CN115191953A - 一种可视化注射系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于将介质输入人体内或输到人体上的器械的技术领域，尤其涉及一种可视化注射系统，其包括成像单元、处理单元、显示单元，处理单元对成像单元获取的患者注射部位的光学图像信息进行分析提取后，将穿刺操作的建议和/或带有温度信息的着色图像以可视化的方式展示于显示单元，显示单元所展示的穿刺操作的建议是由处理单元基于患者注射部位的结构特征状态信息结合血管信息而建立的虚拟模型动画呈现的，并在根据穿刺操作的建议进行实际穿刺操作时，成像单元能够发出相应颜色和/或亮度的光线来提示实际穿刺操作的偏差等级数，其中，显示单元所展示的带有温度信息的着色图像能够基于注射药液在对应血管中的流动状态对穿刺操作的结果进行评判。

Description

一种可视化注射系统

技术领域

本发明涉及注射医疗器械技术领域，尤其涉及一种可视化注射系统。

背景技术

在临床医学中经常会遇到静脉输液之类的护理项目，静脉穿刺是医院的常规治疗手段之一，以往的传统操作完全依靠医护人员的经验，通过绑扎手臂使血管突起，靠手指弹摸和直接目视判断血管位置。该操作对医护人员的工作经验和技术水平要求较高，容易引起医护人员精神高度紧张，也经常会引发患者对注射的恐惧感，尤其是儿童患者和特殊疾病患者。

CN202821303U公开了一种红外静脉血管显像装置。该装置包括壳体，壳体内设有红外摄像机、投影仪及位于红外摄像机与投影仪之间的分光镜，红外摄像机和投影仪位于同一平面，且成90°夹角，红外摄像机的图像输出端与投影仪的图像输入端连接；分光镜位于红外摄像机和投影仪的中心线交汇处，且分别与红外摄像机的中心线和投影仪的中心线成45°夹角。该实用新型利用人体静脉血红蛋白对近红外光线的特殊敏感性，使皮下隐约的浅层静脉血管实现实时、精准、清晰的显示，大大缓解医护人员的工作紧张度，显著提高静脉穿刺成功率；同时该实用新型可适用于头皮针、足背、手臂等各处体表，实施范围不受限。

该现有技术仅能够通过红外摄像机和投影仪获取和展示患者的静脉血管位置，但医护人员（尤其是缺乏实操经验的新手）仍无法得知该以何种穿刺姿态或使用何种穿刺器具完成穿刺操作。

CN104224129B公开了一种静脉血管深度识别方法和提示系统，以解决现有技术无法进行血管深度判断的问题。该发明从静脉血管图像本身，通过机器视觉学习中的机器学习回归模型，建立图像模态与血管深度之间的映射关系，从而实现基于图像的血管深度自动识别，并以声音与投影的方式提示血管深度信息，使得医务人员在定位血管的同时，还可以明确血管深度，准确掌握入针角度，提高静脉穿刺的成功率，减少患者因静脉穿刺所带来的痛苦。

该现有技术仅能够通过对血管深度的预测来指导入针角度，但人体表层的血管分布复杂且因人而异，仅通过预测的血管深度来指导入针角度，其准确性不能够得到保证，例如，对于具有相同血管深度的不同患者，其年龄、性别、过往病史等多种因素的不同都会影响穿刺和注射结果。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种可视化注射系统，以解决上述技术问题。

本发明公开了一种可视化注射系统，其包括：成像单元，用于获取患者注射部位的光学图像信息；处理单元，用于对光学图像信息进行分析提取；显示单元，用于将可视化信息进行展示。

处理单元对成像单元获取的患者注射部位的光学图像信息进行分析提取后，将穿刺操作的建议和/或带有温度信息的着色图像以可视化的方式展示于显示单元，显示单元所展示的穿刺操作的建议是由处理单元基于患者注射部位的结构特征状态信息结合血管信息而建立的虚拟模型动画呈现的，并在根据穿刺操作的建议进行实际穿刺操作时，成像单元能够发出相应颜色和/或亮度的光线来提示实际穿刺操作的偏差等级数，其中，显示单元所展示的带有温度信息的着色图像能够基于注射药液在对应血管中的流动状态对穿刺操作的结果进行评判。

优选地，根据获取的药液在血管中的流动状态，判断当前注射过程中注射速度设置的合理性和前序穿刺过程中入针角度和/或穿刺用具的选择的合理性。优选地，处理单元在判断到当前药液在血管中的流动状态处于非正常的状态时，可及时提醒医护人员及时做出补救措施，以避免引发医疗事故。

根据一种优选实施方式，成像单元配置的拍摄部件能够对处于近红外光线照射的患者注射部位进行光学图像信息的采集，并将提取的血管信息以可见光的形式投影至患者注射部位，其中，投影光线的性质是基于建立的成套规则而随实际穿刺操作的偏差等级数改变的。

优选地，扫描部件还可在医护人员执行穿刺操作时对实时穿刺姿态进行动态监测，以使得处理单元可将实时穿刺姿态与建议穿刺姿态进行模型拟合，进而判断实时穿刺姿态的标准程度。进一步地，穿刺姿态能够以入针角度为监测变量进行表征，其中，入针角度的偏差可以划分为一级偏差、二级偏差和三级偏差，偏差等级数越大，实时穿刺姿态的入针角度与建议穿刺姿态相比的偏差量越大。一级偏差通常可认定为允许偏差，即入针角度在处于一级偏差范围内时，表示可以按照该穿刺姿态进针。进一步地，医护人员在完成穿刺操作后待穿刺区域将转变为穿刺区域，以通过穿刺区域继续完成注射操作。优选地，投影仪发出的光线颜色和/或亮度可基于偏差等级的改变而调整，不同的偏差等级可以对应于不同的光线颜色和/或光线亮度，以使得医护人员在执行穿刺操作时通过光线的变化掌握当前穿刺姿态的偏差量，进而通过试探性地姿态调整使偏差量向更小的偏差等级数改变。

根据一种优选实施方式，拍摄部件上间隔布设的若干光源照射到患者注射部位的近红外光线能够被摄像机捕捉以获取患者注射部位中血管与血管周围组织的光学图像信息，经图像处理器的分析处理后传输至投影仪，投影仪在患者注射部位上的投影区域对应于摄像机的拍摄区域。

优选地，拍摄部件可以在通光口周向上以均匀间隔的方式布设有若干光源，以使得光源射出的光线可以大致沿第一方向照射到患者的注射部位上，其中，光源可配置为近红外光源，以使得照射到患者注射部位上的近红外光线可以基于血红蛋白对近红外光线的特殊敏感性，而在血管和血管周围组织中呈现不同的吸收散射现象。进一步地，与通光口同轴设置的摄像机可以对接收到足够光能的注射部位进行近红外光线的捕捉，以获取患者注射部位中血管与血管周围组织的光学图像信息，其中，摄像机可以是红外摄像机。摄像机获取的光学图像信息可以经图像处理器的分析处理后传输至投影仪，以通过投影仪进行影像输出，其中，图像处理器采用高速数字处理机，以将光学图像信息中的血管与其周边的色差差别以梯度化的方式放大，并可对尺寸、方向和颜色等参数进行调节。优选地，投影仪的出光以可见光的形式在分光镜一侧反射后从通光口输出，并在到达注射部位后形成与拍摄区域完全重合的投影区域，从而使得患者注射部位的血管位置可视化，以便于医护人员进行穿刺和注射。

根据一种优选实施方式，成像单元配置的扫描部件能够对患者注射部位的结构特征状态信息进行扫描提取，以使得处理单元能够建立与注射部位相对应的虚拟模型，并基于提取的血管信息在虚拟模型中建立虚拟血管，以展示建议穿刺操作，其中，处理单元根据扫描部件获取的医护人员的实际穿刺操作与建议穿刺操作之间的差异性判断实际穿刺操作的偏差等级数。

优选地，处理单元可基于扫描部件的动态扫描而获取患者注射部位的结构特征状态信息，以此建立与患者注射部位相关的虚拟模型，并基于获取的注射部位的血管信息，在虚拟模型中建立相应的虚拟血管，其中，建立的虚拟模型可以是二维模型和/或三维模型。处理单元可以将虚拟模型展示于显示单元，并根据建议模拟出可执行推荐穿刺姿态的虚拟手部，并通过动画展示穿刺过程。优选地，扫描部件还可在医护人员执行穿刺操作时对实时穿刺姿态进行动态监测，以使得处理单元可将实时穿刺姿态与建议穿刺姿态进行模型拟合，进而判断实时穿刺姿态的标准程度。

根据一种优选实施方式，活动连接于拍摄部件的调节部件能够基于多维度运动改变拍摄部件的位置和/或出光角度，其中，调节部件配置的多个调节件能够分别改变拍摄部件的水平位置、竖直位置、水平出光角度和竖直出光角度中的一种或多种。

优选地，调节部件可完成多维度运动，以使得拍摄部件可基于调节部件的运动而改变与支撑架及承载台的相对位置关系和角度关系，从而适应于不同体型的患者的不同注射部位。优选地，调节部件可包括用于改变水平位置的第一调节件、用于改变竖直位置的第二调节件、用于改变水平出光角度的第三调节件和用于改变竖直出光角度的第四调节件。进一步地，水平出光角度为投影仪的出光在注射部位的投影图像方位角，拍摄部件可基于水平旋转而改变同一面积的投影图像在注射部位上投影的区域，其中，水平旋转为在水平面（即，与承载台大致并行的平面）上的旋转过程；竖直出光角度为投影仪的出光方向与第一方向的夹角，拍摄部件可基于竖直旋转，进而以大致垂直于待穿刺区域的方式进行拍摄，其中，竖直旋转为在竖直面（即，与承载台大致垂直的平面）上的旋转过程。优选地，调节部件可基于手动和/或自动的方式进行调节。

根据一种优选实施方式，显示单元所展示的带有温度信息的着色图像是由处理单元的图像分析部件基于光学图像信息提取监测区域内的体表温度分布数据信息，并根据手动或自动设定的温度范围进行着色后得到的，其中，监测区域为沿被穿刺血管的血液流动方向观察，位于穿刺区域下游的任一区域。

优选地，第一分析模块可根据摄像机获取的光学图像信息提取监测区域内的体表温度分布数据信息，并根据体表温度分布数据信息进行图像的着色，从而得到第一温度分布图；第二分析模块可在第一分析模块得到的第一温度分布图的基础上进行二次区域划分，并针对在监测区域中指定的任一分区域进行重新着色，以得到第二温度分布图。进一步地，第一分析模块得到的监测区域的第一温度分布图可以展示于显示单元，并可由医护人员在显示单元对二次区域划分的监测区域进行分区域的指定，以使得第二分析模块可将对应分区域的第二温度分布图以并列或覆盖的方式展示于显示单元。进一步地，第二分析模块在针对所指定的不同分区域进行重新着色时依据新的温差范围和温度梯度，以使得第二分析模块在将第一温度分布图中的干扰因素排除后，以更小的温差范围和更密集的温度梯度来展示监测区域中分区域的温度差异情况。可选地，第一分析模块和第二分析模块的温差范围可基于标准温差而进行手动输入和/或自动基于大数据匹配最贴合的数据信息并录入。

根据一种优选实施方式，图像分析部件对体表温度分布数据信息进行分析以得到药液在对应血管中的流动状态，并基于时间序列下不同间隔的节点之间温度差异情况确定实际温度变化分布数据，通过实际温度变化分布数据与参考温度分布数据的对比来评判穿刺操作的结果。

优选地，图像分析部件还可包括能够基于时间序列生成至少一个对比图像的第三分析模块，其中，时间序列能够以穿刺操作完成且开始执行注射操作为起点，随着注射时间的延长而逐渐增大。能够生成当前时间序列节点的第一温度分布图的第一分析模块，可以在运行至下一时间序列节点时将上一时间序列节点的第一温度分布图作为过往数据发送至存储部件进行储存，储存于存储部件中的对应于当前患者的第一温度分布图能够按照时间序列排列，并在第三分析模块被激活时从存储部件中调取至第三分析模块。进一步地，第三分析模块可以将指定的时间序列节点对应的过往第一温度分布图从存储部件中调取出，并与第一分析模块基于当前时间序列节点生成的当前第一温度分布图进行对比，以形成基于时间序列间隔的温度对比图。第三分析模块通过基于时间序列间隔的温度对比图可获取实际温度变化分布数据，将实际温度变化分布数据与参考温度分布数据对比后的差分生成差分图像，并展示于显示单元上，其中，参考温度分布数据可手动输入和/或自动基于大数据匹配最贴合的数据信息并录入。通过对不同时间序列间隔的差分图像的对比分析，能够在显示单元以可视化的方式观察到由于药液的注射而引起的患者注射部位体表温度的变化情况，进而确认药液在血管中的流动状态。

根据一种优选实施方式，患者注射部位能够以放置在主体单元的承载台上的方式被成像单元采集光学图像信息，其中，成像单元通过支撑架活动连接于可调高度的承载台。

根据一种优选实施方式，承载台在放置有患者注射部位的一侧配置有用于夹持患者注射部位的固定部件，其中，固定部件在朝向于患者注射部位的一侧设置有柔性材质制成的防护垫。

优选地，承载台可以是距离地面一定高度的平面结构或带有部分特殊设计的类平面结构，以至少将部分区域限定为患者注射部位的放置区域，其中，承载台距离地面的高度可基于医护人员和/或患者的需求而进行调节。进一步地，对承载台高度的调节方式至少是以有利于穿刺和成像的趋势进行设置的。进一步地，带有部分特殊设计的类平面结构可以是在平面结构中的部分区域呈凹陷状，以便于患者的注射部位能够以形状大致匹配的方式被凹陷状结构所限制。进一步地，呈平面结构的承载台也可以设置有能够对患者的注射部位起到限制作用的固定部件，以不损伤患者的方式对注射部位进行固定，从而实现光学图像信息的稳定采集。

根据一种优选实施方式，处理单元能够将实际穿刺操作的过程和评判结果通过共享单元上传至云端，其中，处理单元能够通过共享单元在云端匹配、下载贴合于当前患者的大数据信息。

优选地，处理单元可通讯连接于共享单元，以通过共享单元将本次穿刺和注射操作的过程和结果上传至云端，并可在下次执行穿刺和注射操作时从云端匹配、下载最贴合的数据信息。例如，处理单元对穿刺姿态和/或穿刺器具的建议可从云端匹配、下载。优选地，参考温度分布数据可从云端下载。当云端备份有足够多的穿刺和注射操作的实例时，可以进一步地提高医护人员的穿刺和注射的一次成功率，尤其是对于操作经验较少的新手在面对多种高难度穿刺工作时。

附图说明

图1是本发明的可视化注射系统在一种优选实施方式的结构示意图；

图2是本发明的可视化注射系统在一种优选实施方式的简化模块电连接关系示意图。

附图标记列表

100：成像单元；110：拍摄部件；111：光源；112：摄像机；113：图像处理器；114：投影仪；115：分光镜；116：通光口；120：调节部件；130：扫描部件；200：处理单元；210：图像分析部件；300：显示单元；400：主体单元；410：承载台；420：支撑架；430：固定部件。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

图1是本发明的可视化注射系统在一种优选实施方式的结构示意图；图2是本发明的可视化注射系统在一种优选实施方式的简化模块电连接关系示意图。

实施例1

本发明公开了一种可视化注射系统，其可包括主体单元400、成像单元100、显示单元300和处理单元200。医护人员可借助可视化注射系统对患者身体上的注射部位进行精准穿刺以形成穿刺区域并通过穿刺区域向患者身体内注入药液介质，其中，执行穿刺和注射操作的人员通常为医护人员，被执行穿刺和注射操作的人员通常为身患疾病且需要注射药液的患者，但不排除其他人员可能具有穿刺和注射的需求。因此，本发明将以最通常的医护人员和患者作为穿刺和注射操作的执行人员和被执行人员为例进行描述，但本发明中的“医护人员”可指代任一执行穿刺和注射操作的人员，对其身份、所处科室、工作经历等不作限制；“患者”可指代任一被执行穿刺和注射操作的人员，对其身份、身患病症的类型、程度不作限制。优选地，注射部位可包括但不限于头部、足部、手部等各处体表。进一步优选地，注射部位上的穿刺区域可以是患者手部的手背或手臂。

根据一种优选实施方式，主体单元400可以至少为患者的注射部位提供承载台410，以使得患者能够以注射部位背向于承载台410放置的方式使得注射部位上的至少一个待穿刺区域可以不被遮挡地展示。进一步地，将注射部位上待穿刺区域所朝向的方向定为第一方向。

优选地，承载台410可以是距离地面一定高度的平面结构或带有部分特殊设计的类平面结构，以至少将部分区域限定为患者注射部位的放置区域，其中，承载台410距离地面的高度可基于医护人员和/或患者的需求而进行调节。进一步地，对承载台410高度的调节方式至少是以有利于穿刺和成像的趋势进行设置的。

进一步地，带有部分特殊设计的类平面结构可以是部分区域呈凹陷状的平面结构，以便于患者的注射部位能够以形状大致匹配的方式被凹陷状结构所限制。例如，在桌面上开设有条形凹槽，以便于患者的手臂能够被限制于凹槽内。

进一步地，呈平面结构的承载台410也可以设置有能够对患者的注射部位起到限制作用的固定部件430，例如，可设置两个对向而立的夹持工具，在弹性件的连接作用下使得患者的注射部位能够被固定在两个夹持工具之间的限定空间中，其中，两个夹持工具在相向侧可配置有柔性材质制成的防护垫，以使得夹持工具在接触患者注射部位时能够以不损伤患者的方式对注射部位进行固定。

根据一种优选实施方式，主体单元400的支撑架420以可拆卸的方式连接有成像单元100，以使得成像单元100可以位于承载台410预留的注射部位放置区域沿第一方向上的空间内，且可以对放置区域内的注射部位进行光学信息采集。

可选地，支撑架420能够以可活动的方式放置或连接于承载台410，并在确定放置或连接位置后进行可拆卸地固定，以使得成像单元100的拍摄部件110可以将通光口116的朝向设置为第一方向的反方向或将通光口116的朝向设置为至少分向量包含第一方向的反方向。

优选地，拍摄部件110可以在通光口116周向上以均匀间隔的方式布设有若干光源111，以使得光源111射出的光线可以大致沿第一方向照射到患者的注射部位上，其中，光源111可配置为近红外光源，以使得照射到患者注射部位上的近红外光线可以基于血红蛋白对近红外光线的特殊敏感性，而在血管和血管周围组织中呈现不同的吸收散射现象。

进一步地，与通光口116同轴设置的摄像机112可以对接收到足够光能的注射部位进行近红外光线的捕捉，以获取患者注射部位中血管与血管周围组织的光学图像信息，其中，摄像机112可以是红外摄像机。摄像机112获取的光学图像信息可以经图像处理器113的分析处理后传输至投影仪114，以通过投影仪114进行影像输出，其中，图像处理器113采用高速数字处理机，以将光学图像信息中的血管与其周边的色差差别以梯度化的方式放大，并可对尺寸、方向和颜色等参数进行调节。

优选地，投影仪114的出光以可见光的形式在分光镜115一侧反射后从通光口116输出，并在到达注射部位后形成与拍摄区域重合的投影区域，从而使得患者注射部位的血管位置可视化，以便于医护人员进行穿刺和注射，其中，分光镜115可以是窄带滤光镜。进一步地，摄像机112与投影仪114以光路相互垂直的方式设置于同一平面，分光镜115能够以夹角45°的方式设置在摄像机112与投影仪114的光路交汇处，以使得从通光口116进入的近红外光线在到达分光镜115时以绝大部分光线穿过分光镜115的方式被摄像机112捕捉；而投影仪114射出的可见光在到达分光镜115时以绝大部分被分光镜115反射的方式从通光口116射出。

优选地，摄像机112与分光镜115之间设置有与摄像机112同光路连接的第一物镜，投影仪114与分光镜115之间设置有与投影仪114同光路连接的第二物镜，其中，第一物镜和第二物镜分别相对于分光镜115的位置能够按照如下方式设置：将第一物镜和第二物镜分别与分光镜115的距离设定为第一镜距和第二镜距，第一镜距和第二镜距中至少一个可调，且调整幅度可至少基于成像单元100的设置位置和/或角度而改变，其中，调整方式的选择至少可保证第一镜距小于第二镜距，以使得摄像区域和投影区域具有相同的视场和相同的放大倍数，从而保证了图像的原位准确性。

优选地，投影仪114可基于患者皮肤颜色、周围环境光、医护人员辨别能力等多种因素调节出光性质，其中，出光颜色可包括白光、绿光、蓝光、红光、紫光等。

优选地，拍摄部件110可配置有壳体，以至少用于容纳摄像机112、投影仪114等拍摄用设备。拍摄部件110的壳体可设置于调节部件120预留的安装空间内，以通过调节部件120实现与主体单元400中支撑架420的连接，其中，调节部件120可完成多维度运动，以使得拍摄部件110可基于调节部件120的运动而改变与支撑架420及承载台410的相对位置关系和角度关系，从而适应于不同体型的患者的不同注射部位。

优选地，调节部件120可以包括用于改变水平位置的第一调节件、用于改变竖直位置的第二调节件、用于改变水平出光角度的第三调节件和用于改变竖直出光角度的第四调节件。

优选地，第一调节件能够以多个机械臂折叠铰接的方式构成，通过改变相邻位次的机械臂之间的夹角，以改变拍摄部件110的水平位置，其中，水平位置为与承载台410大致并行的平面上的不同点位。进一步地，机械臂的铰接处设置有可设限位或不设限位的转轴，以限定拍摄部件110的水平位置可调节范围。

优选地，第二调节件能够以滑槽与滑块滑动连接或升降杆驱动的方式构成，以改变拍摄部件110的竖直位置，其中，竖直位置为拍摄部件110相对于承载台410的高度。进一步地，第二调节件能够在拍摄部件110移动至合适的高度后以固定或卡合的方式维持拍摄部件110的竖直位置。

优选地，第三调节件能够以旋转轴的方式绕与第一方向并行的轴线旋转，以改变拍摄部件110的水平出光角度，其中，水平出光角度为投影仪114的出光在注射部位的投影图像方位角。由于投影仪114的投影图像通常为方形图案，以其相邻两边为坐标轴构成的坐标系可随其投影图像的方位而改变，从而使得同一面积的投影图像可基于水平旋转而改变其在注射部位上投影的区域，其中，水平旋转为在水平面（即，与承载台410大致并行的平面）上的旋转过程。

优选地，第四调节件能够以旋转轴的方式绕与第一方向垂直的轴线旋转，以改变拍摄部件110的竖直出光角度，其中，竖直出光角度为投影仪114的出光方向与第一方向的夹角。由于注射部位通常并非是平面结构，而是呈带有一定弧度的凸起状结构，若待穿刺区域在注射部位的相对侧边，拍摄部件110仍以第一方向的反方向进行摄像和投影时，会受到带有一定弧度的凸起状结构的影响而无法准确地完成摄像和投影工作。因此，拍摄部件110通过第四调节件完成竖直旋转，进而以大致垂直于待穿刺区域的方式进行拍摄，其中，竖直旋转为在竖直面（即，与承载台410大致垂直的平面）上的旋转过程。

优选地，拍摄部件110在将采集的光学图像信息发送至处理单元200后，处理单元200可对稳定采集的光学图像信息进行分析后判断当前拍摄部件110位置的合理性，进而在确定当前拍摄部件110位置不合理时能够发出反馈调节信号，以使得调节部件120可基于手动和/或自动的方式进行调节。进一步地，调节部件120可通过医护人员操作控制手柄以实现手动调节；和/或调节部件120能够以电驱动的方式响应于反馈调节信号，从而完成拍摄部件110位置和角度的调节。优选地，处理单元200的反馈调节信号能够以可视化的方式展示。

根据一种优选实施方式，拍摄部件110获取的光学分布图像可以反馈至与成像单元100信号连接的处理单元200，以使得处理单元200可以对注射部位的至少一个待穿刺区域进行标定，从而进行血管深度的预测。

优选地，注射部位中待穿刺区域的血管深度可采用如下方式进行预测：对至少一个穿刺区域的光学分布图像信息提取至少包括图像的全局均值、全局方差、局部均值和局部方差的特征信息，其中，局部均值和局部方差是指垂直于待穿刺区域长边，图像中心处10条竖线上计算的均值和方差；将提取的特征信息输入至回归模型中进行血管深度的预测，以得到血管深度值；将得到的血管深度值以多个档次的形式进行标准划分。优选地，血管深度值的划分标准可定为3个档次，例如：血管深度小于等于2mm时，血管档次定为一档深度；血管深度大于2mm且小于等于5mm时，血管档次定为二档深度；血管深度大于5mm时，血管档次定为三档深度。进一步地，若待穿刺区域不含血管时，其血管档次定为无档次。

进一步地，回归模型可采用随机森林回归模型，其参数设置如下：

最大叶子节点数：50；树最大深度：10；最小分裂阈值：0.01；上述参数的选择是通过留一法验证最小误差调节而得到的，具体如下：

上述H是指训练样本个数，p指预测值，g指真实值，MSE是二阶均方误差，具体如下：

优选地，回归模型可采用如下方式训练：

在训练时通过光源111照射人体注射部位，以使得摄像机112可以获取人体不同位置、不同深度的血管图像信息，并通过超声仪测量血管顶部到皮肤表层的距离，以得到血管的深度数据信息，进而分别构建图像信息集合和深度数据集合；将任一注射部位划分为至少一个待穿刺区域，并针对选取的任一待穿刺区域可从图像信息集合中筛选中相应的血管图像信息；对筛选处的血管图像信息进行特征提取，其中，提取的特征可包括图像的全局均值、全局方差、局部均值和局部方差；将提取到的特征与构建的深度数据集合共同训练一个可以反映血管深度与图像特征之间关系的回归模型。

优选地，处理单元200至少可以在确定待穿刺区域图像信息采集稳定且存在血管时再执行血管深度的预测，以减少运算负荷，尤其是患者在将注射部位准确放置在承载台410限定的放置区域之前，通常会出现部分患者（例如儿童）可能因恐惧、好奇、叛逆等情绪而将注射部位在承载台410上来回试探的情况，诸如上述示例在内的多种情况都可能使得拍摄部件110获取的光学分布图像并非实际可用的图像信息。若处理单元200在拍摄部件110获取到光学分布图像就调取回归模型进行预测计算，不仅会消耗大量算力来获取没有实用价值的预测数据，还会因较多的运算任务而延长了运算时间，进而基于较大的延迟而无法及时地对应到相应的图像信息，进一步延长了医护人员的操作时间，增加了医护人员和患者的心理压力。在不额外增加运算成本的基础上，处理单元200通过穿刺前的确认工作，保证了其所处理的光学分布图像的准确性。

进一步地，处理单元200在获取到稳定采集的图像信息时，提取待穿刺区域的全局均值和局部均值，并采用二级门限判断待测位置是否为血管，若是，则进行血管深度的预测；若否，则可直接将血管档次值为无档次的结果返回。

优选地，二级门限判断方法为：

第一级判断：判断局部均值是否大于局部阈值；若大于局部阈值，则待穿刺区域不含血管；否则，进入第二级判断；

第二级判断：判断全局均值是否大于全局阈值；若大于全局阈值，则待穿刺区域不含血管；否则，待穿刺区域含血管。

根据一种优选实施方式，处理单元200可基于对注射部位的各待穿刺区域血管位置和预测血管深度的分析，为医护人员提供穿刺姿态和/或穿刺器具等穿刺操作的建议，以使得医护人员可以更精准、迅速、安全地完成穿刺工作，其中，处理单元200对穿刺姿态的建议至少可包括入针角度的建议，入针角度的建议至少是基于血管位置和血管深度的综合分析提出的。尤其是对于操作经验较少的新手在面对多种高难度穿刺工作时，很有可能因慌乱而无法以正确有效的方式完成穿刺而延误治疗时机。例如，对于女性患者或儿童患者等待穿刺区域的血管分析结果为表浅细小静脉时，处理单元200可建议医护人员选用斜面小的针头，并可建议使用热敷等方法做穿刺前准备工作；再例如，对于老年患者等待穿刺区域的血管分析结果为脆弱静脉时，处理单元200可建议医护人员选用斜面小的针头，从血管右侧以45°角的方向进针，并可建议医护人员在以稳定慢速的方式进针时使针头方向与血管平行；又例如，对于待穿刺区域的血管分析结果为活动度大的静脉时，处理单元200可建议医护人员通过两指固定血管，并选用较锐利的针头在血管正上方以30°斜角的方式进针，在回血后针头以稍挑起的方式顺血管进入少许。

根据一种优选实施方式，处理单元200的建议能够以可视化的方式展示于显示单元300，其中，展示方式可包括但不限于文字展示、图片展示、视频展示、动画展示。优选地，显示单元300可以是带操作面板的触摸屏。进一步地，显示单元300可完成语音的输入、识别和输出。

优选地，处理单元200可基于扫描部件130的动态扫描而获取患者注射部位的结构特征状态信息，以此建立与患者注射部位相关的虚拟模型，并基于获取的注射部位的血管信息，在虚拟模型中建立相应的虚拟血管，其中，建立的虚拟模型可以是二维模型和/或三维模型。处理单元200可以将虚拟模型展示于显示单元300，根据建议模拟出可执行推荐穿刺姿态的虚拟手部，并通过动画展示穿刺过程。

进一步地，成像单元100的扫描部件130能够以不干扰拍摄部件110的方式设置，其中，扫描部件130可不设置于拍摄部件110的光路上，且还不设置于拍摄部件110随调节部件120的移动路径上。优选地，成像单元100可配置有若干设置于不同方位的扫描部件130，以获取患者注射部位不同角度的结构特征状态信息，其中，扫描部件130能够以尽量不被执行穿刺操作的医护人员遮挡的方式设置，以使得扫描部件130可以在穿刺操作过程中完成实时扫描。

优选地，扫描部件130还可在医护人员执行穿刺操作时对实时穿刺姿态进行动态监测，以使得处理单元200可将实时穿刺姿态与建议穿刺姿态进行模型拟合，进而判断实时穿刺姿态的标准程度。进一步地，穿刺姿态能够以入针角度为监测变量进行表征，其中，入针角度的偏差可以划分为一级偏差、二级偏差和三级偏差，偏差等级数越大，实时穿刺姿态的入针角度与建议穿刺姿态相比的偏差量越大。一级偏差通常可认定为允许偏差，即入针角度在处于一级偏差范围内时，表示可以按照该穿刺姿态进针。进一步地，医护人员在完成穿刺操作后待穿刺区域将转变为穿刺区域，以通过穿刺区域继续完成注射操作。

优选地，投影仪114发出的光线颜色和/或亮度可基于偏差等级的改变而调整，不同的偏差等级可以对应于不同的光线颜色和/或光线亮度，以使得医护人员在执行穿刺操作时通过光线的变化掌握当前穿刺姿态的偏差量，进而通过试探性地姿态调整使偏差量向更小的偏差等级数改变。例如，对于三级偏差可采用红光模式，二级偏差可采用蓝光模式，一级偏差可采用绿光模式，或三级偏差可采用低亮度模式，二级偏差可采用中亮度模式，一级偏差可采用高亮度模式，或上述两种方式的结合。进一步地，投影仪114发出光线的性质至少还需考虑患者皮肤颜色、周围环境光、医护人员辨别能力等多种因素的影响，其中，投影仪114能够预设有多种出光模式，在不同的出光模式中储存有设定的一整套光线颜色和亮度。优选地，医护人员可基于自身需求而设定符合自身使用习惯的关于出光模式的成套规则，以使得医护人员在使用不同出光模式时能够轻易分辨出当前的偏差等级数，进而快速地调整至允许偏差范围的穿刺姿态。

优选地，处理单元200能够以手动或自动录入的方式获取患者的基础信息，其中，患者的基础信息可包括年龄、性别、既往病史、历史注射记录等。进一步地，患者的基础信息可在穿刺和注射开始前录入至处理单元200，并在显示单元300展示，以便于医护人员提前掌握患者的相关数据资料。

根据一种优选实施方式，处理单元200在判断已完成穿刺操作后能够以发出反馈调节信号的方式使得调节部件120主动地和/或被动地将拍摄部件110沿被穿刺的血管中血液的流动方向从当前穿刺区域的对应位置移动至该血管下游的某一处所在区域的对应位置。优选地，被穿刺血管下游的某一处所在区域至少可属于当前注射部位，以使得主体单元400的固定部件430能够以不松脱患者注射部位的方式，仅通过调节部件120就可以完成拍摄部件110的光学拍摄区域的调整。

优选地，拍摄部件110以恒定采样率获取的被穿刺血管下游的某一处所在区域的光学图像信息可以经处理单元200的图像分析部件210生成规定的显示图像数据，以预设帧率展示于显示单元300上，从而实现注射过程的可视化，其中，将被穿刺血管下游的某一处所在区域设定为监测区域，拍摄部件110获取的光学拍摄图像至少包括监测区域的温度分布图像，图像分析部件210可以从监测区域的温度分布图像中提取相应的温度分布数据，以储存在存储部件中。存储部件可存入和取出温度分布图像、温度分布数据等信息。优选地，拍摄部件110的采样率和显示单元300的帧率至少为1Hz。进一步优选地，拍摄部件110的采样率和显示单元300的帧率在15Hz以上。显示单元300的帧率可基于药液的注射速度而调节，例如，药液的注射速度为1ml/s时，显示单元300的帧率可设定为至少1Hz，优选为15Hz以上，以监测温度变化情况。

优选地，为了提高图像质量，可对拍摄部件110的摄像机112的空间分辨率进行限制，以识别血管中的药液流通状态，其中，摄像机112的空间分辨率是指红外摄像机112能够识别的两个相邻目标的最小距离，其通常可用瞬时视场角的大小来表示。进一步地，空间分辨率可采用像元间距除以镜头焦距得到，或通过镜头的视场角除以探测器在对应方向的分辨率，并转换为弧度单位来测得。进一步地，摄像机112的空间分辨率至少是基于如下方式确定的：具有该空间分辨率的摄像机112可基于监测区域中被注射血管的粗细获取带有温度信息的光学图像，从该光学图像中可以在视觉上识别出该血管在注射药液后的体表温差变化，且血管与周围组织的温度差异情况是清晰可辨的。

优选地，图像分析部件210可包括多个分析模块，其中，第一分析模块可根据摄像机112获取的光学图像信息提取监测区域内的体表温度分布数据信息，并根据体表温度分布数据信息进行图像的着色，从而得到第一温度分布图；第二分析模块可在第一分析模块得到的第一温度分布图的基础上进行二次区域划分，并针对在监测区域中指定的任一分区域进行重新着色，以得到第二温度分布图。进一步地，第一分析模块得到的监测区域的第一温度分布图可以展示于显示单元300，并可由医护人员在显示单元300对二次区域划分的监测区域进行分区域的指定，以使得第二分析模块可将对应分区域的第二温度分布图以并列或覆盖的方式展示于显示单元300。

进一步地，第二分析模块在针对所指定的不同分区域进行重新着色时依据新的温差范围和温度梯度，以使得第二分析模块在将第一温度分布图中的干扰因素排除后，以更小的温差范围和更密集的温度梯度来展示监测区域中分区域的温度差异情况。可选地，第一分析模块和第二分析模块的温差范围可基于标准温差而进行手动输入和/或自动基于大数据匹配最贴合的数据信息并录入。例如，第一分析模块在生成第一温度分布图时可设定8℃的温差范围，第二分析模块在生成第二温度分布图时可设定4℃的温差范围，以使得分区域的温度差异情况可以被更清晰地展示。

由于体表温度存在个体差异，而且体温和药液温度也会随环境温度的变化而改变，为了提高图像分析部件210的识别精准度，药液和体温之间的标准温差至少是基于测量和视觉识别而确定的。尤其是在第二分析模块生成第二温度分布图时，可基于分区域内的实际温度情况对温差范围进行重新设定，从而保证了第二温度分布图的温差可识别性，其中，温差范围的重新设定可以是温度显示范围的上、下限基于实际温度而自动设定的。

优选地，图像分析部件210还可包括能够基于时间序列生成至少一个对比图像的第三分析模块，其中，时间序列能够以穿刺操作完成且开始执行注射操作为起点，随着注射时间的延长而逐渐增大。能够生成当前时间序列节点的第一温度分布图的第一分析模块，可以在运行至下一时间序列节点时将上一时间序列节点的第一温度分布图作为过往数据发送至存储部件进行储存，储存于存储部件中的对应于当前患者的第一温度分布图能够按照时间序列排列，并在第三分析模块被激活时从存储部件中调取至第三分析模块。

进一步地，第三分析模块可以将指定的时间序列节点对应的过往第一温度分布图从存储部件中调取出，并与第一分析模块基于当前时间序列节点生成的当前第一温度分布图进行对比，以形成基于时间序列间隔的温度对比图。第三分析模块通过基于时间序列间隔的温度对比图可获取实际温度变化分布数据，将实际温度变化分布数据与参考温度分布数据对比后的差分生成差分图像，并展示于显示单元300上，其中，参考温度分布数据可手动输入和/或自动基于大数据匹配最贴合的数据信息并录入。通过对不同时间序列间隔的差分图像的对比分析，能够在显示单元300以可视化的方式观察到由于药液的注射而引起的患者注射部位体表温度的变化情况，进而确认药液在血管中的流动状态。

根据获取的药液在血管中的流动状态，判断当前注射过程中注射速度设置的合理性和前序穿刺过程中入针角度和/或穿刺用具的选择的合理性。优选地，处理单元200在判断到当前药液在血管中的流动状态处于非正常的状态时，可及时提醒医护人员及时做出补救措施，以避免引发医疗事故。进一步地，处理单元200可对本次的穿刺和注射操作进行评分，评分至少可依据穿刺位置指标、穿刺动作指标、穿刺耗时指标、注射速度指标、注射状态指标、操作难度指标等多个参数进行综合评判。进一步地，处理单元200结合本次操作评分与历史操作评分对执行操作的医护人员进行综合等级评定，其中，本次操作评分能够以相比于历史操作评分具有更高权重的方式影响综合等级评定。

根据一种优选实施方式，处理单元200可通讯连接于共享单元，以通过共享单元将本次穿刺及注射的操作过程和评判结果上传至云端，以使得任意一个与云端实现通讯连接的可视化注射系统均可以完成信息的上传、查阅和下载，即医护人员可以在执行穿刺和注射操作前从云端匹配、下载最贴合于当前患者的大数据信息并展示于显示单元300，从而有助于医护人员快速获取最适于当前患者的操作方式。例如，处理单元200对穿刺姿态和/或穿刺器具的建议可从云端匹配、下载。优选地，参考温度分布数据可从云端下载。当云端备份有足够多的穿刺和注射操作的实例时，可以进一步地提高医护人员的穿刺和注射的一次成功率，尤其是提高操作经验较少的新手面对多种高难度穿刺工作时的穿刺和注射的一次成功率。

优选地，共享单元从云端获取大数据信息后由处理单元200进行本地化处理，例如，云端中储存的用于提示实际穿刺操作的偏差等级数的光线的颜色和/或亮度能够基于处理单元200转换成符合当前医护人员使用习惯的提示方式。

进一步地，在面对高难度穿刺工作时，处理单元200可将当前医护人员评判的综合等级与从云端下载的建议操作方式进行匹配，并在匹配结果差异过大时建议当前医护人员谨慎操作或建议更换综合等级更高的其他医护人员执行穿刺注射操作。

进一步地，共享单元在从云端获取大数据信息的过程中，若匹配到多个相近的数据信息，能够优先下载由综合等级较高的医护人员所上传的相关数据信息，以保证参考的权威性，即综合等级较高的医护人员可被认为是在穿刺及注射操作中更具权威性的人士。

实施例2

本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。

优选地，本发明的可视化注射系统可作为训练系统帮助医护人员（尤其是操作经验较少的新手）完成操作练习或考核。

优选地，患者可采用仿生模具代替，其中，仿生模具可具有橡胶样皮肤及皮下对应位置的流通有模拟液体的血管，以使得医护人员在对仿生模具进行练习时可以正常完成穿刺、注射等操作。

优选地，医护人员在完成操作练习时也可实现对回归模型的训练。

优选地，医护人员在完成操作练习时也可将训练过程和评判结果以附带练习标记的方式上传至云端，尤其是经验丰富的医护人员所完成的操作展示，以丰富云端的备份存量。

优选地，本发明的可视化注射系统在执行考核时能够根据考核结果直接调整综合等级，以使得医护人员可以基于长期的练习提高操作熟练度，并在通过考核后快速提升自己的综合等级，从而在处理单元200进行匹配时可以更早地接触各类高难度穿刺工作，以丰富自己的临床经验。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一种优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。

Claims (10)

1.一种可视化注射系统，其包括：

成像单元（100），用于获取患者注射部位的光学图像信息，

处理单元（200），用于对光学图像信息进行分析提取，

显示单元（300），用于将可视化信息进行展示，

其特征在于，

所述处理单元（200）对所述成像单元（100）获取的患者注射部位的光学图像信息进行分析提取后，将穿刺操作的建议和/或带有温度信息的着色图像以可视化的方式展示于所述显示单元（300），所述显示单元（300）所展示的穿刺操作的建议是由所述处理单元（200）基于患者注射部位的结构特征状态信息结合血管信息所建立虚拟模型动画呈现的，并在根据穿刺操作的建议进行实际穿刺操作时，所述成像单元（100）能够发出相应颜色和/或亮度的光线来提示实际穿刺操作的偏差等级数，其中，

所述显示单元（300）所展示的带有温度信息的着色图像能够基于注射药液在对应血管中的流动状态对穿刺操作的结果进行评判。

2.根据权利要求1所述的注射系统，其特征在于，所述成像单元（100）配置的拍摄部件（110）能够对处在近红外光线照射下的患者注射部位进行光学图像信息的采集，并将提取的血管信息以可见光的形式投影至患者注射部位，其中，投影光线的性质是基于建立的成套规则而随实际穿刺操作的偏差等级数改变的。

3.根据权利要求2所述的注射系统，其特征在于，所述拍摄部件（110）上间隔布设的若干光源（111）照射到患者注射部位的近红外光线能够被摄像机（112）捕捉以获取患者注射部位中血管与血管周围组织的光学图像信息，经图像处理器（113）的分析处理后传输至投影仪（114），所述投影仪（114）在患者注射部位上的投影区域对应于所述摄像机（112）的拍摄区域。

4.根据权利要求2所述的注射系统，其特征在于，所述成像单元（100）配置的扫描部件（130）能够对患者注射部位的结构特征状态信息进行扫描提取，以使得所述处理单元（200）能够建立与注射部位相对应的虚拟模型，并基于提取的血管信息在虚拟模型中建立虚拟血管，以展示建议穿刺操作，其中，所述处理单元（200）根据由所述扫描部件（130）获取的医护人员的实际穿刺操作与建议穿刺操作之间的差异性判断实际穿刺操作的偏差等级数。

5.根据权利要求2所述的注射系统，其特征在于，活动连接于所述拍摄部件（110）的调节部件（120）能够基于多维度运动改变所述拍摄部件（110）的位置和/或出光角度，其中，所述调节部件（120）配置的多个调节件能够分别改变所述拍摄部件（110）的水平位置、竖直位置、水平出光角度和竖直出光角度中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的注射系统，其特征在于，所述显示单元（300）所展示的带有温度信息的着色图像是由所述处理单元（200）的图像分析部件（210）基于光学图像信息提取监测区域内的体表温度分布数据信息，并根据手动或自动设定的温度范围进行着色后得到的，其中，监测区域为沿被穿刺血管的血液流动方向观察，位于穿刺区域下游的任一区域。

7.根据权利要求6所述的注射系统，其特征在于，所述图像分析部件（210）对体表温度分布数据信息进行分析以得到药液在对应血管中的流动状态，并基于时间序列下不同间隔的节点之间温度差异情况确定实际温度变化分布数据，通过实际温度变化分布数据与参考温度分布数据的对比来评判穿刺操作的结果。

8.根据权利要求2所述的注射系统，其特征在于，患者注射部位能够以放置在主体单元（400）的承载台（410）上的方式被所述成像单元（100）采集光学图像信息，其中，所述成像单元（100）通过支撑架（420）活动连接于可调高度的所述承载台（410）。

9.根据权利要求8所述的注射系统，其特征在于，所述承载台（410）在放置有患者注射部位的一侧配置有用于夹持患者注射部位的固定部件（430），其中，所述固定部件（430）在朝向于患者注射部位的一侧设置有柔性材质制成的防护垫。

10.根据权利要求1所述的注射系统，其特征在于，所述处理单元（200）能够将实际穿刺操作的过程和评判结果通过共享单元上传至云端，其中，所述处理单元（200）能够通过共享单元在云端匹配、下载贴合于当前患者的大数据信息。

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