CN108364555B - 应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型，包括裁剪为手形状的手背骨模型支架、沿所述手背骨模型支架设置的输液管及套设于所述手背骨模型支架表面的皮肤层。本发明还提供一种近红外手背皮下静脉深度的测量方法。利用上述装置制成手背静脉模型，将手背模型图像的静脉灰度值与手背模型静脉血管皮下深度值进行标定、曲线拟合及校准，最终可定量的给出手背静脉血管皮下深度的直观差异，并且对测得血管深度进行实时的标注，方便医护人员进行静脉穿刺时参考判断，达到辅助医疗应用目的。
Description
技术领域
本发明涉及应用医学图像技术领域，尤其涉及一种应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型及其测量方法。
背景技术
近红外静脉成像技术是利用人体血管中的血红蛋白吸收特定波长的红外线、其它组织则反射和散射该波段的红外光线的原理来进行近红外成像，利用红外敏感成像器件采集检测目标信息，再经过一定的图像算法处理后，最终显示在液晶显示屏或计算机系统上。而对于成熟的静脉成像技术多应用于身份认证识别领域，在辅助医疗穿刺方面应用不广泛，在于成像系统不能给出手背皮下静脉的具体的深度值，对于现有的静脉成像，请参阅图1，医护人员仅能通过现有的静脉图像中判断静脉穿刺位置，而不能判断静脉穿刺深度，依旧需要经验和熟练度来进行静脉注射治疗。
因此，有必要提供一种新的应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型及其测量方法解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供一种解决上述技术问题的应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型及其测量方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型包括包括裁剪为手形状的手背骨模型支架、沿所述手背骨模型支架设置的输液管及套设于所述手背骨模型支架表面的皮肤层。
优选的，所述手背骨模型支架由五层纸箱通过裁剪制成，所述皮肤层为接近肤色的丝袜制成，所述丝袜为若干层薄丝袜或厚丝袜或若干层薄丝袜和厚丝袜的组合。
优选的，所述手背骨模型支架和所述输液管通过胶带纸粘接固定。
优选的，所述输液管包括内部连通第一输液管和第二输液管，所述第一输液管的截面直径大于所述第二输液管的截面直径，所述第一输液管设于所述手背骨模型支架的手背位置，所述第二输液管设于所述手背骨模型支架的手指位置。
优选的，所述输液管中填充的液体选用家禽的血液。
一种近红外手背皮下静脉深度的测量方法，应用上述手背静脉模型，其特征在于，包括如下步骤：
提供手背静脉模型，测量薄丝袜、厚丝袜、第一输液管及第二输液管的厚度；
提供另一手背静脉模型，其包括一层薄丝袜和一层厚丝袜，厚丝袜模拟表皮组织，薄丝袜模拟真皮组织，此时皮肤的厚度为厚丝袜、薄丝袜与第一输液管的厚度值之和，采集该手背静脉模型的手背模型图像，测量图像的灰度值；
由于真实的人体手背静脉血管在表皮下0.5mm-4.00mm，提供再一手背静脉模型，依次增加薄丝袜的层数，分别采集图像进行灰度值的对应，采集标定图像采集标定图像；
对标定图像在血管处依次截取10×15的像素模版，由于深度值对应的是一定的灰度值范围，对模版内像素灰度值取众数，即出现次数最多的灰度值数作为最终标定的灰度值。
优选的，使用游标卡尺通过多次测量双层厚度取均值再除2的方法测得薄丝袜厚度为0.23mm，厚丝袜厚度为0.32mm；
使用游标卡尺多次测量求平均值测得第一输液管直径为3.80mm，第二输液管直径为2.06mm，两者的输液管壁厚均为0.40mm。
优选的，另一手背静脉模型的厚度为厚丝袜0.32mm、薄丝袜0.23mm与第一输液管壁厚0.40mm的总厚度值为0.95mm。
优选的，再一手背静脉模型的厚度值为h＝0.23n+0.32+0.40，添加14层厚度使最终的血管内壁距离表皮深度值为4.17mm，符合真实的人体手背静脉血管在表皮下0.5mm-4.00mm范围。
与相关技术相比较，本发明提供的应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型及其测量方法具有如下有益效果：
本发明提供的应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型及其测量方法利用灰度对应的方法测量人体手背静脉皮下深度的方法，该方法利用自行设计制作的人体手背静脉模型，其结构是：用纸板作为手背骨模型支架，选用肉色厚薄丝袜作为手背皮肤与静脉血管所在的皮下组织，输液管作为静脉血管，并用最接近人体血液的猪血作为替代，制作成手背静脉模型，并且模拟血管的深浅。
利用上述装置制成手背静脉模型，将手背模型图像的静脉灰度值与手背模型静脉血管皮下深度值进行标定、曲线拟合及校准，最终可定量的给出手背静脉血管皮下深度的直观差异，并且对测得血管深度进行实时的标注，方便医护人员进行静脉穿刺时参考判断，达到辅助医疗应用目的。
附图说明
图1为相关技术静脉穿刺失败示意图；
图2为本发明提供的应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型的一种较佳实施例的结构示意图；
图3是手背模型标定图；
图4是灰度值与深度值的二次拟合曲线；
图5是手背模型静脉血管深度标注图；
图6是静脉血管原图与深度测量ROI图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请参阅图2，所述应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型100包括裁剪为手形状的手背骨模型支架1、沿所述手背骨模型支架1设置的输液管2及套设于所述手背骨模型支架1表面的皮肤层3。
所述手背骨模型支架1由五层纸箱通过裁剪制成，所述皮肤层3为接近肤色的丝袜制成，所述丝袜为若干层薄丝袜或厚丝袜或若干层薄丝袜和厚丝袜的组合。
所述手背骨模型支架1和所述输液管2通过胶带纸粘接固定。
所述输液管2包括内部连通第一输液管21和第二输液管22，所述第一输液管21的截面直径大于所述第二输液管22的截面直径，所述第一输液管21设于所述手背骨模型支架1的手背位置，所述第二输液管22设于所述手背骨模型支架1的手指位置。
所述输液管2中填充的液体选用家禽的血液。
通过各个部位的选择力求手背模型中静脉的分布走向能够逼真真实的人体静脉血管，并且我们使用家禽血液作为静脉血液的替代物，并且血管布局与走向，具有血管的特性，高低层次分明，虽然手背模型逼真度较低，但是对手背静脉血管的模拟具有较高的逼真度，尤其是对于静脉血管走向与血液成分的模拟，为测量静脉皮下深度及更进一步的研究打好基础。
具体的，本发明提供的一种近红外手背皮下静脉深度的测量方法，在实际的手背静脉图像中，静脉血管的某一点处的灰度值一定是一个范围，这是由图像本身的特点所决定，而对应该点的深度值只能有一个值。因此为了保证手背静脉模型的灰度值范围与深度值校准的准确性，得到测量点的出现的相对误差，故在进行手背模型深度校准前，需要先对模型的血管深度值与灰度值进行标定。包括如下步骤：
提供手背静脉模型，测量薄丝袜、厚丝袜、第一输液管及第二输液管的厚度；具体的，使用游标卡尺通过多次测量双层厚度取均值再除2的方法测得薄丝袜厚度为0.23mm，厚丝袜厚度为0.32mm；使用游标卡尺多次测量求平均值测得第一输液管直径为3.80mm，第二输液管直径为2.06mm，两者的输液管壁厚均为0.40mm。
提供另一手背静脉模型，其包括一层薄丝袜和一层厚丝袜，厚丝袜模拟表皮组织，薄丝袜模拟真皮组织，此时皮肤的厚度为厚丝袜、薄丝袜与第一输液管的厚度值之和，采集该手背静脉模型的手背模型图像，测量图像的灰度值；具体的，另一手背静脉模型的厚度为厚丝袜0.32mm、薄丝袜0.23mm与第一输液管壁厚0.40mm的总厚度值为0.95mm。
由于真实的人体手背静脉血管在表皮下0.5mm-4.00mm，提供再一手背静脉模型，依次增加薄丝袜的层数，分别采集图像进行灰度值的对应，采集标定图像采集标定图像；具体的，请参阅图3，再一手背静脉模型的厚度值为h＝0.23n+0.32+0.40，添加14层厚度使最终的血管内壁距离表皮深度值为4.17mm，符合真实的人体手背静脉血管在表皮下0.5mm-4.00mm范围。
对标定图像在血管处依次截取10×15的像素模版，由于深度值对应的是一定的灰度值范围，对模版内像素灰度值取众数，即出现次数最多的灰度值数作为最终标定的灰度值。得到手背模型灰度值与深度值标定表如下表所示：
模型手背静脉皮下深度值与灰度值标定表
通过对上表中的灰度值与深度值进行二次曲线拟合得到如图4所示的曲线。
二次曲线的拟合公式：g＝115.46878+27.13881*h-2.65657*h2。
通过对灰度值与深度值二次拟合曲线的分析发现：随着较薄真皮模型的层数增加，血管模型的灰度值不断增加，拟合曲线成抛物线型，而最终随着层数不断增加，灰度值达到最终的数值保持水平，说明近红外线穿透深度达到极值4.00-5.00mm，从该拟合曲线也能得到本文所用的850nm波长的近红外光线的穿透深度为4.00-5.00nm，这是因为穿透深度值会受到供电电压即功率的影响而不同[52]。完成对模型灰度值与深度值的标定后即可对手背模型进行灰度值范围与深度值的校准验证。
进一步的，对手背模型进行血管的深度测量，由于该模型与标定模型不同，静脉的模拟有粗细之分，并且模拟血管也具有深度不同的走向，选取不同深度值处也就是不同位置的血管模型进行测量，进行表格绘制得到下表：
手背模型静脉血管测量深度值与灰度范围值对应表
血管深度随机增加，选用游标卡尺的最小刻度是0.02mm，由上文得到血管模型中较粗的血管直径为3.80mm，较细血管直径为2.06mm，在上述范围内的血管也较容易进行静脉穿刺，模型使用的是两层丝袜，一薄(0.23mm)一厚(0.32mm)，分别用来模拟表皮与真皮组织，总厚度为0.55mm，与实际静脉血管深度最浅理论值相差0.05mm，较粗与较细模型血管壁(输液管壁)厚度均为0.40mm，基本满足实验要求。由实验测得本摄像头采集到的真实的手背静脉血管图像的灰度值在130-180之间，而图像的像素灰度级在0-255之间，所测的深度值是指皮肤(丝袜上表层)到静脉血管(输液管)内壁的厚度。
测量手背模型的血管深度方法：将游标卡尺卡住整个模型手背厚度，然后将模型皮肤取掉，对模型手背厚度再次测量，通过计算厚度差的办法测量静脉血管距离皮肤表面的深度值，这样测得的厚度值需要加上血管壁的厚度值，得到最终的手背模型静脉血管皮下深度值。
测量数据处理：选取10个手背模型位置测量血管深度，对每个位置进行多次测量求平均值的方法，算出所测深度值的平均绝对误差:/>n取9次，最终手背模型静脉血管深度值的测量结果数据组成：/>同时在所得手背模型静脉图像上相对应位置选取3×3模版的像素点得到灰度值范围，得到如上表所示的对应关系。
静脉血管模型的位置与其测量的深度值相对应，做好标记如图5所示。
接下来在采集的手背模型图像中，标出测量的静脉血管位置与静脉血管的深度，用灰度对应的方式进行灰度校准，也就是在手背静脉模型的某一位置血管处其对应的深度与对应的图像中的灰度值做统计，该数值就是深度的标准。最终其深度与图像的灰度会有一个对应关系即
h(x,y)＝g(x,y)
式中h(x,y)是静脉血管(x,y)处的深度值，g(x,y)是静脉血管(x,y)处的灰度值，上表为最终的灰度值与深度值对应关系表。
通过对图像的分析，由于图像边缘像素普遍会偏低，近红外光源的分布也是从中央向两边排布，排成均匀的环形区域，使得在图像边缘测得的静脉深度缺乏可靠性和准确性，故需要提取图像中央感兴趣区域作为静脉血管深度测量的有效区域。
图像视觉效果显示灰度变化不明显，这是因为人眼能识别的灰度级数范围有限，灰度值差异大的能够识别出来，而灰度值差异小的不容易识别，图像的灰度级为0-255，而截取的图像灰度级范围是45级，故静脉图像在视觉上看起来没有很明显的亮暗差异。
通过灰度值对应标定拟合曲线上的深度值，较粗模拟血管5个位置的灰度值范围在拟合曲线上会有相对应的深度范围，而在标准的手背模5个位置测量的深度值为固定值而不是范围值，这样可以得到手背模型测量的深度值对应灰度值范围在拟合曲线上深度范围值的相对误差范围，即在测量真实手背静脉血管深度值时通过查对应标定校准表得到的深度值的相对误差范围，对应校准表如下表所示：
手背静脉血管深度值与灰度范围对应标定校准表
本申请选用①②③⑤⑥⑨这6个位置对应的数据，因为其他数据相对靠近整幅图像边缘，灰度值不准确，接下来我们采集真实的手背静脉血管图像，选取静脉血管主要区域进行深度测量，同时在实际的医学静脉穿刺中，医护人员往往会选择较粗的血管来进行静脉穿刺，故手背模型血管位置⑨是较细血管位置，其灰度范围与深度对应值仅用来作为参考值。通过标定后的上表测得真实的人体手背静脉血管深度得到图6所示。
与相关技术相比较，本发明提供的应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型及其测量方法具有如下有益效果：
本发明提供的应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型及其测量方法包括弹性件、通过所述弹性件间隔相对的第一本体和第二本体，所述第一本体包括用于连接挂具的连接部、用于安装弹性件的第一铰接部及用于夹固电路板的第一夹体，所述连接部、第一铰接部及第一夹体依次延伸形成，所述第二本体包括和所述连接部间隔相对的压力部、用于安装弹性件的第二铰接部及用于夹固电路板的第二夹体，所述压力部、第二铰接部及第二夹体依次延伸形成；所述第一夹体和所述第二夹体均为钛金属制成。钛是一种化学元素，化学符号Ti，原子序数22，是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力；由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属。因此，上述结构电路板电镀过程中化学性质稳定的同时，且经久耐用，不会损坏。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种应用于近红外手背皮下静脉深度测量的手背静脉模型，其特征在于，包括裁剪为手形状的手背骨模型支架、沿所述手背骨模型支架设置的输液管及套设于所述手背骨模型支架表面的皮肤层；所述手背骨模型支架由五层纸箱通过裁剪制成，所述皮肤层为接近肤色的丝袜制成，所述丝袜为若干层薄丝袜或厚丝袜或若干层薄丝袜和厚丝袜的组合；所述手背骨模型支架和所述输液管通过胶带纸粘接固定；所述输液管包括内部连通第一输液管和第二输液管，所述第一输液管的截面直径大于所述第二输液管的截面直径，所述第一输液管设于所述手背骨模型支架的手背位置，所述第二输液管设于所述手背骨模型支架的手指位置；所述输液管中填充的液体选用家禽的血液。
2.一种近红外手背皮下静脉深度的测量方法，应用上述手背静脉模型，其特征在于，包括如下步骤：
提供手背静脉模型，测量薄丝袜、厚丝袜、第一输液管及第二输液管的厚度；
提供另一手背静脉模型，其包括一层薄丝袜和一层厚丝袜，厚丝袜模拟表皮组织，薄丝袜模拟真皮组织，此时皮肤的厚度为厚丝袜、薄丝袜与第一输液管的厚度值之和，采集该手背静脉模型的手背模型图像，测量图像的灰度值；
由于真实的人体手背静脉血管在表皮下0.5mm-4.00mm，提供再一手背静脉模型，依次增加薄丝袜的层数，分别采集图像进行灰度值的对应，采集标定图像采集标定图像；
对标定图像在血管处依次截取10×15的像素模版，由于深度值对应的是一定的灰度值范围，对模版内像素灰度值取众数，即出现次数最多的灰度值数作为最终标定的灰度值。
3.根据权利要求2所述的近红外手背皮下静脉深度的测量方法，其特征在于，使用游标卡尺通过多次测量双层厚度取均值再除2的方法测得薄丝袜厚度为0.23mm，厚丝袜厚度为0.32mm；
使用游标卡尺多次测量求平均值测得第一输液管直径为3.80mm，第二输液管直径为2.06mm，两者的输液管壁厚均为0.40mm。
4.根据权利要求2所述的近红外手背皮下静脉深度的测量方法，其特征在于，另一手背静脉模型的厚度为厚丝袜0.32mm、薄丝袜0.23mm与第一输液管壁厚0.40mm的总厚度值为0.95mm。
5.根据权利要求2所述的近红外手背皮下静脉深度的测量方法，其特征在于，再一手背静脉模型的厚度值为h=0.23n+0.32+0.40，添加14层厚度使最终的血管内壁距离表皮深度值为4.17mm，符合真实的人体手背静脉血管在表皮下0.5mm-4.00mm范围。
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