張敏剛 李向東*

靜脈成像投影設(shè)備的研制

張敏剛①李向東①*

目的：研制靜脈成像投影設(shè)備，并進行臨床應(yīng)用驗證。方法：以現(xiàn)有市售元器件作為購買配置依據(jù)，利用發(fā)射光靜脈成像原理，搭建以工控機作為中央控制單元，外圍由微型投影、攝像頭等構(gòu)成的電路，工控機傳輸、儲存由攝像頭采集到的圖像，經(jīng)相應(yīng)圖像處理算法后傳輸?shù)轿⑿屯队霸O(shè)備，實現(xiàn)靜脈血管紋路的投影顯示。結(jié)果：成像后的靜脈血管投影紋路與實際血管走向基本吻合，圖像質(zhì)量良好。結(jié)論：研制的靜脈成像投影設(shè)備能夠滿足臨床應(yīng)用需要，可為后續(xù)研究提供科學依據(jù)。

靜脈成像投影；光源；攝像頭；工控機；微型投影儀

［First-author’s address］ The First Hospital of the Fourth Military Medical University， Xi’an 710032， China.

目前，進入市場的靜脈血管成像投影設(shè)備越來越多，成像質(zhì)量也越來越好，主要應(yīng)用于身份識別和靜脈穿刺技術(shù)中［1-2］。在靜脈成像投影設(shè)備研制過程中，運用的基本原理基本相同。靜脈紅血球中的血紅蛋白因照射會失去氧分子，而還原的血紅蛋白會吸收波長為760 nm附近的近紅外光，導致靜脈部分的光透射較少，在影像上就會產(chǎn)生靜脈暗影圖案［3-4］?，F(xiàn)階段應(yīng)用該原理生產(chǎn)的靜脈成像設(shè)備僅限于淺表靜脈的觀察，由于近紅外光的穿透力有限，對于手掌、手指的觀察多用透射光檢測；而對于手臂及其他部位的觀測只能用反射光方式。本研究基于反射光法實現(xiàn)對靜脈血管成像投影設(shè)備的研制，以便觀察到高質(zhì)量的人體手背、手腕等處血管圖像。

1 靜脈成像投影設(shè)備構(gòu)造與原理

在研發(fā)投影式靜脈成像設(shè)備中選取濾光片是關(guān)鍵，選取的原則是允許特定波段的光線通過，盡可能多的濾除其他波段光［5］。然而，若要達到投影與靜脈血管完全重合則必須選擇特制的半反半透鏡作為濾光片，其目的是使850 nm附近的光處于反射狀態(tài)，低于800 nm的光處于透射狀態(tài)［6］（如圖1所示）。

圖1 投影光路示圖

圖1 顯示，光源產(chǎn)生波長約為850 nm的近紅外光，近紅外光經(jīng)過半透半反膜，其膜對850 nm的近紅外光具有反射作用，反射的近紅外光到達人體皮膚表面，遇靜脈血血管中的血紅蛋白后，部分光被吸收，反射回的光線亮度弱；周圍組織未吸收紅外光，亮度相對較強。反射回來的光信號被電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）和（或）互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxidesemiconductor，COMS）傳感器捕捉到后生成亮度有明顯對比的圖像，相對較暗部分為血管，暗部分的紋路即為血管的走形紋路；微型投影根據(jù)接收到的圖像，經(jīng)過處理只投射出暗部分及血管紋路到相應(yīng)的部位，通過投影圖像觀察人體組織內(nèi)血管的紋路［7-10］。

CCD/COMS感光元件用于采集反射后光線強度的變化，此時半透半反膜用于阻擋反射回的光信號不能透過到投影光路，而是進入到CCD；微型投影用于產(chǎn)生投影圖像，中央控制部分選用工控機或其他控制模塊用于對各個功能模塊間控制。

2 靜脈成像投影設(shè)備元器件的選擇

通過對比分析，選擇性價比較高的元器件。保證光源是產(chǎn)生波長為850 nm或鄰近波長的近紅外光，也可選擇雙波長做為光源［11］。市面上有售特定波長的燈珠，紅外燈珠大規(guī)模使用在夜間監(jiān)控；由于燈珠是均勻分布在攝像頭周圍，在選擇中無需選擇功率過大的燈珠，小功率燈珠成本相對較低，產(chǎn)生熱量較少，使用中無需考慮散熱問題。攝像頭由鏡頭與圖像傳感器兩部分構(gòu)成，鏡頭用于調(diào)整視野、圖像距離及進光的多少；圖像傳感器用于采集經(jīng)靜脈反射后的光信號；鏡頭選擇必須以圖像傳感器選擇為基礎(chǔ)。本研究選擇Micrond的MT9V032，基本能夠滿足圖像采集的性能需求，相對于同類設(shè)備價格也比較合理［12］。MT9V032屬于CMOS傳感器，分辨率為752×480，像素點大小為6 μm×6 μm；捕捉的圖像傳送到投影儀，投影到手臂或頭皮等位置與原血管重合，便于觀察血管走形紋路。選擇工控機作為中央控制單元，協(xié)調(diào)各部件的工作，以及對圖像進行處理，數(shù)據(jù)的傳入、傳出。在制作中半透半反膜位置角度十分重要，應(yīng)調(diào)至45o角最為合理，否則最后生成的投影圖像可能會與實際的血管紋路有偏差。

3 靜脈成像投影圖像處理

采集到的圖像在傳輸?shù)酵队扒靶鑼Σ杉降某跏紙D像進行灰階等信號處理；以體現(xiàn)出靜脈血管與周圍的差別，并消除非血管區(qū)域的噪點。圖像處理的算法較多，經(jīng)文獻分析，參考和借鑒“參考靜脈成像顯示儀的計算方法研究”、“數(shù)字圖像處理的MATLAB實現(xiàn)”以及“NIBACK算法”［13-15］等，圖像處理算法的選取應(yīng)既能突出靜脈血管紋路，又不能造成將非血管部分誤判斷為靜脈血管紋路。圖像處理算法處理前采集到的初始的手背靜脈圖像如圖2所示；經(jīng)過處理后的圖像如圖3所示，能夠觀察到不均勻分布的噪點被濾除掉，靜脈血管紋路清晰。

圖2 手背血管靜脈圖像

圖3 經(jīng)圖像處理算法處理后的血管靜脈圖像

4 圖像質(zhì)量整體評價

由于采集到的圖像不僅僅用于圖像顯示，還涉及投影后的圖像與圖像完全重合。因此，在安裝調(diào)試時通過微型投影的位置移動以及投影自帶的微調(diào)功能使兩圖像完全重合，實際檢測到的手臂、腳背靜脈血管投影圖像與實際靜脈血管紋路一致［16］（如圖4、圖5所示）。

圖4 手臂投影圖像

圖5 腳背投影圖像

5 結(jié)論

本研究運用反射光檢測方法、配置適宜的光源、攝像頭等器件構(gòu)建系統(tǒng)，結(jié)合圖像處理算法，得出較高質(zhì)量的人體手背、手腕等處血管成像。所研制的靜脈成像投影設(shè)備能滿足臨床應(yīng)用需要，并可為后續(xù)研究提供科學依據(jù)。設(shè)備在保證實用性能的前提下成本低廉，利于實現(xiàn)和推廣。

［1］王云新，劉鐵根，朱軍超，等.嵌入式人體手背靜脈圖像采集系統(tǒng)的研制［J］.儀器儀表學報，2009，30（2）：308-312.

［2］李紅芹，王娟，謝小淑，等.一次性采血針結(jié)合股靜脈體表投影在小兒股靜脈采血中的應(yīng)用［J］.山西醫(yī)藥雜志，2014（6）：704-705.

［3］衛(wèi)娜，李向東，云慶輝，等.基于嵌入式平臺紅外靜脈成像儀的研制［J］.中國醫(yī)學裝備，2014，11（9）：37-39.

［4］余成波，秦華峰.生物特征識別技術(shù)手指靜脈識別技術(shù)［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［5］葉燕，周云，張恒，等.金屬光柵型偏振彩色濾光片［J］.光學學報，2011（4）：54-60.

［6］陳龍聰，劉改琴，胡南，等.基于半反半透鏡的新型尿液分析核心模塊的研究［J］.生物醫(yī)學工程學雜志，2014，6（31）：1288-1293.

［7］齊歡，焦淑紅，王斌，等.基于CMOS傳感器的圖像質(zhì)量評價［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015，5（34）：12-14.

［8］王科，劉仁峰.基于線陣CCD的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計［J］.計算機與數(shù)字工程，2014，6（42）：1087-1090.

［9］楊健賢，劉海剛，宋沖，等.基于線性CCD的路徑識別算法研究［J］.工業(yè)控制計算機，2015，7（28）：63-65.

［10］姚海根.CCD與CMOS傳感器比較［J］.印刷工程，2009（4）：31-33.

［11］藍惠英，石巖，王龍吾.手靜脈成像系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］.生物醫(yī)學工程學雜志，2013，30（5）：1079-1082.

［12］MT9V032：1/3-Inch wide-VGA Digital Image Sensor Features［P］.Micron Confidential and Proprietary，2006.

［13］李向東，衛(wèi)娜，云慶輝，等.靜脈成像顯示儀的計算方法研究［J］.中國醫(yī)學裝備，2014，11（8）：35-38.

［14］阮秋琦譯.數(shù)字圖像處理的MATLA實現(xiàn)［M］.2版.北京：清華大學出版社，2013.

［15］喻恒，鄭均輝.基于CLAHE和改進的NIBLACK算法的手背靜脈提取方法［J］.計算機與現(xiàn)代化，2015，22（4）：74-77.

［16］芮大為，祁康成，林祖?zhèn)?，?基于多球面封裝透鏡的LED微型投影儀的光源設(shè)計［J］.電子器件，2012，35（1）：39-42.

Development of vein image projection equipment

ZHANG Min-gang， LI Xiang-dong// China Medical Equipment，2016，13（4）：9-11.

Objective： To introduce a method and theory about how implementation vein image projection epidermis and conduct the clinical testing. Methods： Base on existing electronic components construct circuit. The construct circuit was made of industrial personal computer，mini-projector， camera and so on. The image is captured by camera transfer to industrial personal computer. Choosing suitable image process algorithms modify image. Processed image that storage in industrial personal computer transfer to mini-projector， vascular vein lines is produced from mini-projector. Results： Through this way that vascular vein projector method get image basic agreement vascular trend， meet the clinical needs. Conclusion： Vein image projection methods meet clinical need can be used to study other field.

Vein image projection； Lamp-house； Camera； Industrial personal computer， Mini-projector

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.04.004

1672-8270（2016）04-0009-03

R197.39

A

2015-10-22

①第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院器械設(shè)備科 陜西 西安 710032

*通訊作者：lixiangd@fmmu.edu.cn

張敏剛，男，（1985- ），本科學歷，工程師。第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院器械設(shè)備科，從事生物醫(yī)學工程工作。