CN106821468A - 一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法及装置 - Google Patents

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CN106821468A CN201710178342.6A CN201710178342A CN106821468A CN 106821468 A CN106821468 A CN 106821468A CN 201710178342 A CN201710178342 A CN 201710178342A CN 106821468 A CN106821468 A CN 106821468A
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Abstract

本发明提供了一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法及装置，包括：采集目标血管的图像数据，图像数据中包含目标血管在图像坐标系中设定的横坐标值；根据设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历图像数据在设定窗口中的像素，获取图像数据中目标血管的图像特征；根据目标血管的图像特征，确定目标血管的粗检测中心位置；以根据粗检测中心位置的横坐标确定的横坐标为搜索点，在粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值；根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定目标血管的穿刺点所在范围和目标血管的深度值；其能够高精度的自动定位穿刺机构在目标血管中的穿刺位置，降低了医院的人力培训成本，同时避免了人工穿刺针扎伤风险。

Description

一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法及装置
技术领域
本发明涉及医学B超图像处理技术领域，具体而言，涉及一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法及装置。
背景技术
PICC(Peripherally Inserted Central Catheter，经外周静脉置入中心静脉导管)为需要长期静脉输入刺激性或者高浓度的药物的患者提供一个安全有效的给药途径，此途径能够有效减少反复静脉穿刺，同时降低了静脉炎的发生率，能够长期留置。
在穿刺方法中，主要有传统的盲穿法和超声引导下的穿刺法，前者在急救的状态下，对于急救状态和血管条件差的患者，护士盲穿的成功率很低，而新护士需要经过漫长的临床工作实践积累盲穿经验，在经验积累的过程中会给患者造成痛苦，同时也大大增加了护士的培训时间和人力成本。后者的超声引导下的穿刺法，可以对血管有全面直观的评估，观察上臂的血管分叉，在通过B超机对目标静脉的深度与血管直径直接测量的同时，也可以动态选择穿刺点，将可行穿刺点从肘关节扩大到上臂。
但是，B超机仅可以提供图像的位置深度信息，不能直观的反映穿刺时，留置针的穿刺深度和走针路线，从而造成临床上穿刺困难等难题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法及装置，能够自动定位穿刺机构在目标血管中的穿刺位置，定位精度较高。
第一方面，本发明实施例提供了一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，包括：
采集目标血管的图像数据，所述图像数据中包含所述目标血管在图像坐标系中设定的横坐标值；
根据所述目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素，获取所述图像数据中所述目标血管的图像特征；
根据所述目标血管的图像特征，确定所述目标血管的粗检测中心位置；
以根据所述粗检测中心位置的横坐标值确定的横坐标为搜索点，在所述粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值；
根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述目标血管的穿刺点所在的范围和目标血管的深度值。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，根据所述目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素，获取所述图像数据中所述目标血管的图像特征，包括：
根据所述目标血管设定的横坐标值和所述设定的横坐标值在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素；
统计所述设定窗口内黑色像素占所述设定窗口中像素的比例，通过二维结构体数组记录得到的黑色像素比例曲线；其中，所述黑色像素为像素值低于第一设定阈值的像素；所述二维结构体数组的一个维度记录黑色像素比例曲线的位置，其另一个维度记录黑色像素比例曲线的数据值。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，根据所述目标血管的图像特征，确定所述目标血管的粗检测中心位置，包括：
在所述黑色像素比例曲线中查找满足第一设定条件的连通区域；所述第一设定条件为：所述连通区域中所有黑色像素比例均大于第二设定阈值且所述连通区域的宽度大于设定宽度阈值；所述连通区域至少包括如下特征信息：起点位置信息、终点位置信息、中心位置信息和波峰位置信息；
将得到的所述连通区域的特征信息以结构体数组方式记录保存；
在所述连通区域结构体数组中，查找首次出现且满足第二设定条件的波峰中心；所述第二设定条件为：该波峰中心的位置低于第一设定体位标记的位置且在该波峰中心之前至少包括一个波峰中心；所述第一设定体位标记的位置用于限定所述波峰中心之前至少包括两个所述连通区域；
根据第二设定体位标记的位置，从所述波峰中心之前包括的连通区域中选取目标连通区域，并将所述目标连通区域对应的波峰值作为所述目标血管的纵坐标值；
根据所述目标血管设定的横坐标值和确定的所述纵坐标值，确定所述目标血管的粗检测中心位置。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，在所述黑色像素比例曲线中查找满足第一设定条件的连通区域，包括：
从记录所述黑色像素比例曲线的二维结构体数组中查找大于第二设定阈值的像素值；当首次查找到大于第二设定阈值的第一像素值时，记录所述第一像素值的位置作为起点位置，直至首次查找到小于第二设定阈值的第二像素值时，记录所述第二像素点的位置作为终点位置；
判断所述起点位置和所述终点位置之间的距离是否大于设定宽度阈值；若是，确定所述起点位置到所述终点位置为一个连通区域，并记录所述连通区域的中心位置和波峰位置；
重复执行上述查找和判断的步骤，直至完成对所述二维结构体数组中像素值的遍历。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，根据第二设定体位标记的位置，从所述波峰中心之前包括的连通区域中选取目标连通区域，包括：
获取所述波峰中心之前的第一个连通区域和第二连通区域；
分别计算所述第一个连通区域的终点位置和第二个连通区域的起点位置与第二设定体位标记的位置的距离；
根据距离计算结果，确定距离所述第二设定体位标记最近的连通区域为目标连通区域或者确定第一个连通区域为目标连通区域。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，以根据所述粗检测中心位置的横坐标值确定的横坐标为搜索点，在所述粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值，包括：
根据所述粗检测中心位置的横坐标值以及第二设定步长，确定的横坐标搜索点；
以确定的所述横坐标搜索点为起始点，遍历所述粗检测中心位置的纵坐标值对应像素值，当在双向纵坐标方向中检测到大于第三设定阈值的像素值，并记录该像素值对应的纵坐标值；
在向上的纵坐标方向的记录结果中选取最大纵坐标值，作为目标血管的上血管壁的纵坐标值；
在双向纵坐标方向的记录结果中选取最小纵坐标值，作为目标血管的下血管壁的纵坐标值。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述目标血管的穿刺点所在的范围，包括：
根据目标血管设定的横坐标值和搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定目标血管的中心点；
以所述中心点为圆心，以所述上下血管壁的纵坐标值之差为半径，确定所述穿刺点所在的范围；
根据所述目标血管的中心点、所述上血管壁的纵坐标值以及第二设定体位标记，确定目标血管的深度值；所述第二设定体位标记包括：皮肤表面到中心点的距离与图像坐标系中的坐标点的对应关系。
第二方面，本发明实施例还提供了一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置，包括：
采集模块，用于采集目标血管的图像数据，所述图像数据中包含所述目标血管在图像坐标系中设定的横坐标值；
图像特征获取模块，用于根据所述目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素，获取所述图像数据中所述目标血管的图像特征；
粗检测模块，用于根据所述目标血管的图像特征，确定所述目标血管的粗检测中心位置；
搜索模块，用于以根据所述粗检测中心位置的横坐标值确定的横坐标为搜索点，在所述粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值；
确定模块，用于根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述目标血管的穿刺点所在的范围和目标血管的深度值。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，图像特征获取模块，包括：
第一遍历单元，用于根据所述目标血管设定的横坐标值和所述设定的横坐标值在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素；
统计单元，用于统计所述设定窗口内黑色像素占所述设定窗口中像素的比例，通过二维结构体数组记录得到的黑色像素比例曲线；所述二维结构体数组的一个维度记录黑色像素比例曲线的位置，其另一个维度记录黑色像素比例曲线的数据值。
结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，粗检测模块，包括：
第一查找单元，用于在所述黑色像素比例曲线中查找满足第一设定条件的连通区域；所述第一设定条件为：所述连通区域中所有黑色像素比例均大于第二设定阈值且所述连通区域的宽度大于设定宽度阈值；所述连通区域至少包括如下特征信息：起点位置信息、终点位置信息、中心位置信息和波峰位置信息；
记录单元，用于将得到的所述连通区域的特征信息以结构体数组方式记录保存；
第二查找单元，用于在所述连通区域结构体数组中，查找首次出现且满足第二设定条件的波峰中心；所述第二设定条件为：该波峰中心的位置低于第一设定体位标记的位置且在该波峰中心之前至少包括一个波峰中心；所述第一设定体位标记的位置用于限定所述波峰中心之前至少包括两个所述连通区域；
选取单元，用于根据第二设定体位标记的位置，从所述波峰中心之前包括的连通区域中选取目标连通区域，并将所述目标连通区域对应的波峰值作为所述目标血管的纵坐标值；
第一确定单元，用于根据所述目标血管设定的横坐标值和确定的所述纵坐标值，确定所述目标血管的粗检测中心位置。
本发明实施例提供的一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法及装置，包括：采集目标血管的图像数据，图像数据中包含目标血管在图像坐标系中设定的横坐标值；根据目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历图像数据在设定窗口中的像素，获取图像数据中目标血管的图像特征；根据目标血管的图像特征，确定目标血管的粗检测中心位置；以根据粗检测中心位置的横坐标确定的横坐标为搜索点，在粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值；根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定目标血管的穿刺点所在的范围和目标血管的深度值，与现有技术中B超机仅可以提供图像的位置深度信息，不能直观的反映穿刺时，留置针的穿刺深度和走针路线，从而造成临床上穿刺困难等难题相比，其能够高精度的自动定位穿刺机构在目标血管中的穿刺位置，降低了医院的人力培训成本，同时避免了人工穿刺针扎伤风险。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法的流程图；
图2的左图和右图对应示出了本发明实施例采集的600×450的超声影像以及选取的感兴趣区域的划定位置示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的另一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法的流程图；
图4示出了本血管所在横坐标的垂直线上，宽度为36的窗口中黑色像素所占比例R(y)-Y的曲线示意图；
图5示出了本发明实施例所提供的另一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法的流程图；
图6示出了本发明实施例所提供的另一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法的流程图；
图7示出了本发明实施例所提供的另一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法的流程图；
图8示出了利用本发明实施例所提供的一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法得到的目标血管检测定位的效果图；
图9示出了利用本发明实施例所提供的所用视频采集卡和彩超机的结构示意图；
图10示出了本发明实施例所提供的一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置的结构示意图；
图11示出了本发明实施例所提供的一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置中图像特征获取模块的结构示意图；
图12示出了本发明实施例所提供的一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置中粗检测模块的结构示意图。
图标：10、采集模块；20、图像特征获取模块；30、粗检测模块；40、搜索模块；50、确定模块；201、第一遍历单元；202、统计单元；301、第一查找单元；302、记录单元；303、第二查找单元；304、选取单元；305、第一确定单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
考虑到目前B超机计算的目标静脉的深度与血管直径的计算方法精确度较差，从而无法精确定位穿刺针的穿刺位置。基于此，本发明实施例提供了一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法及装置，下面通过实施例进行描述。
本发明实施例提供了一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，所述方法可以由图像处理器来执行，参考图1，所述方法包括：
S101、采集目标血管的图像数据，所述图像数据中包含所述目标血管在图像坐标系中设定的横坐标值。
目前的留置针穿刺静脉血管，均是护士首先通过B超机采集目标血管的超声影像，然后B超机显示该超声影像。本发明实施例中，图像处理器获取B超机显示该超声影像的方式有两种，第一，图像处理器向B超机请求获取其采集的超声影像，由B超机将其采集的超声影像发送给图像处理器；第二，图像处理器连接一图像采集卡，并通过该图像采集直接采集B超机显示的超声影像。
在图像处理器获取到超声影像，根据用户发送的截取指令或者根据预先存储的截取指令，在超声影像上选取感兴趣区域，得到目标血管的图像数据；所述感兴趣区域为血管所在可能区域。图2的左图和右图分别对应本发明实施例采集的600×450的超声影像以及选取的感兴趣区域的划定位置示意图。
对于得到的目标血管的图像数据，图像处理器以该图像数据的左上角的点作为原点，以水平方向向右为正方向，以竖直方向向下为正方向建立图像坐标系，其中，水平方向表示目标血管的长度延伸方向，竖直向下方表示目标血管的深度方向。
在建立的上述图像坐标系中，护士手动选定目标血管所在的横坐标，具体选取方法为：在截取出的感兴趣图像上，需要操作者按照以往的血管经验进行目标血管所在横坐标的选取。按照软件设计原则，操作人员需通过鼠标点击事件在后台PC上对目标血管所在的横坐标垂直线上进行单击，此时PC获取目标血管所在的横坐标X。
S102、根据所述目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素，获取所述图像数据中所述目标血管的图像特征。
本发明实施例中，根据设定的横坐标值，以一定纵坐标步长，按照纵坐标的竖直方向以及按照36×36大小的设定窗口遍历所述图像数据中的像素，统计各个窗口内黑色像素所占当前窗口像素(即当前矩形块像素)的比例，得到比例曲线，记为R(y)-Y。
其中，R表示纵坐标为y时，以(X，y)为中心，宽度为BianLiWidth＝36像素的正方形区域内，像素值低于第一设定阈值(如T1＝30，T1表示第一设定阈值)的像素点个数所占的比例；其中，黑色像素比例曲线为图像数据的统计特征。
S103、根据所述目标血管的图像特征，确定所述目标血管的粗检测中心位置。
本发明实施例中，利用得到的R(y)-Y比例曲线，找出大于第二设定阈值，且宽度大于2的高比例连通区域(即连通区域)，记录为连通域结构体数组PeakArea_A[g_areaNo_A]。g_areaNo_A表示得到的高连通域的个数，结构体数组PeakArea_A则记录了每个连通区域的起点、终点、中心、波峰的位置信息。
S104、以根据所述粗检测中心位置的横坐标值确定的横坐标为搜索点，在所述粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值。
具体的，横坐标搜索点包括两种情况：第一，仅包括粗检测中心位置的横坐标；第二，包括粗检测中心位置的横坐标以及多个按照粗检测中心位置的横坐标和第二设定步长(即预设横坐标设定步长)确定的其他横坐标。
S105、根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述目标血管的穿刺点所在的范围和目标血管的深度值。
本发明实施例中，根据目标血管设定的横坐标值和搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定目标血管的中心点；根据所述中心点和搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述穿刺点所在的范围；根据第二设定体位标记、所述中心点和搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定目标血管的深度值；所述第二设定体位标记包括：皮肤表面到中心点的距离与图像坐标系中的坐标点的对应关系。
本发明实施例提供的一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，与现有技术中B超机仅可以提供图像的位置深度信息，不能直观的反映穿刺时，留置针的穿刺深度和走针路线，从而造成临床上穿刺困难等难题相比，其能够高精度的自动定位穿刺机构在目标血管中的穿刺位置，降低了医院的人力培训成本，同时避免了人工穿刺针扎伤风险。
进一步的，参考图3，步骤101，根据所述目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素，获取所述图像数据中所述目标血管的图像特征，包括：
S1021、根据所述目标血管设定的横坐标值和所述设定的横坐标值在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素；
参考图4，以目标血管设定的横坐标值X为定值，根据第一设定步长Y1确定目标血管第一个纵坐标值Y1，在以(X，Y1)为中心点的设定窗口中(如36×36)进行像素遍历，记为第一窗口的遍历；然后根据第一设定步长Y1确定目标血管第二个纵坐标值Y1+Y1，在以(X，Y1+Y1)为中心点的设定窗口中进行像素遍历，记为第一窗口的遍历，重复上述遍历方法，直至完成覆盖所述图像数据中所有像素多个N个窗口的遍历。
S1022、统计所述设定窗口内黑色像素占所述设定窗口中像素的比例，通过二维结构体数组记录得到的黑色像素比例曲线；其中，所述黑色像素为像素值低于第一设定阈值的像素；所述二维结构体数组的一个维度记录黑色像素比例曲线的位置，其另一个维度记录黑色像素比例曲线的数据值。
具体的，统计步骤1021中各个窗口内像素值小于第一设定阈值的黑色像素所占当前窗口像素的比例，得到比例曲线，记为R(y)-Y。其中，R表示纵坐标为y时，以(X，y)为中心，宽度为BianLiWidth＝36像素的正方形区域内，像素值低于第一设定阈值(如T1＝30)的像素点个数所占的比例，然后通过二维结构体数组的函数记录得到的黑色像素比例曲线；上述二维结构体数组中，一个维度记录黑色像素比例曲线的位置，另一个维度记录黑色像素比例曲线的数据值。图4为血管所在横坐标的垂直线上，宽度为36的窗口中黑色像素所占比例R(y)-Y的曲线示意图。
进一步的，参考图5，步骤103，根据所述目标血管的图像特征，确定所述目标血管的粗检测中心位置，包括：
S1031、在所述黑色像素比例曲线中查找满足第一设定条件的连通区域；所述第一设定条件为：所述连通区域中所有黑色像素比例均大于第二设定阈值且所述连通区域的宽度大于设定宽度阈值；所述连通区域至少包括如下特征信息：起点位置信息、终点位置信息、中心位置信息和波峰位置信息。
具体的，连通区域的查找方法包括：从记录所述黑色像素比例曲线的二维结构体数组中查找大于第二设定阈值的像素值；当首次查找到大于第二设定阈值的第一像素值时，记录所述第一像素值的位置作为起点位置，直至首次查找到小于第二设定阈值的第二像素值时，记录所述第二像素点的位置作为终点位置；上述第二设定阈值可表示为THIGVAL，本发明实施例中设定THIGVAL＝83。
判断所述起点位置和所述终点位置之间的距离是否大于设定宽度阈值；若是，确定所述起点位置到所述终点位置为一个连通区域，并记录所述连通区域的中心位置和波峰位置；
重复执行上述查找和判断的步骤，直至完成对所述二维结构体数组中像素值的遍历，得到多个连通区域。
当通过上述查找和判断的步骤得到的连通区域g_areaNo_A的个数为0时，将第二设定阈值THIGVAL进行减5处理，再次通过上述查找和判断的步骤进行统计，直至得到多个连通区域。
S1032、将得到的所述连通区域的特征信息以结构体数组方式记录保存。
具体的，连通区域结构体数组可表示为PeakArea_A[g_areaNo_A]，g_areaNo_A表示得到的连通区域的个数，结构体数组PeakArea_A则记录了每个连通区域的起点位置、终点位置、中心位置、波峰位置。
S1033、在所述连通区域结构体数组中，查找首次出现且满足第二设定条件的波峰中心；所述第二设定条件为：该波峰中心的位置低于第一设定体位标记的位置且在该波峰中心之前至少包括一个波峰中心；所述第一设定体位标记的位置用于限定所述波峰中心之前至少包括两个所述连通区域。
具体的，由解剖学，正常人体的上臂贵要静脉所处的深度为0.5～2.0cm之间，而大多数在1cm附近。巴德公司的用于PICC穿刺的B超机为穿刺进行了图像的尺寸标定，即分别在源图像的(225，179)、(225，258)、(225，337)、(225，416)、(225，496)五处进行了荧光绿的标记，即B超机上预先设置有设定体位标记。根据连通区域结构体数组信息，当第二个波峰中心低于B超机显示器中的第一设定体位标记的位置(即原定的1.8cm处的绿点下方)，即纵坐标像素值为LowCenter＝230时，说明在此之前至少有2个连通区域，确定该波峰中心为要符合条件的波峰中心。
本发明实施例中，第一设定体位标记和第二设定体位标记是B超机中的穿刺引导线中的标记点，标记点可以有多个，各个标记点代表标记的当前位置距离皮肤表面的深度值。
S1034、根据第二设定体位标记的位置，从所述波峰中心之前包括的连通区域中选取目标连通区域，并将所述目标连通区域对应的波峰值作为所述目标血管的纵坐标值。
具体的，目标连通区域的选取方法包括：获取所述波峰中心之前的第一个连通区域和第二连通区域；分别计算所述第一个连通区域的终点位置和第二个连通区域的起点位置与第二设定体位标记的位置的距离；根据距离计算结果，确定距离所述第二设定体位标记最近的连通区域为目标连通区域或者确定第一个连通区域为目标连通区域。
作为一种可实施方式，比较第一个连通区域的终点坐标和第二个连通区域的起点坐标，距离第二设定体位标记的位置(该位置为血管最常见位置即1cm处的绿点位置)最近的，为目标血管的比例曲线位置；上述绿点位置即感兴趣区域中纵坐标像素值为BigCENTER＝143的位置。否则，第一个连通区域是目标连通区域。在确定的目标连通区域中，将该目标连通区域的波峰位置作为目标血管中心的粗检测位置DetectY。
S1035、根据所述目标血管设定的横坐标值和确定的所述纵坐标值，确定所述目标血管的粗检测中心位置。
进一步的，参考图6，步骤104，以根据所述粗检测中心位置的横坐标值确定的横坐标为搜索点，在所述粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值，包括：
S1041、根据所述粗检测中心位置的横坐标值以及第二设定步长，确定的横坐标搜索点。
具体的，当目标血管为普通血管即预设长度的目标血管的截面成椭圆形，第二设定步长为0，此时，确定的横坐标搜索点只包括粗检测中心位置的横坐标值；
当患者脂肪较多或者患者较胖或者目标血管不是普通血管时，预设长度的目标血管的截面并非规则的椭圆形，此时，第二设定步长大于0，此时，确定的横坐标搜索点既包括粗检测中心位置的横坐标值，还包括根据大于0的第二设定步长和粗检测中心位置的横坐标值确定的其他横坐标值；如第二设定步长为5，横坐标搜索点包括X-5、X和X+5。
S1042、以确定的所述横坐标搜索点为起始点，遍历所述粗检测中心位置的纵坐标值对应像素值，当在双向纵坐标方向中检测到大于第三设定阈值的像素值，并记录该像素值对应的纵坐标值。
本发明实施例中，为了保证出现不规则形状的目标血管，以横坐标搜索点包括X-5、X和X+5为例进行血管半径与圆心位置精确检测；粗检测位置DetectY为目标血管中的已知图像点，以(X-5，DetectY)、(X，DetectY)、(X+5，DetectY)为中心，分别按照上下两个方向，遍历所述粗检测中心位置的纵坐标值对应像素值，当遇到像素值大于第三设定阈值的像素，则该方向停止搜索并记录搜索的像素值的纵坐标值。本发明实施例中第三设定阈值表示RadiuPixValu且设定RadiuPixValue＝45。
S1043、在向上的纵坐标方向的记录结果中选取最大纵坐标值，作为目标血管的上血管壁的纵坐标值。
具体的，在按照向上的纵坐标方向搜索的三个纵坐标值中取最大值，得到RadiusStart，作为目标血管的上血管壁位置。
S1044、在双向纵坐标方向的记录结果中选取最小纵坐标值，作为目标血管的下血管壁的纵坐标值。
具体的，在按照上下的纵坐标方向搜索的三个纵坐标值中取最小值，得到RadiusEnd，作为目标血管的下血管壁位置。
进一步的，参考图7，步骤105，根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述目标血管的穿刺点所在的范围，还包括：
S1051、根据目标血管设定的横坐标值和搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定目标血管的中心点。
本发明实施例中，目标血管的中心点的纵坐标值为(RadiusStart+RadiusEnd)/2，目标血管的中心点为(X，(RadiusStart+RadiusEnd)/2)。
S1052、以所述中心点为圆心，以所述上下血管壁的纵坐标值之差为半径，确定所述穿刺点所在的范围。
具体的，以(X，(RadiusStart+RadiusEnd)/2)为圆心，以(RadiusEnd-RadiusStart)/2为半径，确定穿刺点所在的范围。
S1053、根据所述目标血管的中心点、所述上血管壁的纵坐标值以及第二设定体位标记，确定目标血管的深度值；所述第二设定体位标记包括：皮肤表面到中心点的距离与图像坐标系中的坐标点的对应关系。
将测得的数据(包括目标血管的中心点、以该中心点为圆心的半径(RadiusEnd-RadiusStart)/2和目标血管的深度值)在原图上进行效果标注，其中竖线是操作人员通过鼠标点击事件传递给后台PC的。图8示出了目标血管检测定位的效果图。
本发明实施例提供的一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，与现有技术中的B超机仅可以提供图像的位置深度信息，不能直观的反映穿刺时，留置针的穿刺深度和走针路线，从而造成临床上穿刺困难等难题相比，其能够高精度的自动定位穿刺机构在目标血管中的穿刺位置，降低了医院的人力培训成本，同时避免了人工穿刺针扎伤风险。
作为一种可选的实施方式，本发明实施例提供的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法在进行试验时，选用了维视图像MV-2000型号的USB接口图像采集卡、巴德公司SonoTouch80彩超。采集卡和彩超机如图9所示。试验硬件条件为Intel Core(TM)2QuadQ9550 2.83GHz CPU，4G内存的PC机；软件环境为Visual Studio 2013，OpenCV3.0。采集视频的分辨率为600×450，程序处理一帧图像的平均时间约为27ms，可以达到实时检测要求。选择2016年6月-8月在解放军307医院进行PICC置管的病人共946例病人，男329例，女597例，年龄分布从11岁到83岁不等。不分年龄、性别进行检测。每例病人采集1-3张图片不等，共得到1467试验检测样本。其中识别率如下表1所示。
表1试验样本检测结果说明
待识别样本总数 暂不处理数 错误识别数目 识别正确率
1467 64 33 97.64789％
表格中暂不处理的数目为64，指的是在传递图像时，护士误操作，所传图片中没有目标血管，不被列入算法处理对象。错误识别是指,血管定位失败，或血管深度测量偏差大。试验中发现，在识别错误的病例时，往往是超声图像前期选择的不好，没有调整到最佳的图像显示状态。在错误识别时若及时调整探头角度和位置，进行新的图片发送，能纠正错误，进行正确的血管识别定位。试验结果表明算法在不同血管情景下表现良好。本研究克服了医学图像成像不均匀，不统一的弊端。同时时间和计算复杂度较低，能够满足实时性和准确性的要求。
本发明实施例还提供了一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置，所述装置用于执行上述留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，参考图10，所述装置包括：
采集模块10，用于采集目标血管的图像数据，所述图像数据中包含所述目标血管在图像坐标系中设定的横坐标值；
图像特征获取模块20，用于根据所述目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素，获取所述图像数据中所述目标血管的图像特征；
粗检测模块30，用于根据所述目标血管的图像特征，确定所述目标血管的粗检测中心位置；
搜索模块40，用于以根据所述粗检测中心位置的横坐标值确定的横坐标为搜索点，在所述粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值；
确定模块50，用于根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述目标血管的穿刺点所在的范围和目标血管的深度值。
进一步的，参考图11，本发明实施例提供的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置中，图像特征获取模块20，包括：
第一遍历单元201，用于根据所述目标血管设定的横坐标值和所述设定的横坐标值在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素；
统计单元202，用于统计所述设定窗口内黑色像素占所述设定窗口中像素的比例，通过二维结构体数组记录得到的黑色像素比例曲线；所述二维结构体数组的一个维度记录黑色像素比例曲线的位置，其另一个维度记录黑色像素比例曲线的数据值。
进一步的，参考图12，本发明实施例提供的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置中，粗检测模块30，包括：
第一查找单元301，用于在所述黑色像素比例曲线中查找满足第一设定条件的连通区域；所述第一设定条件为：所述连通区域中所有黑色像素比例均大于第二设定阈值且所述连通区域的宽度大于设定宽度阈值；所述连通区域至少包括如下特征信息：起点位置信息、终点位置信息、中心位置信息和波峰位置信息；
记录单元302，用于将得到的所述连通区域的特征信息以结构体数组方式记录保存；
第二查找单元303，用于在所述连通区域结构体数组中，查找首次出现且满足第二设定条件的波峰中心；所述第二设定条件为：该波峰中心的位置低于第一设定体位标记的位置且在该波峰中心之前至少包括一个波峰中心；所述第一设定体位标记的位置用于限定所述波峰中心之前至少包括两个所述连通区域；
选取单元304，用于根据第二设定体位标记的位置，从所述波峰中心之前包括的连通区域中选取目标连通区域，并将所述目标连通区域对应的波峰值作为所述目标血管的纵坐标值；
第一确定单元305，用于根据所述目标血管设定的横坐标值和确定的所述纵坐标值，确定所述目标血管的粗检测中心位置。
进一步的，本发明实施例提供的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置中，第一查找单元301，具体用于，从记录所述黑色像素比例曲线的二维结构体数组中查找大于第二设定阈值的像素值；当首次查找到大于第二设定阈值的第一像素值时，记录所述第一像素值的位置作为起点位置，直至首次查找到小于第二设定阈值的第二像素值时，记录所述第二像素点的位置作为终点位置；
判断所述起点位置和所述终点位置之间的距离是否大于设定宽度阈值；若是，确定所述起点位置到所述终点位置为一个连通区域，并记录所述连通区域的中心位置和波峰位置；
重复执行上述查找和判断的步骤，直至完成对所述二维结构体数组中像素值的遍历。
进一步的，本发明实施例提供的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置中，选取单元304，包括：
获取子单元，用于获取所述波峰中心之前的第一个连通区域和第二连通区域；
距离计算子单元，用于分别计算所述第一个连通区域的终点位置和第二个连通区域的起点位置与第二设定体位标记的位置的距离；
确定子单元，用于根据距离计算结果，确定距离所述第二设定体位标记最近的连通区域为目标连通区域或者确定第一个连通区域为目标连通区域。
进一步的，本发明实施例提供的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置中，搜索模块40，包括：
第二确定单元，用于根据所述粗检测中心位置的横坐标值以及第二设定步长，确定的横坐标搜索点；
第二遍历单元，用于以确定的所述横坐标搜索点为起始点，遍历所述粗检测中心位置的纵坐标值对应像素值，当在双向纵坐标方向中检测到大于第三设定阈值的像素值，并记录该像素值对应的纵坐标值；
第一选取单元，用于在向上的纵坐标方向的记录结果中选取最大纵坐标值，作为目标血管的上血管壁的纵坐标值；
第二选取单元，用于在双向纵坐标方向的记录结果中选取最小纵坐标值，作为目标血管的下血管壁的纵坐标值。
进一步的，本发明实施例提供的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置中，确定模块50包括：
第三确定单元，用于根据目标血管设定的横坐标值和搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定目标血管的中心点；
第四确定单元，用于以所述中心点为圆心，以所述上下血管壁的纵坐标值之差为半径，确定所述穿刺点所在的范围；
第五确定单元，用于根据所述目标血管的中心点、所述上血管壁的纵坐标值以及第二设定体位标记，确定目标血管的深度值；所述第二设定体位标记包括：皮肤表面到中心点的距离与图像坐标系中的坐标点的对应关系。
本发明实施例提供的一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置，与现有技术中的B超机仅可以提供图像的位置深度信息，不能直观的反映穿刺时，留置针的穿刺深度和走针路线，从而造成临床上穿刺困难等难题相比，其能够高精度的自动定位穿刺机构在目标血管中的穿刺位置，降低了医院的人力培训成本，同时避免了人工穿刺针扎伤风险。
本发明实施例所提供的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置可以为设备上的特定硬件或者安装于设备上的软件或固件等。本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，其特征在于，包括：
采集目标血管的图像数据，所述图像数据中包含所述目标血管在图像坐标系中设定的横坐标值；
根据所述目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素，获取所述图像数据中所述目标血管的图像特征；
根据所述目标血管的图像特征，确定所述目标血管的粗检测中心位置；
以根据所述粗检测中心位置的横坐标值确定的横坐标为搜索点，在所述粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值；
根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述目标血管的穿刺点所在的范围和目标血管的深度值。
2.根据权利要求1所述的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，其特征在于，根据所述目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素，获取所述图像数据中所述目标血管的图像特征，包括：
根据所述目标血管设定的横坐标值和所述设定的横坐标值在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素；
统计所述设定窗口内黑色像素占所述设定窗口中像素的比例，通过二维结构体数组记录得到的黑色像素比例曲线；其中，所述黑色像素为像素值低于第一设定阈值的像素；所述二维结构体数组的一个维度记录黑色像素比例曲线的位置，其另一个维度记录黑色像素比例曲线的数据值。
3.根据权利要求2所述的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，其特征在于，根据所述目标血管的图像特征，确定所述目标血管的粗检测中心位置，包括：
在所述黑色像素比例曲线中查找满足第一设定条件的连通区域；所述第一设定条件为：所述连通区域中所有黑色像素比例均大于第二设定阈值且所述连通区域的宽度大于设定宽度阈值；所述连通区域至少包括如下特征信息：起点位置信息、终点位置信息、中心位置信息和波峰位置信息；
将得到的所述连通区域的特征信息以结构体数组方式记录保存；
在所述连通区域结构体数组中，查找首次出现且满足第二设定条件的波峰中心；所述第二设定条件为：该波峰中心的位置低于第一设定体位标记的位置且在该波峰中心之前至少包括一个波峰中心；所述第一设定体位标记的位置用于限定所述波峰中心之前至少包括两个所述连通区域；
根据第二设定体位标记的位置，从所述波峰中心之前包括的连通区域中选取目标连通区域，并将所述目标连通区域对应的波峰值作为所述目标血管的纵坐标值；
根据所述目标血管设定的横坐标值和确定的所述纵坐标值，确定所述目标血管的粗检测中心位置。
4.根据权利要求3所述的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，其特征在于，在所述黑色像素比例曲线中查找满足第一设定条件的连通区域，包括：
从记录所述黑色像素比例曲线的二维结构体数组中查找大于第二设定阈值的像素值；当首次查找到大于第二设定阈值的第一像素值时，记录所述第一像素值的位置作为起点位置，直至首次查找到小于第二设定阈值的第二像素值时，记录所述第二像素点的位置作为终点位置；
判断所述起点位置和所述终点位置之间的距离是否大于设定宽度阈值；若是，确定所述起点位置到所述终点位置为一个连通区域，并记录所述连通区域的中心位置和波峰位置；
重复执行上述查找和判断的步骤，直至完成对所述二维结构体数组中像素值的遍历。
5.根据权利要求3所述的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，其特征在于，根据第二设定体位标记的位置，从所述波峰中心之前包括的连通区域中选取目标连通区域，包括：
获取所述波峰中心之前的第一个连通区域和第二连通区域；
分别计算所述第一个连通区域的终点位置和第二个连通区域的起点位置与第二设定体位标记的位置的距离；
根据距离计算结果，确定距离所述第二设定体位标记最近的连通区域为目标连通区域或者确定第一个连通区域为目标连通区域。
6.根据权利要求2所述的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，其特征在于，以根据所述粗检测中心位置的横坐标值确定的横坐标为搜索点，在所述粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值，包括：
根据所述粗检测中心位置的横坐标值以及第二设定步长，确定的横坐标搜索点；
以确定的所述横坐标搜索点为起始点，遍历所述粗检测中心位置的纵坐标值对应像素值，当在双向纵坐标方向中检测到大于第三设定阈值的像素值，并记录该像素值对应的纵坐标值；
在向上的纵坐标方向的记录结果中选取最大纵坐标值，作为目标血管的上血管壁的纵坐标值；
在双向纵坐标方向的记录结果中选取最小纵坐标值，作为目标血管的下血管壁的纵坐标值。
7.根据权利要求6所述的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位方法，其特征在于，根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述目标血管的穿刺点所在的范围，包括：
根据目标血管设定的横坐标值和搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定目标血管的中心点；
以所述中心点为圆心，以所述上下血管壁的纵坐标值之差为半径，确定所述穿刺点所在的范围；
根据所述目标血管的中心点、所述上血管壁的纵坐标值以及第二设定体位标记，确定目标血管的深度值；所述第二设定体位标记包括：皮肤表面到中心点的距离与图像坐标系中的坐标点的对应关系。
8.一种留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集目标血管的图像数据，所述图像数据中包含所述目标血管在图像坐标系中设定的横坐标值；
图像特征获取模块，用于根据所述目标血管设定的横坐标值及其在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素，获取所述图像数据中所述目标血管的图像特征；
粗检测模块，用于根据所述目标血管的图像特征，确定所述目标血管的粗检测中心位置；
搜索模块，用于以根据所述粗检测中心位置的横坐标值确定的横坐标为搜索点，在所述粗检测中心位置的纵坐标值中搜索上下血管壁的纵坐标值；
确定模块，用于根据搜索的上下血管壁的纵坐标值，确定所述目标血管的穿刺点所在的范围和目标血管的深度值。
9.根据权利要求8所述的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置，其特征在于，图像特征获取模块，包括：
第一遍历单元，用于根据所述目标血管设定的横坐标值和所述设定的横坐标值在纵坐标方向的第一设定步长，遍历所述图像数据在设定窗口中的像素；
统计单元，用于统计所述设定窗口内黑色像素占所述设定窗口中像素的比例，通过二维结构体数组记录得到的黑色像素比例曲线；所述二维结构体数组的一个维度记录黑色像素比例曲线的位置，其另一个维度记录黑色像素比例曲线的数据值。
10.根据权利要求9所述的留置针在穿刺静脉血管中的自动定位装置，其特征在于，粗检测模块，包括：
第一查找单元，用于在所述黑色像素比例曲线中查找满足第一设定条件的连通区域；所述第一设定条件为：所述连通区域中所有黑色像素比例均大于第二设定阈值且所述连通区域的宽度大于设定宽度阈值；所述连通区域至少包括如下特征信息：起点位置信息、终点位置信息、中心位置信息和波峰位置信息；
记录单元，用于将得到的所述连通区域的特征信息以结构体数组方式记录保存；
第二查找单元，用于在所述连通区域结构体数组中，查找首次出现且满足第二设定条件的波峰中心；所述第二设定条件为：该波峰中心的位置低于第一设定体位标记的位置且在该波峰中心之前至少包括一个波峰中心；所述第一设定体位标记的位置用于限定所述波峰中心之前至少包括两个所述连通区域；
选取单元，用于根据第二设定体位标记的位置，从所述波峰中心之前包括的连通区域中选取目标连通区域，并将所述目标连通区域对应的波峰值作为所述目标血管的纵坐标值；
第一确定单元，用于根据所述目标血管设定的横坐标值和确定的所述纵坐标值，确定所述目标血管的粗检测中心位置。
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Application publication date: 20170613

Assignee: Mengshi Technology (Beijing) Co.,Ltd.

Assignor: China Rongtong Scientific Research Institute Group Co.,Ltd.

Contract record no.: X2024980004043

Denomination of invention: An automatic positioning method and device for indwelling needles in puncturing venous vessels

Granted publication date: 20190927

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