一种用于静脉显像的原位投影方法与流程

本发明涉及辅助医疗领域，特别涉及一种用于静脉显像的原位投影方法。

背景技术：

静脉穿刺是临床上的一种常见医疗手段，例如药物注射、输液、抽取血液等。目前，在传统操作中，医护人员主要通过目测或经验定位血管。但对部分血管过细、脂肪较厚或血管塌陷的特殊患者(例如儿童、体胖者、老人等)，血管难以辨别，严重影响静脉穿刺成功率。因此，急需一种辅助定位的静脉显像方法来指导穿刺。

当前，主流的静脉显像方法多采用近红外静脉成像原理，增强静脉与周围组织对比度后显像，例如中国专利《一种静脉显影成像系统》(专利申请号：201320064740.2)、《一种输液辅助静脉显影仪》(专利申请号：201320007342.7)等。此类显像仪都采用透射式光源，检测区域有限，且用显示器表现成像结果，不便于实际操作。此后，出现了采用直射光源的投影式显像仪，例如《一种适用于外周血管静脉显像装置的双光路系统》(专利申请号：201320376695.4)中国专利《一种静脉显像方法以及静脉显像系统》(专利申请号：201510606622.3)等。但是，上述方案中都采用热镜结构，易碎且配套光学部件安装复杂，同时标定过程全凭经验完成，不利于静脉投影的原位呈现。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题在于，针对现有技术中投影式显像仪的各种缺陷，提供一种用于静脉显像的原位投影方法，能够保证虚拟图像原位呈现，准确指导穿刺过程。

本发明解决上述问题是通过以下技术方案实现的：

A：将静脉待测区域放置于指定的检测位；

B：打开近红外模块和可见光模块，确保待测区域光照均匀；

C：利用图像采集模块摄取图像，同时获取可见光图像和近红外图像；

D：图像处理模块对采集图像进行预处理，去除静脉图像中的干扰和噪声；

E：根据对比度增强公式，图像处理模块增强静脉信息，等待投影；

F：将同心圆测试件置于图像采集模块前侧合适距离，微调相机位置，保证采集图像与同心圆共轴且检测面上边缘平行；

G：投影前，调整投影仪的光路结构，确保投影图像和采集图像完全重合；

H：投影标定时，投影仪依次投射大小确定的一种可见光矩形图像和修正位置坐标的另一种可见光矩形图像，循环修正，直至偏移误差小于2mm；

I：投影标定共3面标定，分别是F和G中的重合面(即相机采图最清晰处)、以及相机最小景深面和相机最大景深面，各自重复H步骤；

J：标定完成后，将E中的增强图像采用绿光模式原位投影到检测区域。

所述的步骤A中，静脉待测区域可以是头部、颈部、手背、脚背、手肘内侧等。

所述的步骤B中，近红外模块指大功率近红外LED，配有匀光装置，可以是毛玻璃、70％以上透光率的匀光板、或者菲涅尔透镜等。近红外光波段可以是760nm、850nm、940nm中的一种或者几种的集合。可见光模块可以是450nm～650nm波段的LED，也可以是外界环境中的自然光。

所述的步骤C中，图像采集模块主要通过多光谱相机自动分离近红外图像和可见光图像，这里的多光谱相机有多镜头型、多相机型和光速分离型，其中基于光速分离的2CCD相机效果最佳。

所述的步骤D中，图像处理模块采用5×5像素的扫描窗口对获取的待测图像中按照自上到下、自左到右的顺序进行扫描，计算出扫描窗口内各图像中均值及方差Var，若方差Var大于设定阈值T_D，则对该点采用快速中值滤波方法进行平滑处理，除去待测静脉图像中的干扰和噪声。

所述的步骤E中，对比度增强公式为f_boost＝m(f_nir-nf_vis)。其中，f_boost为增强后图像，f_nir为近红外图像，f_vis为可见光图像,m为缩放比例系数(根据图像像素值的最大不饱和度来确定)，n由公式n＝(h_nir/h_vis)[(G_boost-G_nir)/(G_boost-G_vis)]获取。n的计算公式中，h_nir和h_vis分别为近红外图像和可见光图像的灰度平均强度，G_boost为期望得到的增强图像中静脉与其它组织的灰度对比率(实验可调值)，G_nir和G_vis分别为近红外图像和可见光图像中静脉与其它组织的灰度对比率，由公式G＝|K_vein-K_skin|/(K_vein+K_skin)确定。该公式中，K_vein为相应图像中静脉区域的平均灰度值，K_skin为相应图像中邻近静脉的其它组织的平均灰度值。

所述的步骤F中，同心圆与CCD成像面中心保持共轴，同时两者都垂直于地平面，CCD上下边缘平行于地平线。

所述的步骤G中，假设投影仪位于F的共心轴上，采集图像大小已知，则由成像公式f_c＝l_cd_c/L_c(f_c表示相机焦距，l_c表示图像的水平宽度，L_c表示采集图像区域的水平宽度)可计算相机工作距离d_c。同时，由相机摄像比ρ_c＝d_c/L_c和投影仪投射比ρ_p＝d_p/L_p(d_p表示投影画面至投影仪的距离，L_p表示投影画面的水平宽度)，若采集图像与投影图像重合，需满足即可。完成后，将投影仪水平微调一段距离，防止与相机安装位干涉。

所述的步骤H和I中，投影标定共有3次标定，分别是相机景深最佳面、相机景深最小面和相机景深最大面。每次标定时，投影仪首先投射大小确定的蓝色矩形于待测白色平面，相机采集图像后交于图像处理模块，该模块自动计算4个角点坐标。其中，矩形的标准位置坐标已知(可自动计算或存于注册表中)。然后，计算此时与标准坐标偏差，修正后，经投影仪投出红色矩形。若再次计算偏差小于2mm，标定结束，否则再次投出修正的蓝色矩形，循环至满足条件。这里依次投出蓝、红矩形的目的在于防止标定过快导致前后两次修正矩形无法识别的情况。

所述的步骤G、H、I、J中，所采用的投影仪基于DLP技术，通过DSP控制DMD芯片，满足G中光路投影重合的要求投射图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的一种用于静脉显像的原位投影方法，替换传统热镜结构，光路简单紧凑，便于操作使用；

(2)本发明提出的一种用于静脉显像的原位投影方法，实现软件自动标定，实时纠正投影偏差；

(3)本发明提出的一种用于静脉显像的原位投影方法，原位呈现虚拟图像，准确指导穿刺操作。

附图说明

图1是本发明原位投影方法较佳实施例的结构图。

图2是本发明原位投影方法的流程图。

图3是本发明原位投影方法的一种投影镜头结构图；(a)为该镜头组共有4块镜片，工作距离261mm，视场角16度，实际焦距25.9mm，相对照度90％以上。(b)为投影镜头位置分布，(c)为四块透镜；

图4是本发明静脉显像方法的标定过程示意图。

具体实施方式

本发明以下将结合实施案例(附图)作进一步描述。这些实施案例仅用于说明本发明而用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明原位投影方法较佳实施案例的结构图如图1所示：该实施案例包括近红外光源模块101、图像采集模块102、图像处理模块103和原位投影模块104。

所述近红外光源模块101包括两片菲涅尔透镜111、一个反射杯112和两个3～5W大功率近红外LED113，位于图像采集模块102前侧。两个功率近红外LED相距约70mm，波段分别为850nm和960nm。940nmLED位于反射杯内，能够与外界自然光同时漫反射到待测区域。

所述图像采集模块102包括多光谱相机121和自动光圈镜头122。其中，多光谱相机为光束分离型2CCD相机。

所述图像处理模块103包括中央控制单元131和图像处理算法。中央控制单元131是数字信号处理器(DSP)、可编程门阵列(FPGA)、微处理器(ARM)或工控机中的一种或几种的组合。

所述原位投影模块104包括数字光处理投影仪(DLP)141和原位投影算法。微型投影仪为数字光处理投影仪(DLP)，由DMD芯片、DLP电路、图像控制器、色轮、会聚透镜、高亮光源和投影镜头等构成。

按照此实施例，本发明原位投影方法的流程图如图2所示：

1)将静脉待测区域平放于检测位；

2)打开850nm和940nm的大功率近红外LED；

3)通过光束分离型2CCD相机同时获取可见光图像和近红外图像；

4)利用工控机中的图像处理算法增强静脉信息，等待投影；

5)将同心圆测试件置于相机前260mm处，微调相机至清晰，保证采集图像与同心圆共轴且与检测面上边缘平行；

6)打开安装设计的投影镜头，微调使得投影图像和采集图像完全重合；

7)分别在相机景深最佳面、相机景深最小面和相机景深最大面进行投影标定；

8)将4)中静脉图像用绿光模式原位投射到手背。

按照此实施案例，本发明原位投影方法的一种投影镜头结构图如图3中的(a)所示：该镜头组共有4块镜片，工作距离261mm，视场角16度，实际焦距25.9mm，相对照度90％以上。(b)为投影镜头位置分布，(c)为各镜片的实际尺寸。

图3是本发明原位投影方法的一种投影镜头结构图；(a)为该镜头组共有4块镜片，工作距离261mm，视场角16度，实际焦距25.9mm，相对照度90％以上。(b)为投影镜头位置分布，(c)为四块透镜，四块镜片通过光学原理设置，实现聚焦设置视场大小的作用。

(c)中左上透镜为双透镜，截面为圆形，直径9.00±0.05mm，前后两个曲率半径为55.85mm,透镜中心厚度为1.5±0.05mm，边厚1.14mm；图3中的(c)右上透镜为凹凸透镜，截面为圆形，直径9.00-0.05mm，前一个面曲率半径均8.00mm，后一个面曲率半径为6.35mm，后一个面直径为7.00mm，透镜中心厚度为2.20±0.05mm，边厚1.07mm；图3中的(c)中左下透镜为平凸透镜，截面为圆形，直径9.00-0.05mm，前一个面为平面，后一个面曲率半径为34.43mm，后一个面直径为8.40mm，透镜中心厚度为1.20±0.05mm，边厚2.25mm；图3中的(c)中右下透镜为双透镜，截面为矩形，高9-0.05mm，宽7-0.05mm，前后两个面曲率半径均为29.65mm，透镜中心厚度为2.00±0.05mm，边厚1.31mm。

按照此实施案例，本发明原位投影方法的标定过程示意图如图4所示：投影标定共有3次标定，分别是相机景深最佳面2、相机景深最小面3和相机景深最大面4。每次标定时，投影仪首先投射64mm*36mm的步骤H中的第一种可见光矩形于待测白色平面，相机采集图像后交于图像处理模块，该模块自动计算a、b、c、d这4个角点坐标。其中，矩形的标准位置坐标已知(图中矩形abcd)。然后，计算此时与标准坐标偏差，修正后，经投影仪投出步骤H中的第二种可见光矩形。若再次计算偏差小于2mm，标定结束，否则再次投出修正的第一种可见光矩形，循环至满足条件。这里依次投出上述两种不同可见光矩形图像的目的在于防止标定过快导致前后两次修正矩形无法识别的情况。