静脉成像投影设备的研制

张敏刚 李向东*

静脉成像投影设备的研制

张敏刚①李向东①*

目的：研制静脉成像投影设备，并进行临床应用验证。方法：以现有市售元器件作为购买配置依据，利用发射光静脉成像原理，搭建以工控机作为中央控制单元，外围由微型投影、摄像头等构成的电路，工控机传输、储存由摄像头采集到的图像，经相应图像处理算法后传输到微型投影设备，实现静脉血管纹路的投影显示。结果：成像后的静脉血管投影纹路与实际血管走向基本吻合，图像质量良好。结论：研制的静脉成像投影设备能够满足临床应用需要，可为后续研究提供科学依据。

静脉成像投影；光源；摄像头；工控机；微型投影仪

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

目前，进入市场的静脉血管成像投影设备越来越多，成像质量也越来越好，主要应用于身份识别和静脉穿刺技术中［1-2］。在静脉成像投影设备研制过程中，运用的基本原理基本相同。静脉红血球中的血红蛋白因照射会失去氧分子，而还原的血红蛋白会吸收波长为760 nm附近的近红外光，导致静脉部分的光透射较少，在影像上就会产生静脉暗影图案［3-4］。现阶段应用该原理生产的静脉成像设备仅限于浅表静脉的观察，由于近红外光的穿透力有限，对于手掌、手指的观察多用透射光检测；而对于手臂及其他部位的观测只能用反射光方式。本研究基于反射光法实现对静脉血管成像投影设备的研制，以便观察到高质量的人体手背、手腕等处血管图像。

1 静脉成像投影设备构造与原理

在研发投影式静脉成像设备中选取滤光片是关键，选取的原则是允许特定波段的光线通过，尽可能多的滤除其他波段光［5］。然而，若要达到投影与静脉血管完全重合则必须选择特制的半反半透镜作为滤光片，其目的是使850 nm附近的光处于反射状态，低于800 nm的光处于透射状态［6］（如图1所示）。

图1 投影光路示图

图1 显示，光源产生波长约为850 nm的近红外光，近红外光经过半透半反膜，其膜对850 nm的近红外光具有反射作用，反射的近红外光到达人体皮肤表面，遇静脉血血管中的血红蛋白后，部分光被吸收，反射回的光线亮度弱；周围组织未吸收红外光，亮度相对较强。反射回来的光信号被电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）和（或）互补金属氧化物半导体（complementary metal-oxidesemiconductor，COMS）传感器捕捉到后生成亮度有明显对比的图像，相对较暗部分为血管，暗部分的纹路即为血管的走形纹路；微型投影根据接收到的图像，经过处理只投射出暗部分及血管纹路到相应的部位，通过投影图像观察人体组织内血管的纹路［7-10］。

CCD/COMS感光元件用于采集反射后光线强度的变化，此时半透半反膜用于阻挡反射回的光信号不能透过到投影光路，而是进入到CCD；微型投影用于产生投影图像，中央控制部分选用工控机或其他控制模块用于对各个功能模块间控制。

2 静脉成像投影设备元器件的选择

通过对比分析，选择性价比较高的元器件。保证光源是产生波长为850 nm或邻近波长的近红外光，也可选择双波长做为光源［11］。市面上有售特定波长的灯珠，红外灯珠大规模使用在夜间监控；由于灯珠是均匀分布在摄像头周围，在选择中无需选择功率过大的灯珠，小功率灯珠成本相对较低，产生热量较少，使用中无需考虑散热问题。摄像头由镜头与图像传感器两部分构成，镜头用于调整视野、图像距离及进光的多少；图像传感器用于采集经静脉反射后的光信号；镜头选择必须以图像传感器选择为基础。本研究选择Micrond的MT9V032，基本能够满足图像采集的性能需求，相对于同类设备价格也比较合理［12］。MT9V032属于CMOS传感器，分辨率为752×480，像素点大小为6 µm×6 µm；捕捉的图像传送到投影仪，投影到手臂或头皮等位置与原血管重合，便于观察血管走形纹路。选择工控机作为中央控制单元，协调各部件的工作，以及对图像进行处理，数据的传入、传出。在制作中半透半反膜位置角度十分重要，应调至45o角最为合理，否则最后生成的投影图像可能会与实际的血管纹路有偏差。

3 静脉成像投影图像处理

采集到的图像在传输到投影前需对采集到的初始图像进行灰阶等信号处理；以体现出静脉血管与周围的差别，并消除非血管区域的噪点。图像处理的算法较多，经文献分析，参考和借鉴“参考静脉成像显示仪的计算方法研究”、“数字图像处理的MATLAB实现”以及“NIBACK算法”［13-15］等，图像处理算法的选取应既能突出静脉血管纹路，又不能造成将非血管部分误判断为静脉血管纹路。图像处理算法处理前采集到的初始的手背静脉图像如图2所示；经过处理后的图像如图3所示，能够观察到不均匀分布的噪点被滤除掉，静脉血管纹路清晰。

图2 手背血管静脉图像

图3 经图像处理算法处理后的血管静脉图像

4 图像质量整体评价

由于采集到的图像不仅仅用于图像显示，还涉及投影后的图像与图像完全重合。因此，在安装调试时通过微型投影的位置移动以及投影自带的微调功能使两图像完全重合，实际检测到的手臂、脚背静脉血管投影图像与实际静脉血管纹路一致［16］（如图4、图5所示）。

图4 手臂投影图像

图5 脚背投影图像

5 结论

本研究运用反射光检测方法、配置适宜的光源、摄像头等器件构建系统，结合图像处理算法，得出较高质量的人体手背、手腕等处血管成像。所研制的静脉成像投影设备能满足临床应用需要，并可为后续研究提供科学依据。设备在保证实用性能的前提下成本低廉，利于实现和推广。

［1］王云新，刘铁根，朱军超，等.嵌入式人体手背静脉图像采集系统的研制［J］.仪器仪表学报，2009，30（2）：308-312.

［2］李红芹，王娟，谢小淑，等.一次性采血针结合股静脉体表投影在小儿股静脉采血中的应用［J］.山西医药杂志，2014（6）：704-705.

［3］卫娜，李向东，云庆辉，等.基于嵌入式平台红外静脉成像仪的研制［J］.中国医学装备，2014，11（9）：37-39.

［4］余成波，秦华峰.生物特征识别技术手指静脉识别技术［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［5］叶燕，周云，张恒，等.金属光栅型偏振彩色滤光片［J］.光学学报，2011（4）：54-60.

［6］陈龙聪，刘改琴，胡南，等.基于半反半透镜的新型尿液分析核心模块的研究［J］.生物医学工程学杂志，2014，6（31）：1288-1293.

［7］齐欢，焦淑红，王斌，等.基于CMOS传感器的图像质量评价［J］.传感器与微系统，2015，5（34）：12-14.

［8］王科，刘仁峰.基于线阵CCD的数据采集电路设计［J］.计算机与数字工程，2014，6（42）：1087-1090.

［9］杨健贤，刘海刚，宋冲，等.基于线性CCD的路径识别算法研究［J］.工业控制计算机，2015，7（28）：63-65.

［10］姚海根.CCD与CMOS传感器比较［J］.印刷工程，2009（4）：31-33.

［11］蓝惠英，石岩，王龙吾.手静脉成像系统优化研究［J］.生物医学工程学杂志，2013，30（5）：1079-1082.

［12］MT9V032：1/3-Inch wide-VGA Digital Image Sensor Features［P］.Micron Confidential and Proprietary，2006.

［13］李向东，卫娜，云庆辉，等.静脉成像显示仪的计算方法研究［J］.中国医学装备，2014，11（8）：35-38.

［14］阮秋琦译.数字图像处理的MATLA实现［M］.2版.北京：清华大学出版社，2013.

［15］喻恒，郑均辉.基于CLAHE和改进的NIBLACK算法的手背静脉提取方法［J］.计算机与现代化，2015，22（4）：74-77.

［16］芮大为，祁康成，林祖伦，等.基于多球面封装透镜的LED微型投影仪的光源设计［J］.电子器件，2012，35（1）：39-42.

Development of vein image projection equipment

ZHANG Min-gang， LI Xiang-dong// China Medical Equipment，2016，13（4）：9-11.

Objective： To introduce a method and theory about how implementation vein image projection epidermis and conduct the clinical testing. Methods： Base on existing electronic components construct circuit. The construct circuit was made of industrial personal computer，mini-projector， camera and so on. The image is captured by camera transfer to industrial personal computer. Choosing suitable image process algorithms modify image. Processed image that storage in industrial personal computer transfer to mini-projector， vascular vein lines is produced from mini-projector. Results： Through this way that vascular vein projector method get image basic agreement vascular trend， meet the clinical needs. Conclusion： Vein image projection methods meet clinical need can be used to study other field.

Vein image projection； Lamp-house； Camera； Industrial personal computer， Mini-projector

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.04.004

1672-8270（2016）04-0009-03

R197.39

A

2015-10-22

①第四军医大学西京医院器械设备科 陕西 西安 710032

*通讯作者：lixiangd@fmmu.edu.cn

张敏刚，男，（1985- ），本科学历，工程师。第四军医大学西京医院器械设备科，从事生物医学工程工作。