可视化浅静脉穿刺辅助设备的研究进展

张 兵，桂 莉，刘晶晶，顾 申

0 引言

浅静脉穿刺术是护理操作中最基本的技能之一，是临床给药、输液、输血及抢救的重要途径。然而，许多情况下，静脉细小、脂肪过多、肤色较深、失血脱水严重等原因使肉眼难以直接观察分辨静脉，导致穿刺失败或重复穿刺，延误诊疗或抢救时机。为解决疑难浅静脉穿刺的难题，国内外研究者研发了诸如手背静脉显示仪、血管显示装置、红外辅助定位系统等可视化浅静脉穿刺辅助设备，其在效果、成本、便携性和安全性等方面各有优劣，现综述如下，以期为产品的选用及进一步研发提供理论依据。

1 相关原理和技术概述

可视化浅静脉穿刺辅助设备是指利用人体的不同组织对特定波长光的穿透和选择性吸收能力差异的光学特性，使静脉血管和周围组织区分开而直接显示或初步探测静脉，然后将初步探测到的血管采用摄像机原理得到清晰的图像呈现在显示器上，或将初步探测到的血管或清晰的图像通过投影技术显示在皮肤表面，即光源直接显示或与投影技术和（或）摄像机原理相互组合更好地实现浅静脉穿刺的可视化[1]。

1.1 光源

光源的选定是可视化浅静脉穿刺辅助设备研发的第一步。利用人体的不同组织对特定波长光的选择性吸收和穿透能力差异的光学特性，使静脉血管和周围组织区分开。研究表明，不同组织对不同波段光的吸收和穿透能力有一定差异，当波长为800～850 nm时，静脉与周围组织对光能的吸收差异最明显[2]；近红外光的穿透能力最强，红光次之[3-6]。基于此原理，目前，国内外研究者选用的光源主要包括半导体激光器光源（近红外）和半导体发光二极管光源（light emitting diode，LED）（近红外、红、白、橙）。半导体激光器光源（laser disc，LD）即激光，是一种物质的原子“受激辐射光的放大”，既有普通光的一切性质，又有它们所没有的一些诸如单色性好、方向性好等重要特性，但也存在对人体有伤害及发散小而出现光斑的不足之处。半导体发光二极管光源是一种利用半导体器件直接把电能转化为光能的光源，具有寿命长、响应快、颜色多等特点。其不足之处在于单位面积上的发光率不足，这将直接影响其体积的大小[7-9]。

1.2 摄像

摄像是对利用人体组织的光学特性显示或初步探测到的血管进一步清晰显示的重要步骤。摄像机的原理是:景物通过镜头生成的光学图像透射到图像传感器表面转为电信号，然后经过模拟/数字（analog/digital，A/D）转换后变为数字图像信号，再送到图像处理器加工处理得到清晰的图像[10]。图像的品质主要取决于图像传感器和图像处理器。目前，主要的图像传感器包括电荷耦合元件（charge-couple device，CCD）和互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）2 种。CCD 以其低信号噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能牢固占据图像传感器的高端市场，而CMOS以其高集成度、高速、小体积、低价格等特点在大众市场占据越来越大的份额。随着集成电路的设计技术与工艺水平和CMOS在一些新技术上的突破，CMOS正朝着高分辨率、高灵敏度、低噪声、智能化等方向发展，应用前景更加广阔[11-13]。图像处理的应用领域越来越广泛，图像处理算法也越来越多，而每种算法各有优劣[14]，其效果评价标准尚未统一[15]。

1.3 投影

投影是将利用组织的光学特性和摄像原理得到的清晰的图像呈现在皮肤表面的关键步骤。目前，研究者多选用液晶显示器（liquid crystal display，LCD）和数字光处理（digital light procession，DLP）投影技术。LCD投影机的关键技术是液晶显示板，其以体积较小、质量较轻、分辨率适中、制造工艺简单、亮度和对比度较高等优点占据70%以上的投影市场份额。DLP投影机的关键技术是数字微透镜装置（digital micromirror device，DMD），其以清晰度高、画面均匀、体积更小、质量更轻、图像质量稳定等优点被视为投影市场的后起之秀。当然，缩小体积也带来了视频显示效果失真的不足，而且其光学机械性决定了它的移动防振性要比LCD投影机差一些[16]。近年来，也有学者将激光扫描投影技术应用于该设备的研制，他们凭借激光准直性和方向性好的特点，利用扫描器件将光束高速扫描到屏幕相应的位置，通过人眼的视觉暂留效应形成完整的画面。该技术不但具有激光投影显示色域大、效率高、寿命长等优点，而且系统可以集成在很小的模块中，实现了便携设备的投影显示。另外，由于准直的激光束不存在聚焦问题，输出的图像能够准确投影到曲面上[17]。

2 代表产品的研发进展

国内外可视化浅静脉穿刺辅助设备的代表产品按可视化方式可分为3类。

2.1 透射式显影设备

透射式显影设备是利用人体的不同组织对特定波长光的穿透和选择性吸收能力差异的光学特性，使静脉血管和周围组织区分开而直接显示静脉。该类产品主要是在光源的选择上不同，如姚秀君等[18]研制的手背静脉显示仪选用近红外光LED，Frank C等[19]研制的Venoscope选用红光LED和白光LED，其他同类产品如手持式静脉注射显影透视器、Veinlite LED等也是通过选择不同颜色、不同数量和不同强度的光源使静脉清晰地显示[20-22]。此类产品的优点是质量轻、体积小、构造简单、显影真实、成本低，缺点是显影效果不明显，只适合如手背等静脉丰富且皮肤较薄处的血管。

2.2 显示器显像设备

显示器显像设备是将组织的光学特性与摄像机的原理组合，使静脉图像呈现在显示器上。该类产品主要是在显示器、图像传感器和图像处理器的选择上不同，如张军[23]、张晋阳等[24]研制的静脉穿刺辅助设备分别选择CCD和CMOS传感器。此类产品的优点是质量轻、体积小、构造简单、显像清晰、成本适中且使用范围广，缺点是图像观看不够直观。

2.3 投影显像设备

投影显像设备是将组织的光学特性与投影技术和（或）摄像原理相结合，使静脉投影到皮肤表面。该类产品主要是在投影技术的选择上不同，如美国AccuVein公司研制的AccuVein AV300静脉定位仪选用LCD投影技术，美国Lumintex研制的Vein Viewer选用DLP投影技术。这些产品的缺点是可视化后的血管图像和实际图像的位置有误差；图像会产生焦点偏移和图像模糊问题；构造复杂、成本高，不利于推广；只显示二维图像，没有提供血管的深度信息等。张帆等[25]研制的双色激光扫描式医用静脉显示装置及村田昭浩等[26]研制的血管显示装置选择激光扫描投影技术。选用激光扫描作为探测和显示的手段，解决了传统显示技术（如LCD）存在的人体体表曲面定位不准、聚焦困难、设备庞大难于携带、系统集成度不高、成本高等问题，但存在没有提供血管的深度信息及安全性问题等不足。

2012年12月，北京理工大学[27]研发的多光谱三维图像显示装置利用多光谱近红外光源和2台摄像机从不同角度采集静脉血管的位置和深度信息，再通过投影技术使其显示在皮肤表面，既解决了二维图像没有血管深度信息的问题，又解决了不同层次的二维图像上会产生虚相交的问题，但仍存在其他摄影显像设备的其他不足。另外，黃承亮[28]将三维激光扫描技术应用于人体三维建模中，建立了高精度的人体三维模型。乔铁等[29]采用红外线热成像原理研制出人体表层血管显示仪，但其受环境温度的影响比较大。

3 可视化浅静脉穿刺辅助设备的发展趋势

综合以上的研究进展可见，国内外可视化浅静脉穿刺辅助设备的研制采用的多是较为稳定和成熟的光源、摄像和投影技术，已经形成了3种技术相互组合的研发态势。总体而言，设备的可视化效果越来越明显，但还需要进一步解决成本和便携性等问题。以下2个方面的研发趋势可供研究者参考。

3.1 三维可视化设备的进一步研发

目前，国内外产品在原理和技术选择上各有优劣，且几乎都是二维图像，没有提供静脉的深度信息。北京理工大学[27]研制的多光谱三维图像显示装置是一个很好的开端，但尚存在一些不足之处，所以，需要对现有的原理与技术的优势进行组合，进一步研发能够更好地提供静脉位置和深度信息的三维可视化设备。

3.2 按需要分类研发

由于穿刺场所的复杂性及个体的差异性，几乎不可能研发出一款适合于任何人任何状况的浅静脉穿刺产品。因此，我们可以按科室、年龄、场所等需要分类研制，如院前急救产品的研发，应将研制效果明显、携带方便的产品放在首位，而较少考虑成本，以在最短的时间内建立静脉通路，最大限度地挽救患者的生命。

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