Design and validation of ultrasound-guided femoral vein puncture robots

LIU Lintao; XIA Jing; CHENG Gan

doi:10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.010

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Design and validation of ultrasound-guided femoral vein puncture robots

Design· Calculation | 更新时间：2025-03-20

- Design and validation of ultrasound-guided femoral vein puncture robots
- Journal of Mechanical Transmission Vol. 49, Issue 3, Pages: 69-78(2025)
- 作者机构：
  
  1.西安科技大学机械工程学院，西安 710054
  2.合肥合滨智能机器人有限公司，合肥 230601
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.010
  CLC： TP242
- Received：29 November 2023，
  
  Revised：17 January 2024，
  
  Published：15 March 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
刘琳涛，夏晶，程干. 超声引导的股静脉穿刺机器人的设计和验证［J］. 机械传动，2025，49（3）：69-78.

LIU Lintao，XIA Jing，CHENG Gan. Design and validation of ultrasound-guided femoral vein puncture robots［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（3）：69-78.
刘琳涛，夏晶，程干. 超声引导的股静脉穿刺机器人的设计和验证［J］. 机械传动，2025，49（3）：69-78. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.010.

LIU Lintao，XIA Jing，CHENG Gan. Design and validation of ultrasound-guided femoral vein puncture robots［J］. Journal of Mechanical Transmission，2025，49（3）：69-78. DOI： 10.16578/j.issn.1004.2539.2025.03.010.

摘要

目的

股静脉穿刺在重症急救、急症透析、给药补液等临床场景有着广泛的应用，但股静脉穿刺的成功率往往依赖于医生的经验。研究开发了一种超声引导的股静脉穿刺机器人系统。

方法

首先，设计一款2自由度的穿刺机器人末端穿刺执行器，用于穿刺摆臂的角度调整和股静脉穿刺进给；然后，基于7自由度串联机械臂，搭建了超声引导的股静脉穿刺机器人系统，保证超声扫查和穿刺空间；最后，对末端穿刺执行器及机器人的定位精度进行了验证。

结果

试验结果表明，末端穿刺执行器穿刺摆臂角度的绝对定位精度在0.5°以内，穿刺进给的绝对定位精度在0.2 mm以内，基于7自由度机械臂股静脉穿刺机器人针尖的空间重复定位精度在0.2 mm以内，满足临床穿刺精度需求；搭建的机器人系统通过遥控操作实现了半自动穿刺，为实现股静脉的自动穿刺提供了重要的借鉴。

Abstract

Objective

Femoral veni puncture is widely used in clinical scenarios such as critical emergency treatment

emergency dialysis

drug rehydration

etc. However

the success rate of femoral veni puncture often depends on the experience of doctors. Thus

an ultrasound-guided robot system for femoral vein puncture was developed.

Methods

Firstly

a 2-DOF end puncture actuator of the puncture robot was designed for angle adjustment of the swing arm and femoral vein puncture feeding.Then

based on the 7-DOF serial robot arm

an ultrasound-guided femoral vein puncture robot system was built to ensure the space of ultrasound scanning and puncture. Finally

the positioning accuracy of the end puncture actuator and the robot was verified.

Results

The test results show that the absolute positioning accuracy of the angle of the puncture swing arm of the end puncture actuator is within 0.5°

the absolute positioning accuracy of the puncture feed is within 0.2 mm

and the spatial repeated positioning accuracy of the needle tip of the femoral vein puncture robot based on the 7-DOF robot arm is within 0.2 mm

meeting the requirements of clinical puncture accuracy. The robot system is built to realize semi-automatic puncture through remote operation

which provides important experience for realizing automatic puncture of femoral veins.

关键词

Keywords

references

LIN Y P ， CHEN S H ， XU W J ， et al . Robotic system for accurate percutaneous puncture guided by 3D-2D ultrasound ［J］. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery ， 2023 ， 18 （ 2 ）： 217 - 225 .

冯蕾 . 股静脉采血在重症患者抢救中的应用［J］. 中西医结合心血管病电子杂志， 2020 ， 8 （ 13 ）： 31 .

FENG Lei . Application of femoral vein blood sampling in the rescue of critically ill patients ［J］. Cardiovascular Disease Electronic Journal of Integrated Traditional Chinese and Western Medicine ， 2020 ， 8 （ 13 ）： 31 .

王来萍，孟丽霞 . 股静脉穿刺置管在大面积烧伤输液中的应用［J］. 家庭护士， 2007 ， 5 （ 8 ）： 58 - 59 .

WANG Laiping ， MENG Lixia . Application of femoral vein puncture catheter in transfusion of large area burn ［J］. Family Nurse ， 2007 ， 5 （ 8 ）： 58 - 59 .

赛华阳 . 医疗超声辅助装置及其关键技术研究［D］. 长春：中国科学院大学（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）， 2023 ： 1 - 2 .

SAI Huayang . Research on the medical ultrasound auxiliary device and its key technology ［D］. Changchun ： Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences ， 2023 ： 1 - 2 .

彭文杰，丁立刚，黄俊，等 . 超声引导下股静脉穿刺术在心电生理手术中的应用［J］. 中国心血管病研究， 2020 ， 18 （ 8 ）： 709 - 712 .

PENG Wenjie ， DING Ligang ， HUANG Jun ， et al . Application of real-time ultrasound-guided femoral vein puncture in cardiac electrophysiological procedures ［J］. Chinese Journal of Cardiovascular Research ， 2020 ， 18 （ 8 ）： 709 - 712 .

张文彬，沙连森，史文青，等 . 融合远心运动机构与串联机械臂的穿刺手术机器人系统研究［J］. 西安交通大学学报， 2023 ， 57 （ 7 ）： 1 - 8 .

ZHANG Wenbin ， SHA Liansen ， SHI Wenqing ， et al . Research on puncture surgery assisting robot system integrating remote center of motion mechanism and serial manipulator ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University ， 2023 ， 57 （ 7 ）： 1 - 8 .

KOBAYASHI Y ， ONISHI A ， WATANABE H ， et al . Development of an integrated needle insertion system with image guidance and deformation simulation ［J］. Computerized Medical Imaging and Graphics ， 2010 ， 34 （ 1 ）： 9 - 18 .

CHEN S H ， WANG F ， LIN Y P ， et al . Ultrasound-guided needle insertion robotic system for percutaneous puncture ［J］. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery ， 2021 ， 16 （ 3 ）： 475 - 484 .

WELLEWEERD M K ， SIEPEL F J ， GROENHUIS V ， et al . Design of an end-effector for robot-assisted ultrasound-guided breast biopsies ［J］. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery ， 2020 ， 15 （ 4 ）： 681 - 690 .

成天佑 . 脊柱穿刺手术机器人系统交互引导控制与实现［D］. 上海：上海交通大学， 2020 ： 16 - 17 .

CHENG Tianyou . Interactive guidance control and implementation of spinal puncture surgery robot system ［D］. Shanghai ： Shanghai Jiao Tong University ， 2020 ： 16 - 17 .

KIM J H ， PARK J H ， CHO J ， et al . Simulated internal jugular vein cannulation using a needle-guiding device ［J］. The American Journal of Emergency Medicine ， 2018 ， 36 （ 11 ）： 1931 - 1936 .

BRATTAIN L ， PIERCE T ， GJESTEBY L ， et al . AI-enabled，ultrasound-guided handheld robotic device for femoral vascular access ［J］. Biosensors ， 2021 ， 11 （ 12 ）： 522 .

李子舒 . 一种七自由度轻型协作机械臂设计及其实验研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2022 ： 12 - 15 .

LI Zishu . Design of a 7 DOF lightweight collaborative robot and its experimental research ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2022 ： 12 - 15 .

崔佳辉，李林，梁栋，等 . 一种车载轮椅自动收放机械臂设计与运动分析［J］. 机械传动， 2023 ， 47 （ 8 ）： 45 - 52 .

CUI Jiahui ， LI Lin ， LIANG Dong ， et al . Design and motion analysis of an automatic retractable manipulator for a vehicle-mounted wheelchair ［J］. Journal of Mechanical Transmission ， 2023 ， 47 （ 8 ）： 45 - 52 .

TOVAR-ARRIAGA S ， VARGAS J E ， RAMOS J M ， et al . A fully sensorized cooperative robotic system for surgical interventions ［J］. Sensors ， 2012 ， 12 （ 7 ）： 9423 - 9447 .

GHERMAN B ， HAJJAR N A ， TUCAN P ， et al . Risk assessment-oriented design of a needle insertion robotic system for non-resectable liver tumors ［J］. Healthcare ， 2022 ， 10 （ 2 ）： 389 .

班广 . 近距离放疗机器人末端工具的研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2021 ： 17 - 19 .

BAN Guang . Research of the end tool of brachytherapy robot ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2021 ： 17 - 19 .

莫喜萍，韦林燕 . 经股静脉穿刺置管术后并发症及应对策略［J］. 中国临床新医学， 2015 ， 8 （ 9 ）： 877 - 880 .

MO Xiping ， WEI Linyan . Complications and coping strategies after femoral vein catheterization ［J］. Chinese Journal of New Clinical Medicine ， 2015 ， 8 （ 9 ）： 877 - 880 .

DE SENSI F ， MIRACAPILLO G ， ADDONISIO L ， et al . Predictors of successful ultrasound guided femoral vein cannulation in electrophysiological procedures ［J］. Journal of Atrial Fibrillation ， 2018 ， 11 （ 3 ）： 2083 .

董杰 . 静脉采血机器人原理样机的设计与实验［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2019 ： 44 - 45 .

DONG Jie . Design and experiment of the prototype of venous blood drawing robot ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2019 ： 44 - 45 .

林晓锋 . 肝肿瘤超声引导穿刺机器人的系统设计与控制［D］. 深圳：中国科学院大学（中国科学院深圳先进技术研究院）， 2021 ： 31 - 32 .

LIN Xiaofeng . Design and control of an ultrasound-guided needle insertion robotic system on the liver tumor ［D］. Shenzhen ： Shenzhen Institute of Advanced Technology，Chinese Academy of Sciences ， 2021 ： 31 - 32 .

窦汝桐，于慎波，孙凤，等 . 7自由度仿人机械臂工作空间求解的降密蒙特卡洛法［J］. 西南交通大学学报， 2023 ， 58 （ 6 ）： 1328 - 1338 .

DOU Rutong ， YU Shenbo ， SUN Feng ， et al . Density-reducing Monte Carlo method for 7 degrees of freedom humanoid robot arm workspace solution ［J］. Journal of Southwest Jiaotong University ， 2023 ， 58 （ 6 ）： 1328 - 1338 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

No data

Related Institution

No data

⁰