CN202277385U - 手术器械自动识别与计数系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种手术器械自动识别与计数系统，包括计算机、摄像机、光源、手术器械传送机构、升降机构、步进电机；手术器械传送机构包括传送带和支架，手术器械传送机构通过联轴器与步进电机相连，并由步进电机控制手术器械传送机构的运转和停止；升降机构固定在支架上，升降机构上设有镜头架和光源架，通过调节镜头架和光源架的高度分别调节摄像机和光源的高度；摄像机与计算机通过专用数据线连接。本实用新型提出的手术器械自动识别与计数系统，在手术器械生产中，该系统可以有效地解决人工清点而带来的车间停产问题，大大的提高生产效率；在临床手术中，该系统可以避免因人为的清点错误而给手术带来的安全隐患，保证手术的安全。

Description

手术器械自动识别与计数系统

技术领域

本实用新型属于电子通讯技术领域，涉及一种识别系统，尤其涉及一种手术器械自动识别与计数系统。

背景技术

我国手术器械无论是在产品数量上还是在产品种类上都有了很大的发展，而随着人们生活水平平的提高，人们对于生活质量也越来越关注，手术器械又与人们的健康息息相关，所以受到了人们的广泛关注。目前，国内的手术器械生产厂家，大多都是依靠传统的人工计数的方式对手术器械产品进行盘点，这往往就需要车间停产进行盘点，不仅花费了大量的人力，还严重影响到了生产效率，还容易出错；另一方面，在临床手术中，哥伦比亚大学国际健康成果和创新研究中心的研究显示，在四年总计153263例手术中，有1062例出现清点错误，产生了严重的后果。

由此可见，手术器械自动识别与计数无论在生产上还是临床上都是相当重要的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种手术器械自动识别与计数系统，可有效地对不同类型的手术器械进行识别与计数，具有高精度、速度快、非接触的特点。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种手术器械自动识别与计数系统，所述系统包括：计算机、摄像机、光源、手术器械传送机构、升降机构、步进电机；所述手术器械传送机构包括传送带和支架，手术器械传送机构通过联轴器与步进电机相连，并由步进电机控制手术器械传送机构的运转和停止；所述升降机构固定在支架上，升降机构上设有镜头架和光源架，通过调节镜头架和光源架的高度分别调节摄像机和光源的高度；所述摄像机与计算机通过专用数据线连接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述升降机构包括光源角度调节机构，用以调节光源的角度。

进一步地，所述光源角度调节机构为旋钮。

作为本实用新型的一种优选方案，所述摄像机包括CMOS图像传感器和CMOS摄像头。

作为本实用新型的一种优选方案，所述光源为OSE散射型方形光源。

作为本实用新型的一种优选方案，所述步进电机通过联轴器直接与传送带相连。

作为本实用新型的一种优选方案，所述计算机数据输出口接显示器或打印机。

作为本实用新型的一种优选方案，所述计算机操作系统为WindowsXP+SP3，所用软件为基于VisualC++6.0的系统软件。

作为本实用新型的一种优选方案，所述CMOS图像传感器的最高分辨率为2048*1536，像素尺寸为3.2μm*3.2μm，光学尺寸为1/2inch，信噪比＞42dB，动态范围＞60dB，灵敏度在550nm的光源下为1V/lux-sec。

作为本实用新型的一种优选方案，所述CMOS摄像头的光学镜头的焦距为55mm，图像最大尺寸8.8mm*6.6mm，光圈F2.8-F32C，焦点0.14m-Inf，工作距离140mm-Inf，光学放大率0.5x。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的手术器械自动识别与计数系统，能够有效地对不同类型的手术器械进行自动识别与计数，并且通过步进电机可以准确的控制传送机构的运转和停止，具有快速、准确、非接触的特点。因此，在手术器械生产中，该系统可以有效地解决人工清点而带来的车间停产问题，大大的提高生产效率；在临床手术中，该系统可以避免因人为的清点错误而给手术带来的安全隐患，保证手术的安全。该系统具有准确度高、速度快、结构设计简洁的优点，适合推广使用。

附图说明

图1为本实用新型系统的结构示意图。

图2为本实用新型系统的传送机构的侧视图。

图3为图2的A-A向剖视图。

图4为本实用新型系统的传送机构的俯视图。

图5为图4的B-B向剖视图。

图6为本实用新型系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

实施例一

请参阅图1至图6，本实用新型揭示了一种手术器械自动识别与计数系统，包括计算机1，摄像机2，光源7，升降机构3，传送机构9，步进电机8。传送机构9由传送带10和支架11组成，通过联轴器12与步进电机8相连，由步进电机8控制其运动；升降机构3固定在支架11上，升降机构3上设有镜头架4和光源架6，通过调节镜头架4和光源架6可分别调节摄像机2和光源7的高度，摄像机2通过专用数据线与计算机1连接，计算机1操作系统为WindowsXP+SP3，所用软件为基于Visual C++6.0自行开发的软件。

本系统采用CMOS(互补金属氧化物半导体，Complementary Metal-OxideSemiconductor)感光器件构成的摄像机2对传送带10上的手术器械进行图像采集，然后运用多种数字图像处理方法和模版匹配技术，完成手术器械自动识别与计数，每完成一次计数，步进电机8通过联轴器12与传送机构9相连，控制传送机构9向前运动，进行下一次计数。

1.CMOS图像传感器与周边电路的整合性高，体积小，电源消耗量较低，传输速度快。采用的高分辨率数字摄像机2已经完成了ADC、采集卡、控制芯片及电路的整合，体积小，重量轻，携带方便。为了让检测达到高精度，应尽量搞高所摄取图像的分辨率，并且避免图像边缘畸变，这些要求决定了光学器件的参数。

表1所选光学元件的主要参数

2.专业的LED正面光源。光源选择用OSe散射型方形光源，该光源采用独特的照射结构，从LED发出的光均匀地扩散照射，而且这种均匀的范围不会随高度的变化而改变，同时采用柔性路板以0度照射角度固定，经折射后低角度照射在被测物体上，对目标区域进行高效的低角度照明，可以强化表面特征。

3.系统机械装置的设计目的主要是为摄像机和手术器械提供一个稳定良好的工作环境，以方便图像的采集。如图2所示，升降机构3固定在支架11上，通过调节镜头架4和光源架6可分别调节摄像机2和光源7的高度，以获得满足要求的手术器械图像。摄像机2与手术器械之间的高度可在200mm-700mm之间任意调节，传送带的宽度为500mm，长度为1700mm。

4.整个系统的工作流程(图4)如下：初始化设备(内存清零、摄像头内部参数还原为初始状态等)；采集图像到内存(采集、停止、读取、存取)；图像处理(使用腐蚀、膨胀、阈值分割等运算)；创建模版；模版匹配；识别与计数。

系统的运行环境为：2G内存、240G硬盘的联想计算机，操作系统为WindowsXP+SP3中文版，采用Visual C++6.0编制软件。该系统软件能够设置和实时调节摄像头的多个参数(分辨率、图像窗口、曝光等)，使图像采集达到最佳，从获得的数字图像中提取特征并创建模版，最后进行模版匹配，完成手术器械的自动识别与计数。

5.系统关键技术

本系统从计算机视觉的角度提出了一种基于图像处理技术的手术器械自动识别与计数方法。具体的算法流程如下：

(1)将图像进行开运算，即先腐蚀再膨胀，以消除大部分噪声点；

(2)提取出整把手术器械作为模版，对不同类型的手术器械分别进行提取，对型号1、型号2、...型号n的手术器械分别创建相应的模版1、模版2、...模版n；

(3)采用基于形状的模版匹配方法完成手术器械自动识别与计数。这是软件系统的核心，首先计算图像与模版之间的相似度量，然后为图像创建一个图像金字塔，在图像金字塔的顶层找到潜在的匹配位置，跟踪这些匹配位置到金字塔的列低层，直到图像金字塔最底层找到精确的最终位姿，再采用最小二乘法对位姿参数进行优化，得到更准确的结果。相似度量s的计算方法如下：

将一个目标对象的模版定义为点集p_i＝(r_i，c_i)T，每个点关联的方向向量为d_i＝(t_i，t_i)^T，i＝1，2....n.方向向量可以通过许多不同的图像处理操作得到。然后为搜索模版的图像中的每个点(r，c)计算出一个方向向量e_r，c＝(v_r，cw_r，c)^T。接着对模版进行一个任意仿射变换，该变换模型可以通过点p′_i＝Ap_i以及变换后的方向向量d′_i＝(A^-1)^Td_i得到。那么对图像中某个特定点q＝(r，c)^T处，相似度量s可以表示为：

$s=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i^{\′}{e}_{q+p^{\′}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i^{\′}{v}_{r+r_i^{\′},c+c_i^{\′}}+u_i^{\′}{w}_{r+r_i^{\′},c+c_i^{\′}}---\left(1\right)$

上式中的相似度量算法容易受光照变化的影响，为了克服这一问题，可以将方向向量进行归一化处理，这种情况下的相似度量可以表示为：

$s=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{d_i^{\′T}{e}_{q+p^{\′}}}{\left|\right|d_i^{\′}\left|\right|\left|\right|e_{q+p^{\′}}\left|\right|}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{t_i^{\′}{v}_{r+r_i^{\′},c+c_i^{\′}}+u_i^{\′}{w}_{r+r_i^{\′},c+c_i^{\′}}}{\sqrt{t_i^{\′2}+u_i^{\′2}}\sqrt{{v_{r+r_i^{\′},c+c_i^{\′}}}^2+{w_{r+r_i^{\′},c+c_i^{\′}}}^2}}---\left(2\right)$

如果模版与图像中所有方向向量都对齐，那么上式中相似度量将返回非常高的值，但是，如果应用中需要在目标物体明暗对比颠倒的情况下也能够搜索到目标物体，这时，相似度量应表示为：

$s=\left|\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{d_i^{\′T}{e}_{q+p^{\′}}}{\left|\right|d_i^{\′}\left|\right|\left|\right|e_{q+p^{\′}}\left|\right|}\right|---\left(3\right)$

另外，在非常特殊的应用场合，可能甚至需要忽略局部的明暗对比方向变化，这种情况下似度量可以表示为：

$s=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\left|d_i^{\′T}{e}_{q+p^{\′}}\right|}{\left|\right|d_i^{\′}\left|\right|\left|\right|e_{q+p^{\′}}|}---\left(4\right)$

等式(2)～(4)中的归一化相似度量都将返回一个小于1的数作为潜在匹配对象的分值，在所有情况下，如果分值为1则表示模版与图像之间完美一致。并且相似度量还有一个非常好的特性，就是当要求在潜在的匹配位置计算得到的相似度量必须达到一个用户定义的阈值s_min时，这个相似度量不需要完全地求出，当计算到模版第j个元素时，累计得到的相似度量可以表示为：

$s_j=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\frac{d_i^{\′T}{e}_{q+p^{\′}}}{\left|\right|d_i^{\′}\left|\right|\left|\right|e_{q+p^{\′}}\left|\right|}---\left(5\right)$

如果s_j＜s_min-1+j/n，那么匹配分值就不可能达到需要达到的阈值s_min，因此当这个条件满足时就可以在第j个元素后停止计算，这就大大的提高了识别过程的速度。

(4)按照(3)中所述方法利用模版1对采集到的图像进行模版匹配，检查图像中手术器械是否与模版1匹配，如果匹配，则可以得到型号1手术器械的数量，如果不匹配，则利用模版2继续进行匹配，直到最终利用模版n完成匹配，最后可准确得出图像中手术器械的型号与数量。

目前，国内的手术器械生产企业在手术器械计数方面大多采用的是人工计数的方法，这就需要车间停产，会大大影响生产进度，并且还容易出错，而使用本系统，根据实际工作环境，图像分辨率为2048*1536，正常采集速度，选择取最佳的曝光条件和增益系数，白平衡调节采用试验的经验数值的条件下，对手术器械进行识别与计数，准确率达97％，效果良好。

该系统能够有效地完成手术器械的自动识别与计数，可以提高手术器械的生产效率，保证手术的安全，发展了数字图像处理技术的应用领域，具有准确度高、速度快、结构设计简洁的优点，适合推广使用。

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (7)

1.一种手术器械自动识别与计数系统，其特征在于，所述系统包括：计算机、摄像机、光源、手术器械传送机构、升降机构、步进电机；

所述手术器械传送机构包括传送带和支架，手术器械传送机构通过联轴器与步进电机相连，并由步进电机控制手术器械传送机构的运转和停止；

所述升降机构固定在支架上，升降机构上设有镜头架和光源架，通过调节镜头架和光源架的高度分别调节摄像机和光源的高度；

所述摄像机与计算机通过专用数据线连接。

2.根据权利要求1所述的手术器械自动识别与计数系统，其特征在于：

所述升降机构包括光源角度调节机构，用以调节光源的角度。

3.根据权利要求2所述的手术器械自动识别与计数系统，其特征在于：

所述光源角度调节机构为旋钮。

4.根据权利要求1所述的手术器械自动识别与计数系统，其特征在于：

所述摄像机包括CMOS图像传感器和CMOS摄像头。

5.根据权利要求1所述的手术器械自动识别与计数系统，其特征在于：

所述光源为OSE散射型方形光源。

6.根据权利要求1所述的手术器械自动识别与计数系统，其特征在于：

所述步进电机通过联轴器直接与传送带相连。

7.根据权利要求1所述的手术器械自动识别与计数系统，其特征在于：

所述计算机数据输出口接显示器或打印机。

Images