺器的應(yīng)用預(yù)試驗(yàn)

3.1 穿刺預(yù)試驗(yàn)方法

選取56例癌癥復(fù)發(fā)患者，采用數(shù)表法將其分為儀器穿刺組和人工穿刺組，每組28例，采用第一代試驗(yàn)樣機(jī)對兩組患者進(jìn)行臨床預(yù)試驗(yàn)。由于兩組均為癌癥復(fù)發(fā)患者，其淺表靜脈血管肉眼可視性差，在臨床預(yù)試驗(yàn)中所有的人工穿刺均由有3年靜脈穿刺經(jīng)驗(yàn)的護(hù)士實(shí)施，針尖進(jìn)皮膚后至確認(rèn)穿刺成功，觀察兩組穿刺成功率。

3.2 穿刺預(yù)試驗(yàn)成功率

自動靜脈穿刺器能夠準(zhǔn)確地找到目標(biāo)血管，并完成靜脈穿刺。儀器穿刺組穿刺成功26例，穿刺成功率為92.8%(26/28)；人工靜脈穿刺成功為0，儀器穿刺組穿刺成功率顯著高于人工穿刺組，且具有很高的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

自動靜脈穿刺器的研制對臨床工作具有重要意義，研制成功后可為護(hù)士徒手穿刺的單一方式提供了一種便捷、高效的方法，可解決人工穿刺對醫(yī)護(hù)人員經(jīng)驗(yàn)依賴的問題，克服醫(yī)護(hù)疲勞、手抖動和手眼協(xié)調(diào)問題等引起的操作誤差， 提高穿刺的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，且降低醫(yī)護(hù)人員由穿刺引起的感染風(fēng)險。

自動靜脈穿刺氣穿刺成功率較高，可降低護(hù)士憑經(jīng)驗(yàn)、盲穿可能對患者多次穿刺帶來的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；可為野外、夜晚、戰(zhàn)場、飛機(jī)艦艇、自然災(zāi)害(地震、事故)環(huán)境等復(fù)雜環(huán)境下需要緊急建立通路給藥，贏得更多的搶救時間。