CN104027072B - 一种扫描式静脉血管同步成像和指示装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术、医用光学影像技术领域，具体涉及一种扫描式静脉血管同步成像和指示装置与方法，目的在于利用线阵光电传感元件接收扫描成像信号，经过对光电信号的模拟或数字化处理，再用可见光LED阵列以离散光点的形式指示血管，无需大数据量的图像处理、无需图像校准。所采用的技术方案为：包括用于照明血管的近红外LED光源以及成像镜头，在成像镜头与其成像平面之间设置有扫描振镜，在扫描振镜反射后的像平面上设置有能感应近红外光的线阵光电传感元件，在线阵光电传感元件所在的成像平面与扫描振镜的反射光线光轴之间设置有近红外干涉滤光片，近红外干涉滤光片与静止时的扫描振镜的镜面平行，信号处理与驱动电路的驱动端连接有可见光LED阵列，可见光LED阵列与近红外干涉滤光片之间还设置有投影镜头。

Description

一种扫描式静脉血管同步成像和指示装置与方法

技术领域

本发明属于光学技术、医用光学影像技术领域，具体涉及一种扫描式静脉血管同步成像和指示装置与方法。

背景技术

在临床医疗上，静脉穿刺是治疗和抢救患者的主要技术操作之一。由于患者的年龄、性别、胖瘦等各不相同，其血管的粗细、深浅、软硬、弯曲也各有特点，穿刺时的难易程度应因人而异。近年来，肥胖患者人数随着人们生活水平的提高而不断增加，肥胖患者和婴幼儿患者在静脉穿刺过程中由于脂肪厚实、或血管细小、色素沉着等原因，造成在静脉穿刺过程中血管难找的难题。未来，寻求无菌环境下机器自动静脉穿刺的前提是，首先能够快速高效的找寻到血管，并能准确定位指示三维血管的情况。

利用波长在0.75～1.5μm范围内的近红外光对血管中还原血红蛋白吸收能力远远超过对人体骨骼、肌肉组织的吸收能力的原理，目前，正在发展和使用的血管成像与显像技术，主要是采用近红外光源照明以及能感应近红外光的相机或摄像机来采集血管影像，再对得到的血管图像进行滤波、图像尺寸和灰度归一化、分割、细化、特征提取，用于个人生物特征身份识别，或者将获得的血管图像进行滤波、增强处理后，送入投影设备，投影到血管原位，指导医护人员用于对患者的静脉穿刺或血管影像分析，诊断相关血管疾病。

在血管图像采集中，主要是用面阵CCD或CMOS图像传感器件组成的能感应近红外光的照相机或摄像机采集血管图像，然后经由计算机软件或嵌入式硬件电路系统对获得的血管图像进行增强、滤波等处理工作。处理后的图像传送至由LED或半导体激光与DMD(数字微反射镜)或液晶组成的DLP或LCD微型投影设备，将血管图像投影到皮肤表面血管原来的位置上，以呈现血管的图像。投影中必须对投影的血管图像校准，才能准确投影到血管所在原本位置上。

也有图像采集与投影光路中，照相机与投影仪分别位于反射镜两侧，关于反射镜对称，互成90度夹角。该反射镜对可见光(如绿光)是完全透射的，而对近红外光是完全反射的，照相机一侧负责采集近红外血管图像，经计算机或嵌入式系统对血管图像处理后送至投影仪，将可见光的血管图像透射出去。由于采用透可见光反射红外光的反射镜，图像采集与投影互不影响。

这些技术中存在的问题是，一是要对获得的图像进行滤波以排除光学或电学噪声对血管图像的影响；二是要对图像进行增强以获得清晰地血管影像，便于投影仪的血管投影显示；三是要对投影图像进行校准，以便能够准确的投影到血管原来的位置处，来引导医护人员进行准确的血管定位和静脉穿刺；四是具体实施中需要昂贵的投影仪和红外照相机或摄像机，以及计算机(或嵌入式系统)，成本高，体积大，还需要专门的图像处理软件。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种利用线阵光电传感元件接收扫描成像信号，经过对光电信号的模拟或数字化处理，再用可见光LED阵列以离散光点的形式指示血管，设备成本低、无需大数据量的图像处理、无需图像校准的扫描式静脉血管同步成像和指示装置与方法。

为了实现以上目的，一种扫描式静脉血管同步成像和指示装置所采用的技术方案为：包括用于照明血管的近红外LED光源以及用于血管线阵成像的成像镜头，在成像镜头与其成像平面之间设置有扫描振镜，扫描振镜与成像镜头的成像光轴间有夹角，在扫描振镜反射后的像平面上设置有线阵光电传感元件，在线阵光电传感元件所在的成像平面与扫描振镜的反射光线光轴之间设置有近红外干涉滤光片，近红外干涉滤光片与静止时的扫描振镜的镜面平行。

所述的线阵光电传感元件连接至信号处理与驱动电路的信号输入端，信号处理与驱动电路的驱动端连接有可见光LED阵列，可见光LED阵列与近红外干涉滤光片之间还设置有投影镜头，投影镜头用于将可见光LED阵列成像在近红外干涉滤光片反射后的成像平面上。

所述的可见光LED阵列呈纵向的锯齿形排列。

所述的可见光LED阵列为可见红光或绿光LED。

所述的近红外LED光源为若干个近红外LED，且环绕在成像镜头的四周或同一侧。

所述的近红外LED光源处设置有匀光板。

所述的扫描振镜与成像镜头的成像光轴间夹角为45°。

所述的线阵光电传感元件为线阵光电二极管阵列或线阵CCD阵列或线阵CMOS阵列。

所述的信号处理与驱动电路为多路放大驱动电路，且每一路与可见光LED阵列的每个LED一一对应。

一种扫描式静脉血管同步成像和指示方法包括以下步骤：

1)近红外LED光源照射在待指示血管处人体皮肤的表面，血管反射的光线经过成像镜头聚焦成像，聚焦成像光线途经扫描振镜；

2)扫描振镜在驱动电流的作用下摆动，反射聚焦成像光线，反射后的聚焦成像光线透过近红外干涉滤光片到达线阵光电传感元件上，近红外干涉滤光片仅允许近红外光线透射到像平面上，并且反射可见光；

3)线阵光电传感元件以线阵形式将静脉血管成像光信号转换为多路电信号，输出的电信号经信号处理与驱动电路的放大、滤波等处理，再经电压比较送至驱动电路控制可见光LED阵列发光；

4)可见光LED阵列光源经投影镜头成像在近红外干涉滤光片反射后的像平面上，依次经过近红外干涉滤光片、扫描振镜和成像镜头再投射至皮肤表面，完成静脉血管同步成像和指示。

与现有技术相比，本发明装置中血管成像与指示共用同一扫描振镜和光路，线阵光电传感元件处在成像镜头经过近红外干涉滤光片后的透射成像平面处，指示血管的可见光LED阵列光源经投影镜头成像在经近红外干涉滤光片反射后的成像平面上，扫描振镜在摆动时保证了成像与投光指示是同步进行的；且线阵光电传感元件感光成像长度与指示血管的可见光LED阵列成像的长度大小一样，不存在成像与投影间的大小不一致，需要调校的问题。本发明通过同步的线扫描和投光指示装置，采用密集的离散光点在皮肤表面指示血管，而非图像显示。线阵光电传感元件采集转换到的信号经模拟或数字电路处理，在血管所在原位置用可见光指示出血管的形状与走向。本发明装置中成像与投影共用同一光路，无需校准，无需大数据量的图像处理，具有简单实用的特点。

更进一步，本发明装置的可见光LED阵列呈纵向的锯齿形排列，锯齿形线阵排列的可见光LED阵列光源经投影镜头成像在近红外干涉滤光片反射后的像平面上，形成缩小的像。利用镜头成像时具有一定景深的特点，锯齿形纵向尺寸在投影镜头的景深范围内，能够保证每个LED光源都能清晰成像，通过近红外干涉滤光片、扫描振镜和成像镜头再投射至皮肤表面指示血管，保证了足够的像点数和充分小的间距。

更进一步，本发明装置的信号处理与驱动电路为多路放大驱动电路，线阵光电传感元件的每个光电元件输出的光电信号能够用模拟或数字电路并行的多路放大、比较、驱动，与可见光LED阵列每个LED一一对应，不是静脉血管图像形式的成像，也无需相应的软件或嵌入式系统的图像处理问题。

更进一步，本发明装置在近红外LED光源处设置有匀光板，能够对近红外LED光源均匀处理后照射在待指示血管处人体皮肤表面。

本发明的方法中成像与投影共用同一光路，通过同步的线扫描和投光指示，采用密集的离散光点在皮肤表面指示血管，线阵光电传感元件采集转换到的信号经模拟或数字电路处理，在血管所在原位置用可见光指示出血管的形状与走向，无需校准，无需大数据量的图像处理，简单实用成本低。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

其中，1为近红外LED光源，2为成像镜头，3为扫描振镜，4为投影镜头，5为可见光LED阵列，6为信号处理与驱动电路，7为线阵光电传感元件，8为近红外干涉滤光片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明装置所采用的技术方案为：包括用于照明血管的近红外LED光源1以及用于血管线阵成像的成像镜头2，近红外LED光源1为若干个近红外LED，环绕在成像镜头2的四周或同一侧，且近红外LED光源1处设置有匀光板，在成像镜头2与其成像平面之间设置有扫描振镜3，扫描振镜3与成像镜头2的成像光轴间有45°夹角，在扫描振镜3反射后的像平面上设置有线阵光电传感元件7，线阵光电传感元件7为线阵光电二极管阵列或线阵CCD阵列或线阵CMOS阵列，在线阵光电传感元件7的成像平面与扫描振镜3的反射光线光轴之间设置有近红外干涉滤光片8，近红外干涉滤光片8与静止时的扫描振镜3的镜面平行；线阵光电传感元件7连接至信号处理与驱动电路6的信号输入端，信号处理与驱动电路6的驱动端连接有可见光LED阵列5，可见光LED阵列5为呈纵向的锯齿形排列的可见红光或绿光LED，可见光LED阵列5的光源成像的长度与线阵光电传感元件7的感光成像长度相同，可见光LED阵列5与近红外干涉滤光片8之间还设置有投影镜头4，投影镜头4用于将可见光LED阵列5的光源成像在近红外干涉滤光片8反射后的像平面上，信号处理与驱动电路6为多路放大驱动电路。

本发明装置各部件的作用：

近红外LED光源1用于照明人体皮肤表面及血管；

成像镜头2用于静脉血管的成像和血管指示图形成像；

扫描振镜3用于静脉血管的线扫描成像和血管图形的同步投影指示；

近红外干涉滤光片8用于透射近红外LED光源1所辐射波长的光线，反射可见光LED阵列5光源的光线；

线阵光电传感元件7为线阵光电二极管阵列或线阵CCD阵列或线阵CMOS阵列，用于接收静脉血管的线扫描成像，并将光信号转换成电信号；

投影镜头4用于将可见光LED阵列5光源清晰成像在成像镜头2经扫描振镜3和近红外干涉滤光片8反射后的像平面上；

信号处理与驱动电路6用于对线阵光电传感元件7接收转换的电信号的放大、滤波去噪，以及对可见光LED阵列5和扫描振镜3的驱动；

可见光LED阵列5用作投射到皮肤表面的血管图形的可见光光源，呈纵向锯齿形排列。

本发明的扫描式静脉血管同步成像和指示方法包括以下步骤：

1)近红外LED光源1照射在待指示血管处人体皮肤的表面，血管反射的光线经过成像镜头2聚焦成像，聚焦成像光线途经扫描振镜3；

2)扫描振镜3在驱动电流的作用下摆动，反射聚焦成像光线，反射后的聚焦成像光线透过近红外干涉滤光片8到达线阵光电传感元件7上，近红外干涉滤光片8仅允许近红外光线透射到像平面上，并且反射可见光；

3)线阵光电传感元件7以线阵形式将静脉血管聚焦成像光信号转换为多路电信号，输出的电信号经信号处理与驱动电路6的放大、滤波等处理，再经电压比较送至驱动电路控制可见光LED阵列5发光；

4)可见光LED阵列5光源经投影镜头4成像在近红外干涉滤光片8反射后的像平面上，依次经过近红外干涉滤光片8、扫描振镜3和成像镜头2再投射至皮肤表面，完成静脉血管同步成像和指示。

本发明扫描式静脉血管同步成像和指示方法具体包括：由若干个近红外LED组成的光源环绕在成像镜头2的四周或同一侧，经匀光板均匀处理后照射在待指示血管处人体皮肤表面；扫描振镜3置于成像镜头2与其成像平面之间，静止时与成像光轴成45°夹角，在信号处理与驱动电路6的驱动电流的作用下，在45°角附近摆动，将聚焦成像光线反射后再透过近红外干涉滤光片8聚焦到线阵光电传感元件7上；近红外干涉滤光片8安放在扫描振镜3的反射光线光轴与线阵光电传感元件7成像平面之间，与光轴成45°夹角且与静止时的扫描振镜3的反射面平行，仅允许近红外光线透射到像平面上，避免外界光源对静脉血管成像光的干扰；线阵光电传感元件7置于扫描振镜3反射后的像平面上，以线阵形式将静脉成像光信号转换为多路电信号，且并行输出；并行输出的电信号经多路并行的放大、滤波电路处理，再经电压比较送至驱动电路控制可见红或绿光LED的点亮与熄灭。

锯齿形线阵排列的可见单色红或绿光LED光源，经投影镜头4成像在近红外干涉滤光片8反射后的像平面上，锯齿形排列是为了提高成像点数以提高分辨率，同时利用投影镜头4的景深，使得每个LED光源都能清晰成像于像面上。通过近红外干涉滤光片8、扫描振镜3和成像镜头2再投射至皮肤表面。

本发明的方法中成像与投影共用同一光路，通过同步的线扫描和投光指示，采用密集的离散光点在皮肤表面指示血管，线阵光电传感元件7采集转换到的信号经模拟或数字电路处理，在血管所在原位置用可见光指示出血管的形状与走向，无需校准，无需大数据量的图像处理，简单实用成本低。

本发明具有以下优点：

1.血管指示清楚简单，指示光亮度高：本发明采用将密集离散的可见光LED阵列5光源成像在皮肤表面上，仅在皮下有血管处才有与血管粗细、走向相对应的一系列密集的LED光源成像光点形成的光亮曲线，走向简单、清楚、明晰，对比度高，而非图像显示血管时整个皮肤表面都有所拍的图像。

2.同步成像与投光指示，无需校准：本发明提供的装置，血管成像与指示共用同一扫描振镜3和光路，线阵光电传感元件7处在成像镜头2经过近红外干涉滤光片8后的透射成像平面处，指示血管的可见光LED阵列5光源经投影镜头4成像在经近红外干涉滤光片8反射后的像平面上，扫描振镜3在摆动时保证了成像与投光指示是同步进行；且线阵光电传感元件7的感光成像长度与可见光LED阵列5光源的成像长度大小一样，不存在成像与投影间的大小不一致，需要调校的问题。

3.无需图像处理：本发明提供的方法中，线阵光电传感元件7的每个光电元件输出的光电信号用模拟或数字电路并行的多路放大、比较、驱动，与发光指示LED一一对应。不是静脉血管图像形式的成像，也无需相应的软件或嵌入式系统的图像处理问题。

4.足够的指示光分辨率：如果直接将与线阵光电传感元件7的感光单元数目一样的可见光LED排成线阵阵列，存在两个问题，一是总长度远远超过镜头所成的图像长度，将无法实现血管的可见光指示；二是LED间的距离很大，无法满足分辨率的要求。本发明将可见光LED阵列5排列成纵向的锯齿形状，锯齿形线阵排列的光源经投影镜头4成像在近红外干涉滤光片8反射后的像平面上，形成缩小的像。利用镜头成像时具有一定景深的特点，锯齿形纵向尺寸在投影镜头4的景深范围，能够保证每个LED都能清晰成像，通过近红外干涉滤光片8、扫描振镜3和成像镜头2再投射至皮肤表面指示血管，保证了足够的像点数和充分小的间距。巧妙的解决了分辨率的问题。

5.构成简单、成本低：本发明所提供的方法，采用了常用光学元件和常规的多路信号处理电路，装置构成简单，成本低。

Claims (7)

1.一种扫描式静脉血管同步成像和指示装置，其特征在于：包括用于照明血管的近红外LED光源(1)以及用于血管线阵成像的成像镜头(2)，在成像镜头(2)与其成像平面之间设置有扫描振镜(3)，扫描振镜(3)与成像镜头(2)的成像光轴间有夹角，在扫描振镜(3)反射后的像平面上设置有线阵光电传感元件(7)，线阵光电传感元件(7)为线阵光电二极管阵列或线阵CCD阵列或线阵CMOS阵列，在线阵光电传感元件(7)所在的成像平面与扫描振镜(3)的反射光线光轴之间设置有近红外干涉滤光片(8)，近红外干涉滤光片(8)与静止时的扫描振镜(3)的镜面平行；

所述的线阵光电传感元件(7)连接至信号处理与驱动电路(6)的信号输入端，信号处理与驱动电路(6)的驱动端连接有可见光LED阵列(5)，可见光LED阵列(5)呈纵向的锯齿形排列，可见光LED阵列(5)与近红外干涉滤光片(8)之间还设置有投影镜头(4)，投影镜头(4)用于将可见光LED阵列(5)成像在近红外干涉滤光片(8)反射后的成像平面上。

2.根据权利要求1所述的扫描式静脉血管同步成像和指示装置，其特征在于：所述的可见光LED阵列(5)为可见红光或绿光LED。

3.根据权利要求1所述的扫描式静脉血管同步成像和指示装置，其特征在于：所述的近红外LED光源(1)为若干个近红外LED，且环绕在成像镜头(2)的四周或同一侧。

4.根据权利要求3所述的扫描式静脉血管同步成像和指示装置，其特征在于：所述的近红外LED光源(1)处设置有匀光板。

5.根据权利要求1所述的扫描式静脉血管同步成像和指示装置，其特征在于：所述的扫描振镜(3)与成像镜头(2)的成像光轴间夹角为45°。

6.根据权利要求1所述的扫描式静脉血管同步成像和指示装置，其特征在于：所述的信号处理与驱动电路(6)为多路放大驱动电路，且每一路与可见光LED阵列(5)的每个LED一一对应。

7.一种扫描式静脉血管同步成像和指示方法，其特征在于：所述方法包括：

1)近红外LED光源(1)照射在待指示血管处人体皮肤的表面，血管反射的光线经过成像镜头(2)聚焦成像，聚焦成像光线途经扫描振镜(3)；

2)扫描振镜(3)在驱动电流的作用下摆动，反射聚焦成像光线，反射后的聚焦成像光线透过近红外干涉滤光片(8)到达线阵光电传感元件(7)上；

3)线阵光电传感元件(7)以线阵形式将血管成像光信号转换为多路电信号，输出的电信号经信号处理与驱动电路(6)的放大、滤波处理，再经电压比较送至驱动电路控制可见光LED阵列(5)发光；

4)可见光LED阵列(5)光源经投影镜头(4)成像在近红外干涉滤光片(8)反射后的像平面上，依次经过近红外干涉滤光片(8)、扫描振镜(3)和成像镜头(2)再投射至皮肤表面，完成静脉血管同步成像和指示。