一种嵌入式手背静脉图像增强装置及增强方法与流程

本发明主要涉及图像增强装置及方法，更具体地，涉及一种嵌入式手背静脉图像增强装置及增强方法。

背景技术：

目前，公知的用于静脉输液穿刺的静脉辅助增强方式有以下几种：

1.化学药物贴片：接触式皮下静脉显示解决方案。将一贴片贴在病人手臂上，贴片内封装对皮肤温度敏感的液晶材料，其颜色变化对应不同颜色变化。由于静脉血的温度和其他皮肤的温度有差异，贴片会将这种温度差异以颜色差异的形式表现出来，进而将静脉清晰的显示出来。这项技术在美国申请了专利。然而，受成本影响，这种不可重复使用的静脉显示方案并未得到推广。

2.使用大功率近红外光源：根据血液中脱氧血红蛋白吸收近红外光的能力远高于其他组织的原理，使用近红外光源照射手背，手腕组织，使静脉清晰显示。然而观察方式是肉眼直接观察，为了方便肉眼的观察，不得不使用大功率近红外光源，巨大的发热量不仅散热困难，还会对人体造成伤害。另外，这项技术仅试用于皮肤颜色比较淡人种，深色皮肤的人种使用效果非常差。

3.返回投影式：红外光照射手背，红外敏感的传感器捕获图像处理后返回投影到手背上。这种装置因成本高，在国内没有推广开来。

技术实现要素：

本发明主要提供一种嵌入式手背静脉图像增强装置及增强方法，该嵌入式静脉增强装置不仅能通过红外摄像头结合自带的补光装置获得手背的静脉图像，而且能通过嵌入式平台运行的增强算法来对静脉的显示清晰度进行增强，并将增强结果实时显示出来。

为解决上述技术问题，本发明一种嵌入式手背静脉图像增强装置，其特征 在于，包括摄像头、补光灯、单片机系统和显示屏，所述摄像头包括偏振光透镜、镜头、传感器和滤光片，所述偏振光透镜设置在镜头的前方，所述传感器与镜头相连，所述镜头和传感器之间设有滤光片。

所述补光灯固定在摄像头上，均匀分布在摄像头的前端。

所述摄像头的输出端与单片机系统的输入端相连，所述单片机系统的输出端与显示屏的输入端相连。

作为本方案的进一步优化，本发明一种嵌入式手背静脉图像增强装置所述传感器选用CMOS红外传感器。

作为本方案的进一步优化，本发明一种嵌入式手背静脉图像增强装置所述滤光片选用850nm窄带通滤光片。

作为本方案的进一步优化，本发明一种嵌入式手背静脉图像增强装置所述补光灯选用850nm LED补光灯。

使用一种嵌入式手背静脉图像增强装置进行静脉图像增的方法，具体步骤如下：

步骤一、通过摄像头和补光灯获得原始图像；

步骤二、通过单片机系统对捕获的原始图像进行算法处理。

使用一种嵌入式手背静脉图像增强装置进行静脉图像增的方法，所述算法处理包括以下步骤：

1)、将获得的原始图像进行灰度处理；

2)、将步骤1)灰度处理后的图像利用阈值化获得ROI，阈值设置为119，提取出手背区域，去掉背景；

3)、将步骤2)提取出的ROI区域进行黑帽滤波算法，提取出静脉的图像轮廓；

4)、采用基于ROI的限制对比度自适应直方图均衡化算法对步骤3)提取出的静脉图像轮廓进行增强，得到清晰静脉轮廓；

5)、将步骤4)的处理结果和原始图像进行叠加。

本发明一种嵌入式手背静脉图像增强装置及增强方法的有益效果为：1、可 以以较低的成本，实现手背静脉的增强，并利用LCD显示屏进行显示；2、它可以使身体肥胖的成人和不易找到血管的儿童的静脉血管较为清晰的显示，为护士的手背静脉穿刺提供的帮助；3、其嵌入式系统的特点使其较为省电，容易携带。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明一种嵌入式手背静脉图像增强装置的结构框图；

图2为本发明一种嵌入式手背静脉图像增强装置中摄像头的结构示意图；

图3为本发明一种嵌入式手背静脉图像增强装置中补光灯分布示意图。

图4为本发明静脉图像增器方法的流程图。

图中：摄像头1、偏振光透镜1-1、镜头1-2、传感器1-3、滤光片1-4；补光灯2；单片机系统3；显示屏4。

具体实施方式

结合图1、2、3说明本发明专利，本发明专利所述嵌入式手背静脉图像增强装置包括摄像头1、补光灯2、单片机系统3和显示屏4，该嵌入式静脉增强装置不仅能通过红外摄像头结合自带的补光装置获得手背的静脉图像，而且能通过嵌入式平台运行的增强算法来对静脉的显示清晰度进行增强，并将增强结果实时显示出来。

所述摄像头1包括偏振光透镜1-1、镜头1-2、传感器1-3和滤光片1-4，所述偏振光透镜1-1设置在镜头1-2的前方，可以用类似单反相机镜头加镜片的方式固定在镜头1-2的前方；所述传感器1-3与镜头1-2相连，镜头1-2固定在传感器1-3的输入端口；所述镜头1-2和传感器1-3之间设有滤光片1-4，滤光片1-4夹在镜头1-2和传感器1-3之间。偏振光透镜1-1用于滤去手背表层的油脂反光。传感器1-3选用CMOS红外传感器。滤光片1-4选用850nm窄带通滤光片，用于减弱环境光对静脉图像的干扰。偏振光透镜1-1、镜头1-2、传感器1-3和滤光片1-4所形成的摄像头1为红外摄像头。

所述补光灯2固定在摄像头1上，均匀分布在摄像头1的前端。补光灯2选用850nm LED补光灯，可以粘接在摄像头1上，也可以在摄像头1上开孔，将补光灯2插入孔中。补光灯2对手背静脉进行补光，利用静脉中的血红蛋白对850nm光吸收率高的特点来进行静脉的成像。

所述摄像头1的输出端与单片机系统3的输入端相连，所述单片机系统3的输出端与显示屏4的输入端相连。单片机系统3选用树莓派系统，摄像头1和树莓派系统通过CSI接口连接，显示屏4和树莓派系统通过HDMI接口连接，其中显示屏4选用LCD显示器。

所述树莓派系统为RaspberryPi 3B嵌入式Linux处理平台，使用了4核64位处理器，主频为1.2GHz，内存为1GB，能够满足图像处理的需要。该RaspberryPi 3B嵌入式Linux处理平台支持CSI接口的摄像头输入，可以满足连接图像采集系统的接口要求。该平台具有HDMI接口，满足增强后的图像输出接口的要求。而该平台的GPIO接口可以控制补光灯的开关通断。该平台功耗较低，通过5V电压的电源适配器供电，最大供电电流仅为2.5A，属于较低功耗设备。

使用850nm LED补光灯对手背静脉进行补光，利用静脉中的血红蛋白对850nm光吸收率高的特点来进行静脉的成像。组装后的摄像头为红外摄像头，并在镜头上加装偏振光透镜，以滤去手背表层的油脂反光，在镜头与CMOS红外传感器之间加装850nm窄带滤光片，以减弱环境光对静脉图像的干扰。摄像头与树莓派连接，通过树莓派对摄像头进行控制，并对摄像头采集到的图像进行增强处理。最后，树莓派利用与其连接的LCD显示器将增强后的图像实时输出显示。

使用一种嵌入式手背静脉图像增强装置进行静脉图像增的方法，其具体步骤如下：

步骤一、通过摄像头1和补光灯2获得原始图像；

将RaspberryPi 3B嵌入式Linux处理平台开机，RaspberryPi 3B嵌入式Linux处理平台会自动运行图像采集与增强程序，并实时显示增强后的图像，这时摄 像头1和补光灯2会自动开启。RaspberryPi 3B嵌入式Linux处理平台开机开机后，将摄像头1对准要进行静脉增强的部位，摄像头1会采集原始图像并传输到RaspberryPi 3B嵌入式Linux处理平台中。

步骤二、通过单片机系统3对捕获的原始图像进行算法处理。

所述算法处理包括以下步骤：

1)、将获得的原始图像进行灰度处理，该步骤直接使用OpenCV中的函数将RGB图像转化为灰度图；

2)、将步骤1)灰度处理后的图像利用阈值化获得ROI，阈值设置为119，提取出手背区域，去掉背景；

将手背区域提取出来，作为ROI，其他背景区域将灰度值置为零，也就是纯黑，这样可以在一定程度上将对比度增强的区域集中到手背上，增强手背区域静脉轮廓增强的效果。该操作分为两步，第一步，使用阈值化处理。因为相对于手背区域，手背之外的背景区域亮度较暗，因此，经过多次试验，取阈值为119，将灰度值小于119的区域置零，即为纯黑，将灰度值大于119的区域置为255，即为纯白，得到ROI的区域形状。第二步为根据第一步中得到的ROI区域形状，提取出原图对应的ROI，这一步只需将第一步得到的ROI区域形状与原图像做一个与运算即可。

3)、将步骤2)提取出的ROI区域进行黑帽滤波算法，提取出静脉的图像轮廓；黑帽滤波采用OpenCV中的getStructuringElement函数来完成，具体代码如下：

//定义核

Mat element＝getStructuringElement(MORPH_RECT,Size(15,15))；

//进行形态学操作

morphologyEx(image,image,MORPH_BLACKHAT,element)；

而限制对比度自适应直方图均衡化(CLAHE)算法的代码如下：

//CLAHE算法

Ptr<CLAHE>clahe＝createCLAHE()；

clahe->setClipLimit(8)；

clahe->apply(src,dst)；

4)、采用基于ROI的限制对比度自适应直方图均衡化算法对步骤3)提取出的静脉图像轮廓进行增强，得到清晰静脉轮廓；

5)、将步骤4)的处理结果和原始图像进行叠加。

为了便于识别等原因，还需要将增强后的静脉轮廓图像与原图像叠加。叠加的权重为比为1：1。叠加的代码如下：

double alpha＝0.5

double beta＝1-alpha；

addWeighted(src1,alpha,src2,beta,0.0,dst)；

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。