【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及医疗穿刺设备，特别是指一种基于超声引导的穿刺辅助装置及其穿刺方法。
技术介绍
1、超声引导穿刺是临床应用的有效辅助手段，但是实际使用时穿刺针的显影效果不稳定，主要原因在于以下两个方面。
2、一是穿刺针与入射声波角度的影响：由于穿刺针表面是光滑的，会对入射声波产生镜面反射，穿刺针角度越倾斜，能够回到探头的声波越少，穿刺针越不容易显影。为了解决该问题，现有技术中出现了各种穿刺针显示增强技术，如阵列探头技术、图像叠加技术、智能跟随技术等。但是，无论采用何种技术手段，要实现穿刺针显示增强的前提是：穿刺针必须始终位于超声切面内。
3、二是穿刺针和超声切面不重合的影响：按照穿刺针与超声切面的关系，可分为平面内法和平面外法。平面内法指进针平面和超声切面是同一个平面，进针时超声可以显示整个针体行进；平面外指进针平面和超声切面垂直或呈较大角度，超声只能显示针体的断面。平面内法和平面外法都是必要的操作方法，两者各有优劣，不同情况选择不同的方法，或者互为补充。
4、如超声引导下血管穿刺按照血管切面分可分为长轴和短轴，长轴指的是超声图像显示的是血管的纵切面，而短轴指的是显示的是血管横切面。一般而言，长轴一般是平面内法，短轴一般是平面外法。在实际的应用中，长轴平面内法的不足主要是部分容积效应的影响，同时，即使超声探头与穿刺针之间的角度发生轻微变化，针就会偏出超声切面；而短轴平面外法的不足主要是穿刺针整体无法全部显示，在针头进入超声切面前无法获知穿刺针的位置和方向，更无需说穿刺针相对超声探头发生位置、角度变
5、因此，为了提升穿刺针相对超声切面的精度关系，现有技术中出现了各种穿刺针定位技术：固定式穿刺支架、可调式穿刺支架、机器视觉导航穿刺支架等。
6、如申请公布日为2021.10.22、申请公布号为cn 113520546 a的中国专利技术专利申请所公开的超声波引导穿刺辅助支架及超声波引导穿刺装置，提供了一种固定式穿刺支架，设置探头架和针架，使用时，将超声波探头安装至探头架，将穿刺针安装至针架，便可通过移动辅助架来同步移动超声波探头和穿刺针。并且，穿刺针通过安装座活动安装于针架上，超声波探头与针架之间留有供穿刺针的针头穿出的穿刺空位，通过移动支撑座能够调整穿刺针相对穿刺空位的前后位置，通过移动安装座能够调整穿刺针相对穿刺空位的上下位置，从而调整穿刺针的针头的具体穿刺位点。
7、上述技术方案将探头架和针架固定连接，虽然在一定程度上保证了穿刺针与超声切面不会发生相对位移，但是在支撑座前后移动及安装座上下移动时，穿刺针与超声切面的位置仍然会发生变化，既无法从超声图像中看到进针位置和进针方向，又无法从刻度尺上获知穿刺针与目标穿刺点的相对位置和方向。同时，由于超声波探头和穿刺针同步移动，在移动超声波探头寻找目标穿刺点时，穿刺针也发生了同步位移，且穿刺针无法左右位移，超声波探头寻找到目标穿刺点时，难以保证穿刺针在左右方向上刚好正对目标穿刺点，仍需借助医生的手术经验对穿刺针的进针位置和角度进行预先规划。
8、为了改善上述固定式穿刺支架的弊端，授权公告日为2022.05.27、授权公告号为cn 216600 u的中国技术专利公开一种可移动穿刺架及超声穿刺设备，是一种可调式穿刺支架，包括：固定支架，可拆卸地设置在超声波探头上；滑动组件；移动支架，通过所述滑动组件与所述固定支架滑动连接，所述移动支架设有多个用于引导穿刺针穿刺的导向孔。该技术方案虽然增加了自由度，但是在显影之前仍无法确定穿刺针与目标穿刺点的相对位置和方向，仍需借助医生的手术经验对穿刺针的进针位置和角度进行预先规划，只能在进针的过程中凭经验调整左右位置。
9、而且在实际的临床应用中，多数医生不愿上述使用固定式穿刺支架、也不愿使用上述可调式穿刺支架，原因主要包括三点：一方面虽然穿刺针的角度相对于超声波探头固定了，但是导致操作非常不灵活，进针后，即使从显像设备上看到进针方向和目标穿刺点位发生了偏离，也没办法调整角度，医生只能把针退出，重来一次；另一方面，在神经阻滞中，需要在神经周围注射麻药，需要对针刺入的角度进行调整，而该穿刺架无法满足使用需求；另一方面，无论是移动支架和固定支架的相对位置关系，还是探头架和针架固定连接的相对位置关系，都限定了只能用于平面外的进针方式，这不仅限定了其应用范围，也说明了在针头进入超声切面前无法获知其位置和方向，仅仅是依靠外部刻度、人眼观察等方式来调节相对位置关系，并不能对穿刺过程进行可靠的导航。
10、而机器视觉导航穿刺支架主要是利用两个摄像头对穿刺针进行定位，即通过摄像头的视差来计算穿刺针相对于超声切面的空间位置。但是与上述固定式穿刺支架、可调式穿刺支架原理相同，都是对穿刺针的外露部分进行观察，是一种间接式判断方式，而且需要将两个摄像头安装在超声探头的手柄位置，不仅医生手持超声探头困难，而且在操作过程中还要时刻注意避免遮挡摄像头，另外，超声探头加装消毒套后难以标定机器视觉与超声探头的坐标。
11、需要特别说明的是，上述技术信息仅仅旨在加深对本专利技术的总体
技术介绍
的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示上述技术信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
1、针对上述
技术介绍
中的不足，本专利技术提出一种基于超声引导的穿刺辅助装置及其穿刺方法，解决了现有超声引导穿刺装置显影稳定性差且适用范围小的技术问题。
2、本申请的技术方案为：
3、一种基于超声引导的穿刺辅助装置，包括与超声探头相连的环形固定架，环形固定架通过多自由度机械臂连接有对穿刺针进行导向的导向架，多自由度机械臂的各个自由度上均设置有位置传感器，所述超声探头内置有磁敏材料组成的磁导航传感器阵列，穿刺针经过磁化器磁化后放入所述导向架，所述超声探头、磁导航传感器阵列、位置传感器均与处理模块、控制模块相连，处理模块连接有显示超声图像、传感器定位穿刺针位置图像及磁追踪穿刺针位置图像的显示模块。
4、作为一种优选的实施方式，所述多自由度机械臂包括通过平移机构围绕环形固定架移动的活动基座，活动基座连接有伸缩杆，伸缩杆通过第一旋转机构铰接所述导向架，导向架内设置有穿刺针驱动机构，所述平移机构、伸缩杆、第一旋转机构、穿刺针驱动机构均连接有位置传感器。
5、作为一种优选的实施方式，所述平移机构、伸缩杆、第一旋转机构、穿刺针驱动机构连接有与控制模块相连的驱动单元，所述驱动单元通过所述位置传感器、处理模块反馈至控制模块的信息实时控制所述穿刺针的位置及角度变化。
6、作为一种优选的实施方式，所述活动基座通过第二旋转机构与伸缩杆铰接相连，所述第二旋转机构也设置有与处理模块、驱动单元相连的位置传感器。
7、作为一种优选的实施方式，所述位置传感器包括检测平移机构行走部位置的第一位移传感器、检测第一旋转机构旋转角度的第一角度传感器、检测第二旋转机构旋转角度的第二角度传感器、检测伸缩杆伸缩位置的第二位移传感器、检测穿本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：包括与超声探头（1）相连的环形固定架（2），环形固定架（2）通过多自由度机械臂连接有对穿刺针（9）进行导向的导向架（7），多自由度机械臂的各个自由度上均设置有位置传感器，所述超声探头（1）内置有磁敏材料组成的磁导航传感器阵列，穿刺针（9）经过磁化器磁化后放入所述导向架（7），所述超声探头（1）、磁导航传感器阵列、位置传感器均与处理模块、控制模块相连，处理模块连接有显示超声图像、传感器定位穿刺针位置图像及磁追踪穿刺针位置图像的显示模块。
2.根据权利要求1所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述多自由度机械臂包括通过平移机构（3）围绕环形固定架（2）移动的活动基座（4），活动基座（4）连接有伸缩杆（5），伸缩杆（5）通过第一旋转机构（6）铰接所述导向架（7），导向架（7）内设置有穿刺针驱动机构（8），所述平移机构（3）、伸缩杆（5）、第一旋转机构（6）、穿刺针驱动机构（8）均连接有位置传感器。
3.根据权利要求2所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述平移机构（3）、伸缩杆（5）、第一旋转机
4.根据权利要求3所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述活动基座（4）通过第二旋转机构（10）与伸缩杆（5）铰接相连，所述第二旋转机构（10）也设置有与处理模块、驱动单元相连的位置传感器。
5.根据权利要求4所述的基于超声波引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述位置传感器包括检测平移机构（3）行走部位置的第一位移传感器、检测第一旋转机构（6）旋转角度的第一角度传感器、检测第二旋转机构（10）旋转角度的第二角度传感器、检测伸缩杆（5）伸缩位置的第二位移传感器、检测穿刺针驱动机构（8）行程的第三位移传感器。
6.根据权利要求2-5任一项所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述平移机构（3）包括设置在环形固定架（2）上的驱动轮和从动轮，所述驱动轮和从动轮之间通过传动带相连，所述活动基座（4）与传动带固定连接，所述驱动轮通过微型伺服电机驱动。
7.根据权利要求2-5任一项所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述平移机构（3）包括通过电磁换向阀与微型计量泵相连的环形液压管（311），环形液压管（311）内设置带有磁性部的活塞（312），所述活动基座（4）包括与所述活塞（312）磁性相吸的金属滑块（411），金属滑块（411）与环形液压管（311）之间单自由度滑动配合，金属滑块（411）的两侧设置有屏蔽磁场的柔性屏蔽罩（412）。
8.根据权利要求4或5所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述第一旋转机构（6）和/或第二旋转机构（10）为手动驱动的铰接机构或电动驱动的铰接机构，所述伸缩杆（5）为手动驱动的伸缩机构或电动驱动的伸缩机构。
9.根据权利要求8所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述穿刺针驱动机构（8）包括轴向方向与导向架（7）的导向孔（701）垂直的驱动辊（801）和从动辊（802），驱动辊（801）与从动辊（802）平行设置且间隙可调，驱动辊（801）通过微型步进电机驱动。
10.一种基于超声引导的穿刺方法，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，先将穿刺针（9）放入磁化器磁化，然后将穿刺针（9）放入导向架（7）；当选择自动校调模式时：移动所述超声探头（1），所述超声探头（1）自动扫描并通过处理模块将超声切面内的图像显示在显示模块内，当超声切面内显示出穿刺目标物后，控制模块根据超声探头（1）的扫描结果控制对应的驱动单元启动，驱动单元分别控制平移机构（3）、第二旋转机构（10）、伸缩杆（5）、第一旋转机构（6）动作，直至穿刺针（9）的方向与穿刺目标物相对，且穿刺针（9）所在的平面垂直于超声切面或位于超声切面内；在上述过程进行的同时，磁导航传感器阵列实时追踪穿刺针（9）的位置并将磁追踪穿刺针位置图像显示在超声图像内，处理模块根据各个位置传感器反馈的参数实时追踪穿刺针（9）的位置并将传感器定位穿刺针位置图像显示在超声图像内，当处理模块检测到传感器定位穿刺针位置图像与磁追踪穿刺针位置图像之间的偏差超出阈值范围时，控制模块通过驱动单元自动校调平移机构（3）、第二旋转机构（10）、伸缩杆（5）、第一旋转机构（6）中的任意一个或几个自由度，直至传感器定位穿刺针位置图像与磁追踪穿刺针位置图像之间的偏差处于阈值范围内；然后控制模块根据处理...
【技术特征摘要】
1.一种基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：包括与超声探头（1）相连的环形固定架（2），环形固定架（2）通过多自由度机械臂连接有对穿刺针（9）进行导向的导向架（7），多自由度机械臂的各个自由度上均设置有位置传感器，所述超声探头（1）内置有磁敏材料组成的磁导航传感器阵列，穿刺针（9）经过磁化器磁化后放入所述导向架（7），所述超声探头（1）、磁导航传感器阵列、位置传感器均与处理模块、控制模块相连，处理模块连接有显示超声图像、传感器定位穿刺针位置图像及磁追踪穿刺针位置图像的显示模块。
2.根据权利要求1所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述多自由度机械臂包括通过平移机构（3）围绕环形固定架（2）移动的活动基座（4），活动基座（4）连接有伸缩杆（5），伸缩杆（5）通过第一旋转机构（6）铰接所述导向架（7），导向架（7）内设置有穿刺针驱动机构（8），所述平移机构（3）、伸缩杆（5）、第一旋转机构（6）、穿刺针驱动机构（8）均连接有位置传感器。
3.根据权利要求2所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述平移机构（3）、伸缩杆（5）、第一旋转机构（6）、穿刺针驱动机构（8）连接有与控制模块相连的驱动单元，所述驱动单元通过所述位置传感器、处理模块反馈至控制模块的信息实时控制所述穿刺针（9）的位置及角度变化。
4.根据权利要求3所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述活动基座（4）通过第二旋转机构（10）与伸缩杆（5）铰接相连，所述第二旋转机构（10）也设置有与处理模块、驱动单元相连的位置传感器。
5.根据权利要求4所述的基于超声波引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述位置传感器包括检测平移机构（3）行走部位置的第一位移传感器、检测第一旋转机构（6）旋转角度的第一角度传感器、检测第二旋转机构（10）旋转角度的第二角度传感器、检测伸缩杆（5）伸缩位置的第二位移传感器、检测穿刺针驱动机构（8）行程的第三位移传感器。
6.根据权利要求2-5任一项所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述平移机构（3）包括设置在环形固定架（2）上的驱动轮和从动轮，所述驱动轮和从动轮之间通过传动带相连，所述活动基座（4）与传动带固定连接，所述驱动轮通过微型伺服电机驱动。
7.根据权利要求2-5任一项所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述平移机构（3）包括通过电磁换向阀与微型计量泵相连的环形液压管（311），环形液压管（311）内设置带有磁性部的活塞（312），所述活动基座（4）包括与所述活塞（312）磁性相吸的金属滑块（411），金属滑块（411）与环形液压管（311）之间单自由度滑动配合，金属滑块（411）的两侧设置有屏蔽磁场的柔性屏蔽罩（412）。
8.根据权利要求4或5所述的基于超声引导的穿刺辅助装置，其特征在于：所述第一旋转机构（6）和/或第二旋转机构（10）为手动驱动的铰接机构或电动驱动的铰接机构，所述伸缩杆（5）为手动...
【专利技术属性】
技术研发人员：王肖辉，周霖，郑天元，薛连平，贾清泉，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：
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