1. Vue éclatée et principaux composants fonctionnels du dispositif de ponction veineuse portable.

Un robot médical « vampire » cherche une veine humaine, insère une aiguille, suce du sang

Cet article a paru dans Electronic Design et a été publié ici avec permission.

L’insertion d’une aiguille dans la veine du bras d’une personne et le prélèvement d’un échantillon de sang, ou l’insertion d’une ligne intraveineuse, est une procédure médicale courante et souvent une première étape essentielle dans les soins aux patients. Le défi d’obtenir un accès veineux réussi va de facile à très difficile en fonction des veines et de la physiologie du sujet ainsi que de la compétence du technicien médical. Souvent, cela se termine par un résultat infructueux frustrant qui nécessite des tentatives, des retards et même une aide supplémentaire.

Cette procédure clinique est effectuée plus de 1,4 milliard de fois par an aux États-Unis. Cependant, selon les études cliniques, il échoue chez 27% des patients sans veines visibles, 40% des patients sans veines palpables et 60% des patients émaciés. L’instrumentation avec imagerie par ultrasons est disponible pour aider les cliniciens à localiser la veine, mais l’insertion manuelle de l’aiguille sous guidage échographique nécessite une coordination œil-main minutieuse pour un placement et un contrôle stables de la sonde et de l’aiguille. Des systèmes d’imagerie dans le proche infrarouge (NIR) sont également utilisés, mais ils ont une profondeur de pénétration de seulement 3 mm environ et ont tendance à être inefficaces chez les patients obèses.

Dispositif de ponction veineuse

Maintenant, une équipe basée à l’Université Rutgers a développé et teste sur le terrain un système robotique presque autonome qui localise une veine probablement appropriée, insère l’aiguille et prélève même l’échantillon de sang. Ce dispositif de ponction veineuse est conçu pour effectuer en toute sécurité des prélèvements sanguins sur les veines périphériques de l’avant-bras. Le système combine l’imagerie par ultrasons et la robotique miniaturisée pour identifier les vaisseaux appropriés pour la canulation et guider robotiquement une aiguille attachée vers ce qu’on appelle le centre de la lumière.

Un clinicien effectue la configuration du positionnement général de la machine par rapport au bras du sujet, stérilise / essuie la zone cible, applique de l’hydrogel à ultrasons et sélectionne le centre de la veine cible tel qu’affiché sur un moniteur. Ces coordonnées sont ensuite utilisées par le dispositif pour déterminer la cinématique nécessaire pour s’assurer que la pointe de l’aiguille a intersecté le plan d’imagerie ultrasonore au centre du vaisseau.

Une fois aligné et stable, l’opérateur lance alors la procédure d’insertion, et le chariot de l’axe d’injection entraîne la pointe de l’aiguille attachée vers l’avant à un angle de 25 degrés par rapport à l’avant-bras du participant à la cible du centre de la veine, insère l’aiguille et dessine un Échantillon de sang de 5 ml.

Installation du système

Le système se compose de deux ensembles mécaniques majeurs: une sonde à ultrasons bidimensionnelle sur un chariot à mouvement linéaire et la poussée de l’aiguille unidimensionnelle, tous deux reliés par un microcontrôleur pour un contrôle coordonné (Fig. 1).

1. Vue éclatée et principaux composants fonctionnels du dispositif de ponction veineuse portable.

Le guidage et l’exécution des tâches utilisent une combinaison de profilage de rétroaction force / déplacement et d’imagerie par ultrasons (Fig. 2). L’analyse en temps réel de ces données de profil indique le succès probable de la procédure, y compris la «percée» soudaine souhaitable qui se produit lorsque la force chute soudainement sur une courte distance lorsque la paroi veineuse est percée.

2. Installation et fonctionnement de l'appareil robotique: (a) Appareil de ponction veineuse portatif.  (b) Conception assistée par ordinateur (CAO) affichant les principaux composants du dispositif à deux degrés de liberté (DoF).  L'angle d'insertion (θ) est fixé à 25 degrés.  (c) Fonctionnement du dispositif: (i) Le plan d'imagerie par ultrasons (US) fournit une vue en coupe transversale du vaisseau cible.  (ii) Une fois qu'un vaisseau est localisé par le dispositif, l'aiguille est alignée via le moteur DoF de mouvement de l'axe Z (Zm);  le moteur Zm (flèche bleue) est responsable de l'alignement de la trajectoire de l'aiguille avec la profondeur du vaisseau (axe Z) pour s'assurer que la pointe de l'aiguille atteint le centre du vaisseau exactement au niveau du plan d'imagerie par ultrasons.  (iii) Une fois la trajectoire alignée, l'aiguille est insérée via le moteur d'injection (Inj m) DoF (flèche verte) et automatiquement arrêtée une fois que la pointe a atteint le centre du vaisseau.  (d) Dispositif positionné sur l'avant-bras supérieur pendant l'étude.  (e) Image échographique représentant la pointe de l'aiguille présente dans le vaisseau cible après une ponction veineuse réussie.  La paroi du vaisseau est identifiée par une ellipse en pointillé jaune.  L'axe Z de l'image indique la profondeur du navire et l'axe Y indique la position sagittale du navire.  Les positions du vaisseau et de la pointe de l'aiguille sont enregistrées par rapport à la tête du transducteur à ultrasons (haut de l'image).2. Installation et fonctionnement de l’appareil robotique: (a) Appareil de ponction veineuse portatif. (b) Conception assistée par ordinateur (CAO) affichant les principaux composants du dispositif à deux degrés de liberté (DoF). L’angle d’insertion (θ) est fixé à 25 degrés. (c) Fonctionnement du dispositif: (i) Le plan d’imagerie par ultrasons (US) fournit une vue en coupe transversale du vaisseau cible. (ii) Une fois qu’un vaisseau est localisé par le dispositif, l’aiguille est alignée via le moteur DoF de mouvement de l’axe Z (Zm); le moteur Zm (flèche bleue) est responsable de l’alignement de la trajectoire de l’aiguille avec la profondeur du vaisseau (axe Z) pour s’assurer que la pointe de l’aiguille atteint le centre du vaisseau exactement au niveau du plan d’imagerie par ultrasons. (iii) Une fois la trajectoire alignée, l’aiguille est insérée via le moteur d’injection (Inj m) DoF (flèche verte) et automatiquement arrêtée une fois que la pointe a atteint le centre du vaisseau. (d) Dispositif positionné sur l’avant-bras supérieur pendant l’étude. (e) Image échographique représentant la pointe de l’aiguille présente dans le vaisseau cible après une ponction veineuse réussie. La paroi du vaisseau est identifiée par une ellipse en pointillé jaune. L’axe Z de l’image indique la profondeur du navire et l’axe Y indique la position sagittale du navire. Les positions du vaisseau et de la pointe de l’aiguille sont enregistrées par rapport à la tête du transducteur à ultrasons (haut de l’image).

Si le profil force / distance indique que la tentative échouera (les veines ne sont pas rigides, bien sûr, et peuvent bouger ou rouler pendant le processus) ou si aucun sang ne coule, l’aiguille se retire et l’opérateur guide la machine vers un nouveau possible. site. Une interface utilisateur graphique affiche l’image ultrasonore, le capteur de force, la vitesse du moteur d’injection et les profils de position pour les moteurs de l’axe Z et d’injection (Fig. 3).

3. Les principaux affichages de l'interface utilisateur graphique (GUI) pour le logiciel du dispositif de ponction veineuse portable comprennent le flux d'image ultrasonore, le capteur de force, la vitesse du moteur d'injection et la position souhaitée par rapport à la position réelle pour l'axe Z et les moteurs d'injection.  La ligne rouge dans l'image échographique est la trajectoire de l'aiguille.  C'est là que l'aiguille croise le plan d'imagerie échographique.  L'utilisateur est chargé de placer manuellement le dispositif de sorte que le vaisseau imagé (ellipse sombre) soit centré avec la ligne de trajectoire de l'aiguille.3. Les principaux affichages de l’interface utilisateur graphique (GUI) pour le logiciel du dispositif de ponction veineuse portable comprennent le flux d’image ultrasonore, le capteur de force, la vitesse du moteur d’injection et la position souhaitée par rapport à la position réelle pour l’axe Z et les moteurs d’injection. La ligne rouge dans l’image échographique est la trajectoire de l’aiguille. C’est là que l’aiguille croise le plan d’imagerie échographique. L’utilisateur est chargé de placer manuellement le dispositif de sorte que le vaisseau imagé (ellipse sombre) soit centré avec la ligne de trajectoire de l’aiguille.

Efficacité

Les résultats obtenus à ce jour sur un nombre limité de sujets de test sont favorables et comparables ou supérieurs à ceux des normes cliniques. Le taux de réussite global était de 87% sur les 31 participants et de 97% sur les 25 participants qui avaient des veines faciles d’accès, avec un temps moyen de procédure de 93 ± 30 secondes.

Les chercheurs notent que les futures versions de ce dispositif système pourraient être étendues à d’autres domaines d’accès vasculaire, tels que le cathétérisme IV, l’accès veineux central, la dialyse et le placement de la ligne artérielle. En outre, le système pourrait être combiné avec un sous-système intégré d’évaluation du sang pour une prise de sang «tout-en-un» et une disposition des résultats de test.

Les détails du projet sont dans le document de l’équipe «Première évaluation chez l’homme d’un dispositif de ponction veineuse automatisé portatif pour des prélèvements sanguins veineux rapides» publié dans La technologie (World Scientific). Il se concentre principalement sur les données de capteur, les profils, les algorithmes et les résultats et avec moins de discussion sur la construction réelle de la machine. Bien que ce papier soit derrière un paywall, il est également disponible ici sous forme de page HTML avec un lien vers un fichier PDF téléchargeable.

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