一种自动穿刺方法技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种自动穿刺方法。
背景技术
穿刺是医院中最常见的医疗行为之一，无论是扎针还是采血，目前一般都是由经
过专门培训的医护人员来承担。采血过程中，医护人员需核对医嘱并选择采血管，粘贴信息
条码，核对患者身份，告诉患者注意事项，准备穿刺用品之后，患者握拳，医护人员选择入针
点并执行穿刺，针头到达合适位置后进行采血，随后患者松拳，医护人员退针，取下采血管，
核对信息条码并将样品做好标记并放置在合适的位置处。整个过程比较繁琐，消耗了较多
医护人员的精力，占据了当前本来就比较紧张的医疗资源。
此外，医护人员需经过特殊训练才能较好地对合适血管进行识别，并较好地完成
执行推针动作。由此可知，穿刺效果和患者的疼痛感受容易受到该医护人员当前的技术水
平、工作经验和身心状态的影响，因此也有较大的波动性。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提供了一种自动穿刺方法，
方法由穿刺机器人执行，方法包括：
获取血管信息；
根据血管信息选择穿刺点并设置穿刺路径；
控制针头沿穿刺路径执行穿刺操作。
在本发明的一个实施例中，获取血管信息，包括：
采集血管的第一红外图像和第二红外图像；
根据第一红外图像和第二红外图像确定血管的三维信息。
在本发明的一个实施例中，根据第一红外图像和第二红外图像确定血管的三维信
息，包括：
对第一红外图像和第二红外图像进行灰度增强处理；
对第一红外图像和第二红外图像进行血管特征提取形成第一血管图像和第二血
管图像；
对第一血管图像和第二血光图像进行图形匹配处理以确定第一血管图像和第二
血光图像中的最优匹配的图像区域；
根据最优匹配的图像区域中对应像素点的视觉差计算血管深度以形成血管的三
维信息。
在本发明的一个实施例中，根据血管信息选择穿刺点，包括：
从血管的三维信息中根据血管的横向宽度及血管在一定长度范围内的平缓度选
择穿刺点。
在本发明的一个实施例中，设置穿刺路径，包括：
根据穿刺点位置及血管的三维信息将穿刺路径分为定位段、穿刺段、穿刺调整段
及平推段。
在本发明的一个实施例中，穿刺机器人为6轴机构的穿刺机器人，6轴机构包括X直
线轴机构、Y直线轴机构、Z直线轴机构、水平回转轴机构、垂直回转轴机构及推送轴机构；控
制针头沿穿刺路径执行穿刺操作，包括：
控制X直线轴机构、Y直线轴机构、Z直线轴机构、水平回转轴机构、垂直回转轴机构
将针头移动至穿刺点位置以完成定位段的运动；
控制推送轴机构沿直线将针头由穿刺点刺入血管并到达进入点以完成穿刺段的
运动；
控制推送轴机构和垂直回转轴机构将针头由进入点推送至平推点以完成穿刺调
整段的运动；
控制推送轴沿直线将针头由平推点推送至终点位置以完成平推段的运动。
在本发明的一个实施例中，控制推送轴机构和垂直回转轴机构将针头由进入点推
送至平推点以完成穿刺调整段的运动，包括：
控制推送轴机构沿直线方向将针头由进入点推送针头，并同步控制垂直回转轴机
构采用圆弧插补方式分段调整垂直方向的角度以逐次逼近至平推点位置以完成穿刺调整
段的运动。
在本发明的一个实施例中，控制垂直回转轴机构采用圆弧插补方式分段调整垂直
方向的角度以逐次逼近至平推点位置，包括：对针头的运动过程建立数学模型，采用运动学
正逆解算法及直线和点位插补算法，并在穿刺机器人的控制下，针头采用多线段微进给的
方式逼近平滑曲线的路径，以使针头按照类平滑曲线进行运动。
在本发明的一个实施例中，穿刺机器人包括力传感器和电阻抗传感器；在穿刺段，
控制针头沿穿刺路径穿刺操作，包括：
控制针头由穿刺点刺入皮肤并连续获取力传感器的力反馈数据及电阻抗传感器
的电阻抗反馈数据；
设置时间窗口，若时间窗口内出现力反馈数据的拐点和电阻抗反馈数据的拐点，
则确定针头刺入血管；
在确定针头刺入血管之后，按照预设路径继续推送针头至预设的进入点以完成穿
刺段的操作。
在本发明的一个实施例中，在获取血管信息之前，还包括：
扫描患者的条形码，条形码记录患者的身份信息；
识别患者的身份，并对穿刺用品和该患者的身份进行匹配性核对。采用本发明实
施例提供的方法执行穿刺过程，避免了医护人员因为穿刺水平导致的穿刺效果的波动性，
实现了穿刺的自动化，减轻了医护人员的工作负担，节省了人力。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知
道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考
附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念
地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种自动穿刺方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种双目红外成像分析流程图；
图3为本发明实施例提供的一种图像局部匹配算法流程图；
图4为本发明实施例提供的一种穿刺机构的六轴机械结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种力传感器和电阻抗传感器混合应用于穿刺过程的
试验数据示意图；
图6为本发明实施例提供的一种反馈力值随时间变化的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电阻抗值随时间变化的示意图；
图8为本发明实施例提供的一种时间窗口选取示意图；
图9为本发明实施例提供的另一种时间窗口选取示意图；
图10为本发明实施例提供的另一种自动穿刺方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明
的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
本发明实施例提出了一种自动穿刺方法，请参考图1，图1为本发明实施例提供的
一种自动穿刺方法的流程图，该方法由穿刺机器人执行，该方法具体包括：
S101、获取血管信息；
S102、根据血管信息选择穿刺点并设置穿刺路径；
S103、控制针头沿穿刺路径执行穿刺操作。
采用本发明实施例提供的方法执行穿刺过程，避免了医护人员因为穿刺水平导致
的穿刺效果的波动性，实现了穿刺的自动化，减轻了医护人员的工作负担，节省了人力。
进一步地，在上述实施例的基础上，获取血管信息，可以采用如下步骤：
采集血管的第一红外图像和第二红外图像；
根据第一红外图像和第二红外图像确定血管的三维信息。
进一步地，在上述实施例的基础上，根据第一红外图像和第二红外图像确定血管
的三维信息，具体可以为：
对第一红外图像和第二红外图像进行灰度增强处理；
对第一红外图像和第二红外图像进行血管特征提取形成第一血管图像和第二血
管图像；
对第一血管图像和第二血光图像进行图形匹配处理以确定第一血管图像和第二
血光图像中的最优匹配的图像区域；
根据最优匹配的图像区域中对应像素点的视觉差计算血管深度以形成血管的三
维信息。
优选地，可以采用双目红外相机拍摄患者的血管，接收并处理血管的两幅红外反
射图像——第一红外图像和第二红外图像，以获取患者血管的平面信息和深度信息。
双目红外成像分析获取血管的三维信息，具体可由双目立体视觉系统执行，执行
过程包括图像获取过程、摄像机立体标定过程、图像矫正过程、立体匹配过程及深度恢复过
程。具体地，请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种双目红外成像分析流程图，如图2，
该分析过程具体包括如下步骤：
(1)图像获取过程S201：图像获取通过模拟双目的方式，利用平行的两台摄像机对
左右眼图像进行获取。
(2)摄像机立体标定过程S202：通过图像特征点获取，建立摄像机的几何成像模
型。
在实际拍摄中，有的摄像头会产生畸变，且采集到的图像极线相交。为了降低后续
图像立体匹配的难度，我们需要得到两个摄像头的焦距、主点坐标、倾斜系数、畸变系数以
及它们之间的旋转矢量。优选地，利用摄像头拍摄的图像与实物间存在的线性关系，采用棋
盘格能够得到多个角点的位置，通过方程组得到摄像机的内外参数。
具体地，一种标定方式可以为：
a.使用左右摄像头采集同一时间下同一标定板图像，采集过程中，使标定图像处
于摄像头视野的中间位置；
b.分别读取摄像头图像对两个摄像头进行单独标定，采集多张标定图完成标定，
每个摄像头的标定结果单独储存；
c.将左右摄像头获取的文件输入至标定工具箱，进行立体标定。例如，该标定工具
箱可以是MATLAB软件的的标定工具箱。
(3)图像矫正过程S203：把实际中非共面行对准的两幅图像，校正成共面行对准的
图像。因为当两个图像平面是完全共面行对准时，计算立体视差是最简单的。
(4)立体匹配过程S204：通过算法对图像进行立体匹配，建立图像的立体模型。其
中，在可采用的一种匹配方法中，采用局部匹配算法求得初始视差图。当两个像素块反映同
一个场景时，这两个像素块的像素值就会匹配。最常见的图像块是边长为奇数的正方形，关
键点位置就是正方形的中心。可通过比较两个块内像素的匹配代价函数，来衡量两个正方
形图像块的相似度。
在本发明的一个实施例中，局部匹配算法采用如下方式：
对于两幅图像，一幅左图，一幅右图，XSC代表左图、右图的像素差，具体地，令：
其中，IL(X，Y)为左图在(X，Y)处的像素，IR(X，Y-d)为右图在(X，Y-d)处的像素，w为
窗口大小，即图像的比较范围。找到这个范围内XSC值最小的窗口，即找到了左边图像的最
佳匹配像素块。详细地，以上过程请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种图像局部匹配
算法流程图。
在本实施例中，窗口大小的范围是在[5，255]，优选地，选取在5×5至21×21之间
的边长为奇数的窗口。窗口设置越大，搜索范围也会越大。搜索范围可人为设定，本发明不
在此做限制。
在本发明的另一个实施例中，局部匹配算法采用如下方式：
其中，窗口大小为M*N，XSC(i，j)代表在(i,j)处的灰度值左右两幅图像之间的差
异大小，Si，j(s，t)是右图像在(i,j)处的灰度值，T(x,y)是左图像的灰度值；E(Si，j)为右图
像在(i,j)处的平均灰度值，E(T)为左图像的平均灰度值。找到这个范围内XSC(i，j)值最大
的窗口，即找到了左边图像的最佳匹配像素块。
(5)深度恢复过程S205：通过匹配结果，恢复图像的立体感，进而获取血管的三维
信息。
进一步地，在上述实施例的基础上，根据血管信息选择穿刺点，具体可以为：
从血管的三维信息中根据血管的横向宽度及血管在一定长度范围内的平缓度选
择穿刺点。选择合适的穿刺点是成功穿刺的重要因素之一，而血管的横向宽度、血管形状的
规则程度较大程度地影响了穿刺点的选取。
进一步地，在上述实施例的基础上，设置穿刺路径，具体可以是：根据穿刺点位置
及血管的三维信息将穿刺路径分为定位段、穿刺段、穿刺调整段及平推段。
进一步地，在上述实施例的基础上，穿刺机器人为6轴机构的穿刺机器人，6轴机构
包括X直线轴机构、Y直线轴机构、Z直线轴机构、水平回转轴机构、垂直回转轴机构及推送轴
机构，则控制针头沿穿刺路径执行穿刺操作具体可以是：
控制X直线轴机构、Y直线轴机构、Z直线轴机构、水平回转轴机构、垂直回转轴机构
将针头移动至穿刺点位置以完成定位段的运动；
控制推送轴机构沿直线将针头由穿刺点刺入血管并到达进入点以完成穿刺段的
运动；
控制推送轴机构和垂直回转轴机构将针头由进入点推送至平推点以完成穿刺调
整段的运动；
控制推送轴沿直线将针头由平推点推送至终点位置以完成平推段的运动。
具体地，请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种穿刺机构的六轴机械结构示
意图。对于六轴结构，即3个直线轴机构、2个回转轴机构及1个推送轴机构。
其中，直线轴机构包括X轴运动副X1,X2、X轴动力源XD、Y轴运动副Y1,Y2、Y轴动力
源YD、Z轴运动副Z1,Z2、Z轴动力源ZD，X轴动力源XD、Y轴动力源YD及Z轴动力源ZD分别控制X
轴运动副X1,X2、Y轴运动副Y1,Y2及Z轴运动副Z1,Z2运动。其中，X、Y、Z三直线轴分别表示空
间直角坐标系三坐标轴，用于定位针尖扎针点。
回转轴机构包括水平回转运动副U1,U2、水平回转动力源UD、俯仰回转运动副V1,
V2、俯仰回转动力源VD，水平回转动力源UD及俯仰回转动力源VD根据控制模块13的第二指
令分别控制水平回转运动副U1,U2及俯仰回转运动副V1,V2运动。水平调整回转轴用于调整
针头与待扎针血管走向之间的水平方向夹角；俯仰调整回转轴用于调整针头与待扎针血管
的竖直方向夹角。
推送轴机构包括直线运动副W1,W2、直线运动动力源WD，直线运动动力源WD根据控
制模块13的第三指令控制直线运动副W1,W2运动。推送直线轴用于完成针头穿刺与退出血
管动作。
具体地，Y直线轴由直线运动副与动力源YD构成，直线运动副构件Y1与基座JZ(即
基座11)固定连接，另一构件Y2与X直线轴构件X1连接，动力源YD与构件Y2直接或间接连接，
驱动Y2动作；
X直线轴同样由直线运动副与动力源XD构成，直线运动副构件X1与构件Y2连接，另
一构件X2与Z直线轴构件Z1连接，动力源XD与构件X2直接或间接连接，驱动X2动作；
Z直线轴由直线运动副与动力源ZD构成，直线运动副构件Z1与构件X2连接，另一构
件Z2与U回转轴构件U1连接，动力源ZD与构件Z2直接或间接连接，驱动Z2动作；
U回转轴由回转运动副与动力源UD构成，回转运动副构件U1与构件Z2连接，另一构
件U2与V回转轴构件V1连接，动力源UD与构件U2直接或间接连接，驱动U2动作；
V回转轴由回转运动副与动力源VD构成，回转运动副构件V1与构件U2连接，另一构
件V2与W直线轴构件W1连接，动力源VD与构件V2直接或间接连接，驱动V2动作；
W直线轴由直线运动副与动力源WD构成，直线运动副构件W1与构件V2连接，另一构
件W2与针头连接，动力源WD与构件W2直接或间接连接，驱动W2动作。
在上述实施例的基础上，控制推送轴机构和垂直回转轴机构将针头由进入点推送
至平推点以完成穿刺调整段的运动，具体可以为：
控制推送轴机构沿直线方向将针头由进入点推送针头，并同步控制垂直回转轴机
构采用圆弧插补方式分段调整垂直方向的角度以逐次逼近至平推点位置以完成穿刺调整
段的运动。
具体地，在上述实施例的基础上，控制垂直回转轴机构采用圆弧插补方式分段调
整垂直方向的角度以逐次逼近至平推点位置，具体为：对针头的运动过程建立数学模型，采
用运动学正逆解算法及直线和点位插补算法，并在穿刺机器人的控制下，针头采用多线段
微进给的方式逼近平滑曲线的路径，以使针头按照类平滑曲线进行运动。
进一步地，在上述实施例的基础上，穿刺机器人包括力传感器和电阻抗传感器；在
穿刺段，控制针头沿穿刺路径穿刺操作，具体可以为：
控制针头由穿刺点刺入皮肤并连续获取力传感器的力反馈数据及电阻抗传感器
的电阻抗反馈数据；
设置时间窗口，若时间窗口内出现力反馈数据的拐点和电阻抗反馈数据的拐点，
则确定针头刺入血管；
在确定针头刺入血管之后，按照预设路径继续推送针头至预设的进入点以完成穿
刺段的操作。
具体地，用力传感器实时监测穿刺针进入患者皮肤组织时所受阻力的大小，进而
判断穿刺针进入患者皮肤组织的深度。可利用一维，二维，三维或六维力传感器，测量针头
扎入表皮及皮下组织的不同组织结构时得到的实时反作用力反馈，进而判断出针头进入到
哪种组织结构，从而给进针深度控制提供依据，而且还可以有效地评价出针头是否弯曲以
及血管受力变形的程度，为安全扎针提供需要的监控信息。经过试验同样可以证实，在针头
刺破血管的一瞬间，力传感器测到的数值有个明显的突变。
还可采用电阻抗传感器，在穿刺针进入患者体内时，电阻抗传感器检测并反馈穿
刺针的针头处的电阻抗信息，控制器处理电阻抗信息以使运动执行机构调整穿刺角度及进
针速度。优选地，电阻抗传感器可以设置在穿刺针头处，具体的电阻抗传感器的设计是本领
域技术人员熟知的现有技术，本发明不在此做限制。请参见图5，图5是本发明实施例提供的
一种力传感器和电阻抗传感器混合应用于穿刺过程的试验数据示意图。
其中，力反馈数据的拐点和电阻抗反馈数据的拐点的确定方式为：
请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种反馈力值随时间变化的示意图。对力
反馈数据设置第一阈值，当在时间窗口中出现力反馈值的斜率变化超过第一阈值时，确定
当前的时间窗口存在力反馈数据的拐点；
请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种电阻抗值随时间变化的示意图。对电
阻抗数据设置第二阈值，当在时间窗口中出现电阻抗值的变化超过第二阈值时，确定当前
的时间窗口存在电阻抗反馈数据的拐点。
具体的，请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种时间窗口选取示意图。在第一
时间窗口内同时出现力反馈数据的拐点和电阻抗反馈数据的拐点时，确定第一时间窗口为
针头刺入血管的时间区间。
例如，设置t＝0.5s为第一时间窗口的大小，按照该时间窗口的大小捕获力反馈数
据的拐点和电阻抗反馈数据的拐点。当同一时间窗口中出现两个拐点时，则认为该时间窗
口为针头刺入血管的时间区域。
或者，请参见图9，图9为本发明实施例提供的另一种时间窗口选取示意图。在第一
时间窗口内出现力反馈数据的拐点且未出现电阻抗反馈数据的拐点时，记录第一窗口的时
间区间；
在第二时间窗口内出现电阻抗反馈数据的拐点时，记录第二时间窗口的时间区
间；
设置时间阈值，若第一时间窗口与第二时间窗口的时间差小于时间阈值，则由第
一时间窗口的起点为起点并由第二时间窗口的终点为终点形成第三时间窗口，确定第三时
间窗口为针头刺入皮肤或者刺入血管的时间区间。
例如，设置t＝0.1s为第一时间窗口和第二时间窗口的大小，按照该时间窗口的大
小捕获力反馈数据的拐点和电阻抗反馈数据的拐点。当在第一时间窗口中出现力反馈数据
的拐点且为出现电阻抗反馈数据的拐点时，记录第一时间窗口的时间区间。继续从后续的
时间窗口中截取反馈数据的拐点，当在第二时间窗口中出现电阻抗反馈数据的拐点时，记
录该第二时间窗口的时间区间，计算第一时间窗口与第二时间窗口的时间差(例如为
0.3s)，若未超过设定的时间阈值(例如0.5s)，则认为在以第一时间窗口的起点为起点，以
第二时间窗口的终点为终点形成的第三时间窗口的时间区间认为是针头刺入血管的时间
区间。
或者，在第一时间窗口内出现电阻抗反馈数据的拐点且未出现力反馈数据的拐点
时，记录第一窗口的时间区间；
在第二时间窗口内出现力反馈数据的拐点时，记录第二时间窗口的时间区间；
设置时间阈值，若第一时间窗口与第二时间窗口的时间差小于时间阈值，则由第
一时间窗口的起点为起点，并由第二时间窗口的终点为终点形成第三时间窗口，确定第三
时间窗口为针头刺入皮肤或者刺入血管的时间区间。
另外，该方法还可以用作对血管穿刺的异常报警，例如，由于手臂移动导致刺穿血
管等异常事件。具体地，该方法还可以包括：
在时间窗口内监测是否再次出现力反馈数据的拐点或电阻抗反馈数据的拐点，在
出现拐点时判定为针头刺穿血管并向发送报警信息。
本发明实施例，通过设置时间窗口，从时间窗口中判断力反馈数据和电阻抗数据
的拐点，从而准确确定发生针尖刺入皮肤或者刺入血管的时间以辅助刺穿设备的操作，确
保刺穿的准确性和安全性。
进一步地，在上述实施例的基础上，在获取血管信息之前，还可有如下步骤：
扫描患者的条形码，条形码记录患者的身份信息；
识别患者的身份，并对穿刺用品和该患者的身份进行匹配性核对；
进一步地，穿刺为采血操作，则针头远离患者之后，还可以执行如下步骤：
将患者的身份信息和患者的血样进行匹配标记，机械臂对患者的血样进行码放；
机械臂对穿刺用品进行更换，更换之后的穿刺用品与下一个患者的身份相匹配。
进一步地，穿刺机器人包括多媒体设备，相应地，在获取患者的血管信息之前或者
在针头远离患者之后，多媒体设备向患者播放语音或视频信息，语音或视频信息包括安抚
信息或穿刺常识，用于缓解患者的压力。
实施例二
请参考图10，图10为本发明实施例提供的另一种自动穿刺方法的流程图。
在S301中，机械人或自动机构通过传感器，快速识别核对患者信息，不出现漏检或
错误识别。
在S303中，语音及视频信息。自动及时的告知病人，对检查项目了解。
在S304中，由机械臂或机构自动实现采血器材的自动更换和准备
在S305中，利用单目监控和双目血管识别技术，在非接触下，对穿刺血管进行准确
的数字识别，将血管信息详细记录已备其他系统调用。
在S306中，通过单目视觉识别，压脉机构自动在穿刺点上方6cm处扎止血带
在S307中，按照无菌技术原则进行，利用视觉导航技术，引导机械臂对下针位置进
行二次消毒，范围优选为：5cm*5cm
在S308，利用双目血管识别和单目针头轨迹跟踪，以及力传感和电阻抗生物识别
技术，对血管和针头相互位置和触力进行监控，实时调整机械臂位姿，实现安全穿刺过程。
在S310中，同样利用双目血管识别，监控血管受力下的空间变形；同时力触觉及电
阻抗传感器信号作为安全碰撞及生物组织识别监控系统，一同作用在在S313中，全过程中；
最后导航自动规划机械臂运动轨迹，实现快速准确的退针动作；。
自动扫描条码和记录采血样本信息，在内存中记录，供外部调用。
采用本实施例的自动采血流程，更加全面的将辅助动作和穿刺执行流程都进行了
优化。穿刺动作更加自动化智能化。通过视觉，传感器技术，力触觉和电阻抗等生物识别技
术的融合应用，将传统人工经验介入的采血过程，变成一种“看的准，摸得到，安全可靠，可
重复执行，无需人工介入”自动安全采血过程。
综上，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施
例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人
员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内
容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。