基于紅外攝像的血管可視化系統(tǒng)設(shè)計

周曄 李敏*

（浙江中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310053）

2010 年1 月1 日-12 月31 日廣東省中山市陳星海醫(yī)院急診科統(tǒng)計的數(shù)據(jù)：進(jìn)行靜脈輸液的患者有75200 例，穿刺失敗650 例,統(tǒng)計分析這些穿刺失敗患者案例，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，穿刺失敗患者中兒童596 例，占失敗總數(shù)的91.7%，老年患者(60 歲)33 例，占失敗總數(shù)的5%,其余21 例，占失敗總數(shù)的3.3%[1]。其中兒童的失敗比例最高，主要是因為兒童皮下脂肪較厚且血管細(xì)小，一次穿刺成功率較低[2]。擁有這類特點的人群還有肥胖人群，他們皮下脂肪較厚，血管較深，不易觀察，多次穿刺失敗后只能選擇股靜脈、橈動脈穿刺或PICC 置管等有創(chuàng)方法[3], 不僅會引發(fā)并發(fā)癥，增加后續(xù)護(hù)理難度, 還會增加治療費用。因此, 改變傳統(tǒng)的盲穿, 提高穿刺成功率是一個亟待解決的問題。

為了解決這個問題，我們首先對現(xiàn)有的方案進(jìn)行分析：

止血帶法、手指推壓法，這兩種方法利用的是物理擠壓方式阻塞血液流通，使靜脈血管充盈，突出顯示人體表面血管位置，這種方法簡單易行，但不是對所有患者適用，并且可能會對患者帶來不適，引起患者的不滿，引發(fā)醫(yī)患糾紛。

血管顯像法，利用人體血液中的血紅蛋白細(xì)胞對紅外光明顯的選擇性吸收特點，可以選擇使用特殊的發(fā)光二極管發(fā)出特定波長的光對人體軟組織進(jìn)行透視，如安徽省公司的靜脈顯像儀系列，這種方法有效并且清晰，但該光源亮度高，長時間使用，會使護(hù)理人員眼睛產(chǎn)生疲勞，危害護(hù)理人員的視力，此外它也沒有實現(xiàn)有效投影；還可以選擇不同組織對紅外光反射的不同來區(qū)分血管及其周圍組織，如美國的Vein Viewer，但它不方便靜脈穿刺，多應(yīng)用于觀察血管中血流或藥物流動情況，并且依賴高清的攝像頭，會增加患者的醫(yī)療費用。

本文根據(jù)實際需求，通過分析還原性血紅蛋白及靜脈血管周圍組織對紅外光的吸收光譜，選取合適波長的紅外光攝像頭采集人體皮下靜脈血管圖像，分析不同算法的利弊，選取最優(yōu)圖像處理算法進(jìn)行圖像處理，利用投影原理，調(diào)整投影儀將圖像有效顯示在皮膚上，致力于設(shè)計一套不依賴高清攝像頭、安全無害且成本可控、便于護(hù)理人員進(jìn)行有效靜脈操作的血管可視化系統(tǒng)。通過實踐證明，此種方法對血管較深的人有很好的顯示結(jié)果和匹配效果。

1 總體方案

系統(tǒng)設(shè)計的總體目標(biāo)是實用、簡便易操作、切實有效、運行速度快、成本可控。①本文采用一體化裝置，護(hù)理人員在使用時僅需要患者把進(jìn)行穿刺的手或足放在裝置下即可，簡單方便。②切實有效，關(guān)鍵的是血管清晰可見，這與攝像頭的位置，圖像處理算法有關(guān)，有效投影與投影儀的位置有關(guān)。③運行速度快：運行速度與算法的運行速度有關(guān)，需要選取最優(yōu)方法，在保證質(zhì)量的同時，提高速度。④實現(xiàn)成本可控要從硬件入手，系統(tǒng)主要用到的硬件有帶有紅外燈光的攝像頭，投影儀以及處理圖像算法的單片機。攝像頭和投影儀是市場常見的儀器，且攝像頭使用普通攝像頭即可，不需要高清攝像頭。

1.1 總體架構(gòu)

基于紅外攝像的血管可視化系統(tǒng)分為采集模塊、圖像處理模塊、投影模塊三大部分，總體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1

1.1.1 采集模塊

采集模塊使用的是帶有紅外光源的攝像頭，光源采用的波長為850nm。不同的物體對紅外光的吸收會呈現(xiàn)出不同的特性，靜脈血管就是利用這一特性實現(xiàn)與周圍組織的區(qū)分。如圖2，在溫度25℃時，靜脈血管中的還原性血紅蛋白在波長850nm 處有個吸收峰，所以850nm 波長的近紅外光容易被血紅蛋白吸收，可以根據(jù)這個特點，利用紅外成像技術(shù)，對皮下靜脈血管進(jìn)行提取。

圖2 波長曲線

1.1.2 圖像處理模塊

（1）拍攝出來的原始圖，如圖3，血管是模糊可見的，與背景顏色分別不大，繪制出其直方圖，如圖4，它的像素值比較集中，反映在圖像上表現(xiàn)為圖像對比度不高，因此需要進(jìn)行直方圖均衡化處理。

直方圖均衡化主要思想是把原圖像灰度值比較集中的灰度直方圖拉伸，使得灰度值分布更加均勻，反映在圖像上就是圖像的對比度增大，對于這個靜脈血管圖像來說，靜脈血管就會更加明顯。

均衡化后的直方圖，如圖6，像素值分布比較均勻，圖像顯示為如圖5，與為景行均衡化的圖3 對比，可見血管更加突出，與背景區(qū)分更加明顯。

圖3 原圖

圖4 原圖灰度直方圖

圖5 均衡化后的圖

圖6 均衡化后的圖的灰度直方圖

（2）圖像去噪

圖像在計算機中的存儲就是一組二維數(shù)組，各點的像素保存在其中，圖像噪聲就是指存在于圖像數(shù)組數(shù)據(jù)中的不必要的或多余的干擾信息。圖像的質(zhì)量會受到噪聲嚴(yán)重的影響，因此在圖像增強處理之前，必須予以糾正[5]。

去除噪聲方法一般有高斯濾波去噪，中值濾波去噪，雙邊濾波去噪。中值濾波是非線性濾波, 對于散射噪聲的處理比較理想，因為散射噪聲通常與周圍像素值的差異非常大,紅外血管圖像的噪聲一般不是散射噪聲，所以未采用。

高斯濾波去噪：高斯濾波器是應(yīng)用最為廣泛的濾波器之一。濾波過程實際上是利用濾波核函數(shù)與待處理圖像進(jìn)行卷積操作，其中濾波核函數(shù)主要根據(jù)濾波參數(shù)來進(jìn)行設(shè)置。高斯濾波核函數(shù)的計算公式如下：

x，y 為局部的濾波中心點，σ 表示平滑尺度參數(shù)。高斯濾波是一種線性濾波，其整體過程簡單，一旦確定了平滑尺度參數(shù)以及濾波核尺寸，濾波核也隨之固定。高斯濾波能對圖像起到平滑作用。

參數(shù)σ2的增大，像素點的權(quán)重分配更加均勻，因此濾波結(jié)果也更加平滑。

高斯濾波有很好的平滑作用，卻沒有考慮圖像邊緣，丟失了邊緣信息，使得邊緣模糊。因此需要尋找保留邊緣的平滑算法。

雙邊濾波去噪：雙邊濾波器利用的原理是在高斯濾波器的基礎(chǔ)上，在原有權(quán)系數(shù)上乘上一個圖像亮度信息，新的權(quán)系數(shù)再與圖像信息作卷積運算，考慮了圖像的邊緣信息，使得邊緣信息也可以保存。此方法具有很強的實用性，雙邊濾波核函數(shù)的計算公式如下[4]：

上述公式中σs，σr分別表示空間距離因子平滑參數(shù)和像素點灰度值差異因子平滑參數(shù)。前一項隨著像素點與中心點之間空間距離的增加而減小，后者隨著像素點與中心點之間灰度值差異的增大而減小。在圖像的平坦區(qū)域，鄰域內(nèi)相鄰像素點的差異較小，主要是空間距離因子在起濾波作用，此時與高斯濾波相似；而在圖像的紋理細(xì)節(jié)區(qū)域，灰度值起伏變化較大，像素點灰度值差異因子占據(jù)主導(dǎo)地位，故能保護(hù)住邊緣紋理。

因此，最后選擇雙邊濾波來進(jìn)行圖像去噪。

1.1.3 投影模塊

投影模塊主要是通過調(diào)整投影儀據(jù)體表的高度來得到1：1投影，實現(xiàn)圖像與實際血管的精準(zhǔn)匹配。通過以下公式：

投影比=投影距離/畫面寬度

投影比一般是廠家制作時規(guī)定的，它是已知可查的。

我們想要實現(xiàn)的是圖像與實際血管的匹配，所以畫面的寬度與圖像的寬度要一致，圖像的寬度在處理圖像時是可以得到的。

再根據(jù)上面公式，我們便可以計算得到投影距離，即投影儀與體表的距離。

1.2 主要功能

采集圖像、處理圖像、投影圖像、輔助靜脈穿刺。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 采集圖像流程

醫(yī)生根據(jù)圖像處理效果調(diào)整患者需要穿刺的手或足的位置，調(diào)節(jié)擋板高度，直到得到清晰的圖片。

2.2 處理模塊

先獲取直方圖，進(jìn)行直方圖均衡化處理，然后進(jìn)行雙邊濾波去噪，最后用分割算法分割出靜脈血管。

2.3 投影模塊

處理過后的圖片通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給投影儀，投影儀投影到人體表面。

3 裝置實現(xiàn)

整體裝置標(biāo)定包括相機位置標(biāo)定和投影儀標(biāo)定兩部分。

成像設(shè)備有支撐結(jié)構(gòu)和成像儀器兩部分組成，如圖7，垂直支架由兩根鋼管組成，底座由兩個小型平臺組成，中間夾有可升降平臺，可通過升降中間平臺使得靜脈所在平面與平臺所在平面平齊。成像儀器部分是攝像頭和投影儀，攝像頭固定在水平鋼管上，投影儀放至在三腳架上。

圖7 裝置模型

3.1 攝像頭的選擇

攝像頭特點：具備帶有紅外光的LED 燈，可調(diào)節(jié)亮光。

（1）攝像頭主要由鏡頭與圖像傳感器兩部分構(gòu)成。鏡頭用于調(diào)整視野、圖像距離及進(jìn)光的多少;采集靜脈反射后光信號的是圖像傳感器;鏡頭選擇必須以圖像傳感器選擇為基礎(chǔ)，要保證光源是波長為850 nm 的近紅外光。

（2）為了實現(xiàn)光照強度可調(diào)節(jié)，采用市面上特定波長的燈珠, 燈珠是在攝像頭周圍均勻分布的小功率燈珠，成本相對較低,產(chǎn)生熱量較少,使用中可以無需考慮散熱問題。采集和收集血管圖像數(shù)據(jù)，焦距越小，視場角越大，觀察范圍越大。

3.2 投影儀選擇

投影儀特點：無線投屏，梯形自動校正，高分辨率。

投影儀采用的是型號為M8 的產(chǎn)品，采用DLP 投影技術(shù)，投影亮度達(dá)到1500 流明，對比度2500：1，分辨率為1280×720，視頻支持1080p，有可拓展內(nèi)存，在白天也可顯示出清晰的圖像，DLP 是數(shù)字光處理，它是基于數(shù)字微反射鏡器件（DMD）來完成的。

4 實例演示

如圖8，圖片中手背上的靜脈血管較深，不易觀察到，難以進(jìn)行靜脈穿刺，在系統(tǒng)裝置的幫助下，如圖9，靜脈血管非常明顯的顯現(xiàn)在手背上，可以有效的提高穿刺效率，減少患者痛苦。

圖8 待靜脈穿刺的手背

圖9 在裝置下的手背

5 結(jié)論

據(jù)統(tǒng)計，每年有近百萬的醫(yī)學(xué)生從學(xué)校走進(jìn)醫(yī)院，他們?nèi)狈?jīng)驗，需要外界的支撐輔助。本文設(shè)計的系統(tǒng)如果產(chǎn)品化后，靜脈血管可視化系統(tǒng)就可以幫助他們渡過早期的技術(shù)生澀期。