基于紅外反射光的人體穿刺識別系統(tǒng)設(shè)計

基于紅外反射光的人體穿刺識別系統(tǒng)設(shè)計

靜脈穿刺是醫(yī)院常見的診斷和治療內(nèi)容。在穿刺過程中，由于自身血管的狹窄和自身脈搏的粗血管的深度分配，穿刺者無法達(dá)到穿刺者眼中視野的最低分辨率。穿刺可能會造成二次傷害，影響后續(xù)治療的效果，嚴(yán)重可能會導(dǎo)致糾紛。國內(nèi)外研究資料表明一部完整的靜脈成像顯示儀包括圖像采集部分和嵌入式平臺兩大部分。圖像采集部分主要用于獲取后端可以處理的靜脈血管數(shù)字信號,采用CMOS傳感器將采集到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,供后端圖像處理與顯示;嵌入式平臺主要用于進(jìn)行采集后圖像的后處理以及圖像顯示。在嵌入式平臺的選取上一定要根據(jù)具體要實現(xiàn)的功能相結(jié)合,并不是選取的芯片越貴越好;在嵌入式平臺選取上要本著簡單、易用,便于修改的原則;因為在后端圖像處理中要修改嵌入式平臺中的應(yīng)用程序;選取的嵌入式平臺與所選取的攝像頭相互兼容(如圖1所示)。1靜脈圖像圖像采集是整個靜脈成像顯示儀設(shè)計的關(guān)鍵,采集到清晰可識別的靜脈圖像是后端圖像處理的基礎(chǔ),前段采集到的靜脈血管與周圍組織差值越大后端圖像處理可以采取的方法越大,得到的圖像越清晰;當(dāng)波長為700~1100nm接近紅外光時可穿透約3mm厚的生物組織1.1ct-ms/ms檢測淺表靜脈血管反射光與穿透相對比回光信號較弱,選用小功率發(fā)光管回光信號幾乎不能檢測到血管信號,無法滿足圖像后處理的要求,通過試驗測得選用5W的850nm的紅外燈光能夠觀測到淺表靜脈血管并具備圖像后處理的需求,由于CMOS傳感器對于850nm的紅外光吸收率是760nm的3~5倍,因此選用850nm;實驗中選取成年男性進(jìn)行試驗(如圖2所示)。1.2cd的優(yōu)缺點目前,主流的傳感器是CCD與CMOS傳感器,在傳感器的選取上CCD的感光靈敏度高于CMOS,但在圖像傳輸速率,成本方面CMOS攝像頭的優(yōu)點更為突出,最為重要的是CMOS屬于即插即用十分方便,便于操作與使用;實驗中選取CMOS傳感器,選用的CMOS傳感器分辨率要足夠高,便于將靜脈血管與周圍組織進(jìn)行區(qū)分,同時選用傳感器的位數(shù)要能達(dá)到圖像處理的取值要求;在實驗中選用羅技C-270,8位高清攝像頭,分辨率:1280×720DPI,傳輸接口為USB2.0,感光元件為CMOS,鏡頭為卡爾-蔡司光學(xué)鏡頭,對焦方式為自動對焦;基本參數(shù)滿足試驗需求。2usb驅(qū)動模塊嵌入式平臺用于圖像的處理與處理后圖像的顯示,在嵌入式平臺的選擇上應(yīng)滿足以下要求:(1)選擇的嵌入式平臺主頻速度要足夠高加圖像后處理算法后能夠達(dá)到時時顯示的要求;(2)選擇的嵌入式平臺內(nèi)核中要包含使用攝像頭的驅(qū)動,否則可能需要自己單獨編寫,在將編寫好的驅(qū)動程序?qū)懭氲絻?nèi)核中,達(dá)到驅(qū)動攝像頭的目的;(3)選擇的嵌入式系統(tǒng)的USB接口必須為2.0,倘若選擇的嵌入式系統(tǒng)的接口為1.0,在圖像傳輸?shù)倪^程中為確保圖片傳輸速度,一般會選用圖像壓縮,會造成圖像顯示較差,其分辨率較差,不能達(dá)到區(qū)分的需求,實驗中選用三星公司推出的S5PV210應(yīng)用處理器,S5PV210又名“蜂鳥”(Hummingbird),支持DDR2和多個種類的NANDFlash,擁有強大的內(nèi)部資源和視頻處理能力,其運行主頻可高達(dá)1GHz,1路USBHOST2.0、1路USBOTG2.0,核心板內(nèi)部包括選用的羅技C-270型號的攝像頭驅(qū)動;該芯片滿足上述要求,可以進(jìn)行使用2.1平臺及實驗環(huán)境在使用中為便于穿刺的需求,采用開放式環(huán)境進(jìn)行搭建,需在攝像頭前端加濾光鏡,以去除外界自然光對于紅外回光信號的干擾。目前,較為流行的開發(fā)平臺有3種:(1)wince平臺是微軟公司近年開發(fā)的可將在windows環(huán)境下編號的程序直接拷貝,使用十分方便,但需用戶自己編寫應(yīng)用程序,其工作量較大,且為收費軟件;(2)andriod開發(fā)平臺是在linux開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行嵌套,其底層還是依靠linux運行系統(tǒng),這樣在運行中其運行速度會受到影響,但andriod開發(fā)環(huán)境內(nèi)包含linux所沒有的插件,實現(xiàn)起來相對簡單,其界面十分友好;(3)linux開發(fā)平臺是現(xiàn)今在嵌入式中應(yīng)用最為廣泛的平臺;其難點在于平臺的搭建,應(yīng)用程序均能找到,只需做一定的修改就能達(dá)到用戶的需求,所有代碼均為開放式,且為免費應(yīng)用平臺。因此,在嵌入式平臺的搭建采用linux的開發(fā)平臺ubunt12.04版本,在環(huán)境搭建中采用VMware虛擬機,該虛擬機的使用能夠幫助用戶在windows環(huán)境下構(gòu)建自己需要的linux開發(fā)環(huán)境,可省去重新安裝系統(tǒng)的繁瑣,操作系統(tǒng)之間也可來回切換,使用十分方便,ubuntu12.04是目前比較新的版本,界面更加人性化,可降低產(chǎn)品開發(fā)的成本和有利于后端圖像處理代碼的編寫。2.2顯示程序的比較由于linux下攝像頭用的uvc驅(qū)動,不能像在windows下那樣使用,在確定內(nèi)核中擁有該攝像頭驅(qū)動后,要有一定的顯示程序才能將攝像頭采集到的圖像信息顯示在顯示屏上,顯示程序為“l(fā)uvcwiew”程序,通常在互聯(lián)網(wǎng)上能夠免費下載,用戶可以根據(jù)自身需求進(jìn)行修改;下載后的程序如不能很好的顯示采集到信號可根據(jù)需求重新刷新內(nèi)核,一般能夠達(dá)到在windows下顯示的相同效果。在嵌入式平臺紅外靜脈成像儀的研制中,正如圖2所顯示的靜脈血管雖然能夠被肉眼所識別,但其對比度不強,因此要在后端加入圖像后處理算法,用于增強血管信號和降低周圍中非血管信號,本研究試驗中分別選用了“差分法”和“描點法”對靜脈血管進(jìn)行處理,由于反射信號