CN103006180B - 一体化的静脉血管寻找投影装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一体化的静脉血管寻找投影装置及系统，该装置包括分色棱镜、可见光光源和照明镜组，所述分色棱镜的第一侧设置成像镜头，所述分色棱镜的第二侧由近至远依次设置光学补偿棱镜和红外成像器件，所述分色棱镜的第三侧由近至远依次设置分光棱镜和投影显示器件，所述可见光光源和照明镜组设置在所述分光棱镜的一侧，所述红外成像器件与所述投影显示器件连接；可见光光源发出的光投射到所述投影显示器件上，所述红外成像器件获取静脉血管的红外图像信息，驱动所述投影显示器件对投射到其的可见光进行调制，进而将静脉血管的图像成像至皮肤表面该静脉血管位置处。该系统由红外光源和上述投影装置组成。本装置定位准确、实时，结构简单。

Description

一体化的静脉血管寻找投影装置及系统

技术领域

本发明涉及静脉血管穿刺用辅助定位装置，更具体地说，是一种一体化的静脉血管寻找投影装置，并涉及采用这种装置的静脉血管寻找投影系统，用于帮助医护人员找到血管进行静脉穿刺。

背景技术

在临床治疗中，静脉穿刺是一种常见的给药方式和检验手段。但是，由于诸多原因，如病人血管细小难找；一些外伤病人失血较多，血压偏低造成血管不充盈；或是医护人员精神紧张、缺乏经验等，重复性的静脉穿刺比较常见。这不仅会增大患者痛苦，还会造成医患关系的紧张。因此，市场上急需一种可以实时获取静脉血管影像，并对血管位置进行准确显示定位的医疗辅助仪器。

现有静脉血管位置寻找基于单摄像机多位置跟踪或多摄像机多角度跟踪的原理实现，如图8所示。由于红外摄像机81与静脉图像投影机82的光轴并不重合，因此红外摄像机81获取的静脉血管图像与静脉图像投影机82处的静脉图像存在偏差，不能直接用于静脉投影定位。为保证静脉投影定位的准确性，由一台摄像机进行不同位置的拍摄或者由多台摄像机同时从不同位置拍摄静脉图像，并通过计算机对这些图像进行分析和解算，产生一幅静脉图像投影机82所处位置的静脉图像。现有的这种静脉血管寻找投影装置结构复杂，需要进行大量图像处理运算，同时也无法保证产生的静脉投影图像与真实图像的完全一致性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的结构复杂、运算量大、定位不准确等缺陷，提供一种一体化的静脉血管寻找投影装置。

本发明一体化的静脉血管寻找投影装置，包括分色棱镜、可见光光源和照明镜组，所述分色棱镜的第一侧设置成像镜头，所述分色棱镜的第二侧由近至远依次设置光学补偿棱镜和红外成像器件，所述分色棱镜的第三侧由近至远依次设置分光棱镜和投影显示器件，所述可见光光源和照明镜组设置在所述分光棱镜的一侧，所述红外成像器件与所述投影显示器件连接；可见光光源发出的光依次经所述照明镜组汇聚准直、所述分光棱镜反射后投射到所述投影显示器件上，所述红外成像器件通过所述光学补偿棱镜、分色棱镜和成像镜头获取静脉血管的红外图像信息，生成图像信号，驱动所述投影显示器件对投射到其的可见光进行调制，调制后的光束依次经过所述分光棱镜、分色棱镜和成像镜头，将静脉血管的图像成像至皮肤表面该静脉血管位置处。

优选地，所述分光棱镜为PBS棱镜，所述投影显示器件为LCOS面板，所述照明镜组包括复数片光学透镜和一片光学偏振片。

优选地，所述分光棱镜为TIR棱镜，所述投影显示器件为DMD面板，所述照明镜组由复数片光学透镜组成。

优选地，所述红外成像器件表面配有滤色片，所述滤色片只允许近红外波段的红外线通过。

优选地，所述可见光光源为单色LED光源、或用白光光源加滤色镜组成的光源。

本发明还提供一种静脉血管寻找投影系统，它由红外光源和上述任意一项所述的一体化的静脉血管寻找投影装置组成。

优选地，所述红外光源的工作波段为800~850nm或900~950nm。

本发明的有益效果是：

1. 定位准确。本发明静脉血管寻找投影装置中，红外成像光路与静脉投影光路共用一个成像镜头，二光路通过分色棱镜分离。在红外成像光路中，实际静脉位置处为物面，红外成像器件表面为像面；在静脉投影光路中，投影显示器件表面为物面，实际静脉位置处为像面。实际系统工作中，红外成像器件获取的静脉图像信号直接驱动投影显示器件，调制入射的可见光生成静脉图像，二者具有一致性，从而保证了实际静脉位置处静脉投影图像与实际静脉图像的一致性，静脉位置的指示定位非常准确。

2. 定位实时。本发明静脉血管寻找投影装置生成投影图像时不需要复杂的图像处理运算，有很高的图像帧频，静脉位置的指示定位具有实时性。

3. 结构简单。本发明静脉血管寻找投影装置将红外成像光路与静脉投影光路集成在一起，较现有方案简化了整个静脉寻找投影设备的构造，有利于体积的小型化。

4. 指示效果好。本发明静脉血管寻找投影装置中，静脉图像投影采用反射式投影技术，投射的静脉图像对比度高，容易辨识。

附图说明

图1为实施例1静脉血管寻找投影装置的光路结构示意图；

图2为其分色棱镜的原理图；

图3为其PBS棱镜的原理图；

图4为PBS棱镜和LCOS面板组合的光路图；

图5为实施例2静脉血管寻找投影装置的光路结构示意图；

图6为TIR棱镜和DMD面板组合的光路图； 

图7为静脉血管寻找投影系统的应用示意图；

图8为现有静脉血管位置寻找系统的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并参照附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

图1示出了实施例1静脉血管寻找投影装置的光路结构，本装置实现了静脉红外成像和静脉投影定位光学系统的一体化，实现了小型化，同时能够对静脉位置准确定位。

如图1所示，本一体化的静脉血管寻找投影装置包括成像镜头1、分色棱镜2、分光棱镜3、投影显示器件4、光学补偿棱镜5、红外成像器件6、照明镜组7和可见光光源8。成像镜头1设置在分色棱镜2的右侧（第一侧），分光棱镜3和投影显示器件4由近至远依次设置在分色棱镜2的前侧（第三侧），光学补偿棱镜5和红外成像器件6由近至远依次设置在分色棱镜2的左侧（第二侧），可见光光源8和照明镜组7设置在分光棱镜3的左侧。

成像镜头1由复数片光学透镜构成，它一方面将红外静脉血管图像成像至红外成像器件6表面，另一方面将投影显示器件4表面生成的静脉图像成像至静脉血管位置处。成像镜头1用于红外波段和可见光波段的成像，因此成像镜头1针对红外光源工作波段和可见光光源工作波段的成像效果进行特定优化。

图2示出了分色棱镜2的原理。如图2所示，分色棱镜2可以透射近红外波段的红外成像光线21并反射可见光波段的静脉投影光线22。

分光棱镜3采用PBS棱镜，又称为偏振分光棱镜。图3示出了PBS棱镜的原理。如图3所示，入射光31的光轴平行于平面时，垂直于平面振动的S偏振光分量32被反射，平行于平面振动的P偏振光分量33直接透射。

投影显示器件4采用LCOS（硅基液晶）面板，为反射式光调制器件，可以在反射照明光束时对其进行光学调制，从而产生带灰度的图像，LCOS面板表面贴有λ/4波片。图4示出了PBS棱镜3和LCOS面板4组合的光路。如图4所示，当S偏振光被LCOS面板4反射后再次进入PBS棱镜3时，两次经过λ/4波片41使其相位延迟λ/2，偏振状态发生改变，成为P偏振光，直接向上透射而出。

光学补偿棱镜5用于补偿因投影成像光路中加入PBS棱镜3所产生的投影成像光路与红外成像光路间的光程差。光学补偿棱镜5所用光学材料与PBS棱镜3相同，其光线通过长度与LCOS面板4反射的成像光束经过PBS棱镜3时的光线通过长度相等。

红外成像器件6用于实时接收红外静脉图像并产生静脉图像视频信号，静脉图像视频信号用于驱动投影显示器件4对投影成像光束进行调制，生成静脉图像。红外成像器件6可以是高感光度CMOS或CCD。为了消除杂光的影响，红外成像器件6表面配有滤光片，该滤光片只允许红外光源工作波段内的近红外光线通过。

照明镜组7包括复数片光学透镜，其作用是将可见光光源8发出的光汇聚准直后投射到LCOS面板4上。照明镜组7还包括一片光学偏振片，用于生成S偏振光。

可见光光源8用于提供静脉投影定位的成像光束，可以是单个可见光光源，也可以是复数个可见光光源，可以是单色LED光源，也可以是白光光源加滤色镜组成的光源。可见光光源8工作波段一般选择在人眼容易感知的色光波段内，如550nm绿光附近。

其工作原理如下：可见光光源8发出的光经过照明镜组7，产生S偏振光、汇聚准直，然后入射PBS棱镜3，在PBS棱镜3的光学分界面处被反射至LCOS面板4。另一方面，

红外成像光束（由外部的红外光源照射皮肤表面形成）通过成像镜头1后依次进入分色棱镜2、光学补偿棱镜5，均直接透射而过进入红外成像器件6，红外成像器件6接收到红外成像光线后，获取了关于静脉血管的红外图像信息，生成图像视频信号（图像帧频与红外成像器件6的采样速度相关），驱动LCOS面板4对入射照明光进行调制，调制后的光束再次进入PBS棱镜3后，成为P偏振光的光束透射而出，进入分色棱镜2后被反射，最终经过成像镜头1成像至皮肤表面静对应的脉血管位置处。

此时，投影显示器件4表面的静脉图像以可见光灰度图的形式呈现在皮肤表面，可以根据实际要求调整图像为静脉亮、背景暗或静脉暗、背景亮。由于投影显示器件4与静脉位置处、红外成像器件6与静脉位置处同为物像共轭关系，且投影显示器件4的图像信号来自红外成像器件6的直接采集，因此投射的静脉图像与实际的静脉图像具有一致性，二者重合。

实施例2：

图5示出了实施例2静脉血管寻找投影装置的光路结构。如图5所示，本一体化的静脉血管寻找投影装置包括成像镜头1、分色棱镜2、分光棱镜3’、投影显示器件4’、光学补偿棱镜5’、红外成像器件6、照明镜组7’和可见光光源8。

实施例2静脉血管寻找投影装置与实施例1的构造基本相同，其区别仅在于：实施例2中，分光棱镜3’为TIR棱镜，投影显示器件4’为DMD（数字微镜）面板，照明镜组7’由复数片光学透镜组成（不包括光学偏振片）。对应地，光学补偿棱镜5’所用光学材料与TIR棱镜3’相同，其光线通过长度与DMD面板4’反射的成像光束经过TIR棱镜3’时的光线通过长度相等。

图6示出了TIR棱镜3’和DMD面板4’组合的光路。如图6所示，当照明光束（由可见光光源8和照明镜组7’产生）向右入射TIR棱镜3’至光学分界面时，由于入射角大于全反射角，因而在光学分界面上发生全反射，至DMD面板4’，入射照明光束经DMD面板4’调制（在红外成像器件6产生的图像信号的驱动下进行）、反射，向上再次进入TIR棱镜3’，在光学分界面处，由于入射角小于全反射角，光束向上透射而过。

从TIR棱镜3’出来的投影成像光束进入分色棱镜2后被反射，最终经过成像镜头1成像至静脉血管位置处。

实施例1和2中，分色棱镜2采用的是一种能够透射近红外波段的红外成像光线并反射可见光波段的静脉投影光线的分色棱镜，对应的，红外成像器件6和光学补偿棱镜与成像镜头1共轴，投影显示器件和分光棱镜设置在与该成像镜头1的中心轴线相垂直的方向，分色棱镜2透射红外成像光束，用于红外静脉成像，并反射可见光投影成像光束，用于静脉位置的投影显示定位。可以理解地，还可以选用能够反射近红外波段的红外成像光线并透射可见光波段的静脉投影光线的分色棱镜，相应地，对红外成像光路与静脉投影光路作相应调整，也可以构造出静脉血管寻找投影装置。

上述静脉血管寻找投影装置与红外光源结合，即可构成静脉血管寻找投影系统。

其中，红外光源可以是单个红外光源，也可以复数个红外光源，可以是红外LED阵列、红外辐射黑体光源等形式。红外光源的波长范围位于近红外波段，一般选取静脉红外成像的最佳波段，如800~850nm，900~950nm作为其工作波段。

图7示出了静脉血管寻找投影系统的应用。如图7所示，使用时，静脉血管寻找投影装置701设置于静脉血管位置703的正上方；红外光源702设置在静脉血管位置703一侧斜向照射；静脉穿刺位置704位于另一侧，三者互不影响。

红外光源702发出的红外光束照射皮肤表面，作为静脉红外成像的背景光源，由于红外线的透射、散射等光学作用，皮肤表面生成了静脉血管的红外图像。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一体化的静脉血管寻找投影装置，其特征在于：包括分色棱镜(2)、可见光光源(8)和照明镜组(7)(7’)，所述分色棱镜的第一侧设置成像镜头(1)，所述分色棱镜的第二侧由近至远依次设置光学补偿棱镜(5)(5’)和红外成像器件(6)，所述分色棱镜的第三侧由近至远依次设置分光棱镜(3)(3’)和投影显示器件(4)(4’)，所述可见光光源和照明镜组设置在所述分光棱镜的一侧，所述红外成像器件与所述投影显示器件连接，所述红外成像器件(6)表面配有滤色片，所述滤色片只允许近红外波段的红外线通过，所述可见光光源(8)为单色LED光源、或用白光光源加滤色镜组成的光源；可见光光源发出的光依次经所述照明镜组汇聚准直、所述分光棱镜反射后投射到所述投影显示器件上，所述红外成像器件通过所述光学补偿棱镜、分色棱镜和成像镜头获取静脉血管的红外图像信息，生成图像信号，驱动所述投影显示器件对投射到其的可见光进行调制，调制后的光束依次经过所述分光棱镜、分色棱镜和成像镜头，

将静脉血管的图像成像至皮肤表面该静脉血管位置处。

2.根据权利要求1所述的一体化的静脉血管寻找投影装置，其特征在于：所述分光棱镜(3)为PBS棱镜，所述投影显示器件(4)为LCOS面板，所述照明镜组(7)包括复数片光学透镜和一片光学偏振片。

3.根据权利要求1所述的一体化的静脉血管寻找投影装置，其特征在于：所述分光棱镜(3’)为TIR棱镜，所述投影显示器件(4’)为DMD面板，所述照明镜组(7’)由复数片光学透镜组成。

4.静脉血管寻找投影系统，其特征在于：由红外光源和权利要求1-3任意一项所述的一体化的静脉血管寻找投影装置组成。

5.根据权利要求4所述的静脉血管寻找投影系统，其特征在于：所述红外光源的工作波段为800～850nm或900～950nm。