CN105044925A - 一种可视化血管显像智能眼镜设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可视化血管显像智能眼镜设备。本发明包括眼镜、摄像模块、多光源模块、微显示模块与数字处理模块；眼镜包括镜框和镜片；镜框中安装有摄像模块、多光源模块；多光源模块用于照明体表，摄像模块用于拍摄经多光源模块照明后的图像；拍摄的图像经过数字处理模块增强后，传输给微显示模块，供医护工作者观察；微显示模块安装有微型LCD显示模块；摄像模块与微显示模块均由数字处理模块驱动。本发明作为穿戴式设备，具有便于携带的特点。同时本发明设计有基于全内反射的微显示模块，通过全内反射增加光程，提高了微显示模块的视场。

Description

一种可视化血管显像智能眼镜设备

技术领域

本发明涉智能眼镜设备及静脉血管的图像增强显示领域，提供一种可视化血管显像智能眼镜设备。本发明结合红外光学技术，辅助医护工作者观察体表的血管位置。

背景技术

静脉注射是医护工作者常开展的工作。然而，由于部分人群的血管位置不易被观察，会存在错扎的情况。这种现象对于初涉医护工作的新人更加的突出，由此也会带来严重的医患纠纷。

现有技术方案中，有两类方法可以辅助医护人员完成静脉注射。一种是红光棒。待注射的患者通过手握红光棒，能提高血管的识别度。但该方法对肥胖人群以及婴儿的头部静脉注射不起作用。另一种是血管投影法，通过近红外摄像机拍摄体表血管图像，并加以数字图像处理后，用投影仪将血管原位投影到体表，增强血管的识别度。上述两类方法，第一种已逐步被淘汰，第二种方法中，医护人员都将为患者准备专门的仪器设备，不便携带。本专利将介绍一种辅助医护工作者观察血管的新型智能眼镜设备。医护工作者只需佩戴该智能眼镜，无需其他辅助器材，即可清晰的观察静脉血管。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可视化血管显像智能眼镜设备。本发明能够用于辅助观察人体表层血管。在该设备中，本发明集成了多光源模块、摄像模块以及微显示模块，多光源模块用于发射照明光，照射人体表层，同时使用摄像模块拍摄多光源模块照射下表层皮肤图像。并将表层皮肤图像传输至数字处理芯片，提取表层皮肤图像中的血管信息。血管信息同步显示在微显示模块上，从而辅助用户更好的得到血管的位置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种可视化血管显像智能眼镜设备，包括括眼镜、摄像模块、多光源模块、微显示模块与数字处理模块；

所述的眼镜包括镜框和镜片；镜框中安装有摄像模块、多光源模块；多光源模块用于照明体表，摄像模块用于拍摄经多光源模块照明后的图像；拍摄的图像经过数字处理模块增强后，传输给微显示模块，供医护工作者观察；微显示模块安装有微型LCD显示模块；摄像模块与微显示模块均由数字处理模块驱动。

所述镜框正中间开有两个通孔，通孔内设置有圆柱形安装座，分别用于放置多光源模块与摄像模块；镜框的边缘的镜脚内部安装数字处理模块；所述的镜片的前端设置有一个微显示模块，用户能够通过该微显示模块获得血管的图像。

所述摄像模块中，安装有背景光滤光片、成像镜头与摄像芯片；背景光滤光片用于滤除背景存在的光源，使得上述多光源模块中的光源组照射到人体表面而反射回来的光能透过该背景光滤光片；成像镜头设置在摄像芯片与背景光滤光片之间，使得摄像模块与人体表面成光学共轭关系，从而实现成像。

所述的多光源模块中包括光源组、毛玻璃、匀光镜片；光源组的光经过毛玻璃、匀光镜片后，均匀的照明在人体表层；在光源组中，装有N个光源，N为正整数；光源组、毛玻璃、匀光镜片均安装在塑料材质的圆柱形安装座中，并使用卡槽进行固定。

所述微显示模块安装在镜框边缘，包括微显示器、光路折叠镜组和眼视目镜组，所述的微显示器是一个小型的LCD显示器。

光路折叠镜组的左右两个斜面为透明镜面，允许光路通过，上下两个内表面镀有高反射镜，光从左边透明镜面进入光路折叠镜组后，经过多次反射到达右边的透明镜面。

眼视目镜组的左斜面是透明镜面，该斜面与光路折叠镜组的右斜面胶合在一起，光路在通过这两个面时，由于折射率差异，将发生折射，上下两个面为透镜镜面，眼睛透过上下两个面能看到前方的物体；其右侧内表面是一个镀有金属反射膜的凹面镜，用于将微显示器的图像转换为放大的虚像，为人眼所观察；在上下两个内表面之间设置有一个倾斜的半透半反镀膜，用于将凹面镜反射的虚线反射到人眼中。

所述的数字处理模块中的主芯片采用德州仪器公司的芯片型号为OMAP4460。

所述的数字处理模块对图像进行处理的步骤描述如下：

步骤1.对图像进行初次平滑

将图像读入数字处理模块，然后转换为一个N×N的二维数组，定义为Img，其中N是一个自然数，Img(i,j)表示数组中第i行第j列的元素的数值；使用w×w维度的二维模板，对图像进行均值滤波，滤波结果记为Img1，Img1是一个N×N的二维数组；

所述均值滤波就是将图像中的一个维度为w×w的像素子区域进行积分，并求其均值，并以该均值替代该w×w像素子区域里所有像素点的数值；

步骤2.将数组Img中每一个元素都取平方，生成一个新的N×N数组Img2，并对数组Img2进行均值滤波，在均值滤波时使用同步骤1中一样的w×w维度的二维模板，得到新的N×N数组Img3；

步骤3.生成一个N×N维的均方差数组Img4，其中任意一个元素Img4(i,j)表示如下：

$\mathrm{Im}g4(i,j)=\sqrt{\[n\×img3(i,j)-img1(i,j)\×img1(i,j)\]/(n^2-n)};$ 其中n＝N×N，n是一个自然数；

步骤4.生成比较数组Img5，其中任意一个元素Img5(i,j)表示如下：Img5(i,j)＝Img1(i,j)/n+k×Img4(i,j)

步骤5.生成增强数组Img6，并将该增强数组Img6转换为图像输出,其中Img6的任意一个元素表示如下：

$\mathrm{Im}g6(i,j)=\left\{\begin{array}{ccc}1,& if& \mathrm{Im}g(i,j)<\mathrm{Im}g5(i,j)\\ 0,& if& \mathrm{Im}g(i,j)>\mathrm{Im}g5(i,j)\end{array}\right..$

本发明工作过程如下：

本发明工作过程如下：通过本发明能够判断血管在皮肤内的深度信息，利用多光源的依次照明(每一个光源具有特定的发光光谱)，可以采集到不同光谱照明下的图像，对于图像中血管位置所对应的灰度，定义为I_λi，其中λi表示第i个照明光的光谱。其强度可由下式进行计算：

I_λi＝P_λi×D_λi×exp(-μ_tλil)×μ_aλi，其中P_λi和D_λi分别表示第i个光谱的照明光强度与相机的探测效率，μ_tλi为表皮组织的消光系数，μ_aλi表示血管的吸收系数，l表示血管深度。通常，P_λi和D_λi的绝对数值不易确定，因此，可利用双光谱探测比值来确定血管深度l。其计算方法如下。式中的下标λi和λj分别表示第i个和第j个照明光的光谱

$l=\frac{Ln(I_{\mathrm{\&lambda;}i}\&times;P_{\mathrm{\&lambda;}j}\&times;D_{\mathrm{\&lambda;}j}\&times;{\mathrm{\&mu;}}_{a\mathrm{\&lambda;}j}/I_{\mathrm{\&lambda;}j}/P_{\mathrm{\&lambda;}i}/D_{\mathrm{\&lambda;}i}/{\mathrm{\&mu;}}_{a\mathrm{\&lambda;}i})}{{\mathrm{\&mu;}}_{t\mathrm{\&lambda;}j}-{\mathrm{\&mu;}}_{t\mathrm{\&lambda;}i}}.$

本发明有益效果如下：

本发明通过红外光探测病人的静脉图像，并通过数字处理模块，增强静脉图像的对比度，并转换为可见光图像，成像在微显示模块上。医护通过佩戴该智能化眼镜，给病人进行静脉注射时，通过眼镜的微显示模块，更好的确认静脉的位置。作为穿戴式设备，该器件相比于传统的静脉注射辅助设备，具有便于携带的特点。

另一方面，本发明还设计了一种基于全内反射的微显示模块，通过全内反射增加光程，从而提高微显示模块的视场。该模块的引入，可以提高智能眼镜设备的视场尺寸，便于用户读取智能眼镜的显示器的信息。

附图说明

图1.可视化血管显像智能眼镜三维结构图。

图2.摄像模组结构示意图。

图3.多光源模组结构示意图。

图4(a)微显示模块；

图4(b)微显示模块；

图4(c)微显示模块；

图5(a)德州仪器OMAP4460电路原理图(1)

图5(b)德州仪器OMAP4460电路原理图(2)

图6是摄像头MIPI电路接口原理图

图7微显示模块RGB888电路接口原理图

图8是可视化血管显像智能眼镜观察体表血管的工作示意图。

图9(a)是图像对比度增强前的血管图像；

图9(b)是图像对比度增强后的血管图像

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-4所示，一种可视化血管显像智能眼镜设备，集成了多光源模块、摄像模块以及微显示模块，多光源模块用于发射照明光，照射人体表层，同时使用摄像模块拍摄多光源模块照射下表层皮肤图像。并将表层皮肤图像传输至数字处理芯片，提取表层皮肤图像中的血管信息。血管信息同步显示在微显示模块上，从而辅助用户更好的得到血管的位置。

如图1所示本发明包括眼镜、摄像模块3、多光源模块4、微显示模块5与数字处理模块6。

所述的眼镜包括镜框1和镜片2；镜片2能够根据使用者的屈光不正配置合适的度数。镜框1中安装有摄像模块3、多光源模块4。多光源模块用于照明体表，摄像模块用于拍摄经多光源模块照明后的图像。拍摄的图像经过数字处理模块增强后，传输给微显示模块5，供医护工作者观察。微显示模块5安装有微型LCD显示模块。摄像模块与微显示模块均由数字处理模块6驱动。

所述镜框1正中间开有两个通孔，通孔内设置有圆柱形安装座，分别用于放置多光源模块与摄像模块。镜框的边缘的镜脚内部安装数字处理模块6；所述的镜片的前端设置有一个微显示模块5，用户能够通过该微显示模块5获得血管的图像。

如图2所示，所述摄像模块3中，安装有背景光滤光片3-1、成像镜头3-2与摄像芯片3-3。背景光滤光片3-1用于滤除背景存在的光源，使得上述多光源模块中的光源组4-1照射到人体表面而反射回来的光能透过该背景光滤光片。成像镜头设置在摄像芯片3-3与背景光滤光片3-1之间，使得摄像模块与人体表面成光学共轭关系，从而实现成像。

如图3所示，所述的多光源模块4中包括光源组4-1、毛玻璃4-2、匀光镜片4-3。光源组4-1的光经过毛玻璃4-2、匀光镜片4-3后，均匀的照明在人体表层。在光源组4-1中，装有N个光源(N为正整数)，光源组4-1、毛玻璃4-2、匀光镜片4-3均安装在塑料材质的圆柱形安装座中，并使用卡槽进行固定。在实际使用时，N个光源可按设置顺序开启，摄像模块亦按顺序采集其相应的光源开启时的图像。

如他4(a)-4(c)所示，微显示模块5安装在镜框边缘，包括微显示器、光路折叠镜组和眼视目镜组。其中，微显示器是一个小型的LCD显示器；

光路折叠镜组如图4(a)所示，其左右两个斜面为透明镜面，允许光路通过，上下两个内表面镀有高反射镜，光从左边透明镜面进入光路折叠镜组后，经过多次反射到达右边的透明镜面；

眼视目镜组如图4(b)所示，其左斜面是透明镜面，该斜面与光路折叠镜组的右斜面胶合在一起，光路在通过这两个面时，由于折射率差异，将发生折射，上下两个面为透镜镜面，眼睛透过上下两个面能看到前方的物体。其右侧内表面是一个镀有金属反射膜的凹面镜，用于将微显示器的图像转换为放大的虚像，为人眼所观察。在上下两个内表面之间设置有一个倾斜的半透半反镀膜，如图4(b)中倾斜的虚线所示，用于将凹面镜反射的虚线反射到人眼中，也保证了人眼可以观察到前方的物体。

本发明中，数字处理模块中的主芯片采用德州仪器公司的芯片型号为OMAP4460。其主要电路原理图引脚可参见图5(a)和5(b)。同时，采用通用的MIPI接口与摄像头模块进行连接，MIPI接口的电路原理图如图6所示。通过图6中过引脚名字的对应，详细说明了该接口与OMAP4460芯片的引脚的连接方式。采用RGB888的接口方式与微显示模块连接。RGB888的接口的电路原理如图7所示，通过图6中引脚名字的对应，从图中详细看出RGB888的接口与OMAP4460芯片的引脚的连接方式。使用通用的摄像头模块与LCD显示模块，以及商用的德州仪器公司的芯片OMAP4460，并使用通过的MIPI接口以及RGB888的接口将摄像头模块与LCD显示模块与数字芯片进行连接，增强了该系统的稳定性和可移植性。

如图8所示，在实际使用时，多光源模块照明体表。摄像模块采集图像，并将采集到的图像将传递给数字处理模块，当图像中的对比度大于4:1时，直接将图像传递给微显示模块，微显示模块的图像经过光学观察棱镜后，被人眼所观察。对于部分用户，由于肥胖、老龄化等原因，其血管对比度不高。在图像对比度小于4:1时，数字处理模块对图像进行处理，来增加血管的对比度。

所述的数字处理模块对图像进行处理的步骤描述如下：

步骤1.对图像进行初次平滑

将图像读入数字处理模块，然后转换为一个N×N的二维数组，定义为Img，其中N是一个自然数，Img(i,j)表示数组中第i行第j列的元素的数值。使用w×w维度的二维模板，对图像进行均值滤波，滤波结果记为Img1，Img1是一个N×N的二维数组。

所述均值滤波就是将图像中的一个维度为w×w的像素子区域进行积分，并求其均值，并以该均值替代该w×w像素子区域里所有像素点的数值。

步骤2.将数组Img中每一个元素都取平方，生成一个新的N×N数组Img2，并对数组Img2进行均值滤波，在均值滤波时使用同步骤1中一样的w×w维度的二维模板，得到新的N×N数组Img3。

步骤3.生成一个N×N维的均方差数组Img4，其中任意一个元素Img4(i,j)表示如下：

$\mathrm{Im}g4(i,j)=\sqrt{\&lsqb;n\&times;img3(i,j)-img1(i,j)\&times;img1(i,j)\&rsqb;/(n^2-n)}.$ 其中n＝N×N，n是一个自然数。

步骤4.生成比较数组Img5，其中任意一个元素Img5(i,j)表示如下：Img5(i,j)＝Img1(i,j)/n+k×Img4(i,j)

步骤5.生成增强数组Img6，并将该增强数组Img6转换为图像输出,其中Img6的任意一个元素表示如下：

$\mathrm{Im}g6(i,j)=\left\{\begin{array}{ccc}1,& if& \mathrm{Im}g(i,j)<\mathrm{Im}g5(i,j)\\ 0,& if& \mathrm{Im}g(i,j)>\mathrm{Im}g5(i,j)\end{array}\right.$

图9(a)是原始的血管图像，图9(b)展示了使用图像增加技术后的血管图像，请对比度有了质的提高。

本发明工作过程如下：通过本发明能够判断血管在皮肤内的深度信息，其具体步骤描述如下：利用多光源的依次照明(每一个光源具有特定的发光光谱)，可以采集到不同光谱照明下的图像，对于图像中血管位置所对应的灰度，定义为I_λi，其中λi表示第i个照明光的光谱。其强度可由下式进行计算：I_λi＝P_λi×D_λi×exp(-μ_tλil)×μ_aλi，其中P_λi和D_λi分别表示第i个光谱的照明光强度与相机的探测效率，μ_tλi为表皮组织的消光系数，μ_aλi表示血管的吸收系数，l表示血管深度。通常，P_λi和D_λi的绝对数值不易确定，因此，可利用双光谱探测比值来确定血管深度l。其计算方法如下。式中的下标λi和λj分别表示第i个和第j个照明光的光谱

$l=\frac{Ln(I_{\mathrm{\&lambda;}i}\&times;P_{\mathrm{\&lambda;}j}\&times;D_{\mathrm{\&lambda;}j}\&times;{\mathrm{\&mu;}}_{a\mathrm{\&lambda;}j}/I_{\mathrm{\&lambda;}j}/P_{\mathrm{\&lambda;}i}/D_{\mathrm{\&lambda;}i}/{\mathrm{\&mu;}}_{a\mathrm{\&lambda;}i})}{{\mathrm{\&mu;}}_{t\mathrm{\&lambda;}j}-{\mathrm{\&mu;}}_{t\mathrm{\&lambda;}i}}$

实施例1：

#光源模块中，安装有光源组、匀光镜组。光源经过匀光镜组后，均匀的照明人体表层。在光源组中，装有2个光源，其波长分别为750nm和850nm。在使用时，这两个波长依次开启，周而复始。

#在摄像模块中，安装有背景光滤光片，成像镜头与摄像芯片。背景光滤光片用于滤除背景存在的可见光光源，波长为300nm-700nm，可通过700nm-900nm的光源。成像镜头使得摄像芯片与人体表面成光学共轭关系，从而实现成像。摄像芯片连续采集图像，并利用两个光源的依次开启所产生的强度变化作为时间戳，方便后续图像的处理。

#采集的图像，可通过传统的无线wifi传输芯片，将图像传输到同一个局域网下的个人计算机中，经过二值化图像处理后，提取血管位置，并显示与计算机屏幕上。二值化的Matlab代码可参考附录1。

#.三维图像处理算法

实施例2：

#光源模块中，安装有光源组、匀光镜组。光源经过匀光镜组后，均匀的照明人体表层。在光源组中，装有2个光源，其波长分别为750nm和850nm。在使用时，这两个波长依次开启，周而复始。

#在摄像模块中，安装有背景光滤光片，成像镜头与摄像芯片。背景光滤光片用于滤除背景存在的可见光光源，波长为300nm-700nm，可通过700nm-900nm的光源。成像镜头使得摄像芯片与人体表面成光学共轭关系，从而实现成像。摄像芯片连续采集图像，并利用两个光源的依次开启所产生的强度变化作为时间戳，方便后续图像的处理。

#采集的图像，可通过传统的无线wifi传输芯片，将图像传输到同一个局域网下的个人计算机中，经过二值化图像处理后，提取血管位置，并显示与计算机屏幕上。二值化的Matlab代码可参考附录1。

#.三维图像处理算法

Niblack二值化

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还可以有各种变化和改进。

Claims (9)

1.一种可视化血管显像智能眼镜设备，其特征在于包括括眼镜、摄像模块、多光源模块、微显示模块与数字处理模块；

所述的眼镜包括镜框和镜片；镜框中安装有摄像模块、多光源模块；多光源模块用于照明体表，摄像模块用于拍摄经多光源模块照明后的图像；拍摄的图像经过数字处理模块增强后，传输给微显示模块，供使用者观察；微显示模块安装有微型LCD显示模块；摄像模块与微显示模块均由数字处理模块驱动。

2.如权利要求1所述的一种可视化血管显像智能眼镜设备，其特征在于所述镜框正中间开有两个通孔，通孔内设置有圆柱形安装座，分别用于放置多光源模块与摄像模块；镜框的边缘的镜脚内部安装数字处理模块；所述的镜片的前端设置有一个微显示模块，用户能够通过该微显示模块获得血管的图像。

3.如权利要求2所述的一种可视化血管显像智能眼镜设备，其特征在于所述摄像模块中，安装有背景光滤光片、成像镜头与摄像芯片；背景光滤光片用于滤除背景存在的光源，使得上述多光源模块中的光源组照射到人体表面而反射回来的光能透过该背景光滤光片；成像镜头设置在摄像芯片与背景光滤光片之间，使得摄像模块与人体表面成光学共轭关系，从而实现成像。

4.如权利要求1所述的一种可视化血管显像智能眼镜设备，其特征在于所述的多光源模块中包括光源组、毛玻璃、匀光镜片；光源组的光经过毛玻璃、匀光镜片后，均匀的照明在人体表层；在光源组中，装有N个光源，N为正整数；光源组、毛玻璃、匀光镜片均安装在塑料材质的圆柱形安装座中，并使用卡槽进行固定。

5.如权利要求1所述的一种可视化血管显像智能眼镜设备，其特征在于所述微显示模块安装在镜框边缘，包括微显示器、光路折叠镜组和眼视目镜组，所述的微显示器是一个小型的LCD显示器。

6.如权利要求5所述的一种可视化血管显像智能眼镜设备，其特征在于光路折叠镜组的左右两个斜面为透明镜面，允许光路通过，上下两个内表面镀有高反射镜，光从左边透明镜面进入光路折叠镜组后，经过多次反射到达右边的透明镜面。

7.如权利要求6所述的一种可视化血管显像智能眼镜设备，其特征在于眼视目镜组的左斜面是透明镜面，该斜面与光路折叠镜组的右斜面胶合在一起，光路在通过这两个面时，由于折射率差异，将发生折射，上下两个面为透镜镜面，眼睛透过上下两个面能看到前方的物体；其右侧内表面是一个镀有金属反射膜的凹面镜，用于将微显示器的图像转换为放大的虚像，为人眼所观察；在上下两个内表面之间设置有一个倾斜的半透半反镀膜，用于将凹面镜反射的虚线反射到人眼中。

8.如权利要求1所述的一种可视化血管显像智能眼镜设备，其特征在于数字处理模块中的主芯片采用德州仪器公司的芯片型号为OMAP4460。

9.如权利要求8所述的一种可视化血管显像智能眼镜设备，其特征在于所述的数字处理模块对图像进行处理的步骤描述如下：

步骤1.对图像进行初次平滑

将图像读入数字处理模块，然后转换为一个N×N的二维数组，定义为Img，其中N是一个自然数，Img(i,j)表示数组中第i行第j列的元素的数值；使用w×w维度的二维模板，对图像进行均值滤波，滤波结果记为Img1，Img1是一个N×N的二维数组；

所述均值滤波就是将图像中的一个维度为w×w的像素子区域进行积分，并求其均值，并以该均值替代该w×w像素子区域里所有像素点的数值；

步骤2.将数组Img中每一个元素都取平方，生成一个新的N×N数组Img2，并对数组Img2进行均值滤波，在均值滤波时使用同步骤1中一样的w×w维度的二维模板，得到新的N×N数组Img3；

步骤3.生成一个N×N维的均方差数组Img4，其中任意一个元素Img4(i,j)表示如下：

$\mathrm{Im}g4(i,j)=\sqrt{\&lsqb;n\&times;img3(i,j)-img1(i,j)\&times;img1(i,j)\&rsqb;/(n^2-n)};$ 其中n＝N×N，n是一个自然数；

步骤4.生成比较数组Img5，其中任意一个元素Img5(i,j)表示如下：

Img5(i,j)＝Img1(i,j)/n+k×Img4(i,j)

步骤5.生成增强数组Img6，并将该增强数组Img6转换为图像输出,其中Img6的任意一个元素表示如下：

$\mathrm{Im}g6(i,j)=\left\{\begin{array}{ccc}1,& if& \mathrm{Im}g(i,j)<\mathrm{Im}g5(i,j)\\ 0,& if& \mathrm{Im}g(i,j)>\mathrm{Im}g5(i,j)\end{array}\right..$