基于多红外复合波长的血管成像仪器的设计曾瑞

曾瑞

摘要：本文利用静脉血红蛋白对近红外波长的血氧饱和敏感吸收率不同与其他组织的特性，就可以测量血氧含量通过对多种红外波长叠加滤波方式，获取浅静脉血管成像图像，较之单波长滤波方式成像质量有明显改善。利用高频分时投影与成像采集相结合的形式，实现准确定点实时投影的功能，有效提高了仪器的实用性。

关键词：多红外；血管成像；仪器

Abstract:thecharacteristicofnearinfraredwavelengthoxygensaturationsensitiveabsorptionrateisdifferentfromotherorganizationsusingthevenoushemoglobin,bloodoxygencontentcanbemeasuredthroughavarietyofinfraredwavelengthoverlappingfilter,obtainingsuperficialveinangiographyimages,comparedwithsinglewavelengthfilteringimagingqualityisimprovedevidently.Thefunctionofaccuratefixedpointandreal-timeprojectionisrealizedbythecombinationofhighfrequencytime-sharingprojectionandimagingacquisition,whicheffectivelyimprovesthepracticabilityoftheinstrument.

Keywords:multiinfrared;vascularimaging;instrument

一、引言

静脉穿刺是临床护理工作中不可或缺的一项基本操作，静脉穿刺操作需要快速准确的完成。但是由于患者本身的身体素质差异以及医护人员护理经验的不同，静脉穿刺往往会有失败的情况发生。目前，医疗仪器研发领域对静脉血管成像增强设备研究进展非常迅速，出现了很多实用的仪器。采用基本方法均为静脉血管与周围组织对特定近红外光血氧饱和敏感吸收率差异来获取图像，而从装置的实现和应用效果来观察，差异较大。LED直接显像形式及有色光源照射都能够将浅表静脉血管的图像信息采集并实现显影，但从功能上来分析，对静脉穿刺的辅助作用还有显著不足。但近年来具有反向定位投影标的系统成为研发领域的主流设备，它将采集的浅静脉成像图像通过处理，直接投影回手背表面标的位，实现血管在穿刺过程中的精准定位功能，具有良好的辅助效果。

二、系统设计

我们通过通过对近红外光敏感的摄像头采集手背静脉的信息，由并行数据接口将得到的图像存入缓存，核心处理器再从缓存中读取原始图像，经过对图像进行滤波、二值化等一系列操作得到新的图像数据，再通过相应的并行视频数据接口将图像投影出去。提出了将手背静脉血管增强装置移植到DSP开发平台上来提高其便携性的方案。该系统仍然是采用近红外光作为光源，利用手背静脉血管与周围组织对近红外光吸收效果不同的原理来实现的。

整个系统主要分为三个部分：图像采集单元，核心处理单元和图像投影单元。系统的设计和开发始终秉持低成本、高效率、易操作和便携性的设计原则。首先对系统中的核心处理系统进行了设计和研究，并就核心芯片的选型比对了ARM、FPGA和DSP的性能特点，确定选用更适合视频处理的DSP芯片。同时确定采用对近红外光敏感的CMOS图像传感器来获取图像信息，核心算法在以DSP为主要处理芯片上进行设计实现，最后将采集到的图像经过处理再通过标准的DLP投影仪投影出去。

系统中的数据采集、数据处理以及图像投影算法均采用C编程实现，利用摄像头自带的AD转换器将图像转换为数据并通过DSP的EPPI数据线及对应的DMA功能将数据存储到DSP的缓存区中。通过核心处理器对图像数据进行高斯滤波、二值化操作后将图像以RGB的格式由DSP投影仪输出。在图像数据输入输出的过程中使用了DSP的DMA功能，这样在进行数据传输的过程中不会占用DSP核心处理器的时钟，可以大大提高系统的工作效率及性能。

三、关键问题处理

设计了整体的系统，包括传感器、滤光片、核心芯片和投影仪的选型等工作。为了达到预期的投影目标，对系统中传感器和投影仪的位置关系进行了计算，达到了理想投影效果。

根据采集图像中存在的噪声等问题，合理设定了传感器的曝光时间与感光增益等参数，并选择了合适的处理算法，以达到提高图像质量的目的。根据不同人手背大小不同，在系统中增加了图像的放大、平移等功能操作，进一步完善了系统的可操作性。

基于DSP在视频处理及算法速度上的强大优势，本文在核心板上的设计实现了预定的功能，能够实现手背静脉血管的采集与反投影工作。完成了从PC机的验证到DSP核心板的移植。该系统缩小了设备的体积，提高了运算速度同时通过合理的选择器件最大程度的降低了设计的成本和功耗。

为增强仪器的实用性，我们利用高频分时投影与成像采集相结合的形式，实现准确定点实时投影的功能，能够在肢体移动时，投影实时定向投影，使仪器的适用面更广泛。

本文为浙江省公益性技术应用研究计划（2015C31171）成果

参考文献：

[1]小儿静脉穿刺成功率影响因素与对策[J].韩颜华,董娟,邵春红.中国现代药物应用.2011(09)

[2]手背静脉穿刺技术的研究进展[J].杜少英,孟杰,冯智敏,董沛.河北医学.2009(11)

[3]手背静脉穿刺技术的探讨[J].赵庆英,纪英莲.护理学杂志.2002(11)

[4]基于视频图像处理技术的振动台试验动态位移测量方法[J].田国伟,韩晓健,徐秀丽,刘伟庆.世界地震工程.2011(03)