一種便攜式靜脈投影儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)計(jì)及紅外成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種便攜式靜脈投影儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 靜脈穿刺是一種常見的醫(yī)療手段，在日常醫(yī)療中有著十分廣泛的應(yīng)用，如：靜脈注 射等。但由于不同人群的身體結(jié)構(gòu)的不同，想要準(zhǔn)確、迅速的實(shí)現(xiàn)靜脈穿刺絕非易事。有統(tǒng) 計(jì)數(shù)據(jù)表明：普通成年人靜脈注射首次穿刺失敗率為28%，而兒童中首次穿刺失敗率竟高 達(dá)43% ;不僅如此，靜脈注射時(shí)，發(fā)生"漏針"的比例為23% -28% ;此外，穿刺成功率低也 是許多人拒絕獻(xiàn)血的最大原因。
[0003] 綜上所述，如何迅速準(zhǔn)確得實(shí)現(xiàn)靜脈穿刺已經(jīng)成為一個(gè)亟需解決的問題；而對(duì)于 醫(yī)護(hù)人員而言，一方面，靜脈位于皮下，本身就難以分辨，可視性很差；另一方面，進(jìn)行靜脈 穿刺時(shí)，靜脈會(huì)由于力的作用位置發(fā)生變化，這更為醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行靜脈穿刺的工作增加了 難度。
[0004] 解決該問題的直接方法就是提高靜脈血管與其周圍組織的對(duì)比度，這樣可以將靜 脈與其周圍組織有效的區(qū)別開來。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外的研宄者做了很多相關(guān)研宄并發(fā)現(xiàn)，靜脈與 其周圍組織對(duì)近紅外光的吸收有差異，血液對(duì)紅外線的吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于其它皮下組織；因此， 在合適的紅外波段，靜脈血的紅外吸收更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它的相鄰組織?？梢愿鶕?jù)其對(duì)近紅 外光吸收程度的差異，利用主動(dòng)式近紅外成像技術(shù)，使用成像器件對(duì)靜脈進(jìn)行成像；經(jīng)過圖 像處理后即可清晰得顯現(xiàn)出肉眼不易觀察到的靜脈血管，利用投影機(jī)將增強(qiáng)圖像反投回采 樣圖像處，使得人們的觀察更自然、更直接。
[0005] 靜脈顯示技術(shù)以及靜脈紅外成像技術(shù)都取得了顯著的成果，得到了快速的發(fā)展。 靜脈顯示儀是近些年發(fā)展起來的皮下靜脈顯示設(shè)備。這類顯示儀設(shè)計(jì)的最初目的是為了幫 助患有艾滋病等導(dǎo)致弱視疾病的病人，它通過增強(qiáng)物體與周圍環(huán)境的對(duì)比度來幫助這類病 人提尚視力。
[0006] 靜脈顯示儀大多數(shù)采用的是主動(dòng)紅外成像技術(shù)，是典型非接觸式技術(shù)。按照光源 的照射方式，可分為透射式系統(tǒng)和反射式系統(tǒng)兩類。透射式系統(tǒng)例如國(guó)內(nèi)的手背淺靜脈顯 示儀，該儀器根據(jù)血液中脫氧血紅蛋白吸收近紅外光的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氧合血紅蛋白這一原 理，大功率的近紅外光被手背、手指、手腕組織靜脈中的還原血紅蛋白吸收后，使靜脈清晰 顯示。上述顯示儀為了方便人們?nèi)庋鄣挠^察不得不使用大功率的近紅外光源，但巨大的發(fā) 熱量不僅散熱困難，甚至?xí)?duì)人體造成傷害。
[0007] 反射式紅外成像技術(shù)在靜脈顯示儀的應(yīng)用更為廣泛。美國(guó)阿肯色州光電與生物醫(yī) 學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們，在2004年前，曾進(jìn)行了皮下靜脈顯示技術(shù)的探索與實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)裝置 由紅外光源、CXD攝像頭、顯示器、圖像處理站組成，采用反射式紅外成像技術(shù)，獲取皮下靜 脈分布圖像，圖像經(jīng)增強(qiáng)處理后，在顯示器上顯示出來。有些研宄利用投影機(jī)將增強(qiáng)圖像反 投回采樣圖像處，使得人們的觀察更自然、更直接。
[0008] 美國(guó)的Luminetx公司的技術(shù)人員從1999年開始研宄反射式紅外靜脈成像技術(shù)， 開發(fā)成功了靜脈觀察儀。這種儀器主要由紅外光源、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和投影儀組成。紅 外光投射在患者穿刺部位上，含有皮下靜脈分布信息的反射紅外光被攝像機(jī)接受成像，計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)對(duì)這種圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)增強(qiáng)處理，然后由投影儀投射到患者手臂的表面，使被照區(qū) 域的皮下靜脈軌跡清晰的顯示在皮膚上。該儀器臨床使用效果很好，并通過了美國(guó)食品藥 品管理局的認(rèn)證。
[0009]目前國(guó)內(nèi)也有醫(yī)護(hù)人員和工程技術(shù)人員從事過血管成像技術(shù)的研宄，但是成果比 較零散，試用對(duì)象有限。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上沒有這種功能的商品。而且，國(guó)外多數(shù)相關(guān)產(chǎn)品 具有成本高，體積大等問題，不能便攜使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種便攜式靜脈投影儀，體 積小，成本低，很便攜，成像質(zhì)量好，能夠產(chǎn)品化。
[0011]一種便攜式靜脈投影儀，包括：LED光源、CMOS圖像傳感器、半透半反鏡片、微型投 影儀和圖像處理單元；其中：
[0012] 所述的LED光源用于向表皮區(qū)域投射近紅外光，經(jīng)表皮區(qū)域反射的一部分近紅外 光通過半透半反鏡片透射進(jìn)入CMOS圖像傳感器，并在其內(nèi)部成像，CMOS圖像傳感器將圖像 傳送至圖像處理單元進(jìn)行處理，由圖像處理單元將處理后的圖像傳送至微型投影儀，最終 由微型投影儀輸出可見光經(jīng)半透半反鏡片反射至表皮區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)在表皮區(qū)域靜脈成像。
[0013] 進(jìn)一步地，所述的LED光源向待成像表皮區(qū)域投射峰值波長(zhǎng)為850nm的近紅外光， 可以產(chǎn)生最佳對(duì)比度的成像條件。
[0014]因?yàn)長(zhǎng)ED可以近似看作朗伯體，不同方向的光亮度差別很大，光能分布不均勻，所 以為了達(dá)到更好的成像效果，進(jìn)一步地，所述的LED光源前設(shè)有散射板，能夠使得光源的出 射光在各個(gè)方向上分布更均勻。
[0015] 如果LED亮度很高，會(huì)增大靜脈表面脂肪的散射光強(qiáng)，同時(shí)弱化靜脈和周圍脂肪 組織的對(duì)比度，如果LED亮度很低，經(jīng)過衰減到達(dá)靜脈的光很少，同樣會(huì)降低靜脈的對(duì)比 度；進(jìn)一步地，所述的LED光源連接有驅(qū)動(dòng)模塊，所述的驅(qū)動(dòng)模塊通過控制LED光源的驅(qū)動(dòng) 電流，使LED光源投射出光亮度為0.llcd/m2的近紅外光，使得靜脈最清晰可見。
[0016] 進(jìn)一步地，所述的CMOS圖像傳感器豎直設(shè)置于待成像表皮區(qū)域上方，所述的半透 半反鏡片設(shè)置于CMOS圖像傳感器與待成像表皮區(qū)域之間且呈45°傾斜放置，所述的微型 投影儀設(shè)置于半透半反鏡片的左側(cè)或右側(cè)；可以實(shí)現(xiàn)投影光軸與成像光軸完全重合，使得 投影圖像的位置大小與所對(duì)應(yīng)的物面完全匹配。
[0017] 進(jìn)一步地，所述的圖像處理單元包括：
[0018] 鏡像處理模塊，對(duì)CMOS圖像傳感器傳送至圖像處理單元的圖像進(jìn)行鏡像處理；
[0019]灰度預(yù)處理模塊，對(duì)鏡像處理后圖像中靜脈區(qū)域所有像素點(diǎn)的灰度值求平均，進(jìn) 而使圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值減去該平均值，以實(shí)現(xiàn)灰度預(yù)處理；
[0020] 去噪模塊，采用基于灰度KNN(K-NearestNeighbor，K最近鄰）算法去除灰度預(yù)處 理后圖像中的高斯噪聲和椒鹽噪聲；
[0021] 對(duì)比度增強(qiáng)模塊，采用閾值分割的方法增強(qiáng)去噪后圖像的對(duì)比度以凸顯出圖像中 的靜脈區(qū)域，即通過設(shè)定一個(gè)灰度閾值，使去噪后圖像中灰度值大于該灰度閾值的像素點(diǎn) 歸為一類，灰度值小于該灰度閾值的像素點(diǎn)歸為另一類。
[0022] 進(jìn)一步地，所述的圖像處理單元還包括銳化處理模塊，其采用拉普拉斯算子使對(duì) 比度增強(qiáng)后的圖像進(jìn)行邊緣銳化，使得靜脈的邊緣更加清晰可見。
[0023] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下：
[0024] (1)本發(fā)明具有低成本，小體積，高準(zhǔn)確性，高對(duì)比度且使用方便的特點(diǎn)。
[0025] (2)本發(fā)明使用了半透半反片，透射近紅外光，反射可見光，可以很好的排除雜散 光和投影出的可見光對(duì)于成像質(zhì)量的影響。
[0026] (3)本發(fā)明基于靜脈中的血紅蛋白和皮下組織對(duì)于近紅外波段的吸收差異，使得 該系統(tǒng)對(duì)淺層靜脈的探測(cè)具有普適性。
【附圖說明】
[0027] 圖1為人體不同組織的紅外光學(xué)特性示意圖。
[0028] 圖2為本發(fā)明便攜式靜脈投影儀的光路設(shè)計(jì)示意圖。
[0029] 圖3為本發(fā)明便攜式靜脈投影儀的設(shè)計(jì)封裝示意圖。
[0030] 圖4為本發(fā)明所采用LED光源的光譜功率分布圖。
[0031] 圖5(a)為本發(fā)明所采用LED光源的偵衫見圖。
[0032] 圖5 (b)為本發(fā)明所采用LED光源的正視圖。
[0033] 圖6為本發(fā)明便攜式靜脈投影儀的模塊連接示意圖。
[0034] 圖7為本發(fā)明便攜式靜脈投影儀圖像處理部分的工作流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案 進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0036] 如圖1所示，本發(fā)明便攜式靜脈投影儀的設(shè)計(jì)原理是靜脈與其周圍組織對(duì)紅外光 的吸收以及反射程度不同：脂肪散射紅外線，幾乎不吸收；靜脈血中由于血紅蛋白的存在， 對(duì)紅外線的吸收遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于其它皮下組織。采用近紅外光的原因是：皮膚總厚度為0. 5-4_， 平均厚度為2mm。遠(yuǎn)紅外輻射（3 ym以上）的作用深度非常淺，絕大部分都在上皮或真皮 層吸收，僅小部分能進(jìn)入皮下；近紅外輻射則相對(duì)透入稍深，近紅外輻射的穿透深度約為 lcm，而遠(yuǎn)紅外福射則僅為0? 05-lmm。
[0037] 基于上述設(shè)計(jì)原理，本發(fā)明采用以下裝置來實(shí)現(xiàn)，具體如圖2、圖3和圖6所示，該 裝置包括：LED光源1、CMOS鏡頭2、半透半反片3、微型投影儀4、CMOS驅(qū)動(dòng)模塊5、投影驅(qū) 動(dòng)模塊6、ARM核心控制模塊7、圖像處理模塊8、電源模塊9。
[0038] 其中，CMOS驅(qū)動(dòng)模塊5被集成在CMOS鏡頭2上，投影驅(qū)動(dòng)模塊6被集成在微型投 影儀4上，圖像處理模塊8以及電源模塊9被集成在一塊電路板上，通過一塊ARM核心控制 芯片7控制數(shù)據(jù)流的讀入、處理和讀出。整個(gè)系統(tǒng)由連接在電路板上的電池供電，CMOS鏡 頭2和投影儀4分別通過接口與電路相連，由電源模塊10對(duì)它們供電。通過圖6可以清晰 的看到每個(gè)模塊之間的工作關(guān)系，可以知道系統(tǒng)如何傳輸數(shù)據(jù)。
[0039] LED光源1發(fā)出近紅外光打到手背上，手背組織11對(duì)所接收到的光進(jìn)行散射，一部 分近紅外光通過