基于動態位移的成像反饋定位投影的研究與設計

曾 瑞

（義烏工商職業技術學院，浙江 義烏 322000）

基于動態位移的成像反饋定位投影的研究與設計

曾 瑞

（義烏工商職業技術學院，浙江 義烏 322000）

成像輔具是以完成圖像準確定位為目標，通過對采樣圖像信息進行處理加工并以可以接受的形式(投影、光照以及二者的集成等)完成顯影成像。文章以波長為800 nm和850 nm的雙疊加紅外LED作為光源，增強目標成像質量，再通過伺服電機動態平移矯正投影疊加區域圖像，提高投影標的重合度。

動態位移；反饋；定位投影

1 靜脈顯像儀成像裝置研究背景

國內外對靜脈增強裝置的研究非常廣泛。雖基本原理都是靜脈血管與周圍組織對近紅外光的吸收特性不同，但是從設備的各個方面來看，還是有很大不同的。液晶顯影方式以及有色光源照射雖然都能夠將靜脈血管的信息顯示出來，但是對于靜脈穿刺的輔助作用還是有限的。而具有反投影系統的裝置，能夠將圖像直接投影回手背表面，這樣就大大提高了系統的輔助效果。裝置的體積對系統的影響也比較大，所以具有反投影系統的便攜式裝置是未來發展的主要方向。

靜脈顯像儀最基本的部分包括：圖像的采集部分、圖像的處理部分和圖像的顯示部分。根據圖像采集部分光源的不同使用方式，分為透射式和反射式兩種。采用透射式可以有較強的穿透性能夠采集到較深層的信息，得到的信息較為豐富，適用于組織較厚的區域，如手臂等。但是采用這種方式可能會增大裝置的體積。相對于透射式反射式能夠得到較淺層的靜脈信息，而裝備體積也相對較小。對于顯示部分大部分國內儀器的顯示部分都是采用的顯示屏方式。雖然這樣能夠起到圖像顯示的作用，但是在醫護人員進行操作的時候需要同時觀察手背和顯示屏，加大了操作的難度。而國外采用的反投影技術能夠較好的解決這一問題，將處理后的靜脈信息圖像直接反投回手背表面，這樣就可以更清晰地知道靜脈血管的位置。這樣的結構設計也更加符合臨床的需要。經過十幾年的研究與發展，具有反投影的設備成為了主要的發展方向。

2 基于動態位移的靜脈血管成像反饋定位投影的研究與設計

基于動態位移的靜脈血管投影儀主要通過實現靜脈血管成像采集和投影精確定位實現淺表血管的辨識功能，達到醫護人員完成無誤差血管穿刺的目的，為了完成整個系統的統一設計，采用DSP芯片控制系統基礎上完成淺表靜脈的增強效果并投影回標的皮膚表面。根據工作原理，系統包含以下幾個主要的部分：圖像采集模塊、圖像處理模塊、反饋定位投影矯正模塊以及成像投影模塊。圖像采集模塊是為了獲取原始圖像，圖像處理模塊是為了得到更好的靜脈圖像而對原始圖像進行一系列處理，成像投影模塊就是要將處理得到的圖像投影顯示。由于不同鏡頭的焦距，畸變是不同的，為了能夠準確地將圖像反投回原標的皮膚表面，還需要增加相應的修正模塊，其中包括圖像尺寸、位置等多維特征的矯正等功能，其由如圖1所示模塊構成。

圖1 動態位移的靜脈血管成像反饋定位投影體系結構

2.1 圖像采集模塊

該模塊關鍵部件主要由紅外光發射源、紅外光濾光片和圖像傳感器組成。

主要根據照明的需要選擇合適波長和功率的紅外光源作為發射端光源，需要滿足以下要求：

（1）紅外光要對組織有足夠的穿透性，能夠將靜脈與其他組織區分開。

（2）紅外光的波長要與攝像機的相應性能有較好的匹配。

（3）紅外光的功率要適當，穿透或反射回的紅外光強度不應超過攝像機所能接收的范圍。

（4）發光要均勻穩定，能夠盡量保證被照射目標區域的光強均勻性。

（5）光源的體積應不宜過大，使用方便。

采用波長為800 nm和850 nm的雙疊加紅外LED作為光源。該波長的光對皮膚的穿透性較好。為了減少可見光對系統成像的影響，即濾除波長在700～1 000 nm范圍以外的近紅外光對圖像產生的噪聲影響。在成像系統中添加IPG-800T1和IPG-850T3濾光片，它們將可見光吸收，允許波長為800 nm和850 nm附近的透過紅外光，適用于紅外成像。

在圖像傳感器選擇上，因CMOS傳感器在成本、功耗以及整合度上都優于CCD傳感器，為了降低系統的整體體積，提高裝置的便攜性，所以采用1/4英寸的單芯片彩色CMOS圖像傳感器，其參數標準如表1所示。

表1 CMOS傳感器參數基本標準表

2.2 圖像處理模塊

需要對采集到的圖像進行大量的算法處理，從而提取出靜脈的準確信息，并且在反投影中需要對圖像進行縮放和平移等調整，這就需要處理器應具備大量數據的處理能力，同時可以連接足夠強大的外設。采用DPS嵌入式系統作為圖像的處理單元，DSP采用的是哈佛結構，使程序和數據分別存儲在兩個分開的空間，允許取指令和讀指令完全重疊，這樣大大提高了處理器的速度。將接收模擬信號，轉換為0，1的數字信號，再對數字信號進行處理，并將數字信號轉換為模擬信號或其他格式信號。DSP不僅具有可編程性，而且實時運算速度可以達到每秒數以千萬條復雜指令程序，性能遠超通用微處理器。由于它運算能力強、速度快、體積小，滿足了對便攜式圖像處理的要求。

2.3 成像投影模塊

圖像投影模塊是設備的效果顯示單元，投影成像效果的好壞將影響整個裝置的工作效率。投影儀在滿足投影效果的同時還需兼顧設備本身的便攜性和操作簡單性。根據顯示技術的不同，目前投影儀可以大致分為3種：CRT三槍投影儀、LCD投影儀和DLP投影儀。DLP投影儀相對于其他種類投影儀，具有原生對比度高、機器小型化、光路采用封閉式三大特點。相同配置的產品DLP光路系統更小，機器也更小，其中DMD芯片采用半導體結構，在高溫下運作鏡片也不易發生太大變化，所以DLP投影儀采用封閉式光路，降低了灰塵進入的概率。

2.4 DSP核心處理系統

在協調處理多模塊信號傳遞和圖像信息處理時，需要在儀器中采用Blackfin 548視頻處理器，如圖2所示。它在一個芯片和一個開發平臺上融合了DSP信號處理、RISC的控制處理和視頻處理功能，具有強大的并行處理和強大的DMA能力，具有專用的視頻指令和硬件支持、高效的程序效率、動態的功耗管理和方便的開發工具和使用方法，領先的內存管理，并支持包括U/Linux在內的嵌入式操作系統。Blackfin處理器及其延伸產品適合在對功耗、性能、成本和運算能力等綜合要求比較高的音頻、視頻和通信領域中應用。

圖2 DSP芯片功能結構

3 結語

本文通過研究近紅外血管成像原理，采用雙波紅外疊加成像技術，將近紅外光敏感的圖像傳感器采集到的模擬信號，經過傳感器上的模擬數字轉化單元轉換為8位的灰度數字信號，經過DSP的DMA功能將數據存儲到相應的采集緩存中，再由核心處理芯片調用及處理后存入輸出緩存中，實現了血管成像精準反饋投影至原血管標的位置。

[1]杜少英，孟杰，馮智敏，等.手背靜脈穿刺技術的研究進展[J].河北醫學，2009（11）：1372-1374.

[2]趙慶英，紀英蓮.手背靜脈穿刺技術的探討[J].護理學雜志，2002（11）：842-843.

[3]韓顏華，董娟，邵春紅.小兒靜脈穿刺成功率影響因素與對策[J].中國現代藥物應用，2011（9）：80-81.

[4]LEE S, PARK S, LEE D. A Phantom Study on the Propagation of NIR Rays under the Skin for Designing a Novel Vein-Visualizing Device[J].Control, Automation and Systems, 2013（13）：821-823.

Research and design of imaging feedback positioning projection based on dynamic displacement

Zeng Rui
（Yiwu Industrial and Commercial College, Yiwu 322000, China）

Imaging aid device is taking completing the accurate positioning of the image as the goal, through processing the sampling image information and to complete development by form acceptable (projection, light and the integration of the two etc). In this paper, double stack infrared LED with 800 nm and 850 nm wavelength as light source to enhance the target image quality. Then the overlap area of the image is corrected by the dynamic displacement of the servo motor to improve the coincidence degree of the projection.

dynamic displacement; feedback; position projection

2015年度浙江省公益性技術應用研究計劃；項目編號：2015C31171。

曾瑞（1981— ），男，湖南湘潭，碩士，副教授；研究方向：人工智能，自動化技術及模式控制。