一种全自动静脉穿刺识别一体机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种全自动静脉穿刺识别一体机器人，包括穿刺模块、图像获取模块和定位平台；穿刺模块包括穿刺模块外壳、y轴旋转单元、x轴旋转单元、z轴旋转单元和穿刺头构件；y轴旋转单元包括y轴电机和y轴轴承；x轴旋转单元包括x轴转轴和x轴壳体；z轴旋转单元包括z轴电机、z轴转轴、z轴轴承、蜗杆和涡轮；图像获取模块包括超声探头、图像直线电机和近红外摄像机，超声探头通过探头支架固定在图像直线电机的正面活动端上进行上下直线运动。与现有技术相比，本发明专利技术通过各个模块的立体交错设计，大幅度地减小装置的整体体积；实现了对穿刺头构件的精确控制；实现全自动化的精确控制。

【技术实现步骤摘要】
一种全自动静脉穿刺识别一体机器人
本专利技术涉及静脉穿刺机器人领域，尤其是涉及一种全自动静脉穿刺识别一体机器人。
技术介绍
医护人员手动静脉穿刺准确率低且易产生医患交叉感染，自动静脉穿刺机器人因本身自动化程度高、穿刺准确的优点，是智慧医疗的一个新兴方向，但现存的静脉穿刺机器人存在控制精度低、体积庞大、模态单一等问题。中国专利CN109960285A公开了一种自动采血机器人，该机器人通过不同模块配合进行采血。但是该装置的整体体积庞大、模态单一，难以适应病床等小场景的应用场所，也无法对血管进行自动识别和采集，安全性差。中国专利CN110812577A公开了一种自动静脉穿刺装置，用于避免人工穿刺导致的各种问题。但是该装置模态单一，无法识别血管内部结构，如血管壁、血管腔、静脉瓣等，容易造成静脉瓣划伤、血管壁穿透等医疗事故。AlvinI.Chen等人在《deeplearningroboticguidanceforautonomousvascularaccess》文献中公开了一种静脉穿刺机器人，采用双目近红外配合超声识别患者前臂血管并进行穿刺控制。双目近红外识别患者前臂静脉网并建模耗费算力过大，计算时间长，难以实现实时性，且建模利用率低，仅靶血管三维信息为所需信息，且靶血管形态学信息会因超声探头压迫而变化，导致三维信息识别误差大。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种全自动静脉穿刺识别一体机器人。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种全自动静脉穿刺识别一体机器人，包括穿刺模块、图像获取模块和定位平台；所述的穿刺模块包括穿刺模块外壳、y轴旋转单元、x轴旋转单元、z轴旋转单元和穿刺头构件，所述y轴旋转单元和z轴旋转单元并排安装在穿刺模块外壳内，所述x轴旋转单元安装在y轴旋转单元的下方，并且连接z轴旋转单元，穿刺头构件连接x轴旋转单元；所述y轴旋转单元包括y轴电机和y轴轴承；穿刺模块外壳包括主体部和连接部，所述连接部为弓形，所述y轴电机的两端首先固定连接并穿过主体部，然后在主体部的外侧，y轴电机的两端通过y轴轴承和连接部的弓形两端相连，所述y轴电机的输出轴穿过一个y轴轴承后和连接部112固定，两个y轴轴承的中心连线即为y轴线，所述连接部的一侧连接定位平台；所述x轴旋转单元包括x轴转轴和x轴壳体，x轴转轴横向穿过x轴壳体的后端，所述穿刺头构件连接x轴壳体的前端，所述x轴转轴的轴线即为x轴线；所述z轴旋转单元包括z轴电机、z轴转轴、z轴轴承、蜗杆和涡轮，所述z轴电机安装在主体部上，所述z轴电机的下端连接z轴转轴，在z轴转轴上嵌套z轴轴承和蜗杆，所述z轴轴承的外圈连接主体部，所述蜗杆竖直连接涡轮，涡轮连接x轴转轴，z轴转轴的轴线即为z轴线；所述图像获取模块包括超声探头、图像直线电机和近红外摄像机，超声探头通过探头支架固定在图像直线电机的正面活动端上进行上下直线运动，所述近红外摄像机通过摄像头支架连接图像直线电机的背面静止端，并且摄像头支架还安装在定位平台上。进一步地，所述穿刺头构件包括步进电机、丝杠、第一轴承、直杆、丝杠座、止推板和注射单元，所述丝杠的后端连接步进电机，步进电机固定在x轴壳体内，所述丝杠的前端穿过丝杆座后通过第一轴承连接x轴壳体内部的管状通道，所述止推板连接x轴壳体的前端面内壁，并且通过两根平行的直杆连接丝杠座，所述止推板和丝杆座的下端连接注射单元。进一步地，所述注射单元包括进药片座、穿刺电机、进药推座和注射器夹具，所述药片座的顶端连接丝杠座止推板和丝杆座，所述注射器夹具安装在药片座的一端下方，穿刺电机安装在药片座的另一端下方，所述穿刺电机的输出轴穿过进药推座后通过轴承连接注射器夹具，所述进药推座和穿刺电机的输出轴丝杆连接，并且进药推座滑动连接药片座。进一步地，所述连接部的一侧设有横侧板，用于和定位平台进行连接。进一步地，所述的定位平台包括横梁单元和基座单元，所述横梁单元固定在基座单元上，包括互相平行的第一横梁直线电机与第二横梁直线电机，所述穿刺模块外壳连接第一横梁单元直线电机的活动端，所述摄像头支架连接第二横梁直线电机的活动端。进一步地，所述的基座单元包括底座、定位水平直线电机、定位安装架、竖直旋转电机、主动齿轮、从动齿轮和竖直转轴，所述水平直线电机安装在底座上，所述竖直转轴的下端固定连接水平直线电机的活动端，竖直转轴的上端穿过定位安装架转动连接，所述从动齿轮安装在竖直转轴上，所述竖直旋转电机固定在定位安装支架内，竖直旋转电机的输出端通过主动齿轮连接从动齿轮，所述定位安装架的顶端连接横梁单元。进一步地，所述基座单元还包括升降平台，所述升降平台设置在横梁单元和定位安装架的顶端之间。进一步地，所述的底板上设有放置手臂的缓冲垫。进一步地，所述从动齿轮直径大于主动齿轮的直径。进一步地，所述超声探头的底端为圆弧状接触头。进一步地，机器人中的近红外摄像机为单目近红外摄像机，其控制方法具体包括以下步骤：S1、单目近红外摄像机连续获取目标的二维近红外图像，经过图像神经网络对二维红外图像中识别的血管进行打分，将得分最高的静脉作为靶血管；S2、穿刺模块将穿刺头构件移动至到近红外摄像机的视场中，并且进行一次姿态变换，近红外摄像机获取穿刺头构件的穿刺针的变换前后姿态，对穿刺针的当前姿态进行刷新和校准；S3、图像获取模块将超声探头移动至靶血管的上方并且对靶血管进行压迫；S4、超声探头采集被压迫的靶血管的不同层截面图并且进行静脉血管三维重建；S5、穿刺模块根据三维血管模型对靶血管进行穿刺，在穿刺过程中近红外摄像机实时获取穿刺针的当前姿态，并且进行姿态刷新和校准。进一步地，所述步骤S1中，对二维红外图像中识别的静脉进行打分具体包括步骤：S11、利用基于SSD框架的图像神经网络对输入的二维近红外图像内的物品进行分类，得到分类标签，分类至少包括穿刺针、背景、手臂、直静脉和静脉分叉；S12、筛选出分类标签中的血管图像；S13、利用基于U-Net框架的图像分割算法对血管图像进行分割，得到血管分割图；S14、对血管分割图进行打分，血管分割图中血管上某一点p的打分采用合适程度Ψp表示：式中，ω1(Lv)为血管长度对应得分，Lv为血管分割图内血管长度，ω2(Wv)为血管宽度对应得分，Wv为血管分割图内血管平均宽度，ω1(Vv)为血管像素值对应得分，Vv为血管分割图内血管平均像素值，α1为p点像素值权重，为p点及其邻域平均像素值，Vi为p点及其相邻8个点像素值，α2为p点与血管质心距离权重，Dp为p点与血管质心距离，(up,vp)为p点的像素坐标，(uI,vI)为血管分割图内血管质心像素坐标，∑tipViui为血管分割图内所有像素点的像素值与该像素点的像素横坐标乘积的和，∑tipVivi为血管分割图内所有像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全自动静脉穿刺识别一体机器人，其特征在于，包括穿刺模块(1)、图像获取模块(2)和定位平台(3)；/n所述的穿刺模块(1)包括穿刺模块外壳(11)、y轴旋转单元(12)、x轴旋转单元(13)、z轴旋转单元(14)和穿刺头构件(15)，所述y轴旋转单元(12)和z轴旋转单元(14)并排安装在穿刺模块外壳(11)内，所述x轴旋转单元(13)安装在y轴旋转单元(12)的下方，并且连接z轴旋转单元(14)，穿刺头构件(15)连接x轴旋转单元(13)；/n所述y轴旋转单元(12)包括y轴电机(121)和y轴轴承(123)；穿刺模块外壳(11)包括主体部(111)和连接部(112)，所述连接部(112)为弓形，所述y轴电机(121)的两端首先固定连接并穿过主体部(111)，然后在主体部(111)的外侧，y轴电机(121)的两端通过y轴轴承(123)和连接部(112)的弓形两端相连，所述y轴电机(121)的输出轴穿过一个y轴轴承(123)后和连接部112固定，两个y轴轴承(123)的中心连线即为y轴线，所述连接部(112)的一侧连接定位平台(3)；/n所述x轴旋转单元(13)包括x轴转轴(131)和x轴壳体(132)，x轴转轴(131)横向穿过x轴壳体(132)的后端，所述穿刺头构件(15)连接x轴壳体(132)的前端，所述x轴转轴(131)的轴线即为x轴线；/n所述z轴旋转单元(14)包括z轴电机(141)、z轴转轴(142)、z轴轴承(143)、蜗杆(144)和涡轮(145)，所述z轴电机(141)安装在主体部(11)上，所述z轴电机(141)的下端连接z轴转轴(142)，在z轴转轴(142)上嵌套z轴轴承(143)和蜗杆(144)，所述z轴轴承(142)的外圈连接主体部(11)，所述蜗杆(144)竖直连接涡轮(145)，涡轮(145)连接x轴转轴(131)，z轴转轴(142)的轴线即为z轴线；/n所述图像获取模块(2)包括超声探头(21)、图像直线电机(22)和近红外摄像机(23)，超声探头(21)通过探头支架(24)固定在图像直线电机(22)的正面活动端上进行上下直线运动，所述近红外摄像机(23)通过摄像头支架(25)连接图像直线电机(22)的背面静止端，并且摄像头支架(25)还安装在定位平台(3)上。/n...

【技术特征摘要】
1.一种全自动静脉穿刺识别一体机器人，其特征在于，包括穿刺模块(1)、图像获取模块(2)和定位平台(3)；
所述的穿刺模块(1)包括穿刺模块外壳(11)、y轴旋转单元(12)、x轴旋转单元(13)、z轴旋转单元(14)和穿刺头构件(15)，所述y轴旋转单元(12)和z轴旋转单元(14)并排安装在穿刺模块外壳(11)内，所述x轴旋转单元(13)安装在y轴旋转单元(12)的下方，并且连接z轴旋转单元(14)，穿刺头构件(15)连接x轴旋转单元(13)；
所述y轴旋转单元(12)包括y轴电机(121)和y轴轴承(123)；穿刺模块外壳(11)包括主体部(111)和连接部(112)，所述连接部(112)为弓形，所述y轴电机(121)的两端首先固定连接并穿过主体部(111)，然后在主体部(111)的外侧，y轴电机(121)的两端通过y轴轴承(123)和连接部(112)的弓形两端相连，所述y轴电机(121)的输出轴穿过一个y轴轴承(123)后和连接部112固定，两个y轴轴承(123)的中心连线即为y轴线，所述连接部(112)的一侧连接定位平台(3)；
所述x轴旋转单元(13)包括x轴转轴(131)和x轴壳体(132)，x轴转轴(131)横向穿过x轴壳体(132)的后端，所述穿刺头构件(15)连接x轴壳体(132)的前端，所述x轴转轴(131)的轴线即为x轴线；
所述z轴旋转单元(14)包括z轴电机(141)、z轴转轴(142)、z轴轴承(143)、蜗杆(144)和涡轮(145)，所述z轴电机(141)安装在主体部(11)上，所述z轴电机(141)的下端连接z轴转轴(142)，在z轴转轴(142)上嵌套z轴轴承(143)和蜗杆(144)，所述z轴轴承(142)的外圈连接主体部(11)，所述蜗杆(144)竖直连接涡轮(145)，涡轮(145)连接x轴转轴(131)，z轴转轴(142)的轴线即为z轴线；
所述图像获取模块(2)包括超声探头(21)、图像直线电机(22)和近红外摄像机(23)，超声探头(21)通过探头支架(24)固定在图像直线电机(22)的正面活动端上进行上下直线运动，所述近红外摄像机(23)通过摄像头支架(25)连接图像直线电机(22)的背面静止端，并且摄像头支架(25)还安装在定位平台(3)上。


2.根据权利要求1所述的一种全自动静脉穿刺识别一体机器人，其特征在于，所述穿刺头构件(15)包括步进电机(151)、丝杠(152)、第一轴承(153)、直杆(154)、丝杠座(155)、止推板(156)和注射单元(157)，所述丝杠(152)的后端连接步进电机(151)，步进电机(151)固定在x轴壳体(132)内，所述丝杠(152)的前端穿过丝杆座(155)后通过第一轴承(153)连接x轴壳体(132)内部的管状通道，所述止推板(156)连接x轴壳体(132)的前端面内壁，并且通过两根平行的直杆(154)连接丝杠座(155)，所述止推板(156)和丝杆座(155)的下端连接注射单元(157)。


3.根据权利要求2所述的一种全自动静脉穿刺识别一体机器人，其特征在于，所述注射单元(157)包括进药片座(157a)、穿刺电机(157b)、进药推座(157c)和注射器夹具(157d)，所述药片座(157a)的顶端连接止推板(156)和丝杆座(155)，所述注射器夹具(157d)安装在药片座(157a)的一端下方，穿刺电机(157b)安装在药片座(157a)的另一端下方，所述穿刺电机(157b)的输出轴穿过进药推座(157c)后通过轴承连接注射器夹具(157d)，所述进药推座(157c)和穿刺电机(157b)的输出轴丝杆连接，并且进药推座(157c)滑动连接药片座(157a)。


4.根据权利要求1所述的一种全自动静脉穿刺识别一体机器人，其特征在于，所述的定位平台(3)包括横梁单元(31)和基座单元(32)，所述横梁单元(31)固定在基座单元(32)上，包括互相平行的第一横梁直线电机(311)与第二横梁直线电机(312)，所述穿刺模块外壳(11)连接第一横梁单元直线电机(311)的活动端，所述摄像头支架(25)连接第二横梁直线电机(312)的活动端。


5.根据权利要求1所述的一种全自动静脉穿刺识别一体机器人，其特征在于，所述的基座单元(32)包括底座(321)、定位水平直线电机(322)、定位安装架(323)、竖直旋转电机(324)、主动齿轮(325)、从动齿轮(326)和竖直转轴(327)，所述水平直线电机(322)安装在底座上(321)，所述竖直转轴(327)的下端固定连接水平直线电机(322)的活动端，竖直转轴(327)的上端穿过定位安装架(323并且和定位安装架(323)转动连接，所述从动齿轮(326)安装在竖直转轴(327)上，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐鹏，陈禹，曹旭，王宇轩，田智宇，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31