一种便携式静脉投影仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学设计及红外成像技术领域，具体涉及一种便携式静脉投影仪。
【背景技术】
[0002] 静脉穿刺是一种常见的医疗手段，在日常医疗中有着十分广泛的应用，如：静脉注 射等。但由于不同人群的身体结构的不同，想要准确、迅速的实现静脉穿刺绝非易事。有统 计数据表明：普通成年人静脉注射首次穿刺失败率为28%，而儿童中首次穿刺失败率竟高 达43% ;不仅如此，静脉注射时，发生"漏针"的比例为23% -28% ;此外，穿刺成功率低也 是许多人拒绝献血的最大原因。
[0003] 综上所述，如何迅速准确得实现静脉穿刺已经成为一个亟需解决的问题；而对于 医护人员而言，一方面，静脉位于皮下，本身就难以分辨，可视性很差；另一方面，进行静脉 穿刺时，静脉会由于力的作用位置发生变化，这更为医护人员进行静脉穿刺的工作增加了 难度。
[0004] 解决该问题的直接方法就是提高静脉血管与其周围组织的对比度，这样可以将静 脉与其周围组织有效的区别开来。对此，国内外的研宄者做了很多相关研宄并发现，静脉与 其周围组织对近红外光的吸收有差异，血液对红外线的吸收远远强于其它皮下组织；因此， 在合适的红外波段，静脉血的红外吸收更是远远大于其它的相邻组织。可以根据其对近红 外光吸收程度的差异，利用主动式近红外成像技术，使用成像器件对静脉进行成像；经过图 像处理后即可清晰得显现出肉眼不易观察到的静脉血管，利用投影机将增强图像反投回采 样图像处，使得人们的观察更自然、更直接。
[0005] 静脉显示技术以及静脉红外成像技术都取得了显著的成果，得到了快速的发展。 静脉显示仪是近些年发展起来的皮下静脉显示设备。这类显示仪设计的最初目的是为了帮 助患有艾滋病等导致弱视疾病的病人，它通过增强物体与周围环境的对比度来帮助这类病 人提尚视力。
[0006] 静脉显示仪大多数采用的是主动红外成像技术，是典型非接触式技术。按照光源 的照射方式，可分为透射式系统和反射式系统两类。透射式系统例如国内的手背浅静脉显 示仪，该仪器根据血液中脱氧血红蛋白吸收近红外光的能力远远超过氧合血红蛋白这一原 理，大功率的近红外光被手背、手指、手腕组织静脉中的还原血红蛋白吸收后，使静脉清晰 显示。上述显示仪为了方便人们肉眼的观察不得不使用大功率的近红外光源，但巨大的发 热量不仅散热困难，甚至会对人体造成伤害。
[0007] 反射式红外成像技术在静脉显示仪的应用更为广泛。美国阿肯色州光电与生物医 学实验室的科学家们，在2004年前，曾进行了皮下静脉显示技术的探索与实践。实验装置 由红外光源、CXD摄像头、显示器、图像处理站组成，采用反射式红外成像技术，获取皮下静 脉分布图像，图像经增强处理后，在显示器上显示出来。有些研宄利用投影机将增强图像反 投回采样图像处，使得人们的观察更自然、更直接。
[0008] 美国的Luminetx公司的技术人员从1999年开始研宄反射式红外静脉成像技术， 开发成功了静脉观察仪。这种仪器主要由红外光源、摄像机、计算机系统和投影仪组成。红 外光投射在患者穿刺部位上，含有皮下静脉分布信息的反射红外光被摄像机接受成像，计 算机系统对这种图像进行实时增强处理，然后由投影仪投射到患者手臂的表面，使被照区 域的皮下静脉轨迹清晰的显示在皮肤上。该仪器临床使用效果很好，并通过了美国食品药 品管理局的认证。
[0009]目前国内也有医护人员和工程技术人员从事过血管成像技术的研宄，但是成果比 较零散，试用对象有限。目前，国内市场上没有这种功能的商品。而且，国外多数相关产品 具有成本高，体积大等问题，不能便携使用。
【发明内容】
[0010] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种便携式静脉投影仪，体 积小，成本低，很便携，成像质量好，能够产品化。
[0011]一种便携式静脉投影仪，包括：LED光源、CMOS图像传感器、半透半反镜片、微型投 影仪和图像处理单元；其中：
[0012] 所述的LED光源用于向表皮区域投射近红外光，经表皮区域反射的一部分近红外 光通过半透半反镜片透射进入CMOS图像传感器，并在其内部成像，CMOS图像传感器将图像 传送至图像处理单元进行处理，由图像处理单元将处理后的图像传送至微型投影仪，最终 由微型投影仪输出可见光经半透半反镜片反射至表皮区域，以实现在表皮区域静脉成像。
[0013] 进一步地，所述的LED光源向待成像表皮区域投射峰值波长为850nm的近红外光， 可以产生最佳对比度的成像条件。
[0014]因为LED可以近似看作朗伯体，不同方向的光亮度差别很大，光能分布不均匀，所 以为了达到更好的成像效果，进一步地，所述的LED光源前设有散射板，能够使得光源的出 射光在各个方向上分布更均匀。
[0015] 如果LED亮度很高，会增大静脉表面脂肪的散射光强，同时弱化静脉和周围脂肪 组织的对比度，如果LED亮度很低，经过衰减到达静脉的光很少，同样会降低静脉的对比 度；进一步地，所述的LED光源连接有驱动模块，所述的驱动模块通过控制LED光源的驱动 电流，使LED光源投射出光亮度为0.llcd/m2的近红外光，使得静脉最清晰可见。
[0016] 进一步地，所述的CMOS图像传感器竖直设置于待成像表皮区域上方，所述的半透 半反镜片设置于CMOS图像传感器与待成像表皮区域之间且呈45°倾斜放置，所述的微型 投影仪设置于半透半反镜片的左侧或右侧；可以实现投影光轴与成像光轴完全重合，使得 投影图像的位置大小与所对应的物面完全匹配。
[0017] 进一步地，所述的图像处理单元包括：
[0018] 镜像处理模块，对CMOS图像传感器传送至图像处理单元的图像进行镜像处理；
[0019]灰度预处理模块，对镜像处理后图像中静脉区域所有像素点的灰度值求平均，进 而使图像中每个像素点的灰度值减去该平均值，以实现灰度预处理；
[0020] 去噪模块，采用基于灰度KNN(K-NearestNeighbor，K最近邻）算法去除灰度预处 理后图像中的高斯噪声和椒盐噪声；
[0021] 对比度增强模块，采用阈值分割的方法增强去噪后图像的对比度以凸显出图像中 的静脉区域，即通过设定一个灰度阈值，使去噪后图像中灰度值大于该灰度阈值的像素点 归为一类，灰度值小于该灰度阈值的像素点归为另一类。
[0022] 进一步地，所述的图像处理单元还包括锐化处理模块，其采用拉普拉斯算子使对 比度增强后的图像进行边缘锐化，使得静脉的边缘更加清晰可见。
[0023] 本发明的有益技术效果如下：
[0024] (1)本发明具有低成本，小体积，高准确性，高对比度且使用方便的特点。
[0025] (2)本发明使用了半透半反片，透射近红外光，反射可见光，可以很好的排除杂散 光和投影出的可见光对于成像质量的影响。
[0026] (3)本发明基于静脉中的血红蛋白和皮下组织对于近红外波段的吸收差异，使得 该系统对浅层静脉的探测具有普适性。
【附图说明】
[0027] 图1为人体不同组织的红外光学特性示意图。
[0028] 图2为本发明便携式静脉投影仪的光路设计示意图。
[0029] 图3为本发明便携式静脉投影仪的设计封装示意图。
[0030] 图4为本发明所采用LED光源的光谱功率分布图。
[0031] 图5(a)为本发明所采用LED光源的侦衫见图。
[0032] 图5 (b)为本发明所采用LED光源的正视图。
[0033] 图6为本发明便携式静脉投影仪的模块连接示意图。
[0034] 图7为本发明便携式静脉投影仪图像处理部分的工作流程示意图。
【具体实施方式】
[0035] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 进行详细说明。
[0036] 如图1所示，本发明便携式静脉投影仪的设计原理是静脉与其周围组织对红外光 的吸收以及反射程度不同：脂肪散射红外线，几乎不吸收；静脉血中由于血红蛋白的存在， 对红外线的吸收远远强于其它皮下组织。采用近红外光的原因是：皮肤总厚度为0. 5-4_， 平均厚度为2mm。远红外辐射（3 ym以上）的作用深度非常浅，绝大部分都在上皮或真皮 层吸收，仅小部分能进入皮下；近红外辐射则相对透入稍深，近红外辐射的穿透深度约为 lcm，而远红外福射则仅为0? 05-lmm。
[0037] 基于上述设计原理，本发明采用以下装置来实现，具体如图2、图3和图6所示，该 装置包括：LED光源1、CMOS镜头2、半透半反片3、微型投影仪4、CMOS驱动模块5、投影驱 动模块6、ARM核心控制模块7、图像处理模块8、电源模块9。
[0038] 其中，CMOS驱动模块5被集成在CMOS镜头2上，投影驱动模块6被集成在微型投 影仪4上，图像处理模块8以及电源模块9被集成在一块电路板上，通过一块ARM核心控制 芯片7控制数据流的读入、处理和读出。整个系统由连接在电路板上的电池供电，CMOS镜 头2和投影仪4分别通过接口与电路相连，由电源模块10对它们供电。通过图6可以清晰 的看到每个模块之间的工作关系，可以知道系统如何传输数据。
[0039] LED光源1发出近红外光打到手背上，手背组织11对所接收到的光进行散射，一部 分近红外光通过