[发明专利]一种基于超声成像的静脉穿刺机器人扎针速度控制方法

权利要求书

1.一种基于超声成像的静脉穿刺机器人扎针速度控制方法，其特征在于，包括：

扎针控制步骤：

A1、通过超声成像设备获取穿刺部位的二维切面图像；

A2、利用Canny算法分割出二维切面图像中包含的静脉血管，并计算出目标静脉血管的宽度w、静脉血管前壁距离皮肤表面的距离d_f和静脉血管后壁距离皮肤表面的距离d_b；

A3、将针头以设定的进针初始速度v₀扎入穿刺部位；

A4、利用SIFT算法提取二维切面图像中针头的特征点，并在后续每一帧跟踪针头的位置信息；

A5、保持初始速度v₀继续扎入针头，直至针头端部距离静脉血管前壁的垂直距离d_tf小于等于目标静脉血管宽度w的0.5倍时，将针头移动速度设定为0.5v₀；

A6、当针头插入血管后，将针头移动速度设定为0.25v₀，直至针头到达静脉血管中间位置时停止进针动作；

退针控制步骤：

B1、穿刺作业完成后，将退针初始速度设置为0.25v₀，引导针头退出血管；

B2、针头退出血管后，将针头移动速度设置为2v₀，直至针头退出穿刺部位。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声成像的静脉穿刺机器人扎针速度控制方法，其特征在于，所述超声成像设备采用B型超声成像设备；所述二维切面图像为人体组织纵向截面的256级灰度图像，图片流的帧率为256帧。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声成像的静脉穿刺机器人扎针速度控制方法，其特征在于，所述的步骤A2中，Canny算法勾勒出了静脉血管的轮廓，在准备穿刺部位的静脉血管的轮廓上的随机选取n对采样点(x_i,y_i)，i＝1、2、3…n，n为正整数，对每对采样点中的x_i点和y_i点分别根据其在边缘上的位置及边缘曲率，沿该对采样点各自的切线方向绘制相互平行的两条直线，计算两条平行直线之间的距离w_i，对每对采样点平行直线之间的距离取均值，即可得到该静脉血管的宽度w。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声成像的静脉穿刺机器人扎针速度控制方法，其特征在于，所述的进针初始速度v₀为0.8～0.9cm/s。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声成像的静脉穿刺机器人扎针速度控制方法，其特征在于，所述步骤A3～A6，B1和B2均采用PID算法进行闭环控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于超声成像的静脉穿刺机器人扎针速度控制方法，其特征在于，所述闭环控制的表达式为：

其中，u(k)为控制器输出，K_p表示比例系数，K_i表示积分系数，K_d表示微分系数，e(k)表示第k时刻目标扎针速度与实际扎针速度之间的误差，Δt为机器人系统的采样时间，e(j)表示从第一时刻至第k时刻中某一时刻目标扎针速度与实际扎针速度之间的误差。

7.根据权利要求6所述的一种基于超声成像的静脉穿刺机器人扎针速度控制方法，其特征在于，所述u(k)的物理含义即为第k时刻控制器输出的PWM波的频率f，其计算表达式为：

其中，v_ka表示第k时刻PWM波对应的实际扎针速度，τ表示静脉穿刺机器人的丝杠螺距。

8.根据权利要求1所述的一种基于超声成像的静脉穿刺机器人扎针速度控制方法，其特征在于，所述的步骤A4中，在针头扎入穿刺部位后，在二维切面图像新增一个特征点，该特征点即为针头，静脉血管的宽度w计算针头距离皮肤表面的距离d_t，然后结合步骤A2中静脉血管前后壁距离皮肤表面的距离d_f、d_b及静脉血管的宽度w计算针头相对于静脉血管前壁的相对距离d_tf和相对于静脉血管中间的相对距离d_tc，计算表达式分别为：

d_tf＝d_f-d_t

d_tc＝d_tf+0.5w。