一种静脉显像仪及其成像方法
【专利摘要】本发明涉及一种静脉显像仪及其成像方法，图像采集系统、中央控制系统和投影仪，所述图像采集系统和所述投影仪分别与所述中央控制系统电气连接。本发明的静脉显像仪基于时分复用原理，投影仪中内置有近红外光源，投影仪具备光源和投影的双重作用，使得静脉显像仪的体积得以减小，还在投影仪内设置分色棱镜等均光系统使得投射出的近红外光的照度一致性很好，投射出的近红外光不会超出预设的投射光线范围，利用率提高的同时还减少泄露光线对环境的干扰、降低了功耗。
【专利说明】一种静脉显像仪及其成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种辅助医疗仪器，更具体的说，涉及一种静脉显像仪及其成像方法。
【背景技术】
[0002] 静脉穿刺是临床上需要经常进行的操作，如在给病人输液或抽血时，均需要进行。 在传统的静脉穿刺操作中，医生需要找出穿刺对象手背或手臂等穿刺部位的静脉，对目标 穿刺静脉进行位置定位，才能再进行下一步骤。因此，找出目标静脉并对其进行定位在整个 静脉穿刺操作过程中起着重要作用。但在实际操作过程中，由于受到不同穿刺对象的年龄、 肥胖程度、肤色或操作环境周围光线等因素的影响，使对穿刺目标的静脉的查找和位置定 位出现困难，导致无法准确地进行静脉穿刺操作，降低了静脉穿刺的成功率。
[0003] 因此，针对上面提到的问题，静脉成像装置能使穿刺对象手背或手臂等穿刺部位 的静脉与周围组织的对比度提高，使医生在进行静脉穿刺操作时更容易找到目标静脉并对 其进行位置定位，从而提高静脉穿刺的成功率。
[0004] 目前针对静脉成像装置或称静脉显像仪，主要可分为两大类。第一类是使用可见 光对穿刺对象的待穿刺部位进行透射，根据静脉与周围组织对透射光线的穿透性质的差 异，使穿刺对象的待穿刺部位的静脉与周围组织的对比度提高，从而有利于医生对目标静 脉的查找和位置定位。如中国专利《静脉观察仪》（专利号：200920166565. 1)和《简易式静 脉显影仪》（专利号：201120535069. 6)等是属于这一类型的静脉显像仪。这一类型的静脉 显像仪结构虽然相对简单，但也有其局限性，如需要功率较大的可见光光源、成像的对比度 较低、对手臂等穿刺部位的成像较困难等。第二类是使用红外静脉成像的原理，红外照射穿 刺对象的待穿刺部位，采集和处理近红外图像数据，使得静脉与周围组织的对比度得到提 高，然后再通过显示屏或原位等大投影等方式展示给医生，从而协助其进行静脉穿刺操作。 其中，使用原位等大投影的方式进行显示具有效果直观、操作方便等优点，更有利于医生进 行静脉穿刺的操作。如中国专利《一种手背静脉显像仪》（专利号：201220580007. 1)、《一 种静脉显影成像系统》（专利号：201320064740. 2)和《一种双光源静脉血管显像装置》（专 利号：201320403264. 2)等是属于这一类型的静脉显像仪。这一类型的静脉显像仪结构相 对第一种要复杂，但其具有成像对比度较高，可用于对手臂等穿刺部位的成像等优点，但是 需要使用近红外光源对穿刺对象的待穿刺部位进行照射从而成像的特点，使得现有的此类 静脉显像仪中需要设置一个或多个外置近红外光源，并且在红外摄像头成像完成后由投影 仪将成像投射至待穿刺部位，此种近红外光源与投影仪分开的结构会使得此种静脉显像仪 具有体积大、功耗严重、近红外光泄露等问题。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术中利用红外静脉成像原理的静脉 显像仪中需要设置一个或多个外置近红外光源，造成的近红外光照度不均匀、近红外光泄 露对周围环境造成干扰、近红外光的整体利用率降低、静脉显像仪的体积增大等问题，提供 了一种静脉显像仪及其成像方法。
[0006] 本发明解决上述问题的技术方案为：提供一种静脉显像仪，包括图像采集系统、 中央控制系统和投影仪，所述图像采集系统和所述投影仪分别与所述中央控制系统电气连 接，在第一时间间隙内所述中央控制系统控制所述投影仪投射近红外光到待成像部位，并 使用所述图像采集系统采集图像数据，所述中央控制系统对采集的所述图像数据进行图像 处理操作，得到待成像部位的静脉与周围组织的增强图像；在第二时间间隙内所述中央控 制系统控制所述投影仪投射可见光将所述增强图像投射到待成像部位。
[0007] 在本发明的静脉显像仪中，所述投影仪包括投影成像元件、分色棱镜、分光镜、投 影镜头以及分别对准安装在所述分色棱镜的各个入射光窗口的至少一个可见光光源、近红 外光源，所述分光镜安装在所述分色棱镜的出射光窗口的光路上，经过所述分光镜的光线 进入所述投影成像元件进行投影图像的成像，所述投影图像的成像通过所述分光镜反射至 所述投影镜头，由所述投影镜头投射到待成像部位。
[0008] 在本发明的静脉显像仪中，所述中央控制系统分别与所述投影仪的所述投影成像 元件、至少一个可见光光源以及近红外光源电气连接。
[0009] 在本发明的静脉显像仪中，所述图像采集系统包括红外成像摄像头以及装配于所 述红外成像摄像头前的近红外滤光片。
[0010] 在本发明的静脉显像仪中，所述近红外滤光片采用的通带中心波长为850nm、 880nm、940nm 或者 950nm 中的一种。
[0011] 在本发明的静脉显像仪中，所述红外成像摄像头为采用互补金属氧化物半导体感 光元件或者电荷耦合器件感光元件的成像摄像头。
[0012] 在本发明的静脉显像仪中，所述投影成像元件采用硅基液晶技术、数字光处理器 技术或者液晶显示技术中的一种。
[0013] 在本发明的静脉显像仪中，所述中央控制系统为微处理器、数字信号处理器、可编 程逻辑器件中的一种或者几种的组合。
[0014] 本发明还提供一种静脉显像仪的成像方法，使用的所述静脉显像仪包括图像采集 系统、中央控制系统和投影仪，所述方法包括如下步骤：
[0015] S1、在第一时间间隙内，所述投影仪投射近红外光到待成像部位，图像采集系统采 集图像数据；
[0016] S2、中央控制系统对采集的所述图像数据进行图像处理操作，得到待成像部位的 静脉与周围组织的增强图像；
[0017] S3、在第二时间间隙内，投影仪使用可见光将所述增强图像投射到待成像部位；
[0018] S4、重复所述步骤S1?S3,得到待成像部位连续的成像。
[0019] 在本发明的静脉显像仪的成像方法中，所述第一时间间隙和所述第二时间间隙均 小于所述红外成像摄像头采集一帧图像所用时间，所述图像处理操作包括图像校正、图像 配准、图像增强和图像拼接。
[0020] 实施本发明的静脉显像仪及其成像方法，具有以下有益效果：本发明的静脉显像 仪基于时分复用原理，投影仪中内置有近红外光源，投影仪具备光源和投影的双重作用，使 得静脉显像仪的体积得以减小，还在投影仪内设置分色棱镜等均光系统使得投射出的近红 外光的照度一致性很好，投射出的近红外光不会超出预设的投射光线范围，利用率提高的 同时还减少泄露光线对环境的干扰、降低了功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用型新的部分实施例， 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。
[0022] 图1为本发明静脉显像仪较佳实施例的结构图；
[0023] 图2为本发明静脉显像仪的成像方法的流程图；
[0024] 图3为本发明静脉显像仪的成像方法的时间间隙的分配方式的示意图；
[0025] 图4为本发明静脉显像仪的成像方法的时间间隙的又一种分配方式的示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所 描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发 明保护的范围。
[0027] 为了解决现有技术中利用红外静脉成像原理的静脉显像仪中需要设置一个或多 个外置近红外光源，造成的近红外光照度不均匀、近红外光泄露对周围环境造成干扰、近红 外光的整体利用率降低、静脉显像仪的体积增大等问题，本发明的主要创新点在于：提供了 一种使用红外静脉成像原理和时分复用原理的静脉显像仪及其成像方法，其中，所述静脉 显像仪包括图像采集系统、中央控制系统和投影仪，在投影仪中内置有近红外光源，投影仪 具备光源和投影的双重作用，很好解决上述问题的同时还降低了静脉显像仪的功耗。
[0028] 图1为本发明较佳实施例的静脉显像仪100的结构示意图，如图1所示，所述静脉 显像仪包括图像采集系统110、中央控制系统120和投影仪130,所述图像采集系统110和 所述投影仪130分别与所述中央控制系统120电气连接，三者协调工作，中央控制系统120 主要控制整个静脉显像仪的图像采集、图像处理和投影成像等工作过程，图像采集系统110 主要用于待成像部位10的图像数据的采集，投影仪130用于投射近红外光和投影成像图 像。在中央控制系统120控制图像采集系统110采集待成像部位10的图像数据的第一时 间间隙内，中央控制系统120同时控制投影仪130投射近红外光至待成像部位10,图像采集 系统110采集图像数据后传输给中央控制系统120,由中央控制系统120进行图像处理等 操作，得到待成像部位10的静脉与周围组织的对比度增强图像，即第一时间间隙为成像间 隙；第一时间间隙后随即进入第二时间间隙，第二时间间隙为投影间隙，在第二时间间隙内 图像采集系统110停止工作，中央控制系统120控制投影仪130将上述"待成像部位10的 静脉与周围组织的对比度增强图像"投射到待成像部位10。上述第一时间间隙和第二时间 间隙交替的连续进行，虽然图像的成像和图像的投射在不同的时间间隙内进行，但是第一 时间间隙和第二时间间隙交替的速度超出了人眼能够辨别的极限，基于时分复用原理，待 成像部位10上即可以显示连续的"待成像部位10的静脉与周围组织的对比度增强图像"。
[0029] 如图1所示，本发明的投影仪130包括投影成像元件131、分色棱镜132、至少一个 可见光光源、近红外光源135、分光镜136、投影镜头137,图中所示可见光光源为两个，包括 可见光光源133和可见光光源134。根据本发明的不同实施例中，可见光光源也可以为一 个或者更多个，可见光光源133、可见光光源134和近红外光源135分别对准安装在分色棱 镜132的各个入射光窗口，分色棱镜132的参数如滤光膜的通带波长根据各个入射光的波 长进行选择和设计，从而可提高上述各个光源的光线利用率，分色棱镜132的出射光窗口 对准分光镜136,即分光镜136安装在分色棱镜132的出射光窗口的光路上，光线经过分光 镜136后进入投影成像元件131进行投影图像的成像，然后通过投影镜头137投射到待成 像部位10。
[0030] 其中，在第一时间间隙，投影仪130的作用为投射近红外光到待成像部位10,此时 在中央控制系统120的控制下近红外光源135发光，可见光光源133和可见光光源134熄 灭，近红外光经过分色棱镜132,从分色棱镜132的出射光窗口经过所述分光镜136进入投 影成像元件131，投影成像元件131对入射的近红外光进行投影图像的成像，覆盖与待成像 部位10形状、大小相适配的图像区域，然后传回至分光镜136,经过分光镜136反射到投影 镜头137,以近红外光的形式投射到待成像部位10。近红外光经过投影成像元件131后可 以较好的解决近红外光照度不均匀的问题。图像采集系统110采集图像数据，得到待成像 部位的静脉与周围组织的对比度增强图像。
[0031] 在第二时间间隙，投影仪130的作用为投射"待成像部位10的静脉与周围组织的 对比度增强图像"到待成像部位10,此时在中央控制系统120的控制下近红外光源135熄 灭，可见光光源133和可见光光源134发光，可见光经过分色棱镜132,从分色棱镜132的出 射光窗口进入分光镜136,透过分光镜136的可见光光线进入投影成像元件131，投影成像 元件131接收中央控制系统120发出的增强图像的信号，对入射的可见光进行投影图像的 成像，然后传回至分光镜136,经过分光镜136反射到投影镜头137,以可见光的形式投射到 待成像部位10,上述被投射到待成像部位10的"待成像部位10的静脉与周围组织的对比 度增强图像"为一种单色灰度或伪彩色的图像，其中待成像部位10的静脉与周围组织的对 比度得到增强，使医生更容易地找到目标静脉并对其位置进行定位。
[0032] 如上所述，第一时间间隙和第二时间间隙反复交替，对待成像部位10进行连续的 成像。近红外光源135的发光在时间轴上是不连续的，减少了近红外光源135的有效发光 时间，从而降低功耗。
[0033] 优选的，中央控制系统120分别与所述投影仪130的所述投影成像元件131、至少 一个可见光光源、以及近红外光源135电气连接，其中至少一个可见光光源包括可见光光 源133和可见光光源134,相同的，可见光光源也可以为一个或者更多个。投影成像元件 131对入射的光线进行投影图像的成像，将入射的近红外光生成待成像部位10的形状、大 小，将入射的可见光生成"待成像部位10的静脉与周围组织的对比度增强图像"，上述过程 都受到中央控制系统120的控制。至少一个可见光光源以及近红外光源135在第一时间间 隙和第二时间间隙反复交替的过程中的发光、熄灭也都受到中央控制系统120的控制。
[0034] 优选的，所述图像采集系统110包括红外成像摄像头112,以及装配于所述红外成 像摄像头112前的近红外滤光片111，红外成像摄像头112与中央控制系统120电气连接， 受到中央控制系统120的控制采集通过近红外滤光片111图像数据。更优选的，所述近红 外滤光片111所采用的通带中心波长为850nm、880nm、940nm或950nm等。
[0035] 优选的，所述红外成像摄像头112为图像数据采集部件，可采用互补金属氧化物 半导体（CMOS)或者电荷耦合器件（CCD)等类型的感光元件，以达到足够的感光灵敏度。
[0036] 优选的，所述投影成像元件131采用的显示技术为硅基液晶（LCoS)技术、数字光 处理器（DLP)技术或者液晶显示（IXD)技术。
[0037] 优选的，所述中央控制系统120为微处理器、数字信号处理器（DSP)、可编程逻辑 器件中的一种或者几种的组合，其中微处理器可以采用多种架构类型如ARM架构、MIPS架 构，可编程逻辑器件可以采用现场可编程门阵列（FPGA)、复杂可编程逻辑器件（CPLD)等。
[0038] 优选的，所述可见光光源至少为一个，可见光光源133和可见光光源134为单色光 源或多色光源，即发光颜色可采用任意可见光颜色，光源可为单色发光的光源或多色发光 的光源，发光体类型可为发光二极管（LED)或其它类型。类似的，所述近红外光源135可采 用发光中心波长为850nm、880nm、940nm或950nm等的近红外光源，以与近红外滤光片111 所采用的通带中心波长相适配，发光体类型可为发光二极管（LED)或其它类型。在此需要 特别指出，上述波长、发光体类型、发光颜色等均为示例性而不是限制性的，任何简单修改、 等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
[0039] 图2示出了本发明静脉显像仪的成像方法的流程，如图2所示，本发明的静脉显像 仪的成像方法，使用的如图1中静脉显像仪，所述静脉显像仪包括图像采集系统110、中央 控制系统120和投影仪130,所述方法包括如下步骤：
[0040] S1、在第一时间间隙内（图中用Μ表示），所述投影仪130投射近红外光到待成像 部位10,所述图像采集系统110采集图像数据；
[0041] S2、中央控制系统120对采集的所述图像数据进行图像处理操作，得到待成像部 位10的静脉与周围组织的增强图像；
[0042] S3、在第二时间间隙内（图中用Ν表示），投影仪130使用可见光将所述增强图像 投射到待成像部位10 ;
[0043] S4、重复所述步骤S1?S3,得到待成像部位10连续的成像。
[0044] 在第一时间间隙内，投影仪130投射近红外光，图像采集系统110采集图像数据， 中央控制系统120得到待成像部位10的静脉与周围组织的增强图像；在第二时间间隙内， 投影仪130在中央控制系统120的控制下将增强图像投射到待成像部位10。上述第一时间 间隙和第二时间间隙交替的连续进行，虽然图像的成像和图像的投射在不同的时间间隙内 进行，但是第一时间间隙和第二时间间隙交替的速度超出了人眼能够辨别的极限，基于时 分复用原理，待成像部位10上即可以显示连续的"待成像部位10的静脉与周围组织的对比 度增强图像"。
[0045] 优选的，所述步骤S2中的图像处理操作包括图像校正、图像配准、图像增强和图 像拼接，经过对图像数据的处理操作后，被投射到待成像部位10的静脉与周围组织的增强 图像是一种单色灰度或伪彩色的图像，其中待成像部位10的静脉与周围组织的对比度得 到增强，使医生更容易地找到目标静脉并对其位置进行定位。
[0046] 特别需要指出，第一时间间隙和第二时间间隙可采用不同的方式分配，图3示出 了本发明静脉显像仪的成像方法的时间间隙的一种分配方式，如图3所示，第一时间间隙 投影仪130为近红外光场（图中用Μ表示），第二时间间隙投影仪130为可见光场（图中 用Ν表示），第一时间间隙和第二时间间隙交替分布在采集相邻的两帧图像所用的时间中， 近红外光场（对应时间间隙Μ)被分配在图像帧N的第一个显示场中，可见光场（对应时间 间隙N)被分配在图像帧N+1的第二个显示场中，时间间隙Μ和时间间隙N按照图像帧间进 行交替分布。优选的，按照此种方式分配的第一时间间隙和第二时间间隙，其长度比例为1 ：1 〇
[0047] 图4示出了本发明静脉显像仪的成像方法的时间间隙的又一种分配方式，第一时 间间隙和第二时间间隙分布在采集同一帧图像所用的时间中，近红外光场（对应时间间隙 Μ)被分配在图像帧Ν的第一个显示场中，而可见光场（对应时间间隙Ν)则被分配在图像 帧Ν的第二和第三个显示场中，时间间隙Μ和时间间隙Ν按照单幅图像帧的显示场间进行 分配。优选的，按照此种方式分配的第一时间间隙和第二时间间隙，其长度比例为1 : 2。
[0048] 在此特别强调，图3和图4中时间间隙的分配方式只是示例性的而非限制性的，只 是为了更清楚的解释本发明工作过程，依据本发明的原理对其做出的任何修改都落入本发 明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种静脉显像仪，其特征在于，所述静脉显像仪（100)包括图像采集系统（110)、中 央控制系统（120)和投影仪（130)，所述图像采集系统（110)和所述投影仪（130)分别与所 述中央控制系统（120)电气连接，在弟一时间间隙内所述中央控制系统（120)控制所述投 影仪（130)投射近红外光到待成像部位（10)，并使用所述图像采集系统（110)采集图像数 据，所述中央控制系统（120)对采集的所述图像数据进行图像处理操作，得到待成像部位 (10)的静脉与周围组织的增强图像；在第二时间间隙内所述中央控制系统（120)控制所述 投影仪（130)投射可见光将所述增强图像投射到待成像部位（10)。
2. 根据权利要求1所述的静脉显像仪，其特征在于，所述投影仪（130)包括投影成像元 件（131)、分色棱镜（132)、分光镜（136)、投影镜头（137)以及分别对准安装在所述分色棱 镜（132)的各个入射光窗口的至少一个可见光光源（133,134)、近红外光源（135)，所述分 光镜（136)安装在所述分色棱镜（132)的出射光窗口的光路上，经过所述分光镜（136)的 光线进入所述投影成像元件（131)进行投影图像的成像，所述投影图像的成像通过所述分 光镜（136)反射至所述投影镜头（137)，由所述投影镜头（137)投射到待成像部位（10)。
3. 根据权利要求1所述的静脉显像仪，其特征在于，所述中央控制系统（120)分别与所 述投影仪（130)的所述投影成像元件（131)、至少一个可见光光源（133,134)以及近红外光 源（135)电气连接。
4. 根据权利要求1所述的静脉显像仪，其特征在于，所述图像采集系统（110)包括红外 成像摄像头（112)以及装配于所述红外成像摄像头（112)前的近红外滤光片（111)。
5. 根据权利要求1所述的静脉显像仪，其特征在于，所述近红外滤光片（111)采用的通 带中心波长为850nm、880nm、940nm或者950nm中的一种。
6. 根据权利要求1所述的静脉显像仪，其特征在于，所述红外成像摄像头（112)为采用 互补金属氧化物半导体感光元件或者电荷耦合器件感光元件的成像摄像头。
7. 根据权利要求1所述的静脉显像仪，其特征在于，所述投影成像元件（131)采用硅基 液晶技术、数字光处理器技术或者液晶显示技术中的一种。
8. 根据权利要求1所述的静脉显像仪，其特征在于，所述中央控制系统（120)为微处理 器、数字信号处理器、可编程逻辑器件中的一种或者几种的组合。
9. 一种静脉显像仪的成像方法，其特征在于，使用的所述静脉显像仪包括图像采集系 统、中央控制系统和投影仪，所述方法包括如下步骤： 51、 在第一时间间隙内，所述投影仪投射近红外光到待成像部位，图像采集系统采集图 像数据； 52、 中央控制系统对采集的所述图像数据进行图像处理操作，得到待成像部位的静脉 与周围组织的增强图像； 53、 在第二时间间隙内，投影仪使用可见光将所述增强图像投射到待成像部位； 54、 重复所述步骤S1?S3,得到待成像部位连续的成像。
10. 根据权利要求9所述的成像方法，其特征在于，所述图像处理操作包括图像校正、 图像配准、图像增强和图像拼接。
【文档编号】A61B5/00GK104146683SQ201410169207
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】但果, 陈子豪, 易羽, 陈思平 申请人:深圳大学