基于紅外反射光的人體穿刺識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于紅外反射光的人體穿刺識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靜脈穿刺是醫(yī)院常見(jiàn)的診斷和治療內(nèi)容。在穿刺過(guò)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(wú)法達(dá)到穿刺者眼中視野的最低分辨率。穿刺可能會(huì)造成二次傷害，影響后續(xù)治療的效果，嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致糾紛。國(guó)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(tái)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(hào),采用CMOS傳感器將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),供后端圖像處理與顯示;嵌入式平臺(tái)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(tái)的選取上一定要根據(jù)具體要實(shí)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(tái)選取上要本著簡(jiǎn)單、易用,便于修改的原則;因?yàn)樵诤蠖藞D像處理中要修改嵌入式平臺(tái)中的應(yīng)用程序;選取的嵌入式平臺(tái)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(gè)靜脈成像顯示儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,采集到清晰可識(shí)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(zhǎng)為700~1100nm接近紅外光時(shí)可穿透約3mm厚的生物組織1.1ct-ms/ms檢測(cè)淺表靜脈血管反射光與穿透相對(duì)比回光信號(hào)較弱,選用小功率發(fā)光管回光信號(hào)幾乎不能檢測(cè)到血管信號(hào),無(wú)法滿足圖像后處理的要求,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得選用5W的850nm的紅外燈光能夠觀測(cè)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(duì)于850nm的紅外光吸收率是760nm的3~5倍,因此選用850nm;實(shí)驗(yàn)中選取成年男性進(jìn)行試驗(yàn)(如圖2所示)。1.2cd的優(yōu)缺點(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(duì)焦方式為自動(dòng)對(duì)焦;基本參數(shù)滿足試驗(yàn)需求。2usb驅(qū)動(dòng)模塊嵌入式平臺(tái)用于圖像的處理與處理后圖像的顯示,在嵌入式平臺(tái)的選擇上應(yīng)滿足以下要求:(1)選擇的嵌入式平臺(tái)主頻速度要足夠高加圖像后處理算法后能夠達(dá)到時(shí)時(shí)顯示的要求;(2)選擇的嵌入式平臺(tái)內(nèi)核中要包含使用攝像頭的驅(qū)動(dòng),否則可能需要自己?jiǎn)为?dú)編寫(xiě),在將編寫(xiě)好的驅(qū)動(dòng)程序?qū)懭氲絻?nèi)核中,達(dá)到驅(qū)動(dòng)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^(guò)程中為確保圖片傳輸速度,一般會(huì)選用圖像壓縮,會(huì)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(shí)驗(yàn)中選用三星公司推出的S5PV210應(yīng)用處理器,S5PV210又名“蜂鳥(niǎo)”(Hummingbird),支持DDR2和多個(gè)種類的NANDFlash,擁有強(qiáng)大的內(nèi)部資源和視頻處理能力,其運(yùn)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(hào)的攝像頭驅(qū)動(dòng);該芯片滿足上述要求,可以進(jìn)行使用2.1平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)環(huán)境在使用中為便于穿刺的需求,采用開(kāi)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(duì)于紅外回光信號(hào)的干擾。目前,較為流行的開(kāi)發(fā)平臺(tái)有3種:(1)wince平臺(tái)是微軟公司近年開(kāi)發(fā)的可將在windows環(huán)境下編號(hào)的程序直接拷貝,使用十分方便,但需用戶自己編寫(xiě)應(yīng)用程序,其工作量較大,且為收費(fèi)軟件;(2)andriod開(kāi)發(fā)平臺(tái)是在linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行嵌套,其底層還是依靠linux運(yùn)行系統(tǒng),這樣在運(yùn)行中其運(yùn)行速度會(huì)受到影響,但andriod開(kāi)發(fā)環(huán)境內(nèi)包含linux所沒(méi)有的插件,實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單,其界面十分友好;(3)linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)是現(xiàn)今在嵌入式中應(yīng)用最為廣泛的平臺(tái);其難點(diǎn)在于平臺(tái)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(kāi)放式,且為免費(fèi)應(yīng)用平臺(tái)。因此,在嵌入式平臺(tái)的搭建采用linux的開(kāi)發(fā)平臺(tái)ubunt12.04版本,在環(huán)境搭建中采用VMware虛擬機(jī),該虛擬機(jī)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(kāi)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(lái)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(kāi)發(fā)的成本和有利于后端圖像處理代碼的編寫(xiě)。2.2顯示程序的比較由于linux下攝像頭用的uvc驅(qū)動(dòng),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(dòng)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?yàn)椤發(fā)uvcwiew”程序,通常在互聯(lián)網(wǎng)上能夠免費(fèi)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(hào)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(tái)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(shí)別,但其對(duì)比度不強(qiáng),因此要在后端加入圖像后處理算法,用于增強(qiáng)血管信號(hào)和降低周圍中非血管信號(hào),本研究試驗(yàn)中分別選用了“差分法”和“描點(diǎn)法”對(duì)靜脈血管進(jìn)行處理,由于反射信號(hào)