一種自動靜脈穿刺器的設計與應用*

張鵬飛 張 硌 張 鵬* 王燕青

在臨床工作中，靜脈穿刺是一項重要的介入式治療方法，早期靜脈穿刺完全依賴醫護人員的經驗，隨后的圖像處理技術的發展為可視化引導下的人工穿刺奠定了基礎，如高速投影式血管顯像儀和塞丁格穿刺法[1-2]。高速投影式血管顯像儀為醫護人員提供了穿刺靜脈血管的平面圖，但仍需護士徒手實施靜脈穿刺，且護士對穿刺深度難以控制。而塞丁格穿刺法，雖可將PICC管送入中心靜脈，解決長期輸液患者靜脈穿刺的問題。然而，高速投影式血管顯像儀和塞丁格穿刺法穿刺操作程序繁瑣，耗費時間較長，患者血栓發病率高，無法解決普通輸液和搶救所需的靜脈穿刺成功的要求。

為解決護士穿刺手法穩定性的問題，逐步提出的半自動靜脈穿刺儀和全自動靜脈穿刺的研究[3-4]。全自動靜脈穿刺系統尚未研制出樣機，且該系統實現靜脈穿刺需多種儀器共同完成，體積龐大不能便攜。而自動靜脈穿刺機器人是在血管彎曲時，可實時調整進針角度用于抽血[5]。機器人Veebot[6]可通過紅外線找到血管，超聲檢驗血管后校準針頭刺入血管，其精準度達83%。但該儀器體積龐大，機器不能做到無菌性操作，成功率低。目前，國內外尚無應用留置針進行穿刺輸液的全自動的靜脈穿刺儀器。因此，本研究時機研制一種自動靜脈穿刺器，可應用于野外、夜晚、戰場、自然災害等特殊環境中。

1 自動靜脈穿刺器的設計方案

本研究設計的自動靜脈穿刺器是利用B超識別靜脈血管后，將數據傳送至圖像采集系統，圖像采集系統將采集到的靜脈血管深度、直徑及所用導向塊角度等信息計算出進針長度并轉換為進針脈沖數，用串行接口傳輸至進針控制器，控制器根據初始位置，計算出刺入皮膚的距離進行加速度控制并以最快速度刺入皮膚，之后以慢速控制針頭刺入血管的2/3處，停止并推送留置針進入血管，連接輸液接頭，并給予沖管，貼敷料固定，完成靜脈穿刺，從而進行輸液給藥。

1.1 自動靜脈穿刺器的結構

本研究研制的自動靜脈穿刺器是一種簡易化、自動化的儀器，其能夠準確、快速地識別目標血管，進行靜脈穿刺[7]。自動靜脈穿刺器由簡易B超機、圖像采集系統和驅動系統三部分組成。但為了實現儀器的便攜和小型化，本研究將B超機與圖像采集系統進行了集成，因此，該儀器主要由圖像采集系統和驅動系統兩部分組成。

1.2 圖像采集系統

儀器圖像采集系統通過采集超聲探頭在欲穿刺區域的運動和對應的超聲圖像，運用仿真軟件對欲穿刺區域的血管分布進行建模[8]。圖像采集系統自動識別超聲圖像中的穿刺靶目標，并結合超聲系統內部成像參數確定穿刺靶目標的物理位置。圖像采集系統可采集5000余張靜脈血管照片，其中圖像采集系統確定目標血管的物理位置與專家手工標注的結果誤差＜5像素(如圖1所示)。

圖1 圖像采集系統超聲影像圖

1.3 驅動系統

儀器進針驅動系統所用的驅動元件為微型步進電機，通過絲杠螺母副將旋轉運動轉換為直線運動[9-10]。所選用步進電機驅動芯片具有最大128細分功能，使得脈沖當量＜0.01 mm。主控制器芯片具有脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)模塊和脈沖計數模塊。圖像識別系統通過靜脈血管深度、直徑及所用導向塊角度計算出進針長度，并轉換為進針脈沖數，將脈沖數據用串行接口發給進針控制器，控制器根據初始位置計算出刺入皮膚的距離，進行加速度控制并以最快速度刺入皮膚后再以慢速到位準確停止。操作人員見血管回血后，將留置針軟管向前推送至導針器處，并向機械臂下達針退指令，退出留置針內的鋼針，操作人員將剩余軟管推入血管內，完成穿刺。

2 自動靜脈穿刺器的研制

隨著B超機的發展，研制的自動靜脈穿刺器可實現小型化，為便攜式靜脈穿刺設備的研發奠定基礎。技術成熟后，可將其應用于臨床、重癥監護室及急診，配備于急救車以及應用于輸液及輸血、動脈采血、組織取樣等操作中。在此基礎上，擬研制超聲實時引導下靜脈穿刺儀器，可將其應用于狹小空間(地震塌方等)及戰時核化生病房或傳染性疾病等，護士不能近距離接觸患者進行靜脈穿刺的操作中。目前，本研究已完成第一代試驗樣機和第二代試驗樣機的研制。

2.1 第一代試驗樣機

研制的第一代試驗樣機尚未將圖像采集系統軟件嵌入至B超主機中，使用前需將B超機、圖像采集系統和驅動系統連接。在使用過程中需要根據目標血管信息選擇安裝導針架型號0.5 cm、1 cm及1.5 cm，使用步驟較繁瑣(如圖2所示)。

2.2 第二代試驗樣機

圖2 第一代自動靜脈穿刺器操作示圖

本研究與無錫海鷹公司合作研制的第二代儀器，將圖像采集軟件嵌入至B超機中，驅動系統可根據圖像采集系統傳輸的數據自動選擇進針角度，并且該儀器增加了糾偏系統，在進針過程中，若血管發生偏移，驅動系統可根據糾偏系統提供的數據進行自動糾偏，以保證進針準確性(如圖3所示)。

圖3 第二代自動靜脈穿刺器示圖

3 自動靜脈穿刺器的應用預試驗

3.1 穿刺預試驗方法

選取56例癌癥復發患者，采用數表法將其分為儀器穿刺組和人工穿刺組，每組28例，采用第一代試驗樣機對兩組患者進行臨床預試驗。由于兩組均為癌癥復發患者，其淺表靜脈血管肉眼可視性差，在臨床預試驗中所有的人工穿刺均由有3年靜脈穿刺經驗的護士實施，針尖進皮膚后至確認穿刺成功，觀察兩組穿刺成功率。

3.2 穿刺預試驗成功率

自動靜脈穿刺器能夠準確地找到目標血管，并完成靜脈穿刺。儀器穿刺組穿刺成功26例，穿刺成功率為92.8%(26/28)；人工靜脈穿刺成功為0，儀器穿刺組穿刺成功率顯著高于人工穿刺組，且具有很高的穩定性。

4 結論

自動靜脈穿刺器的研制對臨床工作具有重要意義，研制成功后可為護士徒手穿刺的單一方式提供了一種便捷、高效的方法，可解決人工穿刺對醫護人員經驗依賴的問題，克服醫護疲勞、手抖動和手眼協調問題等引起的操作誤差， 提高穿刺的精準性和穩定性，且降低醫護人員由穿刺引起的感染風險。

自動靜脈穿刺氣穿刺成功率較高，可降低護士憑經驗、盲穿可能對患者多次穿刺帶來的痛苦和經濟負擔；可為野外、夜晚、戰場、飛機艦艇、自然災害(地震、事故)環境等復雜環境下需要緊急建立通路給藥，贏得更多的搶救時間。