CN104523230A - 一种静脉穿刺针头位置定位的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静脉穿刺针头位置定位的装置，其特征在于，包括红外光源、主相机、侧相机和图像处理单元；红外光源用于照射穿刺区域的皮肤表面和针头；主相机用于从穿刺区域的皮肤表面的上方由上而下对针头进行拍照；侧相机的拍照方向与主相机的拍照方向相互垂直，用于从穿刺区域的皮肤表面的水平方向对针头进行拍照；图像处理单元与主相机和侧相机相连，用于比较主相机和侧相机拍摄的照片，从而得出针头的位置。本发明的针头位置定位装置，结构简单、定位准确，仅需更换针头便可重复使用，造价和使用成本低廉，具有效率高、直观、准确等特点。
Description
技术领域
本发明属于医疗护理器械领域，更具体地，涉及一种静脉穿刺针头位置定位的装置。
背景技术
在临床诊疗和护理中，对病人进行静脉穿刺十分常见，但某些病人在临床上具血管特征不明显，如婴幼儿血管较小，肥胖型人员皮下脂肪过厚，直接使得医生难于用肉眼直接判断血管以及针头的位置和深度，尤其是在穿刺时，无法准确获得针头的位置信息。
美国专利号为20140100524的发明专利，采用veinviewer医用静脉显示装置，配合红外光纤在穿刺针头上传播的红外光，用来定位穿刺针头，但由于针头导入的红外光有限，成像质量较差，直接导致最后的计算误差很大，并且由于红外光需要使用光纤作为介质传导，导致该系统结构复杂。美国专利号为20100094126的发明专利，采用在针头上安装光纤传感器的方式，通过导入激光、测量反射和入射的光信息用来实时获得针头的位置，但该系统的造价成本较高，并且由于针头属于耗材，无法重复使用，因此实际操作应用起来较为繁琐。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种静脉穿刺针头位置定位的装置，其中通过对其关键光源组件的结构及其设置方式、图像采集方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决现有的针头位置定位装置结构复杂、准确性不高的问题，并且该装置采用只需更换针头即可重复使用，实用应用简单便捷。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种静脉穿刺针头位置定位的装置，其特征在于，包括红外光源、主相机、侧相机和图像处理单元；
所述红外光源用于照射穿刺区域的皮肤表面和针头；
所述主相机用于从穿刺区域的皮肤表面的上方由上而下对针头进行拍照；
所述侧相机的拍照方向与所述主相机的拍照方向相互垂直，用于从穿刺区域的皮肤表面的水平方向对针头进行拍照；
所述图像处理单元与所述主相机和侧相机相连，用于比较所述主相机和侧相机拍摄的照片，从而得出针头的位置。
作为本发明的进一步优选，以针头与穿刺区域的皮肤表面的接触点为原点、穿刺区域的皮肤表面的法线方向为Z轴方向，建立笛卡尔三维直角坐标系，所述主相机从平行于Z轴的方向对针头进行拍照，所述侧相机从垂直于Z轴的方向对针头进行拍照。
作为本发明的进一步优选，所述红外光源为红外发光二极管或者红外发光二极管阵列，其发光的波长范围为760nm～950nm，产生的均匀光斑的直径为4～6cm。
作为本发明的进一步优选，所述主相机上还安装有红外滤光片，所述主相机为CCD传感器、CMOS传感器或者红外感光二极管阵列。
作为本发明的进一步优选，所述图像处理单元优选为嵌入式系统中的DSP、FPGA和ARM中的一种或者多种。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过对静脉穿刺针头位置的定位装置进行改进，采用单独的红外光源，并使用主、侧相机从两个角度对针头进行拍照，简化了静脉穿刺针头位置定位装置的结构，避免了现有技术拍摄光照不足导致的照片失准的问题；并且通过对主相机照片和侧相机照片进行比较，能够快速建立针头的空间位置关系，计算得到针头的位置及穿刺角度，具有图像采集直观、计算快速高效的有益效果，在保持该装置结构简单、造价成本低的情况下，能够有效提高位置定位的准确性。通过拍摄方向相互垂直的主、侧相机(即，以针头与穿刺区域的皮肤表面的接触点为原点、穿刺区域的皮肤表面的法线方向为Z轴方向，建立笛卡尔三维直角坐标系，所述主相机从平行于Z轴的方向对针头进行拍照，所述侧相机从垂直于Z轴的方向对针头进行拍照)，构建针头在三维空间的位置信息，通过简单设置的两个相机即可完全得出针头位置信息，结构巧妙、数据计算简单、位置信息的精确度高；配合以单独设置在外部的红外光源，既保证了相机的拍摄效果，又可以避免光源的随意移动，造成对人体的意外伤害。
该针头位置定位装置的针头可为普通针头，针头与该装置的其他部件单独配置，仅需更换针头即可重复使用，实际应用简单、方便，成本低廉，可作为医院治疗、手术机器人等的针头引导装置，可以帮助医护人员准确定位针头位置、从而将针头引导到目标位置，具有效率高、直观、准确等特点。
附图说明
图1是静脉穿刺针头位置定位装置的结构示意图；
图2是静脉穿刺针头位置定位装置进行针头位置计算的示意图；
图3是静脉穿刺针头位置定位装置将针头定位到目标位置的工作流程图；
图4是静脉穿刺针头位置定位装置控制单元的基本结构示意图。
图中各附图标记的含义如下：1为红外光源，2为控制单元，3为红外相机(对应主相机)，4为滤光片，5普通相机(对应侧相机)，6为穿刺针头，7为穿刺皮肤区域。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，静脉穿刺针头位置定位装置中的结构示意图，其中红外光源1发出红外光，均匀的散布在穿刺区域的皮肤表面区域7上，待皮肤下方穿刺针头6反射红外光后，反射光经为滤光片4，由相机3采集红外图像。同时相机5在侧面对穿刺针头进行拍摄，采集后对两幅图像进行对比，即可算出针头的深度。
其中，红外光源1发出的红外波长为760nm～1400nm，产生的均匀光斑的直径优选为4～6cm，确保照明的效果。相机3为CCD相机垂直悬挂，其拍摄方向与针头穿刺区域的皮肤表面垂直，其功能是拍摄针头穿刺区域的皮肤区域的图像。相机3前端与滤光片4连接，滤光片4的中心波长为760nm，该红外滤光片可有效的通过红外光并阻隔可见光。侧相机5与主相机3成90度，水平安装，视野范围正对针头穿刺区域，侧相机5可以为普通相机，其功能是获取针头侧面图像。以针头与穿刺区域的皮肤表面的接触点为O点、穿刺区域的皮肤表面为XOY平面，建立笛卡尔三维直角坐标系，则穿刺区域的皮肤表面的法线方向平行于Z轴(由于皮肤表面可能不完全是平面，皮肤表面的法线方向是以针头与穿刺区域的皮肤表面的接触点为中心、向周围皮肤表面延伸得到的最大面积平面的法线方向)，主相机从平行于Z轴方向的拍摄方向对针头进行拍照，侧相机从垂直于Z轴方向的拍摄方向对针头进行拍照(本实施例中侧相机的拍摄方向平行于Y轴)，通过比较主相机和侧相机拍摄到的照片，通过简单计算就可得出针头的位置。
图2是静脉穿刺针头位置定位装置进行针头位置计算的示意图，简单示意了如何从侧相机5和主相机3采集的图像中计算针头埋深。其中，图2(a)是拍摄空间的示意图，图2(b)是侧相机5拍摄图像示意图，由于侧相机的拍摄方向平行于Y轴，侧相机5拍摄得到的图像相当于针头在XOZ平面上的投影。图中C为暴露在外的针头在XOZ平面上的投影长度，A为暴露在外的针头的水平距离(即在X轴上的投影长度)，B为暴露在外的针头高度(即在Z轴上的投影长度)，因此有C2＝A2+B2。主相机3拍摄的照片为暴露在外的针头在XOY平面上的投影，从中可以得出暴露在外的针头的宽度(即在Y轴上的投影长度)。若L代表暴露在外的针头的实际长度，则L2＝C2+D2，如图2(c)所示。由此埋入皮肤下的针头长度L1可由已知原长度L0和L的关系获得，即
埋入长度：L1＝L0-L
埋入深度：h＝B×((L0-L)/L)
根据以上参数，还可以测算出针头的各种角度，可完整的描述针头进入皮下的位置信息，根据这些信息，可以进一步引导人员或者机器进行针头插入的操作，使针头到达目标位置。具体的获得针头参数和引导的操作流程如图3所示。角度信息如下：
水平夹角：Ψ＝arctan(B/A)
竖直夹角：θ＝arctan(D/C)
图3是针头引导操作的流程图，首先拍摄针头图像，然后利用图2中的长度关系估算针头埋入长度，再根据长度信息估算针头角度，获得针头位置完整信息，再根据目标信息进行估算再次操作参数，进行针头位置引导，待到位后继续获得针头图像，重复以上步骤，直到到达目标位置。
图4所示为控制单元2的基本结构，从里到外包括，图像信息转换、图像预处理、图像处理等单元，具体实施中可采用ARM或者CPU作为控制单元的基础单元，图像信息转换为数模转换电路，图像预处理优选采用FPGA，图像处理单元优选为DSP。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种静脉穿刺针头位置定位的装置，其特征在于，包括红外光源、主相机、侧相机和图像处理单元；
所述红外光源用于照射穿刺区域的皮肤表面和针头；
所述主相机用于从穿刺区域的皮肤表面的上方由上而下对针头进行拍照；
所述侧相机的拍照方向与所述主相机的拍照方向相互垂直，用于从穿刺区域的皮肤表面的水平方向对针头进行拍照；
所述图像处理单元与所述主相机和侧相机相连，用于比较所述主相机和侧相机拍摄的照片，从而得出针头的位置。
2.如权利要求1所述的静脉穿刺针头位置定位的装置，其特征在于，以针头与穿刺区域的皮肤表面的接触点为原点、穿刺区域的皮肤表面的法线方向为Z轴方向，建立笛卡尔三维直角坐标系，所述主相机从平行于Z轴的方向对针头进行拍照，所述侧相机从垂直于Z轴的方向对针头进行拍照。
3.如权利要求1所述的静脉穿刺针头位置定位的装置，其特征在于，所述红外光源为红外发光二极管或者红外发光二极管阵列，其发光的波长范围为760nm～950nm，产生的均匀光斑的直径为4～6cm。
4.如权利要求1－3任意一项所述的静脉穿刺针头位置定位的装置，其特征在于，所述主相机上还安装有红外滤光片，所述主相机为CCD传感器、CMOS传感器或者红外感光二极管阵列。
5.如权利要求1－4任意一项所述的静脉穿刺针头位置定位的装置，其特征在于，所述图像处理单元优选为嵌入式系统中的DSP、FPGA和ARM中的一种或者多种。
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