CN110352035B - 经由信号变化放大的静脉穿刺和动脉线引导 - Google Patents

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Abstract

一种脉管系统成像设备包括光学相机(10)、显示器(12)、被连接为操作所述光学相机和所述显示器的电子处理器(14)和存储指令(18)的非瞬态存储介质(16)，所述指令可由所述电子处理器读取和执行，以执行脉管系统成像方法(20)。该方法包括：操作所述光学相机来采集彩色视频；计算所述彩色视频的像素的值的时间变化；基于所述像素的值的时间变化识别表示脉管系统的像素；以及操作所述显示器来以对表示脉管系统的像素的突出显示来呈现所述彩色视频。在一些实施例中，所述脉管系统成像设备包括蜂窝电话(移动电话)或其他移动设备(22)，其中，相机和显示器是内置部件。所述指令可以是在由所述移动设备运行的移动操作系统(24)下可执行的应用程序(app)。

Description

经由信号变化放大的静脉穿刺和动脉线引导
技术领域
下文总体上涉及静脉穿刺领域、动脉线放置领域、看护和患者护理领域、血液学领域和相关领域。
背景技术
静脉穿刺和动脉线放置分别提供对患者的静脉和动脉血液系统的进入。静脉穿刺用于诸如用于进行测试的抽血或献血、施用静脉内(IV)流体等的任务。静脉穿刺是一种非常常见的医学流程：据一些估计，每年执行大约10亿次静脉穿刺流程。动脉线用于抽取动脉血气(ABG)样本、直接动脉血压监测等。静脉穿刺和动脉线放置通常由护士、医生和其他医学专业人员执行。在静脉穿刺中的皮下注射针或IV针的准确初始放置通过最小化能够导致疼痛和潜在感染途径的皮肤穿透来大大改进患者体验，并且避免延迟和改进临床工作流程。然而，根据一些估计，第一次尝试上的准确放置被实现不到一半的时间。由于与静脉相比动脉的位置更深，动脉线放置是更困难的流程，从而导致在重复动脉线放置尝试的情况下的增加的疼痛和潜在受伤。
下文公开了解决上述问题和其他问题的新的和改进的系统和方法。
发明内容
在一个公开的方面中，脉管系统成像设备包括光学相机、显示器、至少一个电子处理器和存储可由至少一个电子处理器读取和执行以执行脉管系统成像方法的指令的非瞬态存储介质。所述方法包括：操作光学相机来采集彩色视频；计算彩色视频的像素的值的时间变化；基于像素的值的时间变化识别表示脉管系统的像素；并且操作显示器来以对表示脉管系统的像素的突出显示来呈现彩色视频。在一些实施例中，脉管系统成像设备包括蜂窝电话(“移动电话”)或具有相机和具有内置部件的显示器的其他移动设备。指令可以是在由移动设备运行的移动操作系统下可执行的应用程序(“app”)。
在另一个所公开的方面中，非瞬态存储介质存储可由运行移动操作系统的移动设备读取和执行的指令，并具有内置显示器和具有彩色视频采集能力的内置光学相机。指令包括在由移动设备运行的移动操作系统下可执行以执行脉管系统成像方法的应用程序。该方法包括以下操作：(i)使用移动设备的内置光学相机采集彩色视频；(ii)识别彩色视频中的表示脉管系统的像素；并且(iii)以在移动设备的内置显示器上对表示脉管系统的像素的突出显示来呈现彩色视频。
在另一个所公开的方面中，公开了一种脉管系统成像方法，其包括：使用光学相机采集彩色视频；使用电子处理器执行彩色视频的电子处理，所述电子处理包括计算彩色视频的像素的值的时间变化，并基于像素的值的时间变化识别表示脉管系统的像素；并且以在显示器上对表示脉管系统的像素的突出显示来呈现彩色视频。在一些实施例中，识别包括区分表示静脉的像素和表示动脉的像素，并且呈现包括使用针对静脉和动脉的不同的突出显示来突出显示表示静脉的像素和表示动脉的像素。
一个优点在于提供一种脉管成像设备或方法，其改进静脉穿刺或动脉线放置流程的成功第一次放置的可能性。
另一个优点在于提供一种脉管成像设备或方法，其有效地改进静脉穿刺或动脉线放置流程的成功率。
另一个优点在于提供一种脉管成像设备或方法，其有效区分动脉和静脉。
另一个优点在于提供具有一个或多个前述优点的脉管成像设备或方法，其利用现有蜂窝电话(移动电话)或其他移动设备的相机、显示器和电子处理器。
给定实施例可以不提供前述优点，或者可以提供前述优点中的一个、两个、更多个或全部，和/或可以提供对于本领域普通技术人员在阅读和理解本公开内容时将变得显而易见的其他优点。
附图说明
本发明可以采取各种部件和各部件布置的形式，并且可以采取各种步骤和各步骤安排的形式。附图仅用于说明优选实施例的目的，而不应被解释为对本发明的限制。
图1图解地图示了脉管系统成像设备的正视图(左上)和后视图(左下)，以及内部电子器件(右上)的示意性表示和由脉管系统成像设备执行的脉管系统成像过程(右下)。
图2图解地图示了用于对目标位置(例如患者的手腕、手或下臂区域)中的脉管系统进行成像以进行静脉穿刺或动脉线放置的图1的脉管系统成像设备的使用。
图3和4图解地图示了图2的脉管系统成像过程的图像处理操作。
图5呈现了用于图1所示的脉管成像过程(右下)的彩色视频采集、时间变化计算、脉管像素识别和脉管系统突出显示操作的说明性选项的表格。
具体实施方式
参考图1，说明性脉管系统成像设备包括具有彩色视频采集能力的光学相机10、显示器12和连接以操作光学相机10和显示器12的示意性指示的电子处理器14，以及存储指令18的非瞬态存储介质16，指令18可由电子处理器14读取和执行以执行脉管系统成像方法20(在图1中以流程图方式图解地指示)。说明性脉管系统成像设备被实施为移动设备，例如，说明性蜂窝电话22(或在其他实施例中，平板计算机、个人数据助理或PDA等)，其中，光学相机10是移动设备22的内置相机，并且显示器12是移动设备22的内置显示器。说明性移动设备22运行移动操作系统24，诸如iOS TM或Android TM操作系统(分别从Apple Corp.，Cupertino，California，USA；和Google Inc.，Mountain View，California，USA可购得)，其能够运行各种应用程序(“app”)26以使移动设备22执行由各个应用程序编程的各种任务。图1通过描绘移动设备(例如移动电话)22的正视图(左上)和后视图(左下)，以及包括电子处理器14和非瞬态存储介质16的内部电子器件的示意性表示(右上)和由脉管系统成像设备执行的脉管系统成像过程20(右下)图解地图示了基于移动设备的脉管系统成像设备。如本领域中已知的，包括脉管系统成像app 18的各种app 18、26本地存储在移动设备22的非瞬态存储介质16中(或之上)，并且通常也存储在网络服务器的非瞬态存储介质(例如，硬盘驱动器、RAID、固态驱动器、光盘等)中，所述网络服务器可经由无线通信网络访问，移动设备22经由Wi-Fi、4G或其他无线通信链路连接到所述无线通信网络。在一些商业实施例中，用户经由无线通信网络从服务器下载app 18，或者免费或在支付购买费或许可购买费之后。额外地或备选地设想各种app 18、26经由诸如USB线缆的有线连接被加载到非瞬态存储介质16中。移动设备22的非瞬态存储介质16例如可以是闪存、CMOS存储器等；而电子处理器14可以是微控制器或微处理器，其可以是多核的，和/或包括图形处理单元(GPU)、或者以其他方式配备为提供期望水平的计算能力。
显示器12可以是LCD显示器、OLED显示器等。显示器12可以具有触敏叠加层，例如，采用电容式或表面声波(SAW)触摸屏技术。触敏显示器12因此用作用户输入设备。在典型的设计中，各种app 18、26具有对应的应用程序图标，例如，对应于脉管成像应用程序18的图标30、对应于计算器app的说明性图标32，等等。响应于经由显示器12的触敏叠加层检测到用户触摸图标30，脉管成像应用程序18被加载并开始执行。移动设备22可以包括其他用户输入控件，例如说明性的“主页”按钮34。
光学相机10通常包括在数字检测器阵列(例如CCD成像阵列、CMOS成像阵列等)上形成图像的透镜或透镜组件。光学相机10具有彩色视频能力，例如，通过具有对红色、绿色和蓝色光(或实质上跨越可见光谱的另一组颜色，例如400-700nm)敏感的像素的成像阵列。光学相机10产生包括可见光图像(即具有主要在可见光谱(400-700nm)中的图像内容)的视频帧，但是预期来自相邻近红外和/或近紫外光谱区域的一些贡献。作为非限制性说明性范例，帧速率可以是例如24帧/秒或30帧/秒。通常，帧速率应该是预期要被分析的最高频率时间变化的至少两倍，以便满足奈奎斯特(Nyquist)采样率准则。由于每分钟300次心跳(5次心跳/秒)的心率对于大多数人高于物理可实现性，因此预期至少10fps的帧速率足以捕获随心率的变化周期。光学相机10任选地可以包括其他特征，例如用于设置曝光时间的内置闪光灯36和/或环境光传感器38。
说明性脉管成像设备有利地利用蜂窝电话(移动电话)或其他移动设备22的内置摄像头10、内置显示器12和内置电子处理器14，从而利用对于大多数护士、医生和其他医疗专业人士已经可用的硬件。在其他预期实施例中，脉管成像设备可以是专用设备，例如，包括安装在支架或外壳上以将相机保持在固定位置的具有视频能力的专用光学相机，所述固定位置包括对象在用于静脉穿刺或动脉线放置的视野(FOV)中的潜在插入部位。在另一实施例中，提供包括移动电话保持器的支架，以将移动电话22保持在对于在静脉穿刺或动脉线放置期间查看脉管系统方便的位置。
简要参考图2，在另一种方法中，在脉管成像期间用手握住移动电话22。如图2所示，所采集的彩色视频被呈现为在移动电话22的显示器12上示出的视频显示器40。如本文其他地方所述，彩色视频由运行脉管系统成像应用程序18的电子处理器14处理，以例如基于像素的值的时间变化识别表示脉管系统的像素，并且利用表示脉管系统的像素的突出显示42来呈现彩色视频。突出显示42可以例如包括以下中的一个或多个：以特定颜色显示表示脉管系统的像素，以比不表示脉管系统的像素更高的强度显示表示脉管系统的像素，和/或以时间变化强度显示表示脉管系统的像素。在一些实施例中，该处理区分表示静脉脉管系统的像素和表示动脉脉管系统的像素，并且以不同的突出显示来突出显示静脉和动脉，例如，在一个突出显示方案中，红色用于静脉，并且蓝色用于动脉。
返回参考图1，更详细地描述了说明性脉管系统成像方法20。在操作50中，启动脉管系统成像方法。例如，操作50可以需要在移动设备22上运行的移动操作系统24经由显示器12的触敏叠加层检测到用户正在触摸图标30，并且作为响应，加载并执行脉管成像应用程序18。在操作52中，操作光学相机10采集彩色视频。(此处假设相机被指向为对静脉穿刺或动脉线放置流程要在其处执行的手臂、手腕、手或其他身体部位进行成像)。在操作60中，计算彩色视频的像素的值的时间变化。由于彩色视频包括随时间采集的帧序列(即图像序列)，因此时间变化对应于彩色视频的连续帧上的像素的值的变化。预期各种时间变化具体地指示脉管系统。例如，预期静脉区域由于静脉血氧合的改变会随着时间经历颜色变化。作为另一范例，预期动脉区域由于由动脉血液的流入和流出引起的微妙运动而经历变化。在操作62中，基于时间变化将像素分类为脉管系统或非脉管系统(并且任选地，脉管像素还被区分为静脉或动脉像素)。在任选操作64中，连接性分析或其他分组操作用于对被识别为脉管系统的连续像素进行分组，以描绘脉管系统的区域。(在一些变型实施例中，像素64的这样的连续性分析或分组可以在像素分类62之前执行或者作为像素分类62的整体部分执行，例如在区域增长像素分类方法中)。在操作66中，在操作52中采集的彩色视频显示在显示器12上，其中，被识别为脉管系统的像素被突出显示。然后流程返回到操作52。更具体地，在一些实施例中，执行交错处理，例如，其中，正在操作60、62、64中处理最后N帧，同时正经由操作52采集下一个N帧。
在说明性范例中，脉管系统成像过程20由在移动设备22的电子处理器14上运行的脉管成像应用程序18执行。然而，预期部分或全部计算操作，例如，操作60、62、64中的一个、多个或全部由另一电子处理器执行，例如在诸如云计算资源的因特网服务器处。在这些实施例中，通过由电子处理器14执行的操作52捕获的视频经由WiFi、蜂窝连接或其他无线通信链路传输到外部服务器或其他第二电子处理器，其然后执行操作60、62、64，以生成脉管系统突出显示，所述脉管系统突出显示然后经由WiFi、蜂窝或其他无线通信链路从服务器传输回移动设备22，以经由由移动设备22的电子处理器14执行的操作66显示在移动设备22处。例如，如果移动设备22具有快速无线通信链路但是有限的机载(on-board)处理能力，则变型方法可能是有利的。
在下文中，描述了脉管系统成像过程20的更具体实施例的一些说明性范例。在这些说明性范例中的一些中，放大信号变化的强度的算法用于放大彩色视频内的颜色或运动的细微变化。具有与脉管系统一致的变化的区域被识别并突出显示。
继续参考图1并且还参考图3和4，为了检测和定位脉管系统，图1的脉管系统成像过程20的两步法包括第一步骤60，其中，彩色视频中的细微信号变化被放大。图3图示了一种方法。在图3的范例中，操作60采用使用欧拉运动放大算法的运动变化的放大。参加Wu等人的Eulerian Video Magnification，“Eulerian Video Magnification for RevealingSubtle changes inthe World”(ACM Transactions on Graphics，第31卷第4号(Proc.SIGGRAPH，2012))。通过这种方法的变化的放大增强了不容易从原始视频中检测到的变化。例如，如图3所示，在信号放大之后，在脉管系统上的像素70具有与动脉波形一致的预期频率范围内的正弦信号72(例如，对应于心动周期或脉搏率)。不位于脉管系统上的另一像素74具有不具有与生理学一致的频率的信号76。参考图4，在第二步骤62中，识别与脉管生理学一致的像素。在图4的说明性范例中，经由傅里叶变换将信号分解成其频率分量，以产生频谱80。提取信息的一种方法是通过由斜率反演和局部峰搜索跟随的窗口来识别生理可行通带82内的峰(例如，对应于针对患者的可信的脉搏率范围，例如，具有40次心跳/分钟的下限或者对患者来说现实的一些其他最低值，以及200次心跳/分钟的上限或对患者来说现实的一些其他最高值)。能够采用其他方法来基于由计算60产生的像素的值的时间变化来识别表示脉管系统的像素。
参考图5，预期图3和图4中图解描绘的处理的许多变型，其中一些在图5中呈现，图5呈现用于彩色视频采集操作52、时间变化计算操作60、脉管像素识别操作62和显示操作66的脉管系统突出显示部分的选项的表格。例如，颜色变化放大的增加被预期为产生进一步的改进并去除对大运动的敏感性。预期诸如内插、去噪和平滑的额外的信号处理步骤以进一步改进准确度。能够额外地或备选地以高动态范围(HDR)图像采集增强对颜色变化的灵敏度。通过扩展比特深度，颜色或亮度的小信号变化将具有增加的信噪比(SNR)。预期这跟随有自适应直方图均衡算法以增强对比度和/或直接跟随颜色变化放大。在说明性图5中，行R1提供预期在突出显示表示动脉脉管系统的像素时特别有用的处理，而行R2和R3被预期在突出显示表示静脉脉管系统的像素时特别有用。
如图1中指出的，在其他变型中，预期采用区域聚合器操作64，以在像素分类之后(如图1所示)或在像素分类之前或与像素分类一起整体地将表示脉管系统的像素分组在一起。例如，区域聚合器操作64可以识别孤立像素，所述孤立像素在操作62中被识别为不表示脉管系统，但是主要或完全被在操作62中识别为表示脉管系统的像素围绕-在这种情况下，在操作64中孤立像素被识别为也表示脉管系统。相反，在操作62中被识别为表示脉管系统但是主要或完全被在操作62中识别为不表示脉管系统的像素包围的孤立像素在操作64中被适当地识别为也不表示脉管系统。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解前面的详细描述时，其他人可能会想到修改和变更。本发明旨在被解释为包括所有这些修改和变更，只要它们落入所附权利要求或其等价方案的范围内。

Claims (15)

1.一种脉管系统成像设备，包括：
光学相机(10)，其具有彩色视频采集能力；
显示器(12)；
至少一个电子处理器(14)；以及
非瞬态存储介质(16)，其存储指令(18)，所述指令能够由所述至少一个电子处理器读取和执行以执行脉管系统成像方法(20)，所述脉管系统成像方法包括：
操作所述光学相机来采集彩色视频；
计算所述彩色视频的像素的值的时间变化；
基于所述像素的所述值的所述时间变化，至少通过识别所述像素的所述值的所述时间变化的对应于可信的脉搏率范围的频率分量(82)内的峰来识别表示脉管系统的像素；以及
操作所述显示器来以对所述表示脉管系统的像素的突出显示来呈现所述彩色视频。
2.根据权利要求1所述的脉管系统成像设备，其中：
所述计算包括计算所述彩色视频的所述像素的颜色值的时间变化；并且
所述识别包括基于所述像素的所述颜色值的所述时间变化来识别表示脉管系统的像素。
3.根据权利要求1或2所述的脉管系统成像设备，其中：
所述计算包括计算所述彩色视频的所述像素的值的变化的欧拉视频放大；并且
所述识别包括使用所述欧拉视频放大来识别表示脉管系统的像素。
4.根据权利要求1或2所述的脉管系统成像设备，其中，所述突出显示包括以下中的一项或多项：以特定颜色显示所述表示脉管系统的像素，以比不表示脉管系统的像素更高的强度显示所述表示脉管系统的像素，以及以时间变化强度显示所述表示脉管系统的像素。
5.根据权利要求1所述的脉管系统成像设备，其中，所述计算和所述识别包括：
计算所述彩色视频的像素的值的第一时间变化和所述彩色视频的像素的值的第二时间变化，其中，所述第二时间变化不同于所述第一时间变化；
基于所述像素的所述值的所述第一时间变化来识别表示静脉的像素；
基于所述像素的所述值的所述第二时间变化来识别表示动脉的像素；
其中，所述突出显示包括使用静脉突出显示来显示所述表示静脉的像素，以及使用与所述静脉突出显示不同的动脉突出显示来显示所述表示动脉的像素。
6.根据权利要求5所述的脉管系统成像设备，其中：
所述静脉突出显示包括使用红色突出显示来显示所述表示静脉的像素；并且
所述动脉突出显示包括使用蓝色突出显示来显示所述表示动脉的像素。
7.根据权利要求5-6中的任一项所述的脉管系统成像设备，其中：
所述第一时间变化包括所述彩色视频的所述像素的颜色值的时间变化；并且
所述第二时间变化包括所述彩色视频的所述像素的值的变化的欧拉视频放大。
8.根据权利要求1或2所述的脉管系统成像设备，其中，所述脉管系统成像设备包括移动设备(22)，并且其中，所述光学相机是所述移动设备的内置相机(10)，并且所述显示器是所述移动设备的内置显示器(12)。
9.根据权利要求8所述的脉管系统成像设备，其中，所述移动设备(22)是移动电话，所述光学相机是所述移动电话的内置相机(10)，并且所述显示器是所述移动电话的内置显示器(12)。
10.一种非瞬态存储介质(16)，其存储能够由移动设备(22)读取和执行的指令，所述移动设备运行移动操作系统(24)并且具有内置显示器(12)和具有彩色视频采集能力的内置光学相机(10)，所述指令包括应用程序(18)，所述应用程序能够在由所述移动设备运行的所述移动操作系统下执行，以执行包括以下操作的脉管系统成像方法(20)：(i)使用所述移动设备的所述内置光学相机来采集彩色视频；(ii)至少通过识别所述彩色视频的像素的值的时间变化的对应于可信的脉搏率范围的频率分量(82)内的峰来识别所述彩色视频中的表示脉管系统的像素；以及(iii)以在所述移动设备的所述内置显示器上对所述表示脉管系统的像素的突出显示来呈现所述彩色视频。
11.根据权利要求10所述的非瞬态存储介质，其中，识别的操作(ii)包括(ii)(a)计算所述彩色视频的所述像素的所述值的所述时间变化，以及(ii)(b)基于所述像素的所述值的所述时间变化来识别所述表示脉管系统的像素。
12.根据权利要求11所述的非瞬态存储介质，其中：
计算的操作(ii)(a)包括计算所述彩色视频的所述像素的值的时间变化；并且
识别的操作(ii)(b)包括基于所述像素的颜色值的所述时间变化来识别表示静脉的像素。
13.根据权利要求11-12中的任一项所述的非瞬态存储介质，其中：
计算的操作(ii)(a)包括计算所述彩色视频的所述像素的值的时间变化；并且
识别的操作(ii)(b)包括使用欧拉视频放大来识别表示动脉的像素。
14.根据权利要求10-12中的任一项所述的非瞬态存储介质，其中，所述突出显示包括以下中的一项或多项：以特定颜色显示所述表示脉管系统的像素，以比不表示脉管系统的像素更高的强度显示所述表示脉管系统的像素，以及以时间变化强度显示所述表示脉管系统的像素。
15.根据权利要求10-12中的任一项所述的非瞬态存储介质，其中，所述移动操作系统(24)是iOS TM操作系统或Android TM操作系统。
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