基于近红外应用的手背静脉显影装置的设计

周 柯，杨语芳，张建华

（郑州大学 电气工程学院生物工程系，郑州 450001）

基于近红外应用的手背静脉显影装置的设计

周 柯，杨语芳，张建华

（郑州大学 电气工程学院生物工程系，郑州 450001）

根据血红蛋白对不同波长的红外光相异的吸收特性，引入波长为850nm的红外光源作为主动红外光源，组装、调试了一台静脉穿刺辅助装置，用PC实现了图像的采集、显示，并用Matlab软件对原始图像进行了感兴趣区域的裁剪，通过对裁剪后图像的预处理、图像分割、轮廓跟踪以及二值化，最终得到了较为理想的二值图像。

近红外；主动红外；静脉穿刺；静脉血管成像；Matlab图像处理

0 引言

输液是透皮给药应用较为广泛的方式之一，在临床上可以实现药物的大量、快速输送，具有平衡人体内的水电解质及酸碱性的作用，在急救场合还可以扩充休克病人的血容量，及时挽救患者的生命[1]。然而，国内外的相关统计数据[2-6]表明：静脉穿刺的失败率普遍较高，这种现象在年龄小的儿童、肥胖或水肿病人、输液部位发生过严重烧烫伤的病人以及周身循环衰竭和休克病人身上尤为突出。病人不仅要承受重复扎针的痛苦与折磨，还要承担因针头的反复刺激甚至血管刺穿等物理因素诱发静脉炎的风险[7]，再加上我国国民输液数量巨大[8]，使得静脉穿刺失败频频成为医患纠纷的导火索[9]。

国内外相继开展了对静脉穿刺辅助设备的设计、研究[10]，从最早的温敏贴纸到普通光源反射直接观察仪器，又到目前研究最多的红外静脉显示仪器，应用原理多种多样，面世的产品也是品类繁多，性能更是各有千秋。也有相关人员开发了超声定位引导系统，但是由于其体积大、操作复杂等特性未能得到推广应用[11]。本项目组在指导老师的指导下，应用已经学习的专业课知识，设计了一款经济实惠、操作简单的静脉穿刺辅助设备。

1 设计原理

自从Zemen[12-13]等首次发现静脉血管在均匀近红外下可以清晰显示并通过对其机理进行探究，提出可以据此制作出静脉穿刺操作辅助设备后，相关领域的专家学者就对此展开了深层次的研究，并取得了一定的成果。应用红外技术进行血管显示的原理可以总结为：血液中约占血细胞总数99%的红细胞的主要蛋白组成是血红蛋白，血红蛋白具有较好的携氧能力，与氧结合形成氧合血红蛋白（HbO2），通过这种方式向组织提供正常生命活动所需的氧，随后与氧脱离形成脱氧血红蛋白（HbR）。氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对红外光的吸收峰值不同，前者在850nm左右，后者主要在760nm左右。静脉血中的血红蛋白主要是脱氧血红蛋白，对红外光的吸收峰值在760nm左右，因此通过对手背侧850nm波长红外光透射量的观测比较便可找到静脉血管的分布信息。

2 成像装置

图1 近红外光谱中还原血红蛋白、氧和血红蛋白的吸收率曲线

成像装置的主要作用是获取有效的手背部静脉分布图像，并将其输送至PC以完成后续的图像处理。装置的主要组成部件有：摄像机及镜头、红外滤光片、红外光源、仪器支架以及相应的连接线。装置工作时，连通摄像机与PC并接通红外光源电源，引导患者手心向下将手置于红外光源正上方，患者手背上方的摄像机（镜头前置红外滤光片）便将在手背部获得的不同波长光的分布信息以图片的形式在显示设备（此处为PC）展现出来。装置的实物图和工作流程图如图2、图3所示。

图2 装置实物图

图3 装置工作流程图

2.1 红外光源设计

根据设计原理，实验选择发射波长为850nm的红外LED灯珠，其发射波长误差为±15nm。其主要的电学参数为：工作电压VF=1.35-1.7V，最大发射功率Pmax=50mW。从使用方便的角度出发，采用普通手机电源适配器或者PC的USB接口输出电压（5V）为红外光源供电，LED灯珠则三个串联作为一组，以组为单位并联扩充，如图4所示。

采用反射式光源需要考虑手背侧皮肤的镜式反射和手掌各层组织的反射、吸收、散射等光学行为对入射光成分的复合影响，以及光源放置位置对光路计算复杂程度的影响[2]，因而采用了透射式主动红外光源。将发射波长为850nm的红外光源置于掌心侧，在手背侧对透射红外光进行检测采集与显示。与反射式主动红外相比，采用透射式红外有下述三个特点。

图4 自制光源实物图

（1）降低了光源设计的难度。手背静脉显影区域的光照度会极大程度地影响成像质量及其信息量。其中，红外LED的数量、排布、与手的距离和角度对反射式主动红外的光照度具有极大影响[14]。透射式主动红外光源与手掌直接接触，距离和角度的影响可以不作考虑，在设计时主要考虑红外LED灯珠的数量与排布的影响，从而降低了设计难度。

（2）有利于装置整体空间布局的合理化。透射式主动红外光源位于掌心侧，可将其固定在装置支架的底板上而不是镶嵌在摄像机镜头周围，充分利用了支架底板面积大的特点，使各模块的放置更加紧凑，空间布局更加合理。

（3）有利于提高仪器的便携性。将红外光源固定在支架底板上也使得各模块更加牢固，相互之间的机械作用减弱，有效地避免了在移动过程中的机械损伤，提高了仪器的便携性，间接地延长了仪器的使用寿命。

2.2 摄像机的选型及使用

黑白摄像机不进行色度处理，只感知光线的强弱（亮度）信号，因此黑白摄像机具有较低的照度。在可见光照度比较低的情况下，若想摄取有效的红外图像，就要求摄像机感光器件对红外光具有极好的敏感性，显然，具有低照度的黑白摄像机更能满足这种需求。为此，选用了CGimagetech的CGU2-130M型号的带外触发USB2.0 130W万黑白工业相机，相机外形如图5所示，主要参数如表1所示。

2.3 图像采集软件

图像采集使用相机生产方提供的软件CGUSBApp，连接相机后在菜单栏中会显示已连接的设备信息以及播放、停止、参数设置和拍照等功能按钮。在“参数设置”菜单栏中对相关参数进行相应设置，主要是输出模式、分辨率、帧率、曝光设置和拍照选项等设置。

表1 CGimagetech USB2.0 130万黑白外触发工业相机性能参数

图5 黑白摄像机实物图

2.4 红外滤光片的选择

由设计原理分析可知，由于手背静脉对760nm波长红外光的吸收作用，在手背部需要观察的主要是吸收率较低的850nm波长的红外光的分布，即透过手背部的850nm波长的红外光。选取带通波长为850nm±15nm的红外滤光片，通过一个内径与镜头外径相当的小圆筒固定于摄像机镜头前侧，如图4所示。实验证明滤光片滤光效果良好。

2.5 支架的选择

为了将成像装置的各个组成模块合理有效地组合成一个整体，并且满足便携等要求，需要设计一款支架来实现这项功能。参照生产商提供的显微镜支架模型，并结合成像装置各组成模块的形态学特征，设计出一款既满足要求又具有充足改造空间的支架，主要参数如表2所示。

3 图像处理

MATLAB具有强大的图像处理功能，它自带的图像处理工具箱（Image Processing Toolbox）中有大量可直接使用的图像处理函数，可以完成图像的输入、显示、浏览、输出和转换，具有图像几何变换、空间参考与图像配准、图像增强、图像分析、彩色图像处理、代码生成和GPU计算等几大功能模块。

表2 成像装置支架主要参数

利用MATLAB出色的图像处理功能，对上述成像装置采集到的原始图像进行剪裁、图像增强、边缘检测和二值化处理等操作，得到能将手背静脉与其他组织明显地区分开来的二值图像。

3.1 裁剪图像

将成像装置采集到的图像输入到MATLAB中，在原图像上进行剪裁操作，选取血管比较清晰的图像区域，获取有效图像，如图6、图7所示。图像剪裁的基本原则为：

（1）选取血管显示较明显清晰的图像区域，保证获取图像的质量；

图6 采集到的原始图像

图7 剪裁后的图像

（2）尽量选取在手背神经分布较少的“乏神经区”，在此区域内穿刺有利于减轻病人痛苦，提高穿刺成功率[15]。

3.2 图像增强预处理

对图像进行处理前，要先将待处理的灰度图像转换为二维矩阵形式，以便于图像的存储与进一步处理。

可以通过对比度调节、滤波和基于数学形态学方法之一或几种方法组合处理来达到图像增强的目的[17]。

（1）对比度转换。通过对比度转换可以增强图像的明暗对比，改善图像质量，使静脉血相对手背更明显，更易于辨认。观察比较发现：剪裁后得到的图像偏暗，通过对比度拉伸变换，使预处理后的图像具有更高的对比度。处理结果如图8、图9所示。

图8 处理前

图9 处理后

（2）直方图均衡化。直方图均衡化是一种方便有效的图像增强方法。其本质是通过特定的变换关系，将待处理图像变换成具有均匀概率密度分布的图像，扩展图像的动态范围，改善原图像的质量[16]。剪裁后的图像像素灰度集中分布于偏暗区域，通过直方图均衡化可以得到灰度级分别相对适中、整体对比度更强、更为清晰明亮的图像。

3.3 应用边缘检测方法对静脉血管边缘进行提取

图像中周围像素灰度发生阶跃变化或屋顶变化的像素组成的集合被称为图像的边缘[18-19]。其中，部分图像边缘连通后成为边界或轮廓，因此边缘可以称为图像的最基本特征，通过勾勒图像的边缘可以清晰地凸显出该图像的特征。

应用边缘检测技术可以有效地突出图像的边缘信息[21]。对经图像增强预处理后的灰度图像进行边缘检测处理，以提取手背静脉血管的边缘，明确手背静脉血管的具体分布，为后续的图像处理操作奠定基础。

对灰度图像进行边缘检测的基本方法步骤为：

（1）平滑滤波处理。因为多数线性滤波在滤除噪声的同时也会将图像的边缘变得模糊，但中值滤波在滤除噪声的同时又可以极大地保护图像的边缘信息，因此这里选用中值滤波最为适合[16]。MATLAB图像处理工具箱中的medfilt2函数可以实现二维中值滤波的功能。

（2）一阶微分或二阶微分。因为边缘的特征是像素点的灰度值跳跃突变，也就是说边缘像素点往往对应着微分值较大的点，所以对图像进行微分操作可以有效地提取边缘信息。经典的边缘检测算子如Sobel一阶微分算子，Prewitt一阶微分算子和Laplacian二阶微分算子等都具有较好的处理效果，其性能也各有千秋，很多研究者对不同算子的边缘检测性能进行了大量的比较和评价[17，19-21]。通过学习研究，发现MATLAB图像处理工具箱中的fspecial函数能够自动生成指定类型的二维滤波器，可以为本设计编写算法实现边缘检测功能提供极大的便利。

3.4 灰度图像二值化处理

图像处理的最后一步是二值化处理，并从中获取清晰的手背静脉血管分布信息，便于图像的存储和更深层次的应用[23]。二值化处理的思路为：设一个灰度阈值T，当图像的某像素点的灰度值大于T时，给该像素点赋值1，即该点处显示为白色；反之，当像素值低于T时，赋值0，该点处显示为黑色。应用MATLAB图像处理工具箱中的im2bw函数，就可以根据设定的阈值在一定条件下将灰度图像转变为二值图像，获得的图像如图10所示。。

图10 处理后得到的二值图像

4 结论

本文根据血红蛋白不同的光谱吸收特性，引入波长为850nm的主动红外光源，设计、组装并调试了一套结构简单、操作方便、稳定可靠并且便于携带的手背部静脉穿刺辅助设备。硬件设施的选用、调节已臻至成熟，对图像图形的处理也取得了显著的成果，获得了理想程度较高的二值图像。

但是在实践中发现还存在着一些亟待解决的问题，主要有下述三点。

（1）在操作过程中，人工干预成分较大，尤其是图像裁剪部分，此外，实时处理技术还尚未攻克。因此，如何快速高效无人工干预地获得理想部位的手背部静脉分布图像是需要解决的第一大难题；

（2）得到二值图像后，如何实现图像与手背的准确对应，使其能更准确地服务于临床，更好地实现设计初衷，是必须考虑的问题；

（3）对于特殊情况的考虑还比较欠缺，对病患自身的胖瘦和肤色以及静脉血回流不畅、因血管受热血流加速、手部在水中长时间浸泡等由复杂环境因素引起的特殊生理状态的考虑不够详细[23]。

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Design of Hand Vein Developing Device based on Near Infrared Application

ZHOU Ke,YANG Yu-fang,ZHANG Jian-hua

(The School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

According to the different absorption characteristics of hemoglobin to different wavelengths of infrared light, we introduced infrared light source with a wavelength of 850nm.After that we assembled and debugged a venipuncture auxiliary device,realized the collection and display of imagine with the help of PC,and cut the interested area of the original image.Then we did preprocessing,image segmentation,contour tracing and the ideal binarization pictures were got finally.

near infrared;active infrared;vein puncture; venous angiography;image procession by Matlab

TP391.41

A

1673-2022（2017）02-0058-05

2017－03－02

郑州大学全国大学生创新创业训练计划资助项目（2016xjxm043）。项目组成员：周柯，杨语芳，李为琦，张帅，杨冰美

周柯（1995-），男，河南西峡人，研究方向为生物医学工程；杨语芳（1996-），女，河北唐县人，研究方向为生物医学工程；张建华（1971-），男，河北唐山人，副教授，博士，主要研究方向为医学工程技术与数据控制。