基于红外成像技术的手背静脉注射仪的制作方法

本发明涉及医疗器械领域中的静脉注射仪器，特别是涉及一种基于红外成像技术的手背静脉注射仪器。
背景技术：
：静脉穿刺，是一种医学上非常常见的医疗手段。但是在目前的医疗条件下，依靠人工扎针的方式，很难准确、迅速地进行静脉穿刺。特别是对于儿童、老人及肥胖人群等静脉不明显的患者，单纯依赖护士的经验有时无法有效地保证穿刺成功。国外统计资料表明：普通成人静脉注射的首次穿刺失败率为28％；儿童静脉注射的首次穿刺失败率为44％；儿童中需尝试穿刺3次以上才能进行静脉注射的比例为43％；静脉注射时，发生漏针的现象比例为23-28％；癌症患者中穿刺完全失败的比例为12％；住院病人中，入院三天后发生穿刺困难的比例为25％。由于医疗人员的不足，对于医疗条件较差的偏远山区、乡村或是小城市的患者，需要花费大量的时间和金钱，才能到相关的医疗站或者医院进行这种静脉注射。在过去的十几年里，红外成像技术的应用研究空前繁荣。红外技术推广至医疗领域，采用红外技术进行诊断，发展红外医疗设备，以适应医疗的需要，这是自然科学技术不同领域之间相互渗透的必然趋势。虽然医学红外成像技术的发展已经有了相当长的历史，但其在辅助静脉穿刺过程中的应用却不是那么广泛。发展到现在，将红外成像技术应用到静脉穿刺的中，利用仪器测量计算的准确性代替人工带来的不确定因素，提高静脉穿刺的成功率，使得手背静脉穿刺的治疗手段变得简单、准确、快速，既可以帮助医护人员降低劳动强度和精神压力，提高医护人员的工作效率，也可以减轻患者的痛苦和紧张情绪，降低医疗费用,也可以在没有专业医护人员的某些特殊情况下，帮助患者得到及时治疗。技术实现要素：针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于红外成像技术的手背静脉注射仪，该装置通过独特的机械结构设计，将注射杆架于四个步进电机所承载的两条水平调整杆上，方便注射角度的调节并大大提高注射杆的注射稳定性。另外，结合PC端的手背血管图像，点击注射点可以自动获取注射点坐标并发送给单片机，进而由坐标距离计算出各电机的转动圈数，从而控制垂直调整杆、水平调整杆获得指定移位，因此可以帮助患者及医护人员排除人为因素的干扰，准确、快速地完成静脉注射，提高手背静脉穿刺的成功率。本发明的技术方案为一种基于红外成像技术的手背静脉注射仪，该注射仪的组成包括控制面板、红外成像部分、机械注射部分、固定部分和仪器框架；所述控制面板固定在仪器框架右端的侧壁；所述控制面板的组成包括电源开关和控制按键；所述电源开关一端接入220V交流电，另一端与开关电源相连，开关电源分别与单片机、步进电机驱动模块相连；所述的控制按键包括注射杆复位按键、注射按键和抽针按键；各控制按键分别与单片机的不同引脚相连；所述红外成像部分包括组合镜头、镜头支架、图像采集卡和电脑；其中，镜头支架放置在仪器框架左端的两侧壁上的水平滑槽中，且垂直放置，组合镜头固定在镜头支架顶板圆孔的上方，所用的组合镜头朝下放置安装；组合镜头与图像采集卡连接，图像采集卡连接与电脑相连；所述机械注射部分的组成包括：单片机、步进电机、步进电机驱动模块、垂直调整杆、水平调整杆、水平滑杆、水平调整杆滑轨、注射杆，其中，四个步进电机呈矩形分布固定在仪器框架的底板上的右侧，每个步进电机上垂直安装有一个垂直调整杆，两根水平滑杆平行安装在4根垂直调整杆上；两个水平调整杆滑轨分别垂直安装在仪器框架两个侧壁的内壁上，水平调整杆水平放置，它的一端直接嵌到一个水平调整杆滑轨，另一端与第五个连步进电机相连，第五个步进电机嵌于另一个水平调整杆滑轨，并且，水平调整杆与两根水平滑杆互相平行，并位于四个步进电机形成的矩形的中线位置之上；注射杆分别与水平调整杆、水平滑杆相连；所述5个步进电机分别和步进电机驱动模块相连，步进电机驱动模块与单片机相连；单片机通过数据串口与电脑相连；所述的注射杆的组成包括：注射杆基座、微型直流电机、减速器、固定块、精密螺纹杆、滑杆、运动滑块、运动杆、针头载具、针头和回血检测光门；微型直流电机直接与减速器相连，且固定于注射杆基座上；注射杆基座的两端各安装有一个固定块，两个固定块之间水平固定着两根滑杆，两根滑杆上下分布；两根滑杆之上设置有可左右滑动的运动滑块；两根滑杆之间为一根精密螺纹杆，精密螺纹杆的左端与左侧的固定块相连，精密螺纹杆的右端依次穿过动滑块、右侧固定块，与减速器相连；精密螺纹杆的垂直正上方为一根运动杆，运动杆的左端穿过左侧的固定块，与针头载具的垂直竖板相连，运动杆的右端固定在运动滑块上，并与精密螺纹杆、两根滑杆相互平行；针头载具为L型，其水平板固定有针头和回血检测光门，其中针头平行镶嵌到针头载具上，回血检测光门位于针头右侧的输液管处，并垂直于输液管水平放置与针头载具相粘连；输液管的一端与针头相连，另一端与悬挂高处的输液袋相连；回血检测光门与单片机相连；所述的固定部分的组成包括载物台、手指固定带和手腕固定带；载物台固定在仪器框架的底板上的左侧，并位于镜头支架的正下方，手腕固定带、手指固定带设置在载物台上。所述仪器框架为没有顶层和左壁挡板的长方体盒式结构。所述的组合镜头的组成包括红外滤光片、成像镜头、黑白低照CCD和红外光源阵；其中，黑白低照CCD、红外滤光片、成像镜头由上到下依次排列，红外光源阵水平嵌套于成像镜头周围，四者同轴设置。本发明与现有技术相比，其优势在于：(1)本系统根据静脉血的血红蛋白对760nm红外光独特的吸收作用原理，设计了手背静脉成像系统。对手背皮下静脉进行红外成像，使人眼可以清晰地看到皮下静脉血管分布。(2)在红外成像的基础上，设计注射机械结构部分。在单片机的控制下，驱动步进电机从水平方向和垂直方向调整注射杆，找到准确的穿刺注射点。控制微型直流电机，带动注射杆上的精密螺纹杆一起旋转，带动针头载具、针头及回血检测光门一起向前运动，进行手背静脉穿刺，保证了穿刺过程的稳定和精度。(3)具有很高的临床实用价值。作为最普遍的治疗手段，进行静脉穿刺治疗的人数多。(4)使用人群广泛。可适用于不同年龄段、不同体型的人群，特别是为老人、儿童及肥胖病人等静脉血管不易人工视查定位的人群，避免了因定位失误进行多次穿刺造成的伤痛和畏惧，大大提高了其穿刺的成功率。(5)操作简单，无传统放射性及成像危害等特点，可大大提高医疗效率，提高医学治疗水平和人类健康水平,解决偏远地区医疗人员缺乏的现状。附图说明图1注射仪的整体结构图。由A-控制面板、B-红外成像部分、C-机械注射部分、D-固定部分、E-仪器框架组成。图2注射仪的机械结构图。由13-单片机、14-步进电机、15-步进电机驱动模块、16-垂直调整杆、17-水平调整杆、18-水平滑杆、38-水平调整杆滑轨、19-注射杆组成。图3注射杆的机械结构图。由20-注射杆基座、21-微型直流电机、22-减速器、39-固定块、23-精密螺纹杆、24-滑杆、25-运动滑块、26-运动杆、27-针头载具、28-针头、29-回血检测光门、30-光滑通孔31-螺孔组成。其中图3a为注射杆19的斜视图，图3b为注射杆19的垂直剖面图；图4红外成像部分结构图。由5-组合镜头、6-镜头支架、7-图像采集卡(及其USB数据线)、8-电脑组成。图5组合镜头结构图。由9-红外光源阵、10-成像镜头、11-红外滤光片、12-黑白低照CCD组成。其中图5a为组合镜头的正视图，图5b为组合镜头的仰视图；图6固定部分结构图。由32-载物台、33-固定端子、34-定滑轮、35-手指固定带、36-手腕固定带、37-魔术贴组成；其中图6a为手指固定部分剖面图，图6b为手腕固定部分剖面图；图7注射仪电控部分结构图。图8注射仪原理图。具体实施方式以下结合附图对本发明做进一步详述，但所述内容为便于理解和说明，并不意味着保护的内容限定于此：本发明为一种基于红外成像技术的手背静脉注射仪如图1所示，包括控制面板A、红外成像部分B、机械注射部分C、固定部分D和仪器框架E；所述仪器框架E为没有顶层和左壁挡板的长方体盒式结构；所述控制面板A固定在仪器框架E右端的侧壁；所述控制面板的组成包括电源开关和控制按键；所述电源开关一端接入220V交流电，另一端与开关电源相连，开关电源分别与单片机13、步进电机驱动模块15相连；其中，开关电源可将220V交流电转化为直流12V与直流5V，所述电源开关与各控制按键相互独立，各控制按键分别与机械注射部分的单片机的不同引脚相连，提供输入信号；所述的控制按键包括注射杆复位按键、注射按键和抽针按键；所述红外成像部分B包括组合镜头5、镜头支架6、图像采集卡7和电脑8；其中，镜头支架6为三块板材垂直拼成的n型结构，顶部的板材设有与组合镜头等半径的圆孔，用于镶嵌组合镜头5，镜头支架6放置在仪器框架E左端的两侧壁上的水平滑槽中，且垂直放置，可沿仪器框架E前后两壁的顶部水平滑动，组合镜头5固定在镜头支架6顶板圆孔的上方，所用的组合镜头5朝下放置安装；组合镜头5与电脑8通过图像采集卡7连接在一起。所述固定部分D安装在镜头支架6的垂直下方且固定在仪器框架E的底板上表面。图2为注射仪的机械注射部分结构图。所述机械注射部分C包括：单片机13、步进电机14、步进电机驱动模块15、垂直调整杆16、水平调整杆17、水平滑杆18、水平调整杆滑轨38、注射杆19，其中，四个步进电机14呈矩形分布固定在仪器框架E的底板上的右侧(所述的步进电机组成的矩形的侧边与仪器框架的侧边平行)，每个步进电机14上垂直安装有一个垂直调整杆16，两根水平滑杆18通过两端的配套螺孔平行安装在4根垂直调整杆16上，两根水平滑杆18均平行，并垂直于仪器框架的侧壁；两个水平调整杆滑轨38分别垂直安装在仪器框架E的两个侧壁的内壁上，水平调整杆17水平放置，它的一端直接嵌到一个水平调整杆滑轨38，另一端与第五个连步进电机相连，第五个步进电机嵌于另一个水平调整杆滑轨38上，并且，水平调整杆17与两根水平滑杆18平行，并位于四个步进电机14形成的矩形的中线位置之上；注射杆19位于仪器框架的上部，沿仪器框架左右方向放置，其底部有三个孔洞，中间一个嵌有螺孔与水平调整杆17连接，两侧的为光滑通孔与水平滑杆18连接；所述5个步进电机14分别和步进电机驱动模块15相连，步进电机驱动模块15与单片机13相连；单片机13固定在仪器框架E的底板下表面；单片机13通过数据串口与电脑8相连；四根垂直调整杆16呈长200mm宽60mm的矩形分布；水平滑杆18穿过两光滑通孔起支撑注射杆的作用，通过对步进电机14的控制可以调整前后两根水平滑杆的垂直高度从而改变注射杆19的高度以及注射角度；水平调整杆17由步进电机带动旋转时可以控制注射杆沿两条水平滑杆18平移；水平调整杆17能随注射杆19沿水平调整杆滑轨38垂直上下平移但不能左右移动。水平调整杆17与四根垂直调整杆16均为规格为外螺纹大径5mm小径4.8mm螺距0.8mm的细牙螺纹杆；两根水平滑杆18为直径5mm的钢制光滑杆；上述五个步进电机14均为20步进电机，型号为8H33-0604A步距角为18度驱动电压电流为5V600mA。步进电机驱动模块15的型号为M335；为降低成本单片机13可选用价格较为便宜的AT89C51，其功能足以满足仪器所须控制要求；为节约空间及美观将AT89C51单片机13与步进电机驱动模块15安装在仪器框架E的底板下表面。图3为注射杆19的机械结构图。包括注射杆基座20、微型直流电机21、减速器22、固定块39、精密螺纹杆23、滑杆24、运动滑块25、运动杆26、针头载具27、针头28、回血检测光门29、光滑通孔30和螺孔31；微型直流电机21直接与减速器22相连，且固定于注射杆基座20上；注射杆基座20的两端各安装有一个固定块39，两个固定块39之间水平固定着两根滑杆24，两根滑杆24上下分布(分别在固定块39的左上角和右下角)；两根滑杆24之上设置有可左右滑动的运动滑块25；两根滑杆24之间为一根精密螺纹杆23(精密螺纹杆23位于固定块39的中部)，精密螺纹杆23的左端与左侧的固定块39相连，精密螺纹杆23的右端依次穿过动滑块25、右侧固定块39，与减速器22相连，减速器22与右侧的微型直流电机21相连；精密螺纹杆23的垂直正上方为一根运动杆26(运动杆26的高度低于左上角出的滑杆24的高度)，运动杆26的左端穿过左侧的固定块39，与L型针头载具27的垂直竖板相连，运动杆26的右端固定在运动滑块25上，并与精密螺纹杆23、两根滑杆24相互平行；针头载具27为L型，由长3cm宽1.5cm厚0.3cm的水平板与等宽等厚长1cm的垂直竖板垂直拼接而成，其水平板固定有针头28和回血检测光门29，其中针头28平行镶嵌到针头载具27上，并探到水平板外，回血检测光门29位于针头28右侧的输液管处，并垂直于输液管水平横躺放置与针头载具27相粘连，当输液管中有回血时证明成功扎入血管，此时回血检测光门29会输出电平信号，并传给单片机进行判断处理，进而控制进行后续操作。因此用于检测输液管中是否有回血来判断是否成功扎入血管。输液管的一端与针头相连，另一端与悬挂高处的输液袋相连，当针头成功扎入血管并固定后手动拨开输液管上的输液阀进行输液注射。回血检测光门29与单片机13相连；固定块39用于固定两根滑杆24；当微型直流电机21带动精密螺纹杆23转动时，运动杆26、针头载具27在运动滑块25的推动下，沿滑杆24同步运动，从而控制针头28前后移动，即进行注射和抽针；精密螺纹杆23规格为外螺纹大径5mm小径4.6mm螺距0.6mm的细牙螺纹杆；回血检测光门29采用对射式关电开关，型号为HD-DS25CM-5MM，当对管之间的透明注射管有回血时，光的通透性挡变差挡住对管的接收，从而将信号传递给单片机，判断穿刺是否成功；对于微型直流电机21由于设计的仪器要求运行稳定，尺寸微型化，大扭力，低功耗，工作平稳无振动，所以选用了N20微型直流电机，参数如下表：宽度高度轴型轴长电压扭力12mm10mm3mmD10mm6V1.5KG/cm图4为红外成像部分结构图。所述红外成像部分B包括：组合镜头5、镜头支架6、图像采集卡7、电脑8等。图像采集卡7通过数据线与黑白低照CCD12和电脑8相连接，将手背静脉血管图像显示在电脑8的显示器上。图5为所述组合镜头5的结构图。组合镜头5由红外滤光片11，成像镜头10，黑白低照CCD12，以及红外光源阵9组成。为了保证红外成像不受可见光的干扰，在成像镜头10与黑白低照CCD12之间加装一个红外滤光片11,即黑白低照CCD12、红外滤光片11、成像镜头10由上到下先后排列，红外光源阵9水平嵌套于成像镜头10的周围，四者同轴设置。红外光源阵9采用半径为27mm的一个圆形的塑料板，挖一个直径是15mm大孔，可以嵌到镜头上，再在圆圆环上按每隔0.6mm扎一个5mm的小圆孔，在圆孔当中插入红外发光二极管，并且让红外发光二极管头朝下放置在孔里，然后把二极管串联在一起通电发光，发光二极管选用的是直径5mm的LD242，可发出波长范围为950nm波段的近红外光。黑白低照CCD3使用的是LCL-902HS的黑白高清晰度摄像机，性能参数如下：型号图像传感器像数水平清晰度最低照度信噪比电源功耗LCL-902HS112SONYCCD752*582CCIR570线0.0003Lux/F/4>＝46DbDC12V160mA成像镜头选取的型号为TVLENS，采用的是焦距为12mm的手动焦距镜头，像面尺寸为1/3，CS接口的镜头。红外滤光片直径25.4mm，厚度是0.5mm，型号为IRfilter，波长范围610～1200nm。红外光源阵9可发出波长范围为950nm波段的近红外光，当照射到患者手背上时，人体血管对近红外光的强烈吸收作用，使得血管所在位置反射回来的红外光较弱，红外滤光片11可允许此部分反射红外光通过，进入黑白低照CCD，LCL-902HS是高灵敏度红外摄像机噪声低，可高精度的捕获手背血管图像，利用图像采集卡EasyCAP,可将采集到的手背红外静脉血管图像传送给电脑8并显示到显示器，同时利用电脑上的MATLAB软件对图像进行去噪等处理，把处理好的清晰图像显示在显示器上。手背在红外光源阵发出的红外光照射下显示出清晰的血管分布。所述的固定部分D的组成如图6所示，包括载物台32、固定端子33、定滑轮34、手指固定带35、手腕固定带36、魔术贴37组成。载物台32固定在仪器框架E的底板上的左侧，并位于镜头支架6的正下方，手腕固定带36与手指固定带35通过过孔穿插在载物台32上，手指固定带35、手腕固定带36分别为一根连续固定带，固定带的一端与固定端子33相连，另一端与魔术贴37相连，手指固定带35位于手腕固定带36右侧14cm处，固定带的松紧可通过定滑轮34以及固定带与魔术贴的粘连位置调节。将手放到载物台32上穿过两条固定带，将除大拇指外的四根手指放到手指固定带35下，将手指固定带35的尾端与魔术贴粘连，固定住所述四根手指的最底部；此时手腕正好位于手腕固定带36处，将手腕固定带36的尾端与魔术贴粘连，这样共5点固定，即可达到固定效果使得注射杆能按正确高度以及注射角度对准患者静脉进行注射而且不会使患者因手移动而使针头扎偏导致注射失败。图7为电控部分的结构图：直流电源由电源变换电路实现，俗称开关电源，此直流电源将输入的220V交流电转化为两路输出，一路输出直流12V为步进电机驱动进行供电，用以驱动电机转动；另一路输出直流5V为单片机控制系统进行供电，整个注射仪系统由此获得电能，以单片机AT89C51为核心进行控制。红外成像部分将图像呈现到显示器上，注射前注射杆位于初始化位置即默认的坐标原点处，显示器上的定位界面通过电脑端的处理获得静脉血管的信息，当选取注射点后，电脑端经数据串口将此注射点坐标发送到单片机，单片机直接与步进电机驱动和微型直流电机相连，步进电机驱动分别与垂直调整杆与水平调整杆的5个步进电机相连，进行控制。由上述调整杆及步进电机型号知：单片机每给驱动20个脉冲，步进电机带动水平调整杆或垂直调整杆旋转一周(360度)，相应调整杆的连接器件前进或后退0.8mm，即每个脉冲器件移动0.04mm。由坐标信息可以计算出各部分的移动距离，进而可以计算出单片机为每个步进电机发出的驱动脉冲的数量，从而控制注射杆等进行准确移动。同理，单片机直接与微型直流电机连接，微型直流电机又直接与减速器相连，经测试经过减速器后的输出转速为4转/秒,由精密螺旋杆的规格知，每旋转一周针头前进0.6mm。针头载具上的回血检测光门也直接与单片机相连，作为反馈信号控制微型直流电机是否停转。图8注射仪原理图：注射仪的工作包括注射前准备和注射。注射前准备：打开电源，注射仪处于待机状态。将一次性针头和注射仪连接，然后让患者左手或者右手放入仪器内，使用手腕固定带和手指固定带固定好患者的手，使用手腕捆扎带捆扎患者手腕，促使手背静脉凸起，人工消毒。红外光源阵发出近红外光，照射到患者手背上。由于静脉血中的脱氧血红蛋白的波长为760nm左右的近红外光的吸收远远大于其他的相邻组织，所以反射的红外光线中包含有皮下血管的分布信息。这种反射红外光穿过红外滤光片，经黑白低照CCD、图像采集卡EasyCAP将图像信号送到电脑显示器上，对手背血管的红外图像信号进行去噪等实时处理，最终将处理好的清晰血管分布图像显示在电脑显示器上。通过编写的血管图像定位软件将注射点坐标通过串口发送到单片机，进而控制各步进电机对注射杆进行调整，使针头定位在穿刺点。本发明涉及的软件或协议均为公知技术。注射阶段：完成准备工作后，按动按键“注射”，单片机AT89C51输出信号给步进电机驱动模块驱动步进电机，分别控制步进电机从水平方向和垂直方向调整注射杆。水平方向调整注射杆，使注射针头定位于手背静脉穿刺点；垂直方向调整注射杆，使针头与手背保持大约15度。人工消毒后，按动注射仪上的“注射”按键。单片机检测到信号之后控制微型直流电机正向旋转，带动注射杆内的精密螺纹杆一起旋转，精密螺纹杆上的滑块伴随着螺纹杆的旋转带动针头载具、针头及回血检测光门一起向前运动，进行手背静脉穿刺。当回血检测光门检测到回血信号，判断本次穿刺成功，此后，将针头再延血管方向进入2-3毫米，防止针头掉落，然后进行静脉注射打开输液阀，进行输液。如果穿刺后回血检测光门未检测到回血信号，判断本次穿刺不成功，直接跳转到抽针程序，单片机控制微型电机倒转完成抽针过程，并进行人工消毒。当成功进行穿刺、注射或完成输液过程后，按动按键“抽针”，仪器将在单片机的控制下，完成抽针过程，并进行人工消毒。本发明未尽事宜为公知技术。当前第1页1 2 3