基于嵌入式平台红外静脉成像仪的研制

卫 娜 李向东 云庆辉 张敏刚

基于嵌入式平台红外静脉成像仪的研制

卫 娜①李向东①云庆辉①张敏刚①

目的：设计出一种能将人体手掌、手臂静脉血管显示在LCD屏幕上的装置，协助医护人员在穿刺中使用，减少医疗穿刺中的伤害。方法：利用红外线照射人体组织，血液中血红蛋白经红外线照射会转变为过氧血红蛋白对红外线有吸收作用，从而有血管的地方回光信号较暗，形成血管走形纹路；经摄像头采集回光信号，转化为计算机可以识别的电信号进而进行图像后处理并显示。结果：经实际测试红外反射光的回光信号能够显示在LCD屏幕上，并且能够被肉眼所能识别，经图像后处理算法后能够突出血管与周围组织的反差，突出血管结构，提高识别的精确度。结论：利用红外光的反光作用可以达到静脉血管的识别作用。

嵌入式平台；红外线；静脉；成像仪

卫娜,女,(1975- ),硕士，工程师。第四军医大学西京医院器材设备科，从事医学成像研究和设备管理工作。

[First-author’s address]The First Hospital of The Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, China.

静脉穿刺是医院中十分平常的诊疗内容，在穿刺过程中可能由于本身血管的狭小或自身手臂较粗血管埋藏较深等原因，未能达到穿刺者肉眼的区分的最低分辨率，在穿刺中可能会引起患者的二次伤害，影响后期治疗效果，严重的则可能引发医疗纠纷。国内外研究资料表明[1-4]，普通成人静脉注射首次穿透失败率是28%，儿童静脉注射首次穿透失败率是44%；因此，开发出一款能够便于携带、清晰显示手背、手臂静脉血

管图案的设备是十分必要的。

一部完整的静脉成像显示仪包括图像采集部分和嵌入式平台两大部分。图像采集部分主要用于获取后端可以处理的静脉血管数字信号，采用CMOS传感器将采集到的信号转变为数字信号，供后端图像处理与显示；嵌入式平台主要用于进行采集后图像的后处理以及图像显示。在嵌入式平台的选取上一定要根据具体要实现的功能相结合，并不是选取的芯片越贵越好；在嵌入式平台选取上要本着简单、易用，便于修改的原则；因为在后端图像处理中要修改嵌入式平台中的应用程序；选取的嵌入式平台与所选取的摄像头相互兼容(如图1所示)。

图1 静脉成像显示仪示意图

1 红外静脉成像仪图像采集

图像采集是整个静脉成像显示仪设计的关键，采集到清晰可识别的静脉图像是后端图像处理的基础，前段采集到的静脉血管与周围组织差值越大后端图像处理可以采取的方法越大，得到的图像越清晰；当波长为700～1100 nm接近红外光时可穿透约3 mm厚的生物组织[5]。图像采集是依据流入静脉红血球中的血红蛋白因照射会失去脱氧分，而这个还原的血红蛋白对于波长760 nm(实验中采用850 nm)附近的红外线会吸收，导致静脉部分的投射较少，在影像上就会产生静脉图案[6]。根据以上原理要采集到静脉血管信号，要有光源的发射装置和信号的拾取装置；光源的发射装置用于发射850 nm或760 nm的近红外光，产生的近红外光经过人体静脉血管的吸收会产生与周围组织不同的回光信号，由于本设计主要用于解决患者在穿刺过程中的伤害，一般穿刺部位为手背与手臂，手背、手臂较手指厚，采用穿透的方法很难得到穿透信号，现已有相关文献报道手背穿透试验，但至今尚未有手臂被穿透的报道。因此，本实验采用反射原理采集回光信号，当光线达到手背或手臂后由于静脉血管对于特定波长的红外光有良好的吸收作用，于是有静脉血管分布的位置，回光信号较弱跟周围会形成对比，从而达到对血管显示的目的[7-8]。

1.1 光源的选择

反射光与穿透相对比回光信号较弱，选用小功率发光管回光信号几乎不能检测到血管信号，无法满足图像后处理的要求，通过试验测得选用5 W的850 nm的红外灯光能够观测到浅表静脉血管并具备图像后处理的需求，由于CMOS传感器对于850 nm的红外光吸收率是760 nm的3～5倍，因此选用850 nm；实验中选取成年男性进行试验(如图2所示)。

图2 男性手背静脉血管的图案

1.2 传感器的选择

目前，主流的传感器是CCD与CMOS传感器，在传感器的选取上CCD的感光灵敏度高于CMOS，但在图像传输速率，成本方面CMOS摄像头的优点更为突出，最为重要的是CMOS属于即插即用十分方便，便于操作与使用；实验中选取CMOS传感器，选用的CMOS传感器分辨率要足够高，便于将静脉血管与周围组织进行区分，同时选用传感器的位数要能达到图像处理的取值要求；在实验中选用罗技C-270，8位高清摄像头，分辨率：1280×720 DPI，传输接口为USB2.0，感光元件为CMOS，镜头为卡尔-蔡司光学镜头，对焦方式为自动对焦；基本参数满足试验需求。

2 红外静脉成像仪嵌入式平台

嵌入式平台用于图像的处理与处理后图像的显示，在嵌入式平台的选择上应满足以下要求：①选择的嵌入式平台主频速度要足够高加图像后处理算法后能够达到时时显示的要求；②选择的嵌入式平台内核中要包含使用摄像头的驱动，否则可能需要自己单独编写，在将编写好的驱动程序写入到内核中，达到驱动摄像头的目的；③选择的嵌入式系统的USB接口必须为2.0，倘若选择的嵌入式系统的接口为1.0，在图像传输的过程中为确保图片传输速度，一般会选用图像压缩，会造成图像显示较差，其分辨率较差，不能达到区分的需求，实验中选用三星公司推出的S5PV210应用处理器，S5PV210又名“蜂鸟”(Hummingbird)，支持DDR2和多个种类的NAND Flash，拥有强大的内部资源和视频处理能力，其运行主频可高达1 GHz，1路USB HOST 2.0、1路USB OTG 2.0，核心板内部包括选用的罗技C-270型号的摄像头驱动；该芯片满足上述要求，可以进行使用[9-11]。

2.1 开发平台

在使用中为便于穿刺的需求，采用开放式环境进行搭建，需在摄像头前端加滤光镜，以去除外界自然光对于红外回光信号的干扰。目前，较为流行的开发平台有3种：①wince平台是微软公司近年开发的可将在windows环境下编号的程序直接拷贝，使用十分方便，但需用户自己编写应用程序，其工作量较大，且为收费软件；②andriod开发平台是在linux开发平台的基础上进行嵌套，其底层还是依靠linux运行系统，这样在运行中其运行速度会受到影响，但andriod开发环境内包含linux所没有的插件，实现起来相对简单，其界面十分友好；③linux开发平台是现今在嵌入式中应用最为广泛的平台；其难点在于平台的搭建，应用程序均能找到，只需做一定的修改就能达到用户的需求，所有代码均为开放式，且为免费应用平台。因此，在嵌入式平台的搭建采用linux的开发平台ubunt 12.04版本，在环境搭建中采用VMware 虚拟机，该虚拟机的使用能够帮助用户在windows环境下构建自己需要的linux开发环境，可省去重新安装系统的繁琐，操作系统之间也可来回切换，使用十分方便，ubuntu 12.04是目前比较新的版本，界面更加人性化，可降低产品开发的成本和有利于后端图像处理代码的编写。

2.2 图像的显示

由于linux下摄像头用的uvc驱动，不能像在windows下那样使用，在确定内核中拥有该摄像头驱动后，要有一定的显示程序才能将摄像头采集到的图像信息显示在显示屏上，显示程序为“luvcwiew”程序，通常在互联网上能够免费下载，用户可以根据自身需求进行修改；下载后的程序如不能很好的显示采集到信号可根据需求重新刷新内核，一般能够达到在windows下显示的相同效果。

在嵌入式平台红外静脉成像仪的研制中，正如图2所显示的静脉血管虽然能够被肉眼所识别，但其对比度不强，因此要在后端加入图像后处理算法，用于增强血管信号和降低周围中非血管信号，本研究试验中分别选用了“差分法”和“描点法”对静脉血管进行处理，由于反射信号较弱，描点法未能达到预期要求[12-14](如图3所示)。

图3 男性手臂静脉“差分法”处理后的静脉血管图

3 结语

在红外静脉成像仪终端得到完整的静脉血管图案的条件是，不仅前端要能采集到清晰、完整的静脉图案，后端也必须要选用合适的图像处理算法对前端的图像进行必要的处理以增强图像的清晰度，同时要防止误判定的出现[15-17]。

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The Research of infrared vein imaging system based on embedded platform/

WEI Na,LI Xiang-dong, YUN Qing-hui, et al// China Medical Equipment,2014,11(9):37-39.

Objective:To study a set of equipment for the medical staff helping them in venipuncture to see vein more clearer on LCD.Methods:Using the infrared radiate human tissue, the hemoglobin in the blood irradiated will change to oxygen-hemoglobin, therefore, reflective photo signal from vein will become darker compared with the signals from others tissue. At the receiving end, the CMOS photo detector converts reflective photo signal into electrical signals. The digital signal will be processed by computer so as to show them on the LCD.Results:The medical staff could easily distinguish human veins from other tissue during venipuncture through the assistant of infrared imaging equipment.Conclusion:We can identify vein using infrared reflective theory.

Embedded platform; Infrared; Vein; Imaging system

1672-8270(2014)09-0037-03

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.09.013

2014-02-17

①第四军医大学西京医院器材设备科 陕西 西安 710032