CN103584836B - 一种实时静脉定位显示装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时静脉定位显示装置，包括了近红外LED光源、红光LED光源、二次透镜、二向色镜、均匀照明系统、图像采集与处理系统、投影系统和控制系统。其中，图像采集与处理系统由红外滤光片、红外探测CCD和图像处理部分组成，投影系统由偏振片、偏振分光棱镜PBS、硅基液晶LCOS、1/4波片和投影镜头组成。本发明还公开了一种实时静脉定位显示方法，近红外光经照明系统和投影系统均匀地照射在被检测皮肤区域，由皮肤反射的携带静脉血管分布信息的红外光经投影镜头被红外探测CCD采集，图像处理增强后由LCOS调制可见红光并投影到被检测皮肤区域，从而帮助医护人员快速定位病患者的静脉血管，辅助静脉穿刺。
Description
技术领域
本发明涉及光学医疗辅助领域，尤其涉及一种实时静脉定位显示装置和方法。
背景技术
在临床诊疗过程中，静脉穿刺是一种普通而又非常重要的医疗操作，但实施这种操作的关键就是首先要找到人体的血管，才能穿刺血管进行后续的治疗。但当穿刺对象是婴幼儿、肥胖病人、水肿病人以及深肤色病患者时，因血管看不清楚，很难做到一次性静脉穿刺成功，往往需要经过多次操作才能注射成功，这样会增加病人的痛苦，甚至造成不必要的医疗事故纠纷。因此如何快速准确地定位病人身上的静脉血管就显得非常重要。
为了解决静脉血管难以查找的问题，国内外做过一些相关的研究，如：
公开号为US20130123640A1的美国专利介绍了一种采用双波长激光扫描投影式系统。
公开号为102920441A的中国专利公开了一种手背静脉图像的采集与显示设备，该显示设备由近红外图像采集模块、近红外照明模块、图像处理模块以及可见光投影显示模块组成，通过将近红外反射式图像采集系统与可见光投影显示系统有效的集成在一起，构成一个基于光学仪器的医用设备。
公开号为101156778的中国专利公开了一种双色激光扫描式医用静脉显示装置，利用红外激光器发出的红外激光经二相色性反射镜反射，可见光激光器发出的可见激光经全反射镜反射后再透过二相色性反射镜与所述红外激光组成共线光路，光束被行扫描镜、场扫描镜依次反射并扫描到待扫描皮肤区域，待扫描皮肤区域上方设有红外探测器，红外激光器、可见光激光器、行扫描镜、场扫描镜、红外探测器均由控制单元控制。
上述装置都采用离轴光学系统设计，导致装置结构不紧凑、光学元件利用率低、光能量损失大，成本昂贵，不易于实现产品化，而且当设备位置变化时投影静脉血管分布有一定的时间延迟。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种实时静脉定位显示装置，用于临床诊疗中辅助医护人员准确清晰地定位病患者的静脉血管。
一种实时静脉定位显示装置，包括：
包括近红外光源和可见光光源，并分别发出近红外光和可见光；
投影系统，用于将近红外光投射到待测皮肤区域并收集返回的反射光和后向散射光；
图像采集与处理系统，用于探测所述的反射光和后向散射光，得到带有静脉血管分布信息的图像数据；
投影系统包括一硅基液晶，该硅基液晶将带有静脉血管分布信息的图像数据加载到可见光光源发出的可见光内；
所述的投影系统还用于将加载有静脉血管分布信息的可见光投影显示在待测皮肤区域；
以及分别与所述近红外光源、可见光光源、投影系统和图像采集与处理系统连接的控制系统，所述的控制系统将带有静脉血管分布信息的图像数据传送至所述的硅基液晶内。
所述的近红外光源为发出波长为850nm的近红外光线的近红外LED光源，所述的可见光光源为红光LED光源，其中红光LED光源是发出波长为630nm或其它可见波长的大功率红光LED。
所述近红外光源和可见光光源与投影系统之间设有二向色镜，用于反射近红外光并透射可见光，使经所述二向色镜出射的近红外光和可见光具有同轴的光路。
所述的近红外光源和可见光光源与投影系统之间还设有均匀照明系统，用于将近红外光和可见光调制为均匀分布的方形光束。
所述的均匀照明系统包括沿光路依次布置的准直透镜、双排复眼透镜阵列和聚光镜。
所述的投影系统包括：
偏振片，用于将近红外光和可见光分别调制为近红外S偏振光和可见S偏振光；
偏振分光棱镜，用于透射P偏振光并反射S偏振光，所述的近红外S偏振光和可见S偏振光分别经偏振分光棱镜反射至所述的硅基液晶，所述的硅基液晶改变相应入射光的偏振态，即将所述的近红外S偏振光和可见S偏振光变为近红外P偏振光和可见P偏振光，其中可见P偏振光内加载有所述的带有静脉血管分布信息的图像数据；
1/4波片，用于将透过所述偏振分光棱镜的近红外P偏振光和可见P偏振光改变为圆偏光，还用于将所述的反射光和后向散射光变为S偏振光；
投影镜头，用于将所述1/4波片出射的圆偏光投影到待测皮肤区域，并收集近红外光投射到皮肤所产生的反射光和后向散射光。
所述的图像采集与处理系统包括红外滤光片、红外探测CCD和图像处理模块，所述的红外探测CCD、图像处理模块和控制系统三者相互连接。
其中，红外滤光片用于滤除使用环境中的可见光及其它杂散光信号，降低噪声干扰。
红外探测CCD用于采集经所述红外滤光片后返回的反射光和后向散射光信号。
图像处理模块用于将采集的图像信息进行图像增强，提高目标与背景对比度、图像边缘锐度，使静脉血管突显出来。
本发明还提供一种实时静脉定位显示方法，包括以下步骤：
1）将经均匀扩束处理后的近红外光投射到待测皮肤区域，并收集皮肤表面的反射光和后向散射光，得到带有静脉血管分布信息的图像数据；
2）关闭所述近红外光的光源，开启可见光光源，发出的可见光经均匀扩束处理后入射至硅基液晶，所述的硅基液晶根据所述的带有静脉血管分布信息的图像数据对可见光进行调制，使硅基液晶出射的可见光中携带有静脉血管的分布信息；
3）将经硅基液晶出射的可见光投影到待测皮肤区域，使皮肤表面显示有静脉血管的分布。
其中，所述近红外光的波长为850nm，对应的光源为近红外LED光源，所述的可见光为红光。
所述步骤1）中的带有静脉血管分布信息的图像数据经增强处理后传递至所述的硅基液晶。
与现有技术相比，本发明的优点是：
采用共轴光学系统设计和最新的LCOS投影技术，光的发射、采集和投影均共用一个光学系统，光能量和光学元件利用率高、结构紧凑、成本低廉、快速实时显示、定位准确、投影图像偏差小，能有效地帮助医护人员在肉眼难以分辨的情况下对病患者的静脉血管进行准确快速的定位，辅助临床诊疗。
附图说明
图1为本发明一种实时静脉定位显示装置的结构示意图；
图2为本发明的均匀照明系统的光路结构示意图；
图3为本发明的投影系统的光路结构示意图；
图4为本发明的图像采集与处理系统的光路结构示意图；
图5为本发明的总光路结构示意图；
图中：近红外LED光源1、红光LED光源2、二次透镜3、二向色镜4、均匀照明系统5、投影系统6、图像采集与处理系统7、控制系统8、被检测区域9、准直透镜5.1、双排复眼透镜阵列5.2、聚光镜5.3、偏振片6.1、偏振分光棱镜PBS6.2、硅基液晶LCOS6.3、1/4波片6.4、投影镜头6.5、红外滤光片7.1、红外探测CCD7.2、图像处理7.3。
具体实施方式
为使本发明的结构、特征及优点更加清晰明了，现结合附图对装置作进一步详细说明，但不应理解为对本发明保护范围的任务限定。
如图1所示，本发明提供的一种实时静脉定位显示装置包括了近红外LED光源1、红光LED光源2、二次透镜3、二向色镜4、均匀照明系统5、图像采集与处理系统7、投影系统6、控制系统8。其中均匀照明系统5包括了准直透镜5.1、双排复眼透镜阵列5.2和聚光镜5.3，如图2所示。投影系统6由偏振片6.1、偏振分光棱镜PBS6.2、硅基液晶LCOS6.3、1/4波片6.4和投影镜头6.5组成，如图3所示。图像采集与处理系统7由红外滤光片7.1、红外探测CCD7.2和图像处理7.3部分组成，如图4所示。总的光路结构如图5所示。
将被检测皮肤区域9放置在投影镜头6.5正下方适当位置，控制系统8打开近红外LED光源1，发出波长为850nm的近红外光线，经二次透镜3初步汇聚光线，减小光束发散角，光线通过二向色镜4，二向色镜4可以让850nm左右的近红外光反射而让特定波长的可见光通过。近红外光线经二向色镜4反射后进入均匀照明系统5，均匀照明系统5是由准直透镜5.1、双排复眼透镜阵列5.2和聚光镜5.3构成，准直透镜5.1使进入的近红外光线近似平行于光轴出射，经过双排复眼透镜阵列5.2后，光线变得极为均匀且成方形，与后续的光学系统相匹配，聚光镜5.3的作用是进一步汇聚出射光线，使光能量集中。
近红外光线进入投影系统6，经过偏振片6.1变成S方向上的线偏振光，偏振分光棱镜PBS6.2的作用是使P光透过而S光反射，因此近红外光线经过偏振片6.1后可以被偏振分光棱镜PBS6.2反射达到硅基液晶LCOS6.3上。硅基液晶LCOS6.3是一种基于反射模式的矩阵液晶显示装置，光利用效率可达40%，具有很高的分辨率。此时在控制系统8的控制下硅基液晶LCOS6.3仅改变入射光线的偏振态而不进行调制。出射的近红外光线变为P光，透过偏振分光棱镜PBS6.2进入投影镜头6.5，扩束后均匀地打到被检测区域。在投影镜头6.5之前放置有1/4波片6.4，以使P偏振态的近红外光线以圆偏光的形式出射。
由于人体浅层血管和周边软组织对近红外光的吸收特性具有很大的差异，皮肤表层的反射光和后向散射光携带了静脉血管的分布信息。这些近红外光线经过投影镜头6.5和1/4波片6.4后大部分变为S偏振态，再经偏振分光棱镜PBS6.2反射后聚焦在后续的红外探测CCD7.2上，被图像采集与处理系统7接收。在红外探测CCD7.2之前放置有红外滤光片7.1，其作用是滤除使用环境中的可见光及其它杂散光信号。此时控制系统8打开红光LED光源2，关闭近红外LED光源1，并使LCOS处于正常工作状态。
采集的近红外图像信息经图像处理7.3增强后，传递给硅基液晶LCOS6.3，在控制系统8的作用下硅基液晶LCOS6.3根据接收到的图像信息数据调制由均匀照明系统5出射的可见红光。经LCOS调制后的出射红光光线携带有静脉血管的分布信息，该光线（P偏振态）透过偏振分光棱镜PBS6.2，经过后续的1/4波片6.4和投影镜头6.5，以圆偏振光的状态均匀地投影到被检测区域9,供医护人员观察获得病患者的静脉血管分布信息。
基于以上原理的实时静脉定位显示装置具有结构紧凑、成本低廉、光能量和光学元件利用率高、快速实时显示、定位准确、投影图像偏差小等优点，应用于临床可以有效地帮助医护人员快速定位病患者的静脉血管，辅助静脉穿刺等医疗操作，尤其适用于婴儿、肥胖型及深肤色病患者，在其易于实现产品化的特点下具有广泛的市场应用前景。
Claims (6)
1.一种实时静脉定位显示装置，其特征在于，包括：
包括近红外光源和可见光光源，并分别发出近红外光和可见光；
投影系统，用于将近红外光投射到待测皮肤区域，收集返回的反射光和后向散射光；
图像采集与处理系统，用于探测所述的反射光和后向散射光，得到带有静脉血管分布信息的图像数据；
投影系统包括一硅基液晶，该硅基液晶将带有静脉血管分布信息的图像数据加载到可见光光源发出的可见光内；
所述的投影系统还用于将加载有静脉血管分布信息的可见光投影显示在待测皮肤区域；
以及分别与所述近红外光源、可见光光源、投影系统和图像采集与处理系统连接的控制系统，所述的控制系统将带有静脉血管分布信息的图像数据传送至所述的硅基液晶内；
所述的投影系统包括：
偏振片，用于将近红外光和可见光分别调制为近红外S偏振光和可见S偏振光；
偏振分光棱镜，用于透射P偏振光并反射S偏振光，所述的近红外S偏振光和可见S偏振光分别经偏振分光棱镜反射至所述的硅基液晶，所述的硅基液晶改变相应入射光的偏振态，即将所述的近红外S偏振光和可见S偏振光变为近红外P偏振光和可见P偏振光，其中可见P偏振光内加载有所述的带有静脉血管分布信息的图像数据；
1/4波片，用于将透过所述偏振分光棱镜的近红外P偏振光和可见P偏振光改变为圆偏光，还用于将所述的反射光和后向散射光变为S偏振光；
投影镜头，用于将所述1/4波片出射的圆偏光投影到待测皮肤区域，并收集近红外光投射到皮肤所产生的反射光和后向散射光。
2.如权利要求1所述的实时静脉定位显示装置，其特征在于，所述的近红外光源为发出波长为850nm的近红外光线的近红外LED光源，所述的可见光光源为红光LED光源。
3.如权利要求1所述的实时静脉定位显示装置，其特征在于，所述近红外光源和可见光光源与投影系统之间设有二向色镜，用于反射近红外光并透射可见光，使经所述二向色镜出射的近红外光和可见光具有同轴的光路。
4.如权利要求1所述的实时静脉定位显示装置，其特征在于，所述的近红外光源和可见光光源与投影系统之间还设有均匀照明系统，用于将近红外光和可见光调制为均匀分布的方形光束。
5.如权利要求4所述的实时静脉定位显示装置，其特征在于，所述的均匀照明系统包括沿光路依次布置的准直透镜、双排复眼透镜阵列和聚光镜。
6.如权利要求1所述的实时静脉定位显示装置，其特征在于，所述的图像采集与处理系统包括红外滤光片、红外探测CCD和图像处理模块，所述的红外探测CCD、图像处理模块和控制系统三者相互连接。
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