半透半反片3进入CMOS镜头2中，另一部分包含手背信息的可见光则无法 通过半透半反片3 ;CMOS镜头2把自己接收到的图像实时传送到核心控制板7中；控制板的 图像处理模块8对所接收到的图像进行锐化处理；经过处理的图像传输到微型投影仪4中， 输出的可见光无法通过半透半反片3,于是经过反射投射到手背的相应位置上，实现静脉的 再现。
[0040]上述便携式静脉投影仪的具体实现步骤如下：
[0041] 步骤1 :利用CMOS镜头2对近红外光照射下的手背11进行成像，并将采集到的图 像显示在电脑上。调节LED光源1的各个参数，找到可以产生最佳对比度的成像条件。人 体对红外辐射的吸收取决于红外辐射的波长和皮肤的状态，根据匹配吸收理论，当红外辐 射的波长和被照射物体的吸收波长相对应时，物体分子产生共振吸收。红外辐射恰与物体 的吸收相匹配，形成最佳吸收。所以首先调节光源的波段范围：经过对3种不同波长的LED 的测试，发现在850nm近红外光的照射下静脉最为清晰，于是本实施方式采用850nm的LED 作为系统的光源，具体的光谱功率分布曲线如图4所示。
[0042] 然后调节光源的光场分布：因为LED可以近似看做朗伯体，不同方向的光亮度差 别很大，光能分布不均匀，所以为了达到更好的成像效果，光源发出的光需要进行进一步的 散射，于是在LED前加了一块散射板18,使得光源出射光在各个方向上分布更均匀，具体如 图5所示。图5 (a)是LED光源的侧视图，其中20为散射板18到LED固定平面的距离，在实 际中约为6cm ;图5 (b)是LED光源的正视图，其中LED是按照2*2阵列分布在一个5cm*5cm 的矩形平面上，散射板也为矩形，21长4cm，22长4cm。
[0043] 接下来调节LED的驱动电流：如果LED亮度很高，会增大静脉表面脂肪的散射光 强，同时弱化静脉和周围脂肪组织的对比度，如果LED亮度很低，经过衰减到达静脉的光很 少，同样会降低静脉的对比度，所以本发明需要选择合适光强的LED作为系统的光源。经过 测试，散射后的光亮度为〇. llcd/m2时，静脉最清晰可见。
[0044] 步骤2 :如图2所示，本发明设计了一种可以实现图像采集光路和投影光路完全重 合的光学系统，使得投影图像的位置大小与所对应的物面完全匹配。首先需要解决的问题 是位置匹配，即采集光路和投影光路需要完全重合。本实施方式采用半透半反片3,可以透 射近红外光，反射可见光。将半透半反片3放置在光路中，不仅可以保证光路重合，还可以 保证CMOS镜头2接受到的只有近红外光，排除投影出的图像以及外界的可见光对于成像的 干扰。需要注意的是：CMOS镜头2采集图像的光轴和投影仪4投影的光轴需要相交于半透 半反片3的中心位置，且半透半反片3需呈45°放置，使得反射的投影光轴与成像光轴完全 重合。
[0045]其次本发明需要解决的问题是图像的大小匹配。为了实现这一目的，必须保证 CMOS镜头2采集到图像的视场大小必须与投影投射到该物体上的视场大小完全一致。同时 还需要保证CMOS镜头2采集到的图像可以完全透过半透半反片3,投影仪4投射出的所有 光都可以被半透半反片3反射，半透半反片3完全不会限制视场。本实施方式所用到的微 型投影仪4的投射视场角为36° (水平）*22° (竖直），重新设计安装成像光学系统后， CMOS镜头2的视场角也为36° (水平）*22° (竖直）。而光路中的投影仪4和CMOS镜头 2和半透半反片3的距离需要尽量近一些，防止图像信息的损失，也保证较高的光能利用 率。在本实施方式中，投影仪4中心到半透半反片3中心的距离为I. 3cm，CMOS镜头2中心 到半透半反片3中心的距离也为I. 3cm。为了节省空间，半透半反片3的形状为椭圆，长轴 的长度为2. 54cm，短轴的长度为I. 2cm。
[0046] 步骤3:图像处理模块8对图像进行锐化处理，增强对比度，使得静脉更加清晰可 见。因为所用LED光源1的亮度不高，所以获得的图像整体灰度值很低，因此需要对整个 图像进行对比度加强，同时锐化静脉边缘，具体图像处理流程如图7所示。
[0047] 因为投影仪4投射的光需要经过半透半反片3的反射，所以投射的图像和采集到 的图像成镜像，因此我们首先需要对CMOS镜头2采集到的图像做镜像处理，以消除反射带 来的问题，然后采集到静脉处的灰度值，求平均，把图像中每个点的灰度值减去这一平均 值，从而消除静脉上方脂肪的散射光对于静脉对比度的影响。接下来对图像进行去噪，采用 灰度最邻近的K个邻点平均法去除高斯噪声和椒盐噪声，即窗口中心像素的灰度值可用窗 口内与中心点灰度值最接近的K个邻点的平均灰度值来代替。
[0048] 然后采用阈值分割的方法增强对比度，设定一个灰度阈值，灰度大于该阈值的像 素点灰度值设为最大，灰度小于该阈值的像素点灰度值设为最小，这样就让静脉清晰可见。
[0049] 本发明同时还采用了差分算子对图像进行锐化处理。本实施方式采用拉普拉斯算 子对图像的边缘锐化，使得静脉的边缘更加清晰可见，确定边缘像素是在图像的暗区域或 明区域一边，具体表示为：
[0051] 将上述两种方法结合起来便可以获得理想图像。
[0052] 步骤4 :在测试完成后，对系统进行封装，固定每个元件的位置。整个装置被封装 在一个遥控器大小的长方体盒子内，体积为12cm*25cm*5cm。具体的系统封装示意图如图3 所示，12的长度为12cm，13的长度为5cm，14的长度为25cm。其外壳采用不透光的塑料材 料，每个原件的位置都按照设计要求严格固定，投影仪的焦距也被固定，所以系统有一个最 清晰的成像位置。根据CMOS镜头2的视场角大小，本实施方式的最佳成像距离为30cm，即 使和这个距离稍有偏差，只会影响图像的质量，不会影响该装置捕捉到的静脉位置，也不会 影响物像1:1的比例关系。这一距离符合医生在实际应用中的要求，易于操作。
[0053] 系统的最前端有两个孔。一个孔安装LED光源1部分，包括LED灯19和散射板18。 因为散射板18和LED灯19之间需要有一定的距离，因此光源部分突出于系统的长方体封 装盒，以保证出射光分布更加均匀；另一个孔表面覆盖一层高透过率的透明塑料膜15, 一 方面保护半透半反片3表面不受污染，另一方面为系统留出一个透光孔，保证采集图像的 光和投影投射出的光都能顺利通过光孔而不受遮挡。塑料薄膜15的面积为4cm*4cm，其中 16的长度为4cm，17的长度为4cm。
【主权项】
1. 一种便携式静脉投影仪，其特征在于，包括：LED光源、CMOS图像传感器、半透半反镜 片、微型投影仪和图像处理单元；其中： 所述的LED光源用于向表皮区域投射近红外光，经表皮区域反射的一部分近红外光通 过半透半反镜片透射进入CMOS图像传感器，并在其内部成像，CMOS图像传感器将图像传送 至图像处理单元进行处理，由图像处理单元将处理后的图像传送至微型投影仪，最终由微 型投影仪输出可见光经半透半反镜片反射至表皮区域，以实现在表皮区域静脉成像。2.根据权利要求1所述的便携式静脉投影仪，其特征在于：所述的LED光源向待成像 表皮区域投射峰值波长为850nm的近红外光。3.根据权利要求1所述的便携式静脉投影仪，其特征在于：所述的LED光源前设有散 射板。4.根据权利要求1所述的便携式静脉投影仪，其特征在于：所述的LED光源连接有 驱动模块，所述的驱动模块通过控制LED光源的驱动电流，使LED光源投射出光亮度为 0. llcd/m2的近红外光。5.根据权利要求1所述的便携式静脉投影仪，其特征在于：所述的CMOS图像传感器竖 直设置于待成像表皮区域上方，所述的半透半反镜片设置于CMOS图像传感器与待成像表 皮区域之间且呈45°倾斜放置，所述的微型投影仪设置于半透半反镜片的左侧或右侧。6. 根据权利要求1所述的便携式静脉投影仪，其特征在于：所述的图像处理单元包 括： 镜像处理模块，对CMOS图像传感器传送至图像处理单元的图像进行镜像处理； 灰度预处理模块，对镜像处理后图像中静脉区域所有像素点的灰度值求平均，进而使 图像中每个像素点的灰度值减去该平均值，以实现灰度预处理； 去噪模块，采用基于灰度KNN算法去除灰度预处理后图像中的高斯噪声和椒盐噪声； 对比度增强模块，采用阈值分割的方法增强去噪后图像的对比度以凸显出图像中的静 脉区域，即通过设定一个灰度阈值，使去噪后图像中灰度值大于该灰度阈值的像素点归为 一类，灰度值小于该灰度阈值的像素点归为另一类。7.根据权利要求6所述的便携式静脉投影仪，其特征在于：所述的图像处理单元还包 括锐化处理模块，其采用拉普拉斯算子使对比度增强后的图像进行边缘锐化。
【专利摘要】本发明公开了一种便携式静脉投影仪，包括：LED光源、CMOS图像传感器、半透半反镜片、微型投影仪和图像处理单元；本发明使用了半透半反片，透射近红外光，反射可见光，可以很好的排除杂散光和投影出的可见光对于成像质量的影响；同时基于静脉中的血红蛋白和皮下组织对于近红外波段的吸收差异，使得该系统对浅层静脉的探测具有普适性。此外，本发明具有低成本，小体积，高准确性，高对比度且使用方便的特点。
【IPC分类】A61B5/00
【公开号】CN104887181
【申请号】CN201510212656
【发明人】刘华锋, 马诗宁
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月29日