自动静脉穿刺装置及控制系统研究

霍亮生，黎进远，王燕青，李岳峰

1 北京工商大学，材料与机械工程学院，北京市，100048

2 中国人民解放军第三〇七医院，北京市，100071

自动静脉穿刺装置及控制系统研究

【作 者】霍亮生1，黎进远1，王燕青2，李岳峰1

1 北京工商大学，材料与机械工程学院，北京市，100048

2 中国人民解放军第三〇七医院，北京市，100071

基于临床PICC（Peripherally Inserted Central Catheter）置管手术过程，提出了一套静脉穿刺装置及控制系统设计方案，该装置采用B超图像引导，通过微控制器，达到自动静脉穿刺置管目的。自动静脉穿刺装置采用双步进电机丝杠螺母传动装置，控针电机推动穿刺针和软管穿刺皮肤进入血管，置管电机推动软管到位并触发退针按钮，使针体退回针筒内。采用速度和加速度分段控制策略，在整个穿刺过程中设置多个关键控制点，再分别对各行程段进行控制，各段行程和速度根据不同静脉血管的深度和内径情况进行自动预选，从而达到快速精确控制进针和置管的目的。

静脉穿刺；PICC；B超引导；微型步进电机

0 引言

静脉穿刺是为了减轻病人反复穿刺的痛苦，便于长期输液的一种医学护理手段。静脉穿刺能有效避免浅静脉反复穿刺造成的痛苦，也能有效避免抗肿瘤药物对血管的破坏及药物外渗引起的局部组织坏死[1]。B超引导下的PICC技术，是近年来兴起的新型静脉穿刺置管术，它采用超声无创定位技术，对血管进行准确定位，在直视下进行静脉穿刺插管的方法。超声下穿刺部位的动脉、静脉、神经及周围组织显示清晰，穿刺时在 B 超下可以制定穿刺针的方向、角度和进针深度，让穿刺变得直观、准确、针对性强，既可避免穿剌时误入动脉、刺穿血管或误伤周围组织等弊端，又可提高一次穿刺的成功率，防止血肿、气胸等不良症状的发生，减少穿刺次数及置管并发症的发生。

然而，要成为一名成功的PICC置管者，不仅需要掌握学习血管超声成像原理、了解超声下动静脉的特征及条件评估、如何测量血管内径、评估进针方式等专业知识，还需要进行针对性训练，掌握手眼协调的方法，特别是掌握超声下进针过程的判断，才能保证操作成功。由于培养周期长，条件严格，导致国内优秀的PICC置管者并不多，供不应求。同时在重大灾害或军事救援中，人在动态环境下完全依靠手动很难完成穿刺，在这种紧急状态中一次穿刺成功率很低，因此对该技术也提出了更高的要求。针对这些情况，本文设计了一种轻便简易的穿刺引导装置，采用B超图像引导，通过微型系统控制，达到自动静脉穿刺置管的效果[3]。

该装置的特点如下：①根据静脉血管B超图像自动完成进针、置管和退针动作；②刺穿引导架与B超探头灵活结合，方便拆卸与安装；③该装置除电机外，绝大部分构件是采用聚乙烯材料加工而成，不仅强度高，而且体积小（240 mm×80 mm×60 mm），质量轻，手持舒适度好；④系统通过B超图像引导，定位精度高；⑤由原来的双手操作改为可单手操作，对操作者的经验要求降低，而且能适应一定的动态环境；⑥造价相对机器人医疗系统便宜得多。

1 系统总体方案设计

1.1 系统总体方案

本文基于模块化设计方法和系统使用的功能性要求设计了自动静脉穿刺装置的总体方案，如图 1 所示。该系统由穿刺机械本体和控制系统两大部分组成。机械本体主要包括自动穿刺装置、定位支撑架和B超探头。自动穿刺装置包括控针电机、置管电机、穿刺引导架等其他连接零部件。

图1 系统总体框图Fig.1 The block diagram of the system

自动静脉穿刺装置采用双电机丝杠螺母传动方式，控针电机推动穿刺针和软管穿刺皮肤进入血管，置管电机推动软管到位并触发退针按钮，使针体退回针筒内。

1.2 系统工作原理

操作者手持自动穿刺装置，移动B超探头找准靶血管位置，定位好装置姿势。图像处理器根据B超主机传回的图像数据，计算靶血管的深度和内径，控制器STM32F411根据该位置信号自动计算PWM脉冲数，并选定速度与加速度，经过智能步进电机驱动芯片L6470 分别控制控针电机和置管电机有序运动。控针电机驱动针体，使钢针和PICC导管均穿刺皮肤，在准确到达靶血管中心位置后，控针电机停止运动，然后置管电机推进导管继续深入血管一段距离；在导管进入血管设定长度后，置管电机停止运动，同时触发退针按钮，导管与针体自动分离，钢针安全退回针筒内，导管留置血管内；最后控针电机驱动针体后退，回到原点停止。

2 穿刺装置

2.1 电机的选型

在装置的设计中，进针电机的负载主要来源于穿刺皮肤的阻力、针体与其导向内筒的摩擦力以及丝杠螺母副传动摩擦阻力等。针体的质量约为20 g，针体与导向内筒的阻尼系数为0.3，故摩擦阻力为0.006 N。穿刺针在穿刺皮肤的过程中所受的阻力比较复杂，整个穿刺过程可以分为以下三个阶段：刺破皮肤前、刺破皮肤后、进入血管后。在整个过程中受到的阻力主要是刚性力、摩擦力和切割力，针体在皮肤和血管等不同的组织及不同的阶段受到的力也不相同，这三个力属于非线性力；同时，穿刺阻力还与针的穿刺速度有关，由于穿刺速度不同，步进电机输出转矩不同，所受到的阻力也不相同[4]。

在保证控制精度的前提下，为了硬件系统尽可能轻便简单，系统采用直线运动实现自动穿刺，要实现传动平稳，定位精度高，便于控制，最终选定自带丝杠滑台的微型电机作为控针电机。该步进电机基本参数为：2相4线制，驱动参数为（4～9 ）V/（100～500） mA， 丝杆长度为90 mm，滑块行程为80 mm，电机直径为15 mm，丝杆直径为3 mm，丝杆螺距为0.5 mm，步距角为18o。同样，通过查询资料和计算，最终选择单头微型螺杆步进电机作为置管电机。其参数如下：2相4线制，驱动参数为5 V/100～500 mA ，丝杆长度为55 mm ，电机直径为10 mm，丝杆螺距为1.2 mm，步距角为18o。

2.2 穿刺装置的结构

根据选定的驱动电机型号和尺寸，结合装置需要实现的动作流程，设计如图2所示的穿刺装置装配示意图。

图2 穿刺装置装配示意图Fig.2 The assembly diagram of puncture device

2.3 探头与穿刺装置的安装方式

根据超声平面与穿刺针的位置关系，可分为平面内技术和平面外技术。所谓平面内技术，是指针与探头在同一平面内，穿刺过程中可全程观察到针的穿刺路径，也就是我们通常所说的纵切面，如图3所示。平面外技术，是指针的方向与探头垂直，看到的图像是我们通常所说的横断面，如图4所示。图3和图4中，上图表示调整探头，下图表示超声屏幕图像，Art表示动脉，Vn表示静脉，P表示探头，US表示超声波束平面，a表示穿刺针进入静脉，b为穿刺针与超声平面交叉，c为穿刺针穿过静脉[5]。

图3 平面内Fig.3 In-plane

图4 平面外Fig.4 Out-of-plane

图5 定位支撑架示意图Fig.5 The sketch of positioning support frame

2.4 定位支撑架

由于纵轴位置时，探头与针体相对的正面面积小，而且曲面曲率变化大、不规则，穿刺装置的安装难度大；同时纵轴位置时需要针体与超声波束在同一平面内，而在穿刺过程中针和血管都会产生挤压变形，这一点很难得到保证。综合考虑，采取有大平面的平面外技术，也就是采用横轴安装方式。根据探头的特点和操作者的手持习惯，设计一种有空心三角结构的定位支撑架用于穿刺装置与探头的固定安装。图5为定位支撑架示意图。

以B超探头模型作为模具，运用聚乙烯热成型技术做成的底面套模，不仅质量轻、强度高，而且与探头结合稳固，操作者手持的舒适度也大大提高。同时在底面套模上加工基准平面，通过垫块的调节作用，这样可保证探头与针体的定位精度。

3 运动控制方案

3.1 速度控制策略

图6为静脉血管在B超中的显示图像，通过对图像的灰度值进行处理，可以计算出血管的半径r、血管中心距离皮肤的深度h等重要位置信息。图中圆圈为经过图像处理标示出的血管范围，中心亮点即为穿刺针尖在血管中的显影。大量采集静脉血管B超图像，计算相应的r和h值，形成血管图像数据库。通过采集中国人民解放军第307医院73例静脉穿刺成功的血管B超图像，计算出73组数据中，静脉血管半径的最小值为1.23 mm，最大值为3.22 mm，平均值为2.06 mm；静脉血管中心距离皮肤的深度最小值为3.06 mm，最大值为14.21 mm，平均值为8.51 mm。为了安全考虑，根据数据将进针的深度许可范围设为（5.95～10.91） mm，将进针的血管半径许可范围设为（1.57～2.65） mm。

图6 静脉血管B超中的显示图像Fig.6 The display image of venous ultrasound

图7 进针过程与速度控制对比图Fig.7 The block diagram of the system

在安全进针的前提下，为了保证能够精确控制进针的距离和为了减轻患者痛苦而减少针刺破皮肤的时间，根据穿刺针的整个进针情况设置6个关键控制点，如图7进针过程与速度控制对比图中的O、E、B、F、C和D点表示的是控制进针速度的关键转折点。通过这6个控制点将整个进针过程分为5个控制段，每一个控制段（图7中的1、2、3、4、5段）都是针尖原点距离皮肤高度h、血管中心深度d、血管半径r三个变量的函数。给定一组数值，就可以确定每段的进针距离，再根据步进电机的脉冲当量，就可以计算出每段需要的脉冲数。对所选的步进电机，为了提高控制精度，采取细分驱动的方法细分步距角，通过PWM脉宽调制，改变PWM周期来调整电机转速。

3.2 速度控制程序设计

控制系统采用ST公司STM32F411 MCU，是64脚封装。该单片机拥有100 MHz CPU频率，工作电压为（1.7～3.6）V，低功耗、低价格、高性能[6]。

由于控制对象只有步进电机，为简化程序开发难度，故采用PWM调频调宽法控制电机转速，在给定PWM占空比的情况下，只改变PWM脉冲周期进行调速，STM32F411通过SPI接口访问或改写L6470内部寄存器对步进电机加速、减速和停止进行控制。

4 实验验证

为了程序的调试方便，编写了上位机程序调试界面，每给定一组d、h、r数值就可以计算出各控制段所需要的脉冲数和总行程脉冲数，从而精确控制进针距离。在调试界面只需要给出总行程所需的脉冲数，程序会自动分配各控制段所需的脉冲数，通过“进针”、“退针”及“进针测速”等按钮进行对装置进行调试和检测。图8为上位机程序调试界面，图9为调试平台实物图。

图8 上位机程序调试界面Fig.8 The PC debugging interface

本实验测试中，B超探头模型以及导针卡槽是唯一的，所以d值也是恒定的。通过采集不同的静脉血管B超图像，计算出每张图像中血管的深度h和半径r，上位机根据由这两个参数所给定的进针路程（脉冲数）和置管路程（脉冲数），应用上述速度分段控制策略，自动进行进针和退针的速度控制。为了安全考虑，衡量该装置系统可行性的一个标准是：控针电机的理论行程和实际行程误差范围是-r/3～+r/3，置管电机的理论行程与实际行程误差范围是-r/2～+r/2。在可适用范围内，给定30组不同的血管半径和血管深度值，应用上位机程序进行调试，分别计算和测试控针电机和置管电机的理论行程和实际行程，实验测试结果为：控针电机误差最小值为-r/4，最大值为r/6；置管电机误差最小值为-r/3，最大值为r/5。实验结果都满足要求，均在误差允许范围内。

图9 调试平台实物图Fig.9 The practicality picture of debugging platform

5 结论

本文所述自动穿刺装置以STM32F411为核心，通过模块化设计方法，实现了进针和退针动作的自动控制，完成了整个预期的动作流程；能够通过B超图像引导，实现对靶血管的准确定位；在进针和置管测试实验中，两个电机的实际行程均比理论值偏小，说明针体在血管模型行进的摩擦阻力比理论预设值要大，可能导致电机减速过程中丢步，但均在误差安全允许范围内，证明本文设计的自动穿刺装置能够准确地实现自动进针功能，稳定性良好。

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[5] 郑雪艳, 华茂, 潘亚萍, 等. 彩超引导行上臂PICC穿刺的护理研究[J]. 包头医学院学报, 2011, 5(4): 45-60.

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Study on Automatic Venipuncture Device and Control system

【Key words 】HUO Liangsheng1, LI Jinyuan1, WANG Yanqing2, LI Yuefeng1
1 Beijing Technology and Business University, School of Materials and Mechanical Engineering, Beijing, 100048
2 The 307th Hospital of Chinese People’s Liberation Army, Beijing, 100071

venipuncture, PICC, Ultrasound guided, micro-step motor

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.012

1671-7104(2017)03-0200-04

2017-02-22

中国人民解放军第三〇七医院（横向课题）

霍亮生，E-mail：huols@th.btbu.edu.cn

【 Abstract 】According to clinical PICC（Peripherally Inserted Central Catheter）catheter surgery, this project introduces a new scheme for vein puncturing device and its controlling system. This device adopts ultrasonic image guided by the microcontroller, to achieve automatic venous catheterization. This kind of automatic vein puncture device adopts double stepping motors and screws as its transmission. One motor drives the needle and the hose to puncture into vein through skin. The other one drives the hose to speci fi ed location, then triggers withdrawal button and then the needle withdraws back into its cylinder. Several key points were set in the process of puncturing, the velocity period and the acceleration period can be preselected respectively. Moving distance and velocity of the needle in vein puncturing were setup automatically according to diameter and depth of the vein, achieving controlling puncturing and placing hose accurately.