近红外血管显像仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种近红外血管显像仪，包括近红外光发射装置、数码摄像装置、微型移动投影装置，近红外发射装置向皮肤发射光线，皮肤向数码摄像装置反射，数码摄像装置与微型移动投影装置相联，微型移动投影装置将血管分布的图像信息投射至皮肤进行显示。本发明近红外血管显像仪具有如下技术效果：图像清晰、定位准确、实时成像。
【专利说明】近红外血管显像仪
【技术领域】
[0001]本发明属于医疗器械制造【技术领域】，具体涉及一种近红外血管显像仪。
【背景技术】
[0002]近红外二极管光源可根据其特定的波长，将皮下静脉或动脉的血红细胞和周围组织区别开来。其基本原理是近红外光在生物组织中收到强散射(102-103cm-l)和弱吸收(lO-2-lO-lcm-l)，在700_900nm近红外区域内，存在一个“光谱窗”。在该“光谱窗”内，生物组织对光线的吸收作用大大降低，光线可进入更深一些的组织。由于血液中氧合血红蛋白(Hb02)和还原血红蛋白(Hb)在近红外光区有独特的吸收光谱，因而近红外光谱信号分析方法(NIRS)成为组织中血液成分研宄的简单可靠方法。利用光谱学方法对生物组织进行检测，具有安全可靠、连续实时及无损伤等特点，是一种具有研宄和应用价值的无创伤检测方法。
[0003]Hb02和Hb的近红外吸收光谱如图1所示。如图1可见，血液中Hb02和Hb对不同波长光的吸收系数差异明显。在红光谱区(600nm?800nm)，Hb的吸收系数远大于Hb02 ；而在红外光谱区(800nm?100nm)，Hb的吸收系数小于Hb02 ;在805nm左右，Hb和Hb02具有相同的吸收系数。
[0004]运用该效应，美国Christie公司已研制出VeinViewer系统，用于帮助医疗专业人员快速清晰地观察到患者的体表静脉。另外，此项技术还可应用于蜘蛛状血管病的美化工程。蜘蛛状血管病的传统疗法包括局部皮肤的激光治疗和注射硬化治疗。局部激光治疗技术适用于小的蜘蛛状血管，但渗入的皮肤深度很浅，且会对健康皮肤造成灼烧伤害。硬化疗法是将刺激化学物质直接注射至体表的小型网状的蜘蛛状静脉血管，这需要多次注射以使蜘蛛网现象终止。利用近红外技术，医疗工作者不仅可看到体表的蜘蛛状血管，还可看到距皮肤Icm深度下较大的喂养血管。根据投影的血管分布，硬化溶剂和硬化泡沫可直接被注射到喂养网状血管，使之硬化和终止喂养。这种终止喂养血管的方法可以根除体表的蜘蛛状血管现象，从而达到美化的效果。
[0005]另外，近红外光谱法可用于人体各组织器官血氧饱和度的定量检测，由于脑组织供血供氧的重要性，对脑组织的研宄受到格外关注，对肌肉等重要器官和组织的血氧状态研宄也备受瞩目。这种检测方法的有效性已被大部分的手术室和监护室所接受。
[0006]但，现有的近红外血管显像仪在图像清晰、定位准确、实时成像等方面存在一定的缺陷。
【发明内容】
[0007]针对现有技术存在的上述技术问题，本发明公开了一种近红外血管显像仪。
[0008]本发明采取如下技术方案:近红外血管显像仪，包括近红外光发射装置、数码摄像装置、微型移动投影装置，近红外发射装置向皮肤发射光线，皮肤向数码摄像装置反射，数码摄像装置与微型移动投影装置相联，微型移动投影装置将血管分布的图像信息投射至皮肤进行显示。
[0009]优选的，近红外发射装置采用760和850nm波长的近红外线LED阵列。
[0010]优选的，LED共设8个，LED成环形排列。
[0011]优选的，数码摄像装置包括近红外镜头、光电传感器、模拟信号处理器、A/D模数转换器、直流基准模块、DSP数字信号处理器、静态/动态随机存储器、格式化模块，近红外镜头、光电传感器、模拟信号处理器、A/D模数转换器、DSP数字信号处理器、格式化模块依次相联，直流基准与A/D模数转换器相联，DSP数字信号处理器与静态/动态随机存储相联。
[0012]优选的，微型移动投影装置包括可见光LED阵列、滤镜、聚光镜和偏振片、LCD液晶面板、镜头、图像控制器，可见光LE D阵列向滤镜、聚光镜和偏振片发射光线，滤镜、聚光镜和偏振片与LCD液晶面板相联，LCD液晶面板与镜头、图像控制器相联，图像控制器接收数码摄像装置传输的血管分布图像信息，镜头向皮肤投射。
[0013]根据图Hb02和Hb的近红外吸收光谱(如图1所示)可知，760nm和850nm分别位于还原血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收峰附近，是比较理想的波长组合。血液的光吸收程度主要与血红蛋白含量有关。
[0014]使用760和850nm波长的近红外线照射患者皮肤，血管则因血红蛋白的存在而将光线吸收，而其他组织则对光线产生强散射和弱吸收。因此，使用近红外数码摄影装置捕获反射或散射的近红外光，经过近红外镜头、(XD、模拟信号放大、ADC、DSP等一系列处理，可确定血管的具体位置。
[0015]将数码摄影装置捕获到的近红外光进行数字化处理之后，微型移动投影装置根据接收的近红外光情况，LCD液晶片上的各像素点有序开闭，产生图像。选择波长为530nm的可见光LED，对其发射的光经滤光片滤除红外线和紫外线，以消除它们对LCD液晶面板的损害作用。再使用聚光镜和偏振片，以使光线集中且振动方向一致，经过LCD液晶面板则可直接把血管分布图投影到皮肤上。整个过程实时进行，因此血管分布会随病人的移动而发生相应变化。
[0016]本发明近红外血管显像仪在减轻患者痛苦、服务医疗工作者等方面发挥着重大的作用，本发明在已有技术的基础上进行功能扩充，尝试将近红外观察浅表动脉的理论转化为现实工程，该产品具有创新性。观察Hb02和Hb的近红外吸收光谱发现，760nm和850nm分别位于还原血红蛋白和氧合血红蛋白的吸收峰附近，可分别作为观察浅表静脉和动脉的波长选择。
[0017]本发明近红外血管显像仪具有如下技术效果:
[0018]—、图像清晰:
[0019](I)经反复试验后，确定最佳的LED个数(8个)及安装位置(呈环形安装在摄像头前方)，结合匀光片灯保障光的均匀性，消除伪影；
[0020](2)使用了多重透镜组成镜头，消除相差以及可见光的干扰；
[0021](3)采用传感器对特定波长区域的近红外光敏感，进一步减少可见光带来的组织信息的干扰；
[0022](4)使用多种图像处理算法优化图像，如自动曝光算法可以保持图像相对对比度，滤波可以消除无效或缺陷像素等；
[0023](5)使用数字信号处理器，实现实时成像。
[0024]二、定位准确:
[0025](I)使用投影技术Lcos投影；
[0026](2)可以实时进行一对一投影，保障投影定位的准确性。
[0027]三、实时成像:
[0028](I)使用FPGA双处理器进行图像处理和显示，快速实时；
[0029](2)投影和LED面板两种显示方式；
[0030](3)便携轻巧，适用于人体各种部位的成像。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是血红蛋白吸收光谱。
[0032]图2是近红外体表血管显像仪设计框图。
[0033]图3是数码摄影装置组成框图。
[0034]图4是图像采集结构框图。
[0035]图5是近红外镜头组成示意图。
[0036]图6是CMOS传感器内部结构。
[0037]图7是图像处理流水线。
[0038]图8是微型移动投影装置组成框图。
[0039]图9是投影仪结构框图。
[0040]图10是主控程序的控制流程图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图对本发明优选实施例进行详细说明。
[0042]本实施例近红外血管显像仪主要由近红外光发射装置、数码摄像装置、微型移动投影装置以及其他装置等部分构成，功能框图如图2所示。近红外发射装置向皮肤发射光线，皮肤向数码摄像装置反射，数码摄像装置与微型移动投影装置相联，微型移动投影装置将血管分布的图像信息投射至皮肤进行显示。数码摄像装置还与图像压缩模块相联，图像压缩模块与附加逻辑模块相联，附加逻辑模块与主控模块、固定/可移动存储器、USB高速串行接口都相联，主控与用户控制模块相联，固定/可移动存储器与存储控制器相联，存储控制器与USB高速串行接口相联。
[0043]近红外发射装置:
[0044]本发明采用760和850nm波长的近红外线LED阵列为发射装置，多次试验确定显像效果最佳的亮度和LED个数。发射近红外光的LED围绕镜头形成环形排列，并使用匀光片，使近红外光均匀照射到皮肤表面。匀光片又称PC光扩散板，由聚碳酸酯为基材加入扩散剂而制成的一种光学PC耐力板。扩散剂能均勾分布在板材内，使光线经过板材时，碰到扩散剂颗粒时发生折射、反射、散射的效果，从而使光线可以均匀的透过板材但又不会露出光源，达到从点光源向面光源的变化。
[0045]数码摄像装置:
[0046]数码摄像装置用来捕获由皮肤散射和反射的近红外信号，然后转换成数字信号暂时储存在内部。其功能模块组成框图如图3所示。图4为图像采集结构框图。
[0047]数码摄像装置包括近红外镜头、光电传感器、模拟信号处理器、A/D模数转换器、直流基准模块、DSP数字信号处理器、静态/动态随机存储器、格式化模块，近红外镜头、光电传感器、模拟信号处理器、A/D模数转换器、DSP数字信号处理器、格式化模块依次相联，直流基准与A/D模数转换器相联，DSP数字信号处理器与静态/动态随机存储相联。下面详述各子模块的技术内容。
[0048]近红外镜头:数码摄像装置的镜头采用普通的光学镜头，在镜头前添加相应波长的近红外光滤光片，可以使通过镜头到达传感器的光为所需近红外光。总体而言，近红外镜头通常包括以下几个部件:镜头保护玻璃、相应波长的滤光片、透镜部件、光学低通滤波器等组成，镜头保护玻璃、相应波长的滤光片、透镜部件、光学低通滤波器依次装配，部分组件示意图如图5所示。
[0049]镜头保护玻璃对内部的光学组件起保护作用。
[0050]近红外滤光片(Near Infrared Filter)不同于普通相机内置的红外截止滤光器(IR Cut Filter)，它的作用是阻挡可见光而让近红外光通过，从而使得到达传感器的只有近红外信号。近红外滤光片通常是带通滤光片，由真空镀膜而成。对于近红外的带通来说，是在白玻璃上镀膜。
[0051]透镜组件由许多独立的磨光玻璃元件组成或用透明塑料压制而成，功能是将光线聚集到感光面上。透镜有其特有的球差、色差等影响成像质量的像差存在，为了解决像质问题，镜头设计中采用了不同曲率、不同材料的透镜组合以消除或减轻其影响。此外，也可用非球面透镜的方法，该方法有助于除去球面像差、减少透镜片数、提高像质效果。
[0052]光学低通滤波器大都是由两块或多块石英晶体薄板构成的，放在CCD传感器的前面。目标图象信息的光束经过OLPF后产生双折射(分为寻常光ο光束和异常光e光束)。根据CCD像素尺寸的大小和总感光面积计算出抽样截止频率，同时也可计算出ο光和e光分开的距离。改变入射光束将会形成差频的目标频率，达到减弱或消除低频干扰条纹的目的，特别是彩色CCD出现的伪彩色干扰条纹的目的。
[0053]光电传感器:光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
[0054]光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为:发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
[0055]常见的光电传感器为CXD和CMOS传感器。
[0056]CXD型和CMOS型固态图像传感器在光检测方面都利用了硅的光电效应原理，不同点在于像素光生电荷的读出方式。CCD光电传感器的作用是将接收到的光信号转变为模拟信号，这里采用面阵(XD。面阵CXD包含一个光敏元件矩阵，将图像光能量信息转换为电子模拟量信息，并将每个像素上的电子模拟量信息通过串行扫描的方法自动传输出来。矩阵中的每个元件代表图像中的一个像素。CCD信号的读出采用帧传送的方式。两路CCD信号分别作为差分放大电路的两个输入端，以抑制零点漂移及噪声干扰。A/D转换器将经过处理的CCD模拟信号转换为数字信号，交给数字信号处理器。
[0057]典型的CMOS像素阵列是一个二维可编址传感器阵列，其内部结构见图6。传感器的每一列与一个位线相连，行允许线允许所选择的行内每一个敏感单元输出信号送入它所对应的位线上，位线末端是多路选择器，按照各列独立的列编址进行选择。CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。
[0058]数字信号处理器:数字信号处理器简称DSP (Digital Signal Processor)，是子系统的重要部件之一，它的主要功能是通过算法对数字图像信号进行优化处理，包括对高频骚动的校正以及灰度系数的校正。它可将图像数据进行格式化，再传输至微型移动装置进行投影。图像处理的一般流程见如7。
[0059]I)自动曝光算法测量分立景物区域的亮度，通过调节快门速度和(或)光圈以对曝光过度或曝光不足的区域进行补偿。主要目标是维持图像中不同区域之间的相对对比度并且达到所要求的平均亮度。
[0060]自动聚焦算法可分为两类:主动算法采用红外线或超声波发射器和接收器估计照相机和拍摄对象之间的距离；被动算法是根据照相机所接收的图像进行聚焦。在这两种子系统中，多媒体处理器通过其输出的脉宽调制(PWM)信号控制各种镜头和快门的电机。自动曝光控制功能还能调节传感器的自动增益控制(AGC)电路。
[0061 ] 2)因为传感器通常含有很少的无效或缺陷像素，所以可以通过中值滤波消除这些缺陷，原理是当光学处理有些模糊的图像时像素之间的急剧变化是不正常的。
[0062]3)镜头的阴影畸变降低了镜头周围区域的图像亮度。色像差会使图像周围出现色彩条纹。因此多媒体处理器需要对图像做数学变换以校正这些畸变。另外一方面是图像稳定性补偿或信号交换校正。
[0063]4)双线性插值或双三次插值适合处理图像的平滑区域。然而，用这些简单的算法处理边缘或纹理丰富的区域时会遇到问题。自适应算法根据局部图像特点改变算法，从而可以提供较好的效果。自适应算法的一个例子是基于边缘重构。这种算法分析围绕像素的区域并且确定在哪个方向上完成内插。如果它在像素附近找到了边缘，则将沿着边缘进行插值，而不是越过边缘。另一种自适应算法是假设整个对象是恒定色调，这可以防止在个别对像中颜色梯度的突变。还有许多其它的抗马赛克技术，包括频域分析、贝叶斯判决准则，以及神经网络。
[0064]5)将内插后的RGB图像变换为目标输出颜色空间(如果还不是合适的颜色空间)。为了压缩或在电视机上显示图像，这通常包括RGB、YCbCr的矩阵转换，通常还包括另外的灰度系数校正电路以适应目的显示器。
[0065]6)图像在送到显示器和(或)存储媒体之前通过各种滤波作用完善图像。例如，边缘轮廓增强、像素阈值处理以降低噪声、以及人工颜色删除通常都在这阶段完成。
[0066]7)后处理图像输出到目的显示器，通常是集成液晶显示(LCD)屏，同时将图像送到多媒体处理器运行压缩算法软件，并存储到相应存储器进行存储。
[0067]微型移动投影装置:
[0068]微型移动投影装置的作用是将血管分布的图像信息投射至皮肤进行显示。该装置的组成框图如图8所示，其包括可见光LED阵列、滤镜、聚光镜和偏振片、LCD液晶面板、镜头、图像控制器，可见光LED阵列向滤镜、聚光镜和偏振片发射光线，滤镜、聚光镜和偏振片与LCD液晶面板相联，LCD液晶面板与镜头、图像控制器相联，图像控制器接收数码摄像装置传输的血管分布图像信息，镜头向皮肤投射。
[0069]为实现摄像头采集的图像经过投影仪实现图像1:1比例投放，首先需要对摄像头、投影仪成像的原理进行分析；以帮助在实验的过程中起指导作用。摄像头和投影仪都是基于透镜成像的；摄像头成像是一个缩小的像，而投影仪成像是一个放大的像，下面将结合透镜的成像规律和实际应用开发进行分析。
[0070]参见图9，光学引擎:投影仪的投影光学系统又称为“光机”或“光学引擎”，工作机理是:利用高亮度光源，照射显示芯片(显示芯片是光电转换期间)，经投影光学系统放大，可将芯片的图像投射到屏幕上。目前市场上的微型投影仪依然是在二代投影仪的投影技术基础上产生的，有HTPSLCD (液晶微型投影技术)透射微投影、DLP (德州仪器公司开发的数字光学处理技术)和LCOS (硅基液晶)反射式微投影等投影技术。
[0071]LED驱动:由于微型光机一般都采用大功率白光LED来作为光源。其要求工作在可靠的恒流状态，视使用的LED不同、内部LED的连接方式不同，而需加载不同的电流。因此设计一个可靠的大功率恒流源来给LED供电是必要的。在设计LED恒流源的时候，需要重点考虑光机中LED的电气特性、连接方式等，如果是电池供电，还要考虑外部输入电压变动范围；恒流源效率、恒流源PWM调整范围。有些带电池供电的机器需要能工作在低亮度模式，以便延长电池使用时间，因此还要考虑该恒流源能比较方便地调整电流，要具有使能端，便于利用微控制器开关恒流源。
[0072]电源管理:一个稳定的电源解决方案可以保证硬件电路的平稳运行。电源模块通常由若干个相互独立的稳压模块构成，这样做的目的是为了减少各个电源间的相互串扰在整个系统中，不同模块之间的供电方式是不一样的，同时为了提高系统的稳定性、安全性，因此在设计电源管理是需要考虑不同电源的纹波，断路、短路保护。
[0073]显示面板驱动:不同的光学引擎可能采用显示芯片也不一样，因此需要针对相应的显示面板设计不同的显示面板驱动。FPGA处理过的视频流信号进过显示面板驱动转化为面板能够接收的数字视频信号，实现图像在屏幕上的正常显示。
[0074]辅助电子功能:主要监视系统的过压、过流、过热状态，当系统中电压、电流过高或者过低时及时切断系统工作，特别是LED的电流电压。LED由于目前的光电转换效率还不是很高，特别是超大功率的白光LED器件，在工作中其自身发热较厉害。而LED本身又是一个对热很敏感的器件。如果散热不良，将会导致LED内部荧光粉的提前衰老，影响亮度输出。在整个系统还有LED驱动电路本身和显示面板也都会产生大量的热，在一个相对封闭的空间中热量的聚集对于系统的稳定运行是一个很大考验，因此在系统工作时还需要实时监测整个系统的温度变化，当温度过高时也要切断系统工作，使系统尽快降温。
[0075]FPGA视频信号处理:通过摄像头采集的图像，为了能够证实有效地反应出人体血管的位置，需要对拍摄的图像进行一定的处理，最后要1:1地投放在人体的某个部位上，在这过程中还需对图像根据投影仪的距离对图像进行缩放；最后将处理好的视频流信号发送给显示面板驱动芯片。
[0076]上述可对投射到皮肤上的血管分布图像进行保存并通过USB接口输出，从而可将图像传输到PC上以进一步分析或处理。本实施例系统通过总体控制电路或主控程序来实现各个装置或部件的逻辑控制，以实现各个操作的统一协调和控制。主控程序芯片MCU对该子系统的所有部件及任务进行管理。接通电源时MCU开始检查各部件是否处于可工作状态，如果有一个部分出现故障，则投射出现错误的字样，并停止工作。如果一切正常，那么子系统就处于就绪状态了。主控程序的控制流程参见图10。
[0077]以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在【具体实施方式】上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.近红外血管显像仪，其特征是包括近红外光发射装置、数码摄像装置、微型移动投影装置，近红外发射装置向皮肤发射光线，皮肤向数码摄像装置反射，数码摄像装置与微型移动投影装置相联，微型移动投影装置将血管分布的图像信息投射至皮肤进行显示。
2.如权利要求1所述的近红外血管显像仪，其特征是:近红外发射装置采用760和850nm波长的近红外线LED阵列。
3.如权利要求2所述的近红外血管显像仪，其特征是:LED共设8个，LED成环形排列。
4.如权利要求1所述的近红外血管显像仪，其特征是:数码摄像装置包括近红外镜头、光电传感器、模拟信号处理器、A/D模数转换器、直流基准模块、DSP数字信号处理器、静态/动态随机存储器、格式化模块，近红外镜头、光电传感器、模拟信号处理器、A/D模数转换器、DSP数字信号处理器、格式化模块依次相联，直流基准与A/D模数转换器相联，DSP数字信号处理器与静态/动态随机存储相联。
5.如权利要求1所述的近红外血管显像仪，其特征是:微型移动投影装置包括可见光LED阵列、滤镜、聚光镜和偏振片、LCD液晶面板、镜头、图像控制器，可见光LED阵列向滤镜、聚光镜和偏振片发射光线，滤镜、聚光镜和偏振片与LCD液晶面板相联，LCD液晶面板与镜头、图像控制器相联，图像控制器接收数码摄像装置传输的血管分布图像信息，镜头向皮肤投射。
【文档编号】A61B5/00GK104434033SQ201410709873
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】张文 申请人:深圳元华医疗设备技术有限公司