用於自動化靜脈穿刺可攜式的3D視覺導引醫療機器人

十月 12, 2017
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VascuLogic 透過 NI CompactRIO 硬體和 NI LabVIEW 開發出可攜式的 3D 視覺導引醫療機器人,用於自動化靜脈穿刺。
每年所執行的靜脈穿刺超過 14 億次,可說是美國最普遍的侵入式臨床程序。 每家醫院的成功率大不相同,尤其是一些高挑戰性的情況,首次下針的準確度大幅取決於病人的生理狀況和打針者以往的經驗。 近期這些難題促使了商用成像裝置的開發,目標在於提高血管的能見度;然而,這些裝置並無法取代臨床醫生替病人打針。 VascuLogic 的 VenousPro 能夠一次就準確地找到靜脈,醫護人員完全不必接觸針筒,因此克服了上述所有限制。
VascuLogic 位於美國紐澤西,是一家剛起步的混合式醫療裝置公司和研究實驗室,創立於 2010 年創立,主要任務就是開發創新的影像導引醫療技術,以大幅改善臨床護理為目標。 VascuLogic所開發的焦點裝置是 VenousPro,能夠自動抽血並執行其他 IV 程序,首次下針的準確度將近 100%,而且只要 2 分鐘不到的時間,有助於提升靜脈穿刺程序的準確度和安全性。

透過NI​克服設計難題

VenousPro 的運作方式是即時成像並繪製前臂末梢血管的 3D 空間座標,接著再透過機器把針筒導向目標血管。 為了開發初步人體測試的進階原型,我們必須先克服三大難題。 第一,我們的裝置必須夠安全,可提供精準反覆執行的效能。 第二,該裝置必須方便攜帶,可用於許多種臨床環境。 最後,此系統必須符合 FDA 的嚴格規範。 選擇 NI 技術之前,我們評估過許多程式設計環境和硬體介面。

隨著裝置設計越來越複雜,工程團隊的規模持續擴充,我們發現真正需要的是穩定的整合式開發平台。 我們順利申請到 NI 醫療裝置獎助方案,藉此獲得客制化的 NI 硬體解決方案、LabVIEW 和 NI 教育訓練與專業認證。 我們使用 CompactRIO 打造出第二代平台,透過這個高效能、堅固耐用的嵌入式平臺來控制機器人裝置。 我們把原有的 The MathWorks, Inc. MATLAB® 程式碼轉換至 LabVIEW,開發出直覺式的使用者介面。 我們當初以為要花 3 個月的時間才能完成這項工作,想不到只要 3 個禮拜,這都多虧了 LabVIEW 環境的靈活彈性和模組化設計。 最後我們提早完成了人體測試前的試管概念驗證測試。

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搭載 CompactRIO 硬體和 LabVIEW 軟體的 VenousPro 系統。

此裝置的核心一共有 5 個 I/O 模組,全數安裝於 NI cRIO-9025 Real-Time 控制器,其中有 4 個是 NI 9514 C 系列模組,可引導一個自由度為 4 的迷你機器手臂,剩下一個是 NI 9401 C 系列數位 I/O 模組,可提供 8 個雙向通訊通道。 CompactRIO 系統核心還包含 3 個線性階段,連接至 RS232 埠即可提供 XYZ 定位功能;2 個 GigE Vision 相機,近似紅外線的靈敏度更加出色,可透過乙太網路集線器連接;最後是一個連接至 USB 的手持超音波探針。 LabVIEW 提供豐富的函式庫,我們運用其中的數學、機器人和機器視覺工具,打造出 VenousPro 的「大腦」。 我們採用序列狀態機器架構,精準控制 CompactRIO 控制器的感測器和效應器,以及主機的使用者介面 。

可​攜​式​學​生​裝​置​是​一​款​多​功​能​的​資​料​擷​取​與​控​制​儀​器,​可​協​助​學​生​隨​時​隨​地​量​測​與​分​析​即​時​訊​號,​並​設​計​實​際​可​用​的​複​雜​系統。
在 Real-Time 執行期間,我們擷取的是 GigE Vision 相機和超音波探針的影像。 處理管線運用了 NI 機器視覺開發(Vision Development)模組的進階演算法,擷取自影像的速度資訊則會傳輸至 CompactRIO 運動控制模組,每秒傳送 20 個畫面。 接著 CompactRIO 系統會引導機器人針筒操控器。 此裝置使用了 NI LabVIEW 機器人開發(Robotics)模組的運動、PID 和路徑規劃 VI,做為機器手臂的關節角度,以便連接針頭 3D Cartesian 座標。 此外還透過 NI LabVIEW 控制設計與模擬(CDS)模組,根據目前的速度設定檔透過 Kalman 過濾器來預測未來的位置。 使用 NI LabVIEW 多核心分析與稀疏矩陣工具組,還能夠進一步加速大型陣列的複雜數學作業。
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LabVIEW 人機介面的圖形化使用者介面。

成果

目前為止,我們透過多項試管研究達到 98% 以上的首次下針準確度。 我們計劃升級至全新的多核心 CompactRIO硬體,並且開發 NI 觸控面板的使用者介面,這樣就可以淘汰主機了。 一旦完成這些最終設計修改的部分,我們就能開始執行經過人體試驗委員會核准的人體臨床測試,藉此準備初步的 FDA 歸檔手續。 我們把 NI 平臺用於開發作業,打造出一個臨床測試裝置,預算不到 $50,000,而且還提早 5 個月完成。

​*MATLAB® 是 The MathWorks, Inc. 的註冊商標。

​作者:Alvin Chen (VascuLogic) 


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