一種基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)，包括：近紅外光源模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊和原位投影模塊；在自然光環(huán)境下，近紅外模塊均勻散射雙波段近紅外光于待測體表面，圖像采集模塊自動獲取多光譜靜脈圖像，分別提取交于圖像處理模塊計算，最后由投影儀原位投影靜脈虛擬圖像至待測表面。本發(fā)明能夠基于高光譜成像同時獲取靜脈雙波段圖像，經(jīng)過圖像處理后凸顯血管信息，原位投影虛擬圖像，從而協(xié)助醫(yī)護人員定位靜脈，指導穿刺。
【專利說明】
一種基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種輔助醫(yī)療器械，特別涉及一種基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]靜脈注射是臨床醫(yī)療的基本手段，在某些緊急情況下，例如大量出血、腎衰竭、血壓過低、休克和心臟停止等，急需醫(yī)護人員快速、準確地定位靜脈。但是，即使經(jīng)驗豐富的抽血師和醫(yī)生在靜脈尋找中都存在困難，尤其是針對肥胖、浮腫、老年和少兒等血管不清晰人群。相關(guān)資料表明，全球每年5億次靜脈注射中，首次穿刺失敗人數(shù)達1400萬，每天甚至有15000患者將遭受4次以上的穿刺帶來的痛苦。因此，醫(yī)護人員急需一種能夠輔助穿刺的靜脈顯像系統(tǒng)。
[0003]目前，主流的靜脈定位系統(tǒng)多采用近紅外靜脈成像原理，提高靜脈與周圍組織對比程度，圖像處理后屏顯或投影，如中國專利《一種手背靜脈顯像儀》(專利申請?zhí)?201220580007.1 )、《一種靜脈顯影成像系統(tǒng)》(專利申請?zhí)?201320064740.2)等。上述方案中，多采用單一紅外光源進行成像，使得靜脈血管與皮膚組織區(qū)分不明顯，造成圖像算法復雜，降低輔助效果。因此，部分研究人員將可見光圖像與近紅外圖像協(xié)同處理，獲取更為直接的靜脈層圖像信息，如中國專利《一種雙光源靜脈血管顯像裝置》(專利申請?zhí)?201320403264.2)、《一種靜脈顯像儀及其成像方法》(專利申請?zhí)?201410169207.1)等。此類顯像儀可提升靜脈顯影效果，但該方法多采用雙光源或投影儀替代雙光源，圖像需分時獲取，臨床實時性上有待檢驗。同時兩種圖像的融合處理方式也趨于簡單，不利于靜脈的最終顯像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)，能夠基于高光譜成像同時獲取靜脈雙波段圖像，經(jīng)過圖像處理后凸顯血管信息，原位投影虛擬圖像，從而協(xié)助醫(yī)護人員定位靜脈，指導穿刺。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:提供基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)，主要包括近紅外光源模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊和原位投影模塊。在自然光環(huán)境下，近紅外模塊均勻散射雙波段近紅外光于待測體表面，圖像采集模塊自動獲取多光譜靜脈圖像，分別提取交于圖像處理模塊計算，最后由投影儀原位投影靜脈虛擬圖像至待測表面。
[0006]所述近紅外光源模塊發(fā)射覆蓋待檢測區(qū)域的紅外光源，主要包括菲涅爾透鏡、反射杯和大功率近紅外LED。兩顆大功率近紅外LED分別置于圖像采集模塊前段兩側(cè)，波段為850nm和940nm。兩片菲涅爾透鏡位于LED前側(cè)，起到勾光作用。另外，940nmLED位于反射杯內(nèi)，能夠與外界自然光同時漫反射到待測區(qū)域。
[0007]所述圖像采集模塊用于采集待測區(qū)域的近紅外圖像和可見光圖像，主要包括多光譜相機和自動光圈鏡頭。其中，多光譜相機為光束分離型2CCD相機，由濾光片、分光棱鏡、可見光探測器(CCD)和近紅外探測器構(gòu)成。待測區(qū)域反射的復合光通過濾片后，經(jīng)分光棱鏡，2片CCD同時接收同一鏡頭入射的同軸光，從而獲取近紅外和可見光兩種波段的圖像數(shù)據(jù)。
[0008]所述圖像處理模塊用于提取圖像采集后的待測原圖中的靜脈信息，主要包括中央控制單元和圖像處理算法。中央控制單元是數(shù)字信號處理器(DSP)、可編程門陣列(FPGA)、微處理器(ARM)或工控機中的一種或幾種的組合。圖像處理算法是根據(jù)圖像數(shù)據(jù)歸一化處理后，利用對比度增強公式獲取最終靜脈圖像。
[0009]所述圖像處理模塊中的對比度增強公式為fb?st=m(fnir-n fvis)。其中，fb?st為增強后圖像，fnir為近紅外圖像，fvl^可見光圖像，m為縮放比例系數(shù)(根據(jù)圖像像素值的最大不飽和度來確定)，n由公式n= (hnir/hvis) [ (Gboost-Gnir)/ ( Gboost-Gvis )]獲取。η的計算公式中，hnir和匕18分別為近紅外圖像和可見光圖像的灰度平均強度，Gbcicist為期望得到的增強圖像中靜脈與其它組織的灰度對比率(實驗可調(diào)值)，Gnir和Gvls*別為近紅外圖像和可見光圖像中靜脈與其它組織的灰度對比率，由公式G= I Kvein-Kskin | / (Kvein+Kskin)確定。該公式中，Kveln為相應(yīng)圖像中靜脈區(qū)域的平均灰度值，Kskln為相應(yīng)圖像中鄰近靜脈的其它組織的平均灰度值。
[0010]所述原位投影模塊用于將增強的虛擬圖像原位投射至靜脈待檢測區(qū)域，主要包括微型投影儀和原位標定算法。其中，微型投影儀為數(shù)字光處理投影儀(DLP)，由DMD芯片、DLP電路、圖像控制器、色輪、會聚透鏡、高亮光源和投影鏡頭等構(gòu)成。原位標定算法根據(jù)采集的投影標定件圖像，自動確定標記點坐標，與投影儀輸出的模擬標定圖修正位置豎直，直至重合為止。
[0011]所示投影標定件以相片紙作為載體，印以標準圖像后塑封而成。投影標定件取適當大小的矩形塊(如64mm*48mm的長方形)，中間與四角位置分別印有適當大小的十字架圖像(例如長10_、刻度Imm的十字架圖像)，用于標定算法。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0013](I)本發(fā)明提出的基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)，能夠同時獲取靜脈雙波段圖像，提高儀器利用率，保證操作實時性。
[0014](2)本發(fā)明提出的基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)，采用定制化對比度增強公式，簡化圖像處理算法，提高靜脈檢測精度。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明靜脈顯像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖2是本發(fā)明靜脈顯像系統(tǒng)的光束分離型2C⑶相機示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明靜脈顯像系統(tǒng)的標定件示意圖；
[0018]圖4是本發(fā)明靜脈顯像方法的工作流程圖；
[0019]圖5是本發(fā)明原位投影方法的一種投影鏡頭結(jié)構(gòu)圖；(I)為該鏡頭組共有4塊鏡片，工作距離261mm，視場角16度，實際焦距25.9mm，相對照度90%以上。(2)為投影鏡頭位置分布，(3)為四塊透鏡；
[0020]圖6是本發(fā)明靜脈顯像方法的標定過程示意圖。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明以下將結(jié)合實施案例(附圖)作進一步描述。這些實施案例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動和修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0022]如圖1所示。本發(fā)明中的靜脈顯像系統(tǒng)包括近紅外光源模塊101、圖像采集模塊102、圖像處理模塊103和原位投影模塊104。
[0023]近紅外光源模塊101與外界自然光同時照射待測對象待檢測區(qū)域，圖像采集模塊102采集近紅外光源模塊101照射區(qū)域的多光譜靜脈圖像，自動分離為近紅外圖像和可見光圖像，圖像采集模塊102采集圖像經(jīng)圖像處理模塊103計算出靜脈增強圖像，最后由原位投影模塊104將虛擬圖像原位投影至待檢測區(qū)域。
[0024]如圖1所示，近紅外光源模塊101包括兩片菲涅爾透鏡111、一個反射杯112和兩個大功率近紅外LED113，近紅外模塊101位于圖像采集模塊102前側(cè)。兩個大功率近紅外LEDl 13相距約70mm，波段分別為850nm和960nm。菲涅爾透鏡111安裝在LED前側(cè)，保證照射面光照一致。同時，960nmLED安裝在60度反射杯內(nèi)，發(fā)射角能夠完全覆蓋待檢測區(qū)域。
[0025]如圖1所示，圖像采集模塊102包括多光譜相機121和自動光圈鏡頭122;其中，多光譜相機121為光束分離型2CCD相機，2CCD表示2個CCD感光元件，2CCD相機即有兩個感光元件的相機，保證同軸光路
[0026]圖像采集模塊102將同時獲取近紅外和可見光圖像。圖像采集模塊102采集近紅外光源模塊101照射區(qū)域的多光譜靜脈圖像，自動分離為近紅外圖像和可見光圖像。
[0027]本發(fā)明中的光束分離型2CXD相機結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述2C⑶相機，由濾光片201、分光棱鏡202和可見光探測器203和近紅外探測器204構(gòu)成。待檢測區(qū)域近紅外光和自然光的復合光經(jīng)濾光片201過濾后，篩除贅余波段，由分光棱鏡202斜邊入射，經(jīng)兩直角邊垂直射出，可見光探測器203和近紅外探測器204分別獲取對應(yīng)波段圖像數(shù)據(jù)。
[0028]如圖1所示，圖像處理模塊103包括中央控制單元131和圖像處理算法。中央控制單元131為數(shù)字信號處理器(DSP)、可編程邏輯器件、微處理器中的一種或者幾種的組合，其中微處理器可以采用多種架構(gòu)類型如ARM架構(gòu)、MIPS架構(gòu)，可編程邏輯器件可以采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、復雜可編程邏輯器件(CPLD)等。圖像處理算法是根據(jù)圖像數(shù)據(jù)歸一化處理后，經(jīng)過必要的圖像濾波、去噪后，利用對比度增強公式?^_=Η?(?.η?-η fvls)獲取最終靜脈圖像。
[0029]如圖1所示，原位投影模塊104包括數(shù)字光處理投影儀(DLP)Hl和原位標定算法。原位標定算法根據(jù)相機采集的投影標定件圖像，首先計算各處(例如5處)十字標記點坐標位置，然后與投影模塊投影的模擬圖中的標記位置進行比較，計算偏移數(shù)值，調(diào)整直至重合為止。
[0030]本發(fā)明中的投影標定件示意圖如圖2所示。所述標定件105以優(yōu)質(zhì)相片紙為載體，長度為64mm，寬度48mm。按照圖中位置標記5個長度10mm、刻度Imm的十字圖像，用于原位標定算法。
[0031]下面結(jié)合圖1和圖4對本實施案例的一種基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)的工作步驟作進一步介紹:
[0032]I)設(shè)備開啟，將待檢測者需顯像部分放于待測位；
[0033]2)打開近紅外光源模塊101(外界環(huán)境為可見光)；
[0034]3)圖像采集模塊102攝取檢測圖像，同時提取靜脈可見光圖像和近紅外圖像；
[0035]4)對上述圖像數(shù)據(jù)，圖像處理模塊103根據(jù)對比度增強公式自動計算最終靜脈圖像；
[0036]5)用標定件標定后，原位投影模塊104將虛擬圖像顯影在待檢測區(qū)域；
[0037]6)醫(yī)護人員根據(jù)檢測投影虛擬圖實施穿刺操作。
【主權(quán)項】
1.一種基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)，其特征在于包括:近紅外光源模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊和原位投影模塊;在自然光環(huán)境下，近紅外模塊均勻散射雙波段近紅外光于待檢測區(qū)域，圖像采集模塊自動獲取多光譜靜脈圖像，分別提取交于圖像處理模塊計算，最后由投影儀原位投影靜脈虛擬圖像至待檢測區(qū)域； 所述近紅外光源模塊能夠發(fā)射覆蓋待檢測區(qū)域的近紅外光，包括菲涅爾透鏡、反射杯和大功率近紅外LED;兩個大功率近紅外LED分別置于圖像采集模塊前段兩側(cè)，波段為850nm和940nm;兩片菲涅爾透鏡位于LED前側(cè)，起到勾光作用；另外，940nmLED位于反射杯內(nèi)，能夠與外界自然光同時漫反射到待檢測區(qū)域； 所述圖像采集模塊用于采集待測區(qū)域的近紅外圖像和可見光圖像，包括多光譜相機和自動光圈鏡頭，其中，多光譜相機為光束分離型2CCD相機，即有兩個感光元件的相機，由濾光片、分光棱鏡、可見光探測器和近紅外探測器構(gòu)成，待檢測區(qū)域反射的復合光通過濾光片后，經(jīng)分光棱鏡，2片CCD同時接收同一鏡頭入射的同軸光，從而獲取近紅外和可見光兩種波段的圖像數(shù)據(jù)； 所述圖像處理模塊用于提取圖像采集后的待測原圖中的靜脈信息，主要包括中央控制單元和圖像處理算法；中央控制單元是數(shù)字信號處理器(DSP)、可編程門陣列(FPGA)、微處理器(ARM)或工控機中的一種或幾種的組合。圖像處理算法是根據(jù)圖像數(shù)據(jù)歸一化處理后，利用對比度增強公式獲取最終靜脈圖像； 所述圖像處理模塊中的對比度增強公式為fkfnKfW-nfm)，其中，fb.t為增強后圖像，fnir為近紅外圖像，fvl^可見光圖像，m為縮放比例系數(shù)(根據(jù)圖像像素值的最大不飽和度來確定)，n由公式 n= (hnir/hvis) [ (Gboost-Gnir)/( Gboost-Gvis )]獲取，hnir 和 hvis 分別為近紅外圖像和可見光圖像的灰度平均強度，Gbcicist為期望得到的增強圖像中靜脈與其它組織的灰度對比率(實驗可調(diào)值)，Gnir和Gvls分別為近紅外圖像和可見光圖像中靜脈與其它組織的灰度對比率，由公式G= I Kve3in-Kskin I/(Kve3in+Kskin)確定，Kve3in為相應(yīng)圖像中靜脈區(qū)域的平均灰度值，Kskin為相應(yīng)圖像中鄰近靜脈的其它組織的平均灰度值； 所述原位投影模塊用于將增強的虛擬圖像原位投射至靜脈待檢測區(qū)域，包括微型投影儀和原位標定算法;其中微型投影儀為數(shù)字光處理投影儀(DLP)，由DMD芯片、DLP電路、圖像控制器、色輪、會聚透鏡、高亮光源和投影鏡頭構(gòu)成；原位標定算法根據(jù)采集的投影標定件圖像，自動確定標記點坐標，與投影儀輸出的模擬標定圖修正位置豎直，直至重合為止。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高光譜成像的靜脈顯像系統(tǒng)，其特征在于:所述投影標定件以優(yōu)質(zhì)相片紙作為載體，印以標準圖像后塑封而成;標定件為適當大小的矩形塊，中間與四角位置分別印有適當大小的十字架圖像，用于標定算法。
【文檔編號】A61B5/00GK106037674SQ201610685297
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月18日
【發(fā)明人】鄧國慶, 劉勇, 張文, 王依人, 夏營威, 朱靈, 王貽坤, 張龍
【申請人】皖江新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展中心