彭麗霞

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

關鍵詞：靜脈穿刺機器人;視覺系統(tǒng)：血管定位;軌跡引導

1? ? 靜脈穿刺機器人研究目的

1.1? 替代醫(yī)護人員自動完成注射采血工作，減輕醫(yī)護人員日益增加的工作強度

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)學臨床手段。在我國，78%的護理工作與靜脈輸液治療有關，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)護人員重復手動進行。隨著人們生活水平提高和健康意識的不斷增強，抽血檢查次數(shù)也會更多，醫(yī)護人員的工作強度逐年增加。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：我國千人占有護士數(shù)量排名世界倒數(shù)第6，護士緊缺已經成為各大醫(yī)院的常態(tài)，亟待開發(fā)能替代醫(yī)護人員自動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)療技術的發(fā)展，盡管靜脈注射流程已經十分清晰和規(guī)范，但依然存在操作過程復雜、醫(yī)護人員經驗影響注射準確率等諸多問題。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28%，對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、血管過細等因素引起皮下靜脈定位不準最為主要。反復的穿刺失敗不僅會給患者帶來創(chuàng)傷和痛苦，還會引起靜脈硬化[1]。

1.3? 提高工作效率，為患者節(jié)省時間，避免醫(yī)護人員暴露危險

大量研究證明，在采血過程中，護士處于暴露危險中，經常發(fā)生針刺傷及感染經血液傳播疾病等意外事件[3]。另外，隨著經驗豐富的醫(yī)護人員崗位調動或退休等原因，其技能不能復制，機器人卻可以隨著樣本數(shù)據(jù)的不斷充實，科學技術及設備的不斷發(fā)展，而將專家經驗技能復制優(yōu)化、反復長久使用。

靜脈穿刺機器人系統(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)計數(shù)據(jù)，分析機器人應用環(huán)境和系統(tǒng)性能要求，基于人體工程學和機器人構型相關理論設計機器人構型，建立其三維模型和運動學模型，進行正逆運動學分析及求解。利用雙目紅外視覺系統(tǒng)進行血管三維重構，根據(jù)臨床專家系統(tǒng)判斷入針點。探索穿刺過程中力、位演化規(guī)律，進行軌跡規(guī)劃及優(yōu)化。利用視覺引導，力/位置混合控制策略，提高穿刺成功率及效率，達到市場應用要求。

2? ? 靜脈穿刺機器人技術研究現(xiàn)狀

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

3? ? 靜脈穿刺機器人系統(tǒng)解決的技術問題

3.1? 機器人構型研究與運動學建模

對扎針機器人應用環(huán)境和性能要求分析，確定機器人構型、連桿參數(shù)及關節(jié)角轉動范圍，建立其三維模型和運動學模型，進行正逆運動學分析及求解算法研究，分析工作空間、運動特性，仿真驗證。

3.2? 機器人軌跡規(guī)劃

根據(jù)扎針機器人臨床統(tǒng)計數(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，進行軌跡規(guī)劃;對扎針目標進行三維與數(shù)學建模，建立機器人與目標物的空間約束關系，確定運動空間，對軌跡進行優(yōu)化。

3.3? 力/位混合控制研究

考慮進針系統(tǒng)穩(wěn)定性、平順性、安全性及扎針目標物復雜結構，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? 視覺圖像處理技術研究

將視覺系統(tǒng)貫穿整個工作過程，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)判斷目標靜脈及入針點。針扎入后，利用視覺檢測判斷針尖與血管相對位置，實時引導調整末端操作器位姿，實現(xiàn)軌跡實時跟蹤和調整。

4? ? 國外靜脈穿刺機器人系統(tǒng)設計思路

4.1? 第一代三維近紅外圖像引導自主靜脈穿刺便攜式機器人

2013年Alvin Chen，Kevin Nikitczuk等組成的團隊研制除了第一代5自由度的三維近紅外圖像引導的用于自主靜脈穿刺的便攜式機器人。利用增加的穿透度來改善皮下靜脈相對于背景組織的對比度。12個發(fā)光二極管LED陣列提供反射率照明，2個具有更高近紅外靈敏度的互補性氧化金屬半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）相機可以實時檢測反射光并捕捉圖像。采用了一些標準的光學技術：首先，在每個相機前放置一個940 nm的帶通濾波器，消除環(huán)境光;其次，全息擴散過濾器被放置在LED上，以增加光學各向同性;再次，近紅外偏振器垂直放置在相機和LED上，以減少皮膚表層的鏡面反射。先根據(jù)立體成像進行靜脈圖像分割，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、三維點云模型的建立實現(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分來選擇靜脈目標血管，實施靜脈和針的跟蹤[3]。

4.2? 第二代影像導航7自由度靜脈穿刺機器人

2015年Max L Balter，Alvin Chen等組成的團隊在第一代便攜式機器人基礎上開發(fā)了第二代機，即影像導航7自由度靜脈穿刺機器人系統(tǒng)。

第一代機存在一些局限性，首先，該裝置缺乏3個關鍵的運動程度，以適應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齊。（2）在插入過程中逐步調整針的角度。（3）調整針式機械手的垂直高度。其次，該設備的限制是，沒有納入閉環(huán)針轉向考慮微妙的手臂和組織運動。再次，該裝置在操作前需要手動標定攝像機器人。從次，該設備依賴于醫(yī)生對針的手動操作，因此，無法解決意外針刺傷的風險。最后，由于光技術的分辨率有限，該設備的成像能力在兒童和高身體質量指數(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)了第二代設備—7自由度，包括原來的第一代設備的4自由度和增加了3自由度，極大地擴展了針插入任務的運動學和操作工作區(qū)。第二代設備的主要機械改進實現(xiàn)了小型化在閉環(huán)運動和圖像制導控制下操縱針的4自由度系列機械手。

4.3? 第三代基于立體視覺、超聲波和力引導的9自由度靜脈穿刺機器人

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

首先，以前的系統(tǒng)缺乏將針插入和成像子系統(tǒng)與血管對齊的能力，因為成像組件是由龍門定位的。因此，盡管該設備可以在帶有單向血管的影像模型上進行測試，但由于人體血管的方位范圍很廣，所以對人體進行插管將會很困難。其次，之前的設備缺乏徑向旋轉度，使得機器人無法到達前臂兩側的側血管。由于缺少運動度，之前的原型無法充分利用近紅外和超聲波圖像信息的結合來調整針尖的位置和方向。這種運動控制是至關重要的，使系統(tǒng)適應大臂運動和微妙的血管運動期間插入。第三代結合了三維近紅外成像和超聲波成像技術、計算機視覺和圖像分析軟件，9自由度針機械手內的便攜式外殼。該裝置通過繪制所選血管的三維位置，并根據(jù)實時圖像和力的引導將針頭插入靜脈中心，所做的改進包括以下方面：首先，第三代系統(tǒng)的機械配置被完全重新設計，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)集成到一個緊湊的終端執(zhí)行器單元，允許每個子系統(tǒng)保持對齊，而不管終端執(zhí)行器的方向。再次，一個力傳感器耦合到電動針插入作為一個額外的反饋方法靜脈穿刺期間。最后，引入一種新的運動模型來反映攝像機的手眼構型，并利用立體視覺、超聲波和力的測量來實現(xiàn)獨立的運動控制方案，實時調整針的位置。

5? ? 結語

靜脈穿刺機器人配置視覺系統(tǒng)，通過圖像處理技術，可以實現(xiàn)自主目標血管的定位以及穿刺過程中的實時導航，但從研究走向來說，臨床應用還需解決系統(tǒng)實時性、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]

[1]李曉燕，劉芳娟，莊彩驕.基層醫(yī)院培養(yǎng)院內靜脈輸液?？谱o士的實踐與效果[J].實用臨床護理學，2018（16）：171.

[2]洪金花，徐寶蘭，汪華萍，等.靜脈輸液治療團隊在規(guī)范靜脈輸液治療中的作用[J].護理研究，2013（36）：4189-4191.

[3]李曉波，王愛平.靜脈采血的職業(yè)暴露與防護[J].中華檢驗醫(yī)學雜志，2013（36）：1156-1157.

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