CN105377325A - 具有多成像通道光学感测的光学成像系统 - Google Patents

Abstract

一种用于与输注管仪器使用的光学成像系统，包括：至少一个光源，用于出射第一、第二或第三光谱的光中的至少两个；光学件系统，包括用于接收和透射通过滴注器的第一部分透射的第一光谱的光、通过滴注器的第二部分透射的第二光谱的光、或通过滴注器的第三部分透射的第三光谱的光中的至少两个的单个透镜。该系统包括用于从透镜接收光谱中的至少两个并且生成和透射表征光谱中的所述至少两个的数据的传感器。该系统包括存储计算机可读指令的存储器元件和处理器，用于执行该指令以使用数据来分别生成第一、第二以及第三部分的第一、第二或第三图像中的至少两个。

Description

具有多成像通道光学感测的光学成像系统

技术领域

本公开一般地涉及具有色彩复用的输液泵，具体地，该泵使用单个或多个光源、单个透镜、镜以及光束组合器以使得能够使用单个彩色图像传感器来提供该泵的多个不同部分的不同图像。

背景技术

单色图像传感器通常比彩色图像传感器成本低。然而，对于同时接收到的多个图像，无法使用单色传感器来使用传统信号处理分离各个图像，例如生成、显示或操作各个图像。例如，当单色传感器中的像素接收光时，该传感器无法确定该光属于各个图像中的哪一个。

发明内容

根据在本文中说明的各方面，提供了一种用于与具有滴注器的输注管一起使用的光学成像系统，该滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分、以及位于第一部分和第二部分之间的第三部分，该光学成像系统包括：至少一个光源，用于出射第一、第二或第三光谱的光中的至少两个；光学件系统，包括单个透镜，该单个透镜用于接收和透射通过第一部分透射的第一光谱的光、通过第二部分透射的第二光谱的光或通过第三部分透射的第三光谱的光中的至少两个。该光学系统包括单个图像传感器，用于从单个透镜接收第一、第二或第三光谱的光中的至少两个，并且生成和发射表征从单个透镜接收到的第一、第二或第三光谱的光中的至少两个的数据。成像系统包括：存储器元件，用于存储计算机可执行指令；以及至少一个处理器，被配置成执行该计算机可执行指令以使用数据来分别生成第一、第二或第三部分的第一、第二或第三图像中的至少两个。

根据在本文中说明的各方面，提供了一种用于与具有滴注器的输注管一起使用的光学成像系统，该滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于第一部分和第二部分之间的第三部分，该光学成像系统包括：单个光源，用于出射第一、第二或第三光谱的光中的至少两个；以及光学件系统，包括单个透镜，该单个透镜用于接收和透射下述中的至少两个：透射通过第一部分的第一光谱的光；透射通过第二部分的第二光谱的光；以及透射通过第三部分的第三光谱的光；以及单个彩色图像传感器，用于：从单个透镜接收第一、第二或第三光谱的光中的至少两个；以及生成并且发射表征从单个透镜接收到的第一、第二或第三光谱的光中的至少两个的数据。该成像系统包括存储器元件，用于存储计算机可执行指令；以及至少一个处理器，被配置成执行计算机可执行指令以使用数据来分别生成第一、第二或第三部分的第一、第二或第三图像中的至少两个。

根据在本文中说明的各方面，提供了一种用于与具有滴注器的输注管一起使用的光学成像系统，该滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于第一部分和第二部分之间的第三部分。该光学成像系统包括：用于仅出射第一光谱的光的第一光源、用于仅出射第二光谱的光的第二光源、或用于仅出射第三光谱的光的第三光源中的至少一个；以及光学件系统，包括用于接收和透射下述中的至少一个的单个透镜：透射通过第一部分的第一光谱的光；透射通过第二部分的第二光谱的光；以及透射通过第三部分的第三光谱的光。该光学系统包括单个彩色图像传感器，用于从单个透镜接收第一、第二或第三光谱的光中的至少一个，并且生成和发射表征从单个透镜接收到的第一、第二或第三光谱的光中的至少一个的数据。成像系统包括存储器元件，用于存储计算机可执行指令；以及至少一个处理器，被配置成执行计算机可执行指令以使用数据来分别生成第一、第二或第三部分的第一、第二或第三图像中的至少一个。光的第一、第二和第三光谱彼此之间没有重叠波长。

根据在本文中说明的各方面，提供了一种对具有滴注器的输注管进行成像的方法，该滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于第一和第二部分之间的第三部分，包括：将计算机可执行指令存储在存储器元件中；从至少一个光源出射第一、第二或第三光谱的光中的至少两个；使用单个透镜来接收和透射下述中的至少两个：透射通过第一部分的第一光谱的光；透射通过第二部分的第二光谱的光；或者透射通过第三部分的第三光谱的光；使用单个图像传感器从单个透镜接收第一、第二或第三光谱的光中的至少两个；使用单个图像传感器来生成和发射表征从单个透镜接收到的第一、第二或第三光谱的光中的至少两个的数据；以及使用至少一个处理器来执行计算机可执行指令以使用数据来分别生成第一、第二或第三部分的第一、第二或第三图像中的至少两个。

根据在本文中说明的各方面，提供了一种对具有滴注器的输注管进行成像的方法，该滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于第一和第二部分之间的第三部分，包括：将计算机可执行指令存储在存储器元件中；使用单个光源来出射第一、第二或第三光谱的光中的至少两个；使用单个透镜来接收和透射下述中的至少两个：透射通过第一部分的第一光谱的光；透射通过第二部分的第二光谱的光；或者透射通过第三部分的第三光谱的光；使用单个彩色图像传感器来从单个透镜接收第一、第二或第三光谱的光中的至少两个；使用单个彩色图像传感器来生成和发射表征从单个透镜接收到的第一、第二或第三光谱的光中的至少两个的数据；以及使用至少一个处理器来执行计算机可执行指令以使用数据来分别生成第一、第二或第三部分的第一、第二或第三图像中的至少两个。

根据在本文中说明的各方面，提供了一种对具有滴注器的输注管进行成像的方法，该滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于第一和第二部分之间的第三部分，包括：将计算机可执行指令存储在存储器元件中；以及出射仅使用第一光源的第一光谱的光、仅使用第二光源的第二光谱的光、或者仅使用第三光源的第三光谱的光中的至少一个。该方法包括：使用单个透镜来接收和透射下述中的至少一个：透射通过第一部分的第一光谱的光；透射通过第二部分的第二光谱的光；或者透射通过第三部分的第三光谱的光；使用单个彩色图像传感器来从单个透镜接收第一、第二或第三光谱的光中的至少一个；使用单个彩色图像传感器来生成和发射表征从单个透镜接收到的第一、第二或第三光谱的光中的至少一个的数据；以及使用至少一个处理器来执行计算机可执行指令，以使用数据来分别生成第一、第二或第三部分的第一、第二或第三图像中的至少一个。光的第一、第二和第三光谱彼此之间没有重叠波长。

附图说明

现在将在结合附图来在以下对本发明的详细描述中更全面地描述本发明的性质和操作方式，在附图中：

图1是用于输液泵的定义的示意性表示；

图2是具有光学成像系统的输液泵的示意性方框表示；

图3A至3F图示出了图2中所示的照明系统的示例性实施例；

图4A至4C是用于光学系统的实施例的示意性表示；

图5A至5C图示了成像处理定义；

图6图示了包括至少部分地包括在液滴的外边界内的圆圈的液滴的图像；

图7是图示具有光学成像系统的泵的操作的流程图；

图8A和8B是用于实现用于确定重力矢量的操作的泵的示意性细节；

图9A和9B是使用光注入的泵的示意性细节；

图10A和10B是具有弯月面检测布置的泵的示意性细节；

图11是具有处于主要和辅助配置的相应光学成像系统的两个输液泵的示意性方框表示；

图12是图示具有光学成像系统的泵的操作的顶层框图；

图13是图示用于具有光学成像系统的泵的示例性信号处理和反馈控制的框图；

图14是图示具有光学成像系统的泵中的示例性数字滤波的框图；

图15是具有光学成像系统的泵中的示例性空间滤波的示意性表示；

图16是具有多成像通道光学感测和单个光源的光学成像系统的示意性表示；

图17是具有多成像通道光学感测和单个光源的光学成像系统的示意性表示；

图18是具有多成像通道光学感测和单个光源的光学成像系统的示意性表示；

图19是具有多成像通道光学感测和多个光源的光学成像系统的示意性表示；以及

图20是具有双通道光学成像和单个光源的光学成像系统的示意性表示。

具体实施方式

在开始时，应当认识到不同附图视图上的相同附图标记标示本发明的相同或功能上类似的结构元件。虽然关于目前被视为优选方面的描述了本发明，但是应当理解，要求保护的本发明不限于所公开的方面。

此外，应当理解，本发明不限于所描述的具体方法、材料和修改，并且这样当然可以改变。还应当理解，在本文中所使用的术语仅出于描述具体方面的目的，并且不意在于限制仅由所附权利要求限定的本发明的范围。

除非另外定义，本文中所使用的所有科技术语具有与本发明所属于的领域的技术人员通常理解的相同的意义。虽然可以在本发明的实践或测试中使用与本文所述的那些类似或等同的任何方法、设备或材料，但是现在描述优选方法、设备和材料。

图1是用于输液泵的定义的示意性表示。

图2是具有光学成像系统102的输液泵100的示意性方框表示。泵100包括特殊编程的微处理器104、用于连接到输出管108的滴注器106以及用于将滴注器连接到例如IV袋的流体源112的滴管110。滴管包括设置在滴注器内的端部114。成像系统包括照明系统118和光学系统120。系统118包括照明元件122，用于使光透射通过滴注器的壁123到达从滴管的端部悬挂的流体的液滴124或其周围，例如，照射滴出物和端部114中的一个或二者。系统118还控制透射到液滴的光的照明性质。系统120例如使用光学传感器126来接收透射通过液滴或通过端部114或在其周围的光，并且向微处理器发射关于接收到的光的数据129。泵100还包括泵送机构127。在一个实施例中，该机构包括顶部和底部流量限制器，并且使用诸如辊的蠕动式致动器来使流体通过管108排出。

图3A至3F图示了图2中的系统118的示例性实施例。如图3A中所示，来自准直照明系统的光线128是平行的。如图3B中所示，来自漫射照明系统的光线130以圆锥形图案从照明平面上的每个发光点出射。如图3C中所示，来自照明源122的光线132通过远心透镜134并且被形成为射线束136。集束136中的射线几乎是平行的。射线束提供图像边缘的锐清晰度，并且最小化深度失真。如图3D中所示，结构化照明元件对例如射线138的照明进行整形(shape)，从而控制不期望的或杂散光，并且着重突出被照明的对象的边缘。结构化照明元件可以包括设置在照明源和例如液滴124的被照明对象之间的屏障139，以例如通过阻挡或改变从源发出的光来对照明进行整形。

图3E图示了使用激光干涉来投射条带图案测量液滴124。照明源122包括激光源187。源187一次投射由许多条带或者由任意条纹组成的光图案。该技术使得能够同时获取关于液滴124的图像的大量样本。如从不同视点看到的，投射的图案由于对象的表面形状而看起来几何失真。在一个实施例中，使用平行条带的图案；然而，应当理解，可以使用其他图案。条带的位移允许对例如液滴124的表面的对象表面上的细节的三维(3D)坐标的精确检索。激光干涉作用于来自激光束191的两个宽的平面波前(front)。波前的干涉导致了规则的等距线或干涉图案193。可以通过改变光束之间的角度来获得不同的图案尺寸。该方法允许精确并且容易地生成具有无限场深的非常精细的图案。图3E是泵100的顶视图，并且源187被示出为围绕用于滴管110的轴195径向设置。然而，应当理解，源187相对于泵的其他配置是可能的，例如平行于轴195。

图3F图示了系统118中的投影透镜196的使用。在图3F中，系统118照明源使光197透射通过透镜196。如本领域中公知的，透镜的表面198被修改，例如被蚀刻或者通过铬或其他材料的沉积，以在表面上产生图案。通过透镜的光197在液滴124上和周围投射图案的图像。在一个实施例中，投射图案199具有等间隔条和空间方波(诸如朗奇刻线法或朗奇光栅)的形式。

用于结构化照明元件的照明源可以是准直的、漫射的或远心的。结构化照明可以控制不期望的或杂散光，并且着重突出图像边缘。在一个实施例中，照明系统包括远心照明元件。在一个实施例中，照明系统包括结构化照明元件。

返回图2，微处理器104包括数据处理部分140以及数据获取和控制部分142。泵还包括控制面板144，例如本领域中公知的任何图形用户界面。例如来自传感器126的数据129的来自光学系统的输出被输入到部分142。面板144或其他操作员输入通过滴注器的期望流率以及其他所需数据，诸如药物类型和治疗信息。微处理器104可以是本领域中公知的任何微处理器。

泵100使用悬垂液滴(即，从端部114悬挂或悬垂液滴)的光学感测来测量通过滴注器到输出管的流体流量，并且向由微处理器控制的闭环泵控制过程提供输入。来自源112的流体流动通过滴管流到达滴管的端部114。流体在端部114处形成液滴124，并且当下面讨论的滴管中的条件适当时，液滴从端部114落入滴注器中的流体146中。通常，悬垂液滴在体积方面与通过管108来自滴注器的流体146的流出量成比例地增加。也就是说，在一时间范围期间的悬垂液滴的体积的增加等于在该时间段中从滴注器到管108的流体的体积。前述关系基于以下假设：来自源的流体是不可压缩的；源112、滴管、滴注器、管108以及管108被连接到的患者相对于外部大气是封闭的。对液滴体积的每个测量进行处理以提供流体体积(或质量)测量。在已知时间间隔中的液滴体积的连续测量由微处理器使用以计算通过系统的流体的流率。

因此，在一个实施例中，由微处理器使用用于通过滴注器的流量的期望设定点和关于通过滴注器的流体的测量流率的数据来控制泵送机构127的操作。例如，微处理器实现反馈环路，反馈环路将期望流率与测量流率作比较，并且调整泵送机构以校正在期望流率和测量流率之间的任何偏差。

图4A至4C是用于光学系统120的实施例的示意性表示。图4A至4C中所示的实施例在由传感器126形成的焦平面阵列上形成例如液滴124的共轭实像。图4A和4B分别使用折射光学件，诸如单个透镜148或透镜的组合150。图4C示出了诸如透镜组合150的折射光学件以及诸如折叠镜152的反射光学件。透镜148、组合150和镜152可以是本领域中公知的任何透镜、透镜组合或镜。组合150可以包括图4B和4C中的不同的透镜。

返回图2，在一个实施例中，光学传感器126是通过本领域中公知的任何手段形成的焦平面阵列，包括但不限于电荷耦合器件(CCD)、CMOS检测器或诸如结合到CMOS读出集成电路的InGaAs的混合成像阵列。系统120包括聚焦在液滴124的位置上的光学件，诸如透镜148。应当理解，在系统120中可以使用其他光学件。在一个实施例中，滴注器106基本上是光学透明的，并且系统118引导光通过滴注器的壁到达光学系统，例如传感器126。光可以提供液滴的背面或侧面照明。在一个实施例中，系统102被配置为使得液滴124和焦平面阵列是光学共轭的，并且焦平面阵列记录液滴的实际图像。成像系统以足以观察到单个液滴的增长和分离的速率来捕捉液滴图像。

在一个实施例中，泵100满足关于对液滴124进行成像的两个关键度量。第一，帧速率(每秒图像)足以随着液滴在尺寸方面增长并分离而捕捉一系列图像。第二，曝光时间(针对每个特定图像在传感器上收集光的时间量)短得足以使液滴的运动冻结。泵100生成下述图像：该图像具有清楚的边缘清晰度、足够的放大倍率(在液滴上的像素的数目方面)以及最小数目的伪像，诸如眩光。

在一个实施例中，成像系统102和微处理器产生液滴的准确图像，其然后被如下所述地分析以确定液滴的体积。由于液滴具有均匀密度，并且任何气泡(包含体)或雾沫小得足以可忽略，所以在一个实施例中，仅测量液滴的外表面以计算液滴的体积。前述测量是通过以足以准确地测量边界表面的空间分辨率对液滴进行成像而实现的。然后，在该边界上的数值积分提供液滴体积。

图5A至5C图示了成像处理定义。在一个实施例中，通过对滴管孔口的端点114进行定位来建立参考/对准框和图像标度(每mm像素)，如图5A中所示。端点具有已知尺寸，并且因此提供标度校准。端点还表示液滴的顶部边界，这用于在下面描述的体积计算。在一个实施例中，液滴的顶点154(距固定/参考点最远的点)被识别并且在液滴的体积确定中使用。例如，诸如传感器126的光学系统接收透射到滴管中或透射通过滴管的光，并且向微处理器发射关于接收光的数据。在一个实施例中，微处理器用于使用数据来确定端点114的边界，并且使用端点114的边界作为用于确定液滴的体积、形状或位置的参考点，如下面进一步描述的。

在一个实施例中，如下面进一步所述，确定重力(重力矢量156)相对于液滴124的方向。使用例如端点114的边界的参考点和重力矢量来建立用于图像处理的参考系。

在一个实施例中，通过使用微处理器来接收数据129并且从该数据生成液滴的图像来计算液滴124的体积。微处理器对图像中的液滴的外边缘进行定位以定义液滴的边界157。微处理器对由边界包围的面积进行积分并且相对于与滴管的端部相交的液滴的轴159来计算液滴的旋转体积，假设液滴关于该轴对称。

可以使用至少两个广义方法来计算液滴124的体积的上述计算。称为边界约束体积并且在图5B中示出的第一方法使用液滴图像的外部位置来计算总体积。图像中的像素数据的每个水平行158具有与之相关联的外部左右边界。这些边界之间的面积被视为圆盘体积(该面积的旋转对称体积)的二维投影。通过对每行的体积进行加和来从端点114向顶点对液滴图像进行积分。边界约束体积获得每行数据的最大分辨率。

第二种方法称为拟合约束体积，并且在图5C中示出。也就是说，通过将参数函数拟合到液滴的边界图像并对参数函数进行积分来确定液滴124的体积，再次假设旋转对称。存在如下面所讨论的许多可能的拟合算法，但是任何拟合的结果都是对表示整个边界157的假定函数的参数集合。拟合约束体积对行细节进行平滑化。

在一个实施例中，微处理器从数据129创建液滴的多个时间连续的图像，并且计算每个连续图像中的液滴的相应体积或者计算在连续液滴与滴管的端部分离之间的相应时间段。用时间连续图像是指按照时间顺序在一时间段中获取的一系列图像。微处理器使用各个体积或各个时间段来计算用于液滴体积的增加速率。如上所述，从滴管出来的流量基本上等于液滴体积的增加；因此，可以使液滴与滴管的端部分离之间的时间段与连续液滴的体积增加相关。例如，在一个实施例中，微处理器例如使用下述和上述操作来计算每个连续图像中的液滴的相应体积；计算各个体积的改变；并且基于各个体积的改变来计算流体到输出管的流率。在一个实施例中，微处理器控制机构127以使计算的流率与例如存储在微处理器中的期望流率匹配。

在一个实施例中，微处理器用于在用于液滴体积的增加速率超过例如存储在微处理器中的预定值时，生成无压流警报或出界状况警报。在一个实施例中，微处理器用于操作机构127以在生成了自由流警报或出界状况警报时切断到达输出管的流。在一个实施例中，当液滴体积的增加速率小于预定值时，微处理器生成下游阻塞警报。在一个实施例中，微处理器确定滴管的端部不存在液滴达指定时间段，并且生成空袋警报或管线中空气警报。

在一个实施例中，泵包括处理器163，处理器163用于操作机构127以在生成了无压流警报或出界状况警报时切断到达输出管的流。也就是说，作为安全和冗余因素，在泵中使用第二微处理器。

液滴最初从例如端部114的滴注器中的固定点悬挂。在一个实施例中，微处理器用于识别液滴何时与滴注器中的固定点分离作为确定液滴何时达到最大体积的手段。微处理器通过创建液滴的多个时间连续的图像并且分析这些图像来进行前述识别。用时间连续图像是指按照时间顺序在一时间段内获取的一系列图像。

在一个实施例中，微处理器在每个连续图像中识别边界中的各点，例如顶点154，并且确定每个相应点与端部114的距离。然后，微处理器识别液滴的两个连续图像，其中，该连续图像中的第二图像中的上述距离小于连续图像中的第一图像中的距离。该距离的减小指示液滴在第一和第二图像之间的间隔中与固定点分离，这进一步指示液滴在第一图像中达到最大尺寸。微处理器使用第一图像来计算液滴的体积。

图6图示了包括至少部分地被包括在液滴的外边界164内的圆圈162的液滴124的图像160。图6图示了拟合约束体积方法的特定示例。在一个实施例中，微处理器识别每个时间连续图像内的各圆圈162。该圆圈部分地通过时间连续图像的各个外边界164来定义。微处理器针对每个相应圆圈识别相对于滴注器中的固定点的相应位置，并且从该数据并使用各个圆圈来计算液滴的体积。

在一个实施例中，识别每个相应圆圈的相应位置包括识别与液滴的最大尺寸相对应的图像，例如，在液滴与滴管的端点分离之前的最后一个图像。例如，微处理器识别在距例如端点114的滴注器中的固定点最远距离处的每个相应圆圈上的相应点。然后，微处理器确定各点中的哪一个距固定点最远，并且识别包括距该固定点最远的相应点的图像。也就是说，微处理器通过识别具有最大圆圈的液滴来识别最大液滴。在一个实施例中，通过确定第一图像来识别最大液滴，在第一图像中，顶点与固定点的距离相对于针对紧接在第一图像前面的第二图像的顶点与固定点的距离而言减小。该减小指示液滴在第一和第二图像之间的间隔中与固定点分离，这进一步指示液滴在第一图像中达到最大尺寸。微处理器使用包括距离固定点最远的相应点的图像来计算液滴的体积。

在一个实施例中，微处理器识别用于时间图像中的每一个的各个外边界，使得每个外边界包括距滴注器中的固定点最远的液滴的相应边缘，并且相应圆圈包括相应边缘。也就是说，微处理器使上述圆圈与液滴的实际边缘对准，使得距离例如端部114的固定点最远的圆圈的点是液滴的边缘的一部分。在一个实施例中，微处理器识别与各个边缘相对应的各个圆弧，并且将各个圆弧包括在各个圆圈中。

在一个实施例中，识别对应于液滴的最大尺寸的图像(例如在液滴与滴管的端点分离之前的最后一个图像)包括使用圆圈的中心点。例如，微处理器计算圆圈的各个中心点166，并且计算中心点相对于例如端点114的固定点的位置。然后，微处理器确定中心点中的哪一个距离固定点最远，并且识别包括距该固定点最远的中心点的图像。也就是说，微处理器通过识别具有最大圆圈的液滴来识别最大液滴。微处理器使用包括距固定点最远的中心点的图像来计算液滴的体积。

图7是图示具有光学成像系统的泵100的操作的流程图。图7图示了泵100可使用的示例性算法。应当理解，泵可使用其他算法。液滴124的图像被滤波并且被加阈值以创建二进制图像。滤波操作可以包括中值滤波(用于移除隔离的眩光)、背景和图像均匀度校正(用于所以出由于暗噪声、读取噪声、像素不均匀性和照明不均匀性而导致的噪声源)以及边缘清晰度(使用诸如卷积或非锐化遮罩的技术)。得到的图像被加阈值以产生二进制图像。二进制图像由黑色或白色的值组成，没有中间灰度值。图像还被处理(与上述操作并行地)以使用诸如特征检测、图案匹配或诸如拉东变换的变换技术的技术来找到参考位置，例如端点114。端点位置用于形成图像遮罩。遮罩将图像的区域隔离以用于进一步处理。遮罩的使用增加了计算速度，并且消除伪像信息而不进行进一步处理。

在一个实施例中，然后逐行处理二值化的遮罩的图像以找到极右和极左边界。该边界约束拟合是对液滴边缘形状的一个估计。在一个实施例中，还使用拟合约束算法来处理图像。这样的算法基于上述和下述关于液滴形状的假设来施加约束。该约束在非线性最小二乘优化方案中使用以最小化在参数化约束函数与二值化边缘图像集合之间的误差。

两个不同的边缘近似被提供给将拟合约束图像与边界约束图像作比较的边缘估计器算法。在最简单的实例化中，图像被逐行比较。边界约束图像被视为“正确”结果，除非其与拟合约束图像偏差大于特定参数(该参数在校准期间被调整)。如果偏差过大，则使用拟合约束图像中的值来代替用于该行的边界约束图像的值。上述内容意在说明估计器背后的原理。在实际使用中，使用更复杂的算法来同时优化两个初始估计之间的差异。这样的算法的示例是卡尔曼滤波器，但是还可以利用本领域的技术人员熟悉的其他算法。

来自边缘估计器的输出还提供液滴的顶点的位置，其例如用于计算时间相关的重力矢量。该操作要求访问顶点值的先验估计(以计算改变)，并且因此许多先验值被存储在缓冲器中。重力矢量是在拟合约束边缘估计算法中所使用的一些参数拟合函数所需要的。因此，重力矢量在反馈环路中被用于边缘拟合算法。

图8A和8B是用于实现用于确定重力矢量156的操作的泵100的示意性细节。在一个实施例中，系统118照射端点114和液滴124，并且例如传感器126的光学系统接收从端点发出的光以及从液滴发出的光，并且发射关于接收到的光的数据129。微处理器使用该数据来生成液滴和滴管的端部的各个图像，并且对液滴的顶点进行定位，该顶点是距滴管的端部最远距离处的液滴的一部分。微处理器使用顶点的位置来确定液滴相对于滴管的端部的取向，并且使用液滴相对于滴管端部的取向来计算滴注器的取向。在一个实施例中，微处理器将滴注器的取向与设定点作比较，该设定点例如存储在微处理器中的相对于垂线的某个取向，并且在该取向等于设定点或与设定点相差指定量时生成出界状况警报。例如，如果滴注器离开垂线过远，则泵100的操作可能受到危害并生成警报。

例如，在图8A中，用于液滴的实际取向的线168和用于滴注器的轴170是共线的，因为液滴必须一定与重力(是垂线)对准，所以在图8A中，滴注器处于垂直取向。而且，线168与重力矢量156对准。在图8B中，线168和170不共线，并且滴注器不是垂直的。因此，在一个实施例中，微处理器生成线168和170，并且比较线的各个位置或取向。也就是说，微处理器计算滴注器相对于重力矢量的取向。在一个实施例中，当使用数据129来生成一段时间中的各个图像(时间顺序图像)时，通过在滴管的端部和液滴的图像中，测量随悬垂液滴随时间增长的悬垂液滴的顶点的位置，并且跟踪一系列的这些测量中的顶点的时间相关方向改变，来确定重力矢量。在一个实施例中，如上所述地计算端部114的边界，并且使用该边界作为用于计算液滴和/或滴注器的取向的参考平面。

在一个实施例中，照明系统控制照射滴管的端部和液滴的光的照明性质，并且微处理器：从各图像中识别滴管的端部和液滴的各个边界；对各边界拟合参数函数；以及对参数函数求积分以例如获得液滴的体积，如上所述。

在一个实施例中，将端点位置、重力矢量以及最佳边缘估计输入到体积计算例程中，其使用如上所述的“圆盘”假设来对边缘图像进行积分。使用滴管的端部的位置来确定该积分的上限，同时使用重力矢量来确定水平线的方向(与重力矢量成直角)。这些端部和重力数据值与体积一起被提供为来自算法的输出。在一个实施例中，该算法还输出边缘拟合的参数以及诸如拟合变化的统计数据。在一个实施例中，前述信息用于下述数字信号处理链。

可以使用许多方法来将约束条件拟合到测量的图像。在一个实施例中，“悬垂液滴”方法涉及到求解针对表面张力的拉普拉斯-杨等式(LYE)。从接触点(端点)悬挂的液滴具有受表面张力(相对于粘度)和重力的平衡控制的形状。当液滴处于平衡时，假设才严格地有效；振荡(由于振动或压力波动)将使液滴形状从拉普拉斯-杨预测失真。然而，小的振荡将不会使得拟合失败；事实上，与拟合的偏差本身是这样的振荡存在的良好指示符。

在一个实施例中，在图像上使用圆形霍夫变换CHT)来识别表示液滴的曲线底部的图像的分量。虽然没有严格地“拟合”，但是CHT提供用圆圈的半径的值和原点表征的液滴的参数表示。CHT算法表示在图像的数学变换空间中确定或应用的约束。本领域的技术人员所熟悉的其他广泛使用的变换是傅里叶和小波变换以及拉东变换。

上述参数拟合过程对液滴的边缘的可能位置施加强约束。与连续的假设(流体边缘无法偏离其邻点超过足够短的距离)以及液滴边缘在滴管孔口处终止的要求一起，该过程用于扩充和校正边界约束图像，如上所述。其他拟合过程与在本文中所讨论的那些类似地工作。

图9A和9B是使用光注入的泵100的示意性细节。下面针对图2来描述滴管110、滴注器106、管108、液滴124、成像系统120以及传感器126。照明系统118包括用于向滴管中透射或注入光174的照明源172。光从滴管的面朝内部表面176的多个部分反射回来，并且反射光透射通过滴管的端点114到液滴124的内部177，使得内部被均匀地照明。光学系统接收从液滴的内部透射的光178，并且向计算机处理器发射关于接收到的光的数据。可以在使用上述任何操作时操作关于接收到的光的数据。例如，在一个实施例中，照明系统用于控制透射到液滴的光的照明性质，并且光学系统用于从液滴接收光。微处理器用于：从数据生成图像，该图像包括液滴的边界；对液滴的边界拟合参数函数；以及对参数函数进行积分以获得液滴的体积。

因此，光174被形成为光束，其被注入到透明滴管中从而经历显著内反射(即，等于或大于所谓的“临界角”)。管的圆柱形孔使得内反射在管内部分叉(填充管的孔)，同时管表面中的缺陷引入光散射。结果是液滴在内部被照射。在这些条件下，系统120中的成像光学件仅接收从液滴表面散射的光(不存在使光到达透镜的直接射线路径)。除了高对比度边缘图像之外，该方法使得能够使用非常紧凑的照明元件。

图10A是具有弯月面检测布置的泵100的示意性细节。滴管110、滴注器106、管108以及流体146如针对图2所描述的那样。成像系统102包括光源，例如激光，用于使光182相对于滴注器的纵轴184以锐角投射到滴注器中，使得光以锐角从汇聚在滴注器内的流体的表面186反射回来。系统102还包括用于接收反射光182并且向计算机处理器发射关于接收到的光的数据的传感器或位置敏感检测器188。微处理器用于使用关于接收到的光的数据来计算表面186的位置。

传感器188上接收光182的位置取决于表面186的位置。液位190A和190B示出了流体146的两个可能液位，并且因此用于表面186的两个可能位置。如在图10B中看到的，分别从液位190A和190B反射的光182A和182B撞击传感器188的不同部分。微处理器使用在传感器188上的位置之间的差异来确定滴注器中的流体146的液位，即弯月面。传感器188可以是本领域中公知的任何位置敏感检测器，例如分段传感器或横向传感器。在一个实施例中，微处理器针对其中从光源188透射的光没有被光学系统接收到的实例，例如滴注器是空的或者液位186低得使得光182没有撞击流体146的实例，来生成空袋警报或管线中空气警报。

分段位置敏感检测器包括以小的间隙或死区分离的多个有源区域，例如四个有源区域或象限。当对称光斑在所有象限上相等地入射时，设备产生四个相等电流，并且光斑被称为位于设备的电气中心。随着光斑在有源区域内平移，每个段的电流输出可以用于计算光斑的位置。横向位置敏感检测器包括其中使用光电二极管表面阻力来确定位置的单个有源元件。独立于光斑强度分布、对称性或尺寸来获得准确的位置信息。设备响应在没有死空间的情况下在检测器孔径上是均匀的。

图10B是具有弯月面检测布置的泵100的示意性细节。在一个实施例中，成像系统102包括在滴管的相对侧的、用于通过滴管将光182反射回去的镜192以及用于将反射光引导到传感器188的分束器194。该配置使得能够将用于光学部件的所有电子装置放置在管的同一侧。

下面提供关于弯月面液位测量的更多细节。滴注器在操作期间始终保持部分地被充满流体。在滴注器中限制的空气与在其上下的流体压力平衡。空气间隙中的压力差驱动流体从滴注器的底部出来，并且通过下游管道108。流体随着液滴体积的增加而连续地进入和离开滴管室，并且因此流体的弯月面液位保持几乎恒定。然而，弯月面液位的改变可能由于若干原因发生：当液滴分离并且落入下方流体时，瞬时改变可能发生；或者波动可能由于流体中的压力振荡(由于泵振动、管道组的运动或患者的运动)而发生。该瞬时改变将在平均弯月面值周围波动，并且因此不指示与特性波动时间相比很长的时间中的流速改变。

在较长时间中改变平均弯月面液位的变化可能由于外部压力环境(例如，在行驶的车辆或飞行器中)的改变、由于患者的医疗问题引起的背压的改变或者由于泵送过程中的阻塞或其他故障而发生。这些长期弯月面液位改变表示总体流率的伴随改变，并且可以用于提供对上述流量测量的细化。因此，可以期望监视在输液期间的弯月面的液位，并且使用其中得到的信息作为输液系统的操作问题的指示符或者作为主要光学流量测量的附加。

上述用于测量流体146的液位的方法使用来自滴注器中的流体的顶面的光束的反射。反射光束的轴随着液位改变而横向地移位(偏转)，例如，如光182A和182B所示。偏转量仅取决于移位改变和光束的入射角。虽然在图中示出了激光源，但是该技术与任何光束都相容。此外，虽然光束被示出为自由传播，但是该系统还可以包含用于控制光束的透镜元件。

在一个实施例(未示出)中，传感器126(成像焦平面阵列)用于对液滴124成像并且经由分束器及其他简单光学件来测量流体146的弯月面。传感器126可以以至少两种方式被共享：不用于悬垂液滴成像的传感器的一部分可以同时地记录偏转光束；或者用于悬垂液滴成像和弯月面液位测量的照明系统118可以在时间上是交替的，使得传感器交替地记录液滴图像和偏转的光束图像。例如，泵100可以组合图2和图10A/10B中所示的或图2和图9A中所示的成像系统102。

因此，在一个实施例中，系统102包括诸如光源172的第一光源，用于使光出射到滴管中，使得光从滴管的面朝内的表面反射回来，并且反射光通过滴管的端部被透射到从滴管的第一端部悬挂的IV流体的液滴的内部。系统102还包括诸如光源188的第二光源，其相对于用于滴注器的纵轴以锐角使光透射到滴注器中，使得光以锐角从用于设置在滴注器内的IV流体的表面反射回来。光学传感器126用于：接收从液滴内部透射的反射光；接收来自第二光源的反射光；以及向计算机处理器发射关于从第一和第二光源接收的光的数据。微处理器用于使用关于从第一光源接收的光的数据来计算液滴的体积，并且使用关于从第二光源接收的光的数据来计算液滴的表面的位置，如上所述。

图11是具有处于主要和辅助配置的相应光学成像系统的泵组件200A和200B的示意性方框表示。除处理器和控制面板外，组件包括用于上述泵100的部件。通常，上文关于泵100的操作的描述适用于组件200A和200B的操作。组件200A连接到主要流体源112A。泵200B连接到主要流体源112B。源112A和112B被以主要/辅助输液配置被布置。例如，与源112B中的辅助药物相配合地施予源112A中的主要药物。如在本领域中已知的，在主要/辅助配置中，在主要源中的药物之前注入辅助源中的药物。分别地来自泵机构127A和127B的管道108A和108B连接到公共管道202。

在一个实施例中，单个处理器和控制面板(例如，处理器104和面板144)用于组件200A和200B。处理器根据适当的协议来操作组件200B，直至用于源112B中的流体的流型完整。然后，处理器按要求自动地去激活组件200B并且开始源112A中的流体的注入。在一个实施例(未示出)中，每个组件具有单独的处理器和控制面板，或者每个组件具有单独的处理器和公共控制面板。

图12是图示出具有光学成像系统的泵100的操作的顶层框图。在一个实施例中，上述体积测量和拟合度量在适当时被馈送到数字信号处理算法，该算法计算流率并且向泵控制系统提供反馈。设备210包括源112、滴注器、滴管以及泵机构127。微处理器输出体积和拟合度量212，其通过微处理器的一部分中的数字滤波器214被滤波以提供测量流率216。将该测量流率与例如经由面板144输入到微处理器中的期望流率作比较，闭合用于泵100的反馈环路。

图13是图示用于具有光学成像系统的泵100的示例性信号处理和反馈控制的框图。机制127包括驱动218和电机220。来自系统102的成像数据被由图像处理块222处理以生成测量液滴体积，并且结果被输入到滤波器块224。滤波器块的输出是测量流率。由比较器226将该测量流率与期望流率作比较，提供误差流率(误差估计)。误差流率馈送到分级的一系列PID(比例、积分、导数)控制算法228中。每个PID块以连续更快的时间标度进行操作。块228A控制流率，块228B控制泵电机速度，并且块228C控制泵电机电流。速度控制包含来自电机位置编码器230的反馈。电流控制包含来自电机220中的电机电流传感器的反馈。

图14是图示出具有光学成像系统的泵100中的示例性数字滤波的框图。滤波器232可以是本领域中已知的任何滤波器，例如，本领域的技术人员已知的一般类别的FIR/IIR滤波器。简单示例是对许多样本实现时间平均的FIR滤波器。

图15是具有光学成像系统的泵100中的示例性空间滤波的示意性表示。例如，如上所述，通过照明技术、光学技术或二者来实现用于液滴124的图像的高分辨率和边缘清晰度的目标。在一个实施例中，在用于系统120的光学件中使用空间滤波技术。例如，在成像系统102的背面焦平面处的遮罩240(经由光学傅立叶变换)来修改由例如传感器126的光学系统生成的图像。在图15中示出了DC阻断滤波器。该滤波器阻挡透射光的中心锥体并且增强边缘图像(与散射光相关联)。

在一个实施例中，使传感器126的灵敏度与系统118中的光源的照明光谱匹配。在一个实施例中，传感器126是低成本可见光传感器(400-1000nm)波长，并且源122生成在人类视觉范围(即，800-1000nm)外的光。在该情况下，操作员将不会由于明亮的照明源而分心。

应当理解，泵100可以是本领域中已知的任何泵机构或泵应用，并且不限于仅IV输液泵应用。在重力馈送系统的情况下，泵送机构可以用阀或流量限制器来替代，并且仍与上述配置和操作相容。

图16是具有多成像通道光学感测的光学成像系统300的示意性表示。在示例性实施例中，系统300与用于包括滴注器304的输注管302一起使用。滴注器304包括具有滴管308的部分306、包括出口312的部分310以及在部分306和310之间的部分314。输出管316可以连接到出口312以用于使流体从滴注器304流出。滴管308用于连接到流体317的源，例如药袋317。系统300包括用于出射光的光谱S1、S2以及S3的至少一个光源318以及光学系统319。

光源318可以是本领域中公知的任何光源，包括但不限于发光二极管(LED)、LED阵列、激光二极管、白炽灯或荧光灯。

光学系统包括用于接收和透射S1T、S2T和S3T的单个透镜320。S1T、S2T和S3T分别包括透射通过部分306、310和314的光谱S1、S2和S3。光学件系统319包括用于从单个透镜320接收S1T、S2T和S36的单个图像传感器322。传感器322生成并发射数据324、326和328，分别地表征由透镜320接收的S1T、S2T和S3T。系统300包括存储器元件329和至少一个特殊编程的处理器330。存储器元件329被配置成存储计算机可执行指令331。处理器330被配置成执行指令331以分别使用数据324、326和328来生成部分306、310和314的图像332、334和336。

用“表征”指相应数据描述或量化光的光谱，例如提供使得能够使用相应数据来生成图像的参数。用“出射光”指正在讨论的元件生成光。用“透射通过”指使光通过正在讨论的元件，例如由光源318出射的光通过部分306、310和314。

在示例性实施例中，传感器322是彩色图像传感器。在示例性实施例中，光源318是单个光源。

在示例性实施例中，部分306包括从滴管308悬垂的液滴338，并且图像332包括液滴338的图像。处理器330被配置成执行指令331以使用图像332来确定悬垂液滴338的体积。可以在控制方案中使用该体积来调节通过输注管302的流体的流量。

在示例性实施例中，部分314包括用于滴注器304中的流体的弯月面342，并且图像336包括弯月面342的图像。处理器330被配置成执行指令331以使用图像336来确定弯月面342的位置。该位置可以在控制和报警方案中使用以调节通过输注管302的流体的流量。在示例性实施例中，在部分310中存在气泡344，并且处理器330被配置成执行指令331以使用图像334来确定气泡344的体积。该体积可以在报警方案中使用以确保输注管302的安全操作。

在示例性实施例中，光源318出射红色、蓝色和绿色光谱的光。在示例性实施例中，S1T由红色、蓝色或绿色光谱的光中的一个组成，S2T由没有包括在S1T中的红色、蓝色或绿色光谱的光中的一个组成，并且S3T由没有包括在S1T或S2T中的红色、蓝色或绿色光谱的光中的一个组成。因此，S1T、S2T以及S3T中的每一个由没有包括在S1T、S2T、S3T中的另一个中的红色、蓝色或绿色光中的一个组成。也就是说，S1T、S2T以及S3T中的每一个彼此不同。用“红色光谱的光指包括在约610nm与675nm之间的波长的光，在约625nm处具有峰值强度。用“蓝色光谱的光”指包括在约410nm与480nm之间的波长的光，在约470nm处具有峰值强度。用“绿色光谱的光”指包括在约500nm与575nm之间的波长的光，在约525nm处具有峰值强度。因此，用于红色、蓝色和绿色的光的各个光谱不具有重叠波长。

在示例性实施例中，系统300包括用于反射S1T、S2T和S3T中的仅一个的镜346。例如，镜346A反射S1T。在示例性实施例中，系统300包括用于反射S1T、S2T或S3T中的仅一个的镜346A以及用于反射S1T、S2T或S3T中的仅另一个(例如S3T)的镜346B。在示例性实施例中，系统300包括用于反射S1T、S2T或S3T中的仅两个的光束组合器348A。例如，在图16中，光束组合器348A反射S1T和S3T并透射S2T。

下面提供关于图16的更多细节。如下所述，使用各种滤波操作来生成S1T、S2T以及S3T。镜346A接收由源318出射并且通过滴注器304的部分306透射的组合的红色、蓝色以及绿色光谱，但是仅反射光谱S1T。镜346B接收由源318出射且通过输出管316的部分310透射的组合的红色、蓝色以及绿色光谱，但是仅反射光谱S3T。因此，镜348A348B是滤色的。

在示例性实施例中，传感器322不是单色的，即传感器322是彩色图像传感器。光束组合器348仅透射由源318出射并且通过滴注器304的部分314透射的光谱S3T。具体地，光束组合器348A接收由源318出射并且通过滴注器304的部分314透射的组合的红色、蓝色以及绿色光谱，但是仅透射光谱S2T。光束组合器还反射由镜346A反射的光谱S1T和由镜346B反射的光谱S3T。注意，可以使用宽带反射来实现光束组合器348A的反射操作，因为镜346A和346B已经分别地滤除了光谱S2T和S3T以及光谱S1T和S2T。

图17是具有多成像通道光学感测的光学成像系统400的示意性表示。关于系统300的讨论适用于泵400，除如下所述之外。在示例性实施例中，光学件系统319包括用于将S1、S2或S3中的仅一个透射到部分306、310或314中的一个的镜；或者光学件系统319包括用于将S1、S2或S3中的仅一个反射到部分306、310或314中的一个的镜。例如，镜346C将S1透射到部分306并反射S2和S3；镜346D透射S3并将S2反射到部分314；并且镜346E将S3反射到部分310。在示例性实施例中，镜346E是宽带反射镜。

镜346F用于将透射通过滴注器304的部分306的光谱S1T反射到光束组合器348A。在示例性实施例中，镜346F是宽带反射镜。镜346G用于将透射通过滴注器304的部分310的光谱S3T反射到光束组合器348A。在示例性实施例中，镜346G是宽带反射镜。因为进入光束组合器348A的光已经被分离成离散光谱，所以例如来自镜346G的光仅仅是光谱S2T，在光束组合器348A中可以使用宽带透射和反射操作。

图18是具有多成像通道光学感测的光学成像系统500的示意性表示。关于系统300和400的各个讨论适用于系统500，除如下所述的之外。在示例性实施例中，光学系统319用镜346H和346I来替换光束组合器。镜346H透射由镜346F反射的S1T并反射S2T(来自镜346D)。镜346I透射S3T(来自镜346E)并反射S1T(通过镜346H透射)和S2T(由镜346H反射)。

在图16中，光源318的长度L1必须足以横跨部分306、310以及314，因为光源318必须出射光直接通过部分306、310以及314。然而，在图17和18中，光源318的长度L1明显更小，例如仅等于部分306的长度L2。在图17和18中，光源318出射光直接通过部分306；然而，镜的组合用于将光反射到部分310和314。因此，较小的并且价格比较低廉的设备可以用于图17和18中的光源318。

图19是具有多成像通道光学感测的光学成像系统600的示意性表示。关于系统300的讨论适用于系统600，除如下所述之外。系统600包括三个光源：用于仅出射光谱S1的光源318A、用于仅出射光谱S2的光源318B以及用于仅出射光谱S3的光源318C。光学系统319包括用于反射S1T的镜346J和用于反射S3T的镜346K。光束组合器348B透射S2T并反射S1T和S3T。在示例性实施例中，镜和346K中的一者或二者是宽带反射镜。在示例性实施例中，光束组合器348B具有宽带发射和反射功能。

在用于系统300、400、500以及600的各个示例性实施例中，仅针对部分306、310或134中的两个执行双通道成像，并且不对其余部分306、310或314执行成像。

图20是具有双通道光学成像和单个光源的光学成像系统700的示意性表示。在系统700中，仅针对部分306、310或314中的两个实现色彩复用。系统700可以使用系统400作为起始点。下面描述如所示的系统400和700之间的差异。在图20中，针对部分306和314实现双通道光学成像。镜346E和346G被移除。不再要求镜346D透射S3。不再要求光束组合器348A反射S3T。否则，关于部分306和314的操作与针对图17所述的相同。在示例性实施例中，通过添加用于接收从光源318透射通过部分310的光S1T/S2T/S3T的透镜702来实现对部分130的成像。透镜702将S1T/S2T/S3T透射到生成数据326的图像传感器703。处理器330从数据326生成图像334。图像传感器704可以是单色的，因为没有针对部分310实现色彩复用。

如对于本领域的技术人员而言显而易见的，双通道光学传感的其他组合能够用于系统700。例如，可以移除镜346D，使得仅针对部分306和310执行双通道光学感测。如针对图17的部分306和310所述的操作是基本上相同的。透镜702接收通过部分314透射的S1T/S2T/S3T，并且将S1T/S2T/S3T透射到生成数据328的图像传感器704。处理器330从数据328生成图像336。图像传感器704可以是单色的。例如，可以移除镜346F，使得仅针对部分310和314执行双通道光学感测。如针对图17的部分310和314所述的操作基本上是相同的。透镜702接收通过部分306透射的S1T/S2T/S3T并且将S1T/S2T/S3T透射到生成数据324的图像传感器704。处理器330从数据324生成图像332。图像传感器704可以是单色的。应当理解，系统400中的部件的其他配置能够实现双通道光学成像。在示例性实施例中，针对部分306、310或314中的仅两个执行双通道成像，并且不对其余部分306、310或314执行成像。也就是说，不采用第二透镜和图像传感器来对其余部分306、310或314进行成像。

可以针对双通道操作而修改系统300，如对于本领域的技术人员而言显而易见的。例如，可以通过移除镜346B来仅针对部分306和314实现双通道操作。如针对图16的部分306和314所述的操作基本上是相同的。来自部分310的S1T/S2T/S3T由第二透镜(未示出)接收并且被透射到可以是单色的第二图像传感器(未示出)。第二传感器生成用于生成图像334的数据326。例如，可以通过移除镜346A来仅针对部分310和314实现双通道操作。如针对图16的部分310和314所述的操作基本上是相同的。来自部分306的S1T/S2T/S3T由第二透镜(未示出)接收并且被透射到可以是单色的第二图像传感器(未示出)。第二传感器生成用于生成图像332的数据324。例如，可以仅针对部分306和310实现双通道操作。如针对图16的部分306和310所述的操作基本上是相同的。来自部分314的S1T/S2T/S3T由第二透镜(未示出)接收并且被透射到可以是单色的第二图像传感器(未示出)。第二传感器生成用于生成图像336的数据328。应当理解，系统300中的部件的其他配置能够实现双通道光学成像。在示例性实施例中，针对部分306、310或314中的仅两个执行双通道成像，并且不对其余部分306、310或314执行成像。也就是说，不采用第二透镜和图像传感器来对其余部分306、310或314进行成像。

可以针对双通道操作而修改系统500，如对于本领域的技术人员而言显而易见的。例如，为了仅针对部分306和314实现双通道操作，可以移除镜346E。如针对图18的部分306和314所述的操作基本上是相同的。来自部分310的S1T/S2T/S3T由第二透镜(未示出)接收并且被透射到可以是单色的第二图像传感器(未示出)。第二传感器生成用于生成图像334的数据326。例如，为了仅针对部分310和314实现双通道操作，可以移除镜346F。如针对图18的部分310和314所述的操作基本上是相同的。来自部分306的S1T/S2T/S3T由第二透镜(未示出)接收并且被透射到可以是单色的第二图像传感器(未示出)。第二传感器生成用于生成图像332的数据324。例如，为了仅针对部分306和310实现双通道操作，可以移除镜346D和346H。如针对图18的部分306和310所述的操作基本上是相同的。来自部分314的S1T/S2T/S3T由第二透镜(未示出)接收并且被透射到可以是单色的第二图像传感器(未示出)。第二传感器生成用于生成图像336的数据328。应当理解，系统500中的部件的其他配置能够实现双通道光学成像。在示例性实施例中，针对部分306、310或314中的仅两个执行双通道成像，并且不对其余部分306、310或314执行成像。也就是说，不采用第二透镜和图像传感器来对其余部分306、310或314进行成像。

可以针对双通道操作而修改系统600，如对于本领域的技术人员而言显而易见的。例如，为了仅针对部分306和314实现双通道操作，可以移除镜346K。如针对图19的部分306和314所述的操作基本上是相同的。来自部分310的S1T/S2T/S3T由第二透镜(未示出)接收并且被透射到可以为单色的第二图像传感器(未示出)。光源318C可以是宽带的(出射S1/S2/S3)。第二传感器生成用于生成图像334的数据326。例如，为了仅针对部分310和314实现双通道操作，可以移除镜346J。如针对图19的部分310和314所述的操作基本上是相同的。来自部分306的S1T/S2T/S3T由第二透镜(未示出)接收并且被透射到可以是单色的第二图像传感器(未示出)。光源318A可以是宽带的(出射S1/S2/S3)。第二传感器生成用于生成图像332的数据324。例如，为了仅针对部分306和310实现双通道操作，来自部分314的S2T由第二透镜(未示出)接收到并且被透射到可以是单色的第二图像传感器(未示出)。光源318B可以是宽带的(出射S1/S2/S3)。第二传感器生成用于生成图像336的数据328。如针对图19的部分306和310所述的操作基本上是相同的。应当理解，系统600中的部件的其他配置能够实现双通道光学成像。在示例性实施例中，针对部分306、310或314中的仅两个执行双通道成像，并且不对其余部分306、310或314执行成像。也就是说，不采用第二透镜和图像传感器来对其余部分306、310或314进行成像。

为了简洁起见，以下讨论的各部分针对图16中的系统300；然而，应当理解，该讨论也适用于图17至19。此外，以下讨论针对其中针对全部的三个部分306、310以及314实现多通道光学感测的实施例。然而，应当理解，该讨论适用于上文所讨论的双通道实施例。使用诸如透镜320的单个透镜以及诸如传感器322的图像传感器来代替三个透镜和传感器降低了系统300的成本和复杂度。由透镜320透射的全部三个光谱S1、S2和S3由单个图像传感器322同时接收。然而，如果传感器322是单色传感器，则不能使用常规信号处理来生成图像332、334以及346。例如，单色传感器无法在红色、蓝色以及绿色之间进行区分，并且无法使用常规信号处理来分离光谱S1T、S2T以及S3T以生成图像332、334以及346。有利地，系统300将彩色成像传感器用于传感器322，其能够在光谱S1T、S2T以及S3T之间进行区分。

由于来自红色、蓝色以及绿色光谱的单个、单独的相应色彩被用于光谱S1T、S2T以及S3T中的每一个，所以成像器能够发射用于单个相应光谱的数据324、326以及328，并且因此，可以使用常规信号处理操作来生成部分306、310或314中的每一个的单个相应图像。例如，光谱S1T、S2T以及S3T可以分别由红色、蓝色以及绿色光谱的光组成。传感器的红色响应像素拾取光谱S1T，传感器的蓝色响应像素拾取光谱S2T，并且传感器的绿色响应像素拾取光谱S3T。

因此，红色响应像素记录液滴338的图像，蓝色响应像素记录弯月面342的图像，并且绿色响应像素记录部分310的图像。因此，每组响应像素(例如，红色响应像素)保持对来自与其余各组响应像素(例如，蓝色和绿色响应像素)相对应的其他图像的图像无响应，本质上将其滤除。因此，不存在包括在被发射到处理器330的数据中的光谱或图像的重叠，并且可以使用常规信号处理来生成图像332、334以及346。

使用宽带反射镜/反射操作而不使用滤色反射和透射可以降低图17至19中的各个光学件系统319的成本。

在示例性实施例(未示出)中，在输液泵中的时间复用布置中使用诸如透镜320的单个透镜以及单个单色图像传感器。例如，使用图19作为参考，光源318A/B/C中的每一个出射相同光谱的光。出射的光透射通过诸如输注管302的输注管的各部分，类似于上文所述的部分306、310以及314。经由类似于镜346A/346B和光束组合器348A的布置，透射通过类似部分透射的光被透射到单个透镜，其将该光透射到处理器，诸如处理器330。如上所述，单色传感器无法使用常规信号处理来区分三个同时接收到的图像。然而，在示例性实施例中，三个光源被顺序激励，使得图像传感器的每个图像帧仅一个光源被激励。例如，在第一帧中，出射透射通过类似于部分306的部分的光的光源被激励，在下一帧中，出射透射通过类似于部分310的部分的光的光源被激励，并且在下一帧中，出射透射通过类似于部分314的部分的光的光源被激励。处理器每个帧仅接收一个图像，并且能够将用于每个帧中的每个图像的相应数据发射到处理器。处理器进而能够针对泵的每个类似部分生成单独图像。在示例性实施例中，使用单色图像传感器和出射相同光谱的三个背光降低了泵的成本。

以下讨论提供关于图16至19的更多细节。应当理解，以下讨论适用于上文所讨论的双通道实施例。在示例性实施例中，可以将透镜元件(未示出)添加到用于系统300至600的各个图像路径(从光源到图像传感器的光所穿过的路径)以补偿不相等的图像路径。在示例性实施例中，可以使用近红外红色范围(例如，在700nm与1,000nm之间)中的光的光谱来照明部分306、310或314。在示例性实施例中，光源318和/或光源318A/B/C是LED，并且LED产生脉冲以改善操作效率或产生消除移动伪像的运动模糊的频闪效应。脉冲产生与图像传感器322的快门速度同步。在示例性实施例中，通过使用如图19中所示的三个光源来修改不使用光束组合器的图18的一般配置。得到的组合使用比图18中所示的少的镜，降低了实施例的成本。

因此，可以看到，本发明的目的被有效实现，但是在不脱离要求保护的本发明的精神或范围的情况下，本发明的改变和修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的。虽然通过参考特定优选实施例来描述本发明，但是明显在不脱离要求保护的本发明的范围或精神的情况下可以进行改变。

Claims (38)

1.一种与具有滴注器的输注管一起使用的光学成像系统，所述滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于第一和第二部分之间的第三部分，所述光学成像系统包括：

至少一个光源，用于出射第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的至少两个；

光学件系统，包括：

单个透镜，用于接收和透射下述中的至少两个：

透射通过第一部分的第一光谱的光；

透射通过第二部分的第二光谱的光；或者

透射通过第三部分的第三光谱的光；

单个图像传感器，用于：

从所述单个透镜接收所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的所述至少两个；以及

生成并发射表征从所述单个透镜接收到的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的所述至少两个的数据；

存储器元件，用于存储计算机可执行指令；以及

至少一个处理器，被配置成执行所述计算机可执行指令，以使用所述数据来分别生成所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分的第一图像、第二图像或第三图像中的至少两个。

2.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，所述单个图像传感器由单个彩色图像传感器组成。

3.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，所述至少一个光源由单个光源组成。

4.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，所述至少一个光源包括多个光源。

5.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，所述至少一个光源包括三个光源。

6.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中：

所述第一部分包括从所述滴管悬垂的液滴，并且所述第一图像包括所述液滴的图像；

所述至少一个特殊编程的处理器被配置成使用所述第一图像来确定所述悬垂的液滴的体积；

所述第三部分包括所述滴注器中的流体的弯月面，并且所述第三图像包括所述弯月面的图像；以及

所述至少一个处理器被配置成执行所述计算机可执行指令以使用所述第三图像来确定所述弯月面的位置。

7.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，在所述第二部分中存在气泡，并且所述第二图像包括所述气泡的图像。

8.根据权利要求7所述的光学成像系统，所述至少一个处理器被配置成执行所述计算机可执行指令以使用所述第二图像来确定所述气泡的体积。

9.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中：

所述至少一个光源出射红色、蓝色以及绿色光谱的光中的至少两个；

所述第一光谱的光由红色、蓝色或绿色光谱的光中的一个组成；

所述第二光谱的光由没有包括在所述第一光谱中的红色、蓝色或绿色光谱的光中的一个组成；以及

所述第三光谱的光由没有包括在第一或第二光谱的光中的红色、蓝色或绿色光谱的光中的一个组成。

10.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，所述光学件系统包括用于反射分别通过所述第一、第二或第三部分透射的第一、第二或第三光谱的光中的仅一个的镜。

11.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，所述光学件系统包括：

第一镜，用于反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅一个；以及

第二镜，用于反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅另一个。

12.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，所述光学件系统包括光束组合器，用于反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅两个。

13.根据权利要求1所述的光学成像系统，其中，所述光学件系统包括镜，用于：

向所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分中的一个，透射由所述至少一个光源出射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅一个；或者

向所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分中的一个，反射由所述至少一个光源出射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅一个。

14.一种与具有滴注器的输注管一起使用的光学成像系统，该滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于第一和第二部分之间的第三部分，所述光学成像系统包括：

单个光源，用于出射第一光谱、第二光谱或第三光谱的光；

光学件系统，包括：

单个透镜，用于接收和透射下述中的至少两个：

透射通过第一部分的第一光谱的光；

透射通过第二部分的第二光谱的光；以及

透射通过第三部分的第三光谱的光；

单个彩色图像传感器，用于：

从所述单个透镜接收所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的至少两个；以及

生成并发射表征从所述单个透镜接收到的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的所述至少两个的数据；

存储器元件，用于存储计算机可执行指令；以及

至少一个处理器，被配置成执行所述计算机可执行指令，以使用所述数据来分别生成所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分的第一图像、第二图像或第三图像中的至少两个。

15.根据权利要求14所述的光学成像系统，其中，所述光学件系统包括：

第一镜，用于反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅一个；以及

第二镜，用于反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅另一个。

16.根据权利要求14所述的光学成像系统，其中，所述光学件系统包括光束组合器，用于反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅两个。

17.一种与具有滴注器的输注管一起使用的光学成像系统，该滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于第一和第二部分之间的第三部分，所述光学成像系统包括：

下述中的至少一个：

第一光源，用于仅出射第一光谱的光；

第二光源，用于仅出射第二光谱的光；或者

第三光源，用于仅出射第三光谱的光；

光学件系统，包括：

单个透镜，用于接收和透射下述中的至少一个

透射通过第一部分的第一光谱的光；

透射通过第二部分的第二光谱的光；或者

透射通过第三部分的第三光谱的光；

单个彩色图像传感器，用于：

从所述单个透镜接收第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的所述至少一个；以及

生成并发射表征从所述单个透镜接收到的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的所述至少一个的数据；

存储器元件，用于存储计算机可执行指令；以及

至少一个处理器，被配置成执行所述计算机可执行指令，以使用所述数据来分别生成所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分的第一图像、第二图像或第三图像中的至少一个，其中：

光的第一光谱、第二光谱以及第三光谱彼此之间没有重叠波长。

18.根据权利要求17所述的光学成像系统，其中，所述光学件系统包括：

第一镜，用于反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的光的第一光谱、第二光谱或第三光谱中的仅一个；以及

第二镜，用于反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅另一个。

19.根据权利要求17所述的光学成像系统，其中，所述光学件系统包括光束组合器，用于反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅两个。

20.一种对具有滴注器的输注管进行成像的方法，所述滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于所述第一部分和所述第二部分之间的第三部分，所述方法包括：

将计算机可执行指令存储在存储器元件中；

从至少一个光源出射第一、第二或第三光谱的光中的至少两个；

使用单个透镜来接收和透射下述中的至少两个：

透射通过所述第一部分的第一光谱的光；

透射通过所述第二部分的第二光谱的光；或者

透射通过所述第三部分的第三光谱的光；

使用单个图像传感器，从所述单个透镜接收第一、第二或第三光谱的光中的所述至少两个；

使用所述单个图像传感器，来生成和发射表征从所述单个透镜接收到的第一、第二或第三光谱的光中的所述至少两个的数据；以及

使用所述至少一个处理器，执行所述计算机可执行指令，以使用所述数据来分别生成所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分的第一图像、第二图像或第三图像中的至少两个。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述单个图像传感器由单个彩色图像传感器组成。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个光源由单个光源组成。

23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个光源包括多个光源。

24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述至少一个光源包括三个光源。

25.根据权利要求20所述的方法，其中：

所述第一部分包括从所述滴管悬垂的液滴，并且所述第一图像包括液滴的图像；并且

所述第三部分包括所述滴注器中的流体的弯月面，并且所述第三图像包括弯月面的图像；以及

所述方法进一步包括使用所述至少一个处理器来执行所述计算机可执行指令，以：

使用第一图像，来使用所述第一图像确定悬垂的液滴的体积；以及

使用所述第三图像，来使用所述第三图像确定弯月面的位置。

26.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述第二部分中存在气泡，并且所述第二图像包括所述气泡的图像。

27.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：使用所述至少一个处理器来执行所述计算机可执行指令，以使用所述第二图像来确定气泡的体积。

28.根据权利要求20所述的方法，其中：

出射所述第一、第二或第三光谱的光中的至少两个包括出射红色、蓝色或绿色光谱的光中的至少两个；

所述第一光谱的光由红色、蓝色或绿色光谱的光中的一个组成；

所述第二光谱的光由没有包括在所述第一光谱中的红色、蓝色或绿色光谱的光中的一个组成；并且

所述第三光谱的光由没有包括在所述第一光谱或所述第二光谱的光中的红色、蓝色或绿色光谱的光中的一个组成。

29.根据权利要求20所述的方法，进一步包括使用镜来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一、第二或第三光谱的光中的仅一个。

30.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：

使用第一镜，来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅一个；以及

使用第二镜，来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅另一个。

31.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：使用光束组合器，来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅两个。

32.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：

使用镜，来向所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分中的一个，透射由所述至少一个光源出射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅一个；或者

使用镜，来向所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分中的一个，反射由所述至少一个光源出射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅一个。

33.一种对具有滴注器的输注管进行成像的方法，所述滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于所述第一部分和所述第二部分之间的第三部分，所述方法包括：

将计算机可执行指令存储在存储器元件中；

使用单个光源来出射第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的至少两个；

使用单个透镜来接收和透射下述中的至少两个：

透射通过所述第一部分的第一光谱的光；

透射通过所述第二部分的第二光谱的光；或者

透射通过所述第三部分的第三光谱的光；

使用单个彩色图像传感器，来从所述单个透镜接收所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的至少两个；

使用单个彩色图像传感器，来生成和发射表征从所述单个透镜接收到的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的所述至少两个的数据；以及

使用至少一个处理器来执行所述计算机可执行指令，以使用所述数据来分别生成所述第一部分、所述第二部分以及所述第三部分的第一图像、第二图像或第三图像中的至少两个。

34.根据权利要求33所述的方法，进一步包括：

使用第一镜，来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅一个；以及

使用第二镜，来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅另一个。

35.根据权利要求33所述的方法，进一步包括：使用光束组合器，来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的第一光谱、第二光谱或第三光谱的光中的仅两个。

36.一种对具有滴注器的输注管进行成像的方法，所述滴注器包括具有滴管的第一部分、具有出口的第二部分以及位于所述第一部分和所述第二部分之间的第三部分，所述方法包括：

将计算机可执行指令存储在存储器元件中；

出射下述中的至少一个：

仅使用第一光源的第一光谱的光；

仅使用第二光源的第二光谱的光；或者

仅使用第三光源的第三光谱的光；

使用单个透镜来接收和透射下述中的至少一个：

透射通过所述第一部分的第一光谱的光；

透射通过所述第二部分的第二光谱的光；或者

透射通过所述第三部分的第三光谱的光；

使用单个彩色图像传感器，从所述单个透镜接收所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的所述至少一个；

使用所述单个彩色图像传感器，来生成和发射表征从所述单个透镜接收到的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的所述至少一个的数据；以及

使用至少一个处理器来执行所述计算机可执行指令，以使用所述数据来分别生成所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分的第一图像、第二图像或第三图像中的至少一个，其中，光的第一光谱、第二光谱以及第三光谱彼此之间没有重叠波长。

37.根据权利要求36所述的方法，进一步包括：

使用第一镜，来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅一个；以及

使用第二镜，来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅另一个。

38.根据权利要求36所述的方法，进一步包括：使用光束组合器，来反射分别通过所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分透射的所述第一光谱、所述第二光谱或所述第三光谱的光中的仅两个。