CN111249582A

CN111249582A - 基于nir-ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置与深层静脉可视方法

Info

Publication number: CN111249582A
Application number: CN202010080167.9A
Authority: CN
Inventors: 石岩; 牛海彬; 陈君; 赵春柳; 金尚忠
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2040-02-04
Also published as: CN111249582B

Abstract

本发明公开了一种基于NIR‑Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置与深层静脉可视方法。该成像装置包括：双波长光源、照明镜头、空间光调制器、投影镜头、集光镜头、探测器、同步控制与数据采集模块、处理器；空间光调制器设置于双波长光源经照明镜头的输出光的光路上；投影镜头用于投射图像至待测静脉；探测器设置于集光镜头的后截距处；同步控制与数据采集模块用于空间光调制器和探测器进行同步控制并对探测器探测出的电信号进行采集；处理器用于获取数据采集模块采集的电信号，并根据单像素成像算法计算处理获得深层静脉图像，处理器还用于控制双波长光源进行光源切换完成深层静脉可视。本发明能够在待测静脉位置显示深层静脉画面。

Description

基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置与深层静脉可视方法

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，特别是是涉及一种基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置与深层静脉可视方法。

背景技术

在现代医学中，静脉注射治疗及血液采集检测十分普遍，静脉注射是直接将药水直接注射入患者的血液中，其能够提高患者的恢复效率，缩短患者的恢复时间。

但是在进行静脉注射之前，医护人员需要对患者进行静脉穿刺。目前大多数识别静脉的方法主要依靠医护人员的肉眼以及经验，但是一些人群静脉在皮肤表面特征很不明显，导致医护人员很难识别，容易造成穿刺失败，需要对患者进行多次的静脉穿刺，增加了患者痛苦。根据统计的资料表明：儿童静脉注射的首次穿刺失败率为45％；而儿童中需要穿刺3次以上才能进行静脉注射的比例为43％；静脉注射时，还会发生“漏针”现象；而体质虚弱，高烧的患者中完全失败的比率达到45％。对幼儿、肥胖、浮肿、及低血容量的患者依靠人眼方法的静脉注射更是困难。

因此，需要一种辅助医护人员查找患者的深层静脉系统，从而提高静脉穿刺成功率，减轻患者痛苦，改善医患关系。

目前的静脉可视装置和静脉可视方法，由于CMOS图像传感器采用的硅材料工作波长主要在可见光和NIR-I区，光的穿透深度与波长成正比，其穿透深度浅，无法获取深层细小血管图像，应用场景受限。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置与深层静脉可视方法，实现了NIR-Ⅱ光波段的低成本成像，能够在待测静脉位置显示深层静脉画面，打破了传统CMOS图像传感器因工作波段的限制造成穿透深度浅无法获取深层静脉图像的局限，提高了静脉可视深度。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置，包括：双波长光源、照明镜头、空间光调制器、投影镜头、集光镜头、探测器、同步控制与数据采集模块、处理器；

所述双波长光源，发射NIR-Ⅱ光和可见光；

所述照明镜头将所述双波长光源发射的光均匀照射至所述空间光调制器；

所述空间光调制器用以加载光学编码图像或深层静脉图像；

所述投影镜头将所述空间光调制器加载的图像投影至待测静脉；

所述集光镜设置在所述待测静脉上方；

所述探测器设置于集光镜头的后截距处，用以探测所述集光镜头输出的光，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出；

所述同步控制与数据采集模块,用于对所述空间光调制器与所述探测器进行同步控制，并对所述探测器输出的电信号进行采集，输出至所述处理器；

所述处理器，用于获取同步控制与数据采集模块采集的电信号，并根据单像素成像算法进行计算处理，得到深层静脉图像并输出至所述空间光调制器；

检测时，所述双波长光源发射NIR-Ⅱ光，所述空间光调制器加载光学编码图像，所述探测器探测所述待测静脉在吸收再反向散射的NIR-Ⅱ光后，将探测信号转换成电信号并输出至所述同步控制与数据采集模块，所述同步控制与数据采集模块将采集到的电信号输出至所述处理器处理，所述处理器处理得到深层静脉图像并输出至所述空间光调制器；

再现时，所述双波长光源发射可见光，所述空间光调制器加载深层静脉图像，投影镜头将所述深层静脉图像投射至所述待测静脉皮肤表面完成深层静脉可视。

优选的，所述双波长光源为采用双芯LED光源，所述双芯LED光源包括NIR-ⅡLED光源和可见光LED光源。

优选的，所述双波长光源为包括一个NIR-Ⅱ光源、一个可见光源的合光光学系统。

优选的，所述NIR-Ⅱ光的波长范围为900nm～1700nm，所述可见光的波长范围为380nm～780nm的，由所述处理器控制所述双波长光源进行光源切换。

优选的，所述空间光调制器加载的光学编码图像为若干幅部分哈达玛编码图像。

优选的，所述空间光调制器，包括：DMD数字微镜阵列，所述双波长光源发射的光通过所述DMD数字微镜阵列的微镜翻转反射经投影镜头投射至待测静脉。

优选的，所述集光镜头的直径小于或等于1英寸。

优选的，所述探测器可以工作在NIR-Ⅱ波段。

根据本发明的目的还提出了一种使用如上所述的基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置的深层静脉可视方法，包括：

使用双波长光源发射NIR-Ⅱ光经照明镜头均匀照射至空间光调制器；

使用投影镜头将加载在空间光调制器的若干幅部分哈达玛编码图像投射至待测静脉；

使用集光镜头会聚待测静脉在吸收再反向散射的NIR-Ⅱ光；

使用探测器探测对经集光镜头会聚输出的反向散射NIR-Ⅱ光进行探测，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出；

使用同步控制与数据采集模块对空间光调制器与探测器进行同步控制，并对电信号进行采集输出至处理器；

在处理器上，利用单像素成像算法计算处理获得深层静脉图像并输出至所述空间光调制器；

将所述双波长光源切换至可见光，将所述空间光调制器上的深层静脉图像经所述投影镜头投射至待测静脉皮肤表面，完成深层静脉图像可视。

本发明的可视装置与可视方法采用基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置与深层静脉可视方法，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、打破了因传统CMOS图像传感器只能工作在可见光和近红外I区工作波段限制造成穿透深度浅无法获取深层静脉图像的局限，提高了静脉可视深度；

2、探测器采集速度高，采集数据量小，工作波段长，且探测器不需要具有空间分辨能力，可以克服传统成像中某些红外波段阵列探测器昂贵或分辨率差的缺点；

3、可以根据对成像清晰度的要求改变探测的次数，灵活性高。

附图说明

图1是本发明实施例所述的一种基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置的配置的框图；

图2是本发明实施例所述的一种基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置的结构示意图；

图3是本发明实施例所述的一种基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置的双波长光源切换为可见光源的可视效果图；

图4是本发明实施例所述的一种基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视方法的步骤流程图；

图5是本发明实施例所述的单像成像算法原理图。

其中：

1为双波长光源、2为照明镜头、3为空间光调制器、4为投影镜头、5为集光镜头、6为探测器、7为同步控制与数据采集模块、8为处理器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的优选实施方式作进一步详细描述。

请参阅图1，在实施例中，所述基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视装置具体包括：双波长光源1、照明镜头2、空间光调制器3、投影镜头4、集光镜头5、探测器6、同步控制与数据采集模块7、处理器8。

请同时参阅图2，双波长光源1可以发射NIR-Ⅱ光和可见光两种不同波段的光，该双波长光源1发出的光经照明镜头2后均匀照射至空间光调制器3，并将加载在空间光调制器3的若干幅部分哈达玛编码图像通过投影镜头5投影至待测静脉。在一种实施方式中，双波长光源1为一个双芯LED光源，包括NIR-ⅡLED光源和可见光LED光源，NIR-Ⅱ光源发射的波长范围为900nm～1700nm，比如波长1060nm的NIR-Ⅱ光，可见光光源发射的波长范围为380nm～780nm，比如波长为635nm的可见光。该双波长光源1由处理器8控制所述双波长光源进行光源切换。在另一种实施方式中，该双波长光源1包括一个NIR-Ⅱ光源、一个可见光源的合光光学系统。

该空间光调制器3用以在检测深层静脉时加载若干幅部分哈达玛编码图像，在对静脉图像进行可视化再现时加载深层静脉图像。在一种实施方式中，该空间光调制器3具体可以包括：DMD数字微镜阵列，所述双波长光源发射的光通过所述DMD数字微镜阵列的微镜翻转反射经投影镜头投射至待测静脉。

探测器6设置于集光镜头5的后截距处，集光镜头5会聚待测静脉在吸收再反向散射的NIR-Ⅱ光并用探测器6对集光镜头5输出的光进行探测，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出。在一种实施方式中，集光镜头5的直径小于1英寸，会聚待测静脉在吸收再反向散射的NIR-Ⅱ光。探测器6可以工作在NIR-Ⅱ波段，实现了对待测静脉的NIR-Ⅱ波段高灵敏成像，NIR-Ⅱ波段可提供可见光和近红外I区波段所不能提供的信息，穿透能力深，可以对幼儿、肥胖、浮肿、及低血容量等血管定位困难患者的静脉进行深层成像。

同步控制与数据采集模块7,用于对空间光调制器3与探测器6进行同步控制，并对探测器6输出的电信号进行采集，输出至处理器8；处理器8，用于获取同步控制与数据采集模块7采集的电信号，并根据单像素成像算法进行计算处理，得到深层静脉图像并输出至空间光调制器；处理器8还用于控制双波长光源1进行光源切换。在一种实施方式中，同步控制与数据采集模块7用于实现空间光调制器3和探测器6的同步并进行数据采集，同步模块直接由物理连接线连接，进行精确控制。

请同时参阅图2和图3，检测时，双波长光源1发射NIR-Ⅱ光，空间光调制器3加载若干幅部分哈达玛编码图像，探测器6探测待测静脉在吸收再反向散射的NIR-Ⅱ光后，将探测信号转换成电信号并输出至同步控制与数据采集模块7，同步控制与数据采集模块7将采集到的电信号输出至处理器8处理，处理器8处理得到深层静脉图像并输出至空间光调制器3。

再现时，双波长光源1发射可见光，空间光调制器3加载深层静脉图像，投影镜头将深层静脉图像投射至待测静脉皮肤表面完成深层静脉可视。

本发明实施例还公开了一种基于基于NIR-Ⅱ光单像素成像的深层静脉可视方法，请参阅图4，该成像方法具体包括：

步骤S1：使用双波长光源发射NIR-Ⅱ光经照明镜头均匀照射至空间光调制器；

步骤S2：使用投影镜头将加载在空间光调制器的若干幅部分哈达玛编码图像投射至待测静脉；

步骤S3：使用集光镜头会聚待测静脉在吸收再反向散射的NIR-Ⅱ光；

步骤S4：使用探测器探测对经集光镜头会聚输出的反向散射NIR-Ⅱ光进行M次探测，得到探测信号，并对探测信号进行光电转换，得到电信号并输出；

步骤S5：使用同步控制与数据采集模块对空间光调制器与探测器进行同步控制，并对电信号进行采集输出至处理器；

步骤S6：在处理器上，利用单像素成像算法计算处理获得深层静脉图像并传送至所述空间光调制器；

其中，单像素成像算法计算深层静脉图像x，请参阅图5，按照以下公式：

其中

表示部分哈达玛编码图像(M个编码图像，每个图案由N个像素组成)，x∈R^N×1表示要重建的深层静脉图像，以及y∈R^M×1是探测器探测经同步控制与数据采集模块采集到的数据向量。根据编码图像

和相应的y来计算x。

计算x采用的方法是对公式(1)乘以逆矩阵来反转线性模型得到公式(2)：

根据公式(2)求得x由公式(3)表示：

公式(3)等价于最小化公式(4)：

根据公式(4)求得x由公式(5)表示：

其中

{·}表示平均值，

代表部分哈达玛光学编码图像的物理光分布，y_i为探测器探测经同步控制与数据采集模块采集到的数据。

步骤S7：将双波长光源切换至可见光，将所述空间光调制器上的深层静脉图像经所述投影镜头投射至皮肤表面，完成深层静脉图像可视。

在本发明实施方式中，通过上述深层静脉可视装置和深层静脉可视方法，打破了因传统CMOS图像传感器只能工作在可见光和近红外I区工作波段限制造成穿透深度浅无法获取深层静脉图像的局限，提高了静脉可视深度

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用说明书以及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。