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CN108703745A - 基于结构光的静脉显像方法以及静脉显像系统 - Google Patents

基于结构光的静脉显像方法以及静脉显像系统 Download PDF

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CN108703745A
CN108703745A CN201810583396.5A CN201810583396A CN108703745A CN 108703745 A CN108703745 A CN 108703745A CN 201810583396 A CN201810583396 A CN 201810583396A CN 108703745 A CN108703745 A CN 108703745A
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projection
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石岩
庄
庄一
汪诗宇
陈亮
金尚忠
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China Jiliang University
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Abstract

本发明公开了一种基于结构光的静脉显像方法以及静脉显像系统，方法包括：向目标对象照射红外条纹图得出投影实际位置；再通过红外摄像装置所述目标对象的红外图像，其中，所述红外图像呈现有所述目标对象的静脉的画面；再通过投影装置以可见光的形式向所述投影位置投影红外图像，其中，红外图像与目标对象相重合，所述目标对象的静脉的画面投影至所述目标对象的静脉所在的位置上。通过上述方式，本发明能够在目标对象的静脉位置显示静脉的画面，方便查找目标对象的静脉，并避免了现有技术中的投影和拍摄装置的共光轴要求，降低了装配难度和成本，提高了图像对准精度。

Description

基于结构光的静脉显像方法以及静脉显像系统
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，特别是涉及一种基于结构光的静脉显像方法以及静脉显像系统。
背景技术
在现代医学中，静脉注射治疗已经很普遍了，静脉注射是直接将药水直接注射入患者的血液中，其能够提高患者的恢复效率，缩短患者的恢复时间。
但是，在进行静脉注射之前，医护人员需要对患者进行静脉穿刺，让注射头插入患者的静脉中。而目前大多数识别静脉的方法主要依靠医护人员的肉眼以及经验，但是由于不同的患者其静脉在皮肤表面特征很不明显，导致医护人员很难识别，容易造成了穿刺失败率一直居高不下，需要对患者进行多次的静脉穿刺，这样增加了患者痛苦。根据统计的资料表明：普通成人静脉注射的首次穿刺失败率为30％；儿童静脉注射的首次穿刺失败率为45％；而儿童中需要穿刺3次以上才能进行静脉注射的比例为43％；静脉注射时，还会发生“漏针”现象；而体质虚弱，高烧的患者中完全失败的比率达到45％。
因此，需要一种辅助医护人员查找患者的静脉系统，从而减少患者穿刺失败痛苦。
利用红外光拍摄静脉后将图像转换为可见光图像再投影至体表是一种较广泛采用的方法。由于每次采集对象高度和位置存在差异，因此在红外静脉显像装置中，投影和拍摄装置要保持共轴，给系统装配增加困难，增加了装调和总体成本。
发明内容
本发明针对以上问题，提供一种基于结构光静脉显像方法以及静脉显像系统，能够在目标对象的静脉所在的位置显示静脉的画面，避免了投影和拍摄装置的共轴要求，降低了系统的装配难度和成本，提高图像对准精度。
为了解决上述技术问题，本发明采用一个技术方案是：提供两种静脉显像方法，一种包括：投影装置以红外光状态向目标对象投影红外条纹，通过红外摄像机装置采集所述目标对象的红外条纹，从而得出目标对象的位置；再通过红外摄像装置采集所述目标对象的红外图像，其中，所述红外图像呈现有所述目标对象的静脉画面，对采集对象静脉画面进行增强处理；投影装置再以可见光的状态向所述目标对象投影增强图像与目标对象相重合位置，所述目标对象的静脉的画面投影至所述目标对象的静脉所在的位置上。
其中，在采集所述目标对象的红外条纹图像的步骤之后，所述方法还包括：提取红外条纹变形前后的相位；通过获取所述条纹前后相位，根据相位差算出前后像素偏移距离，得到投影的实际位置；再通过采集目标对象的红外图像，对所述目标对象的静脉的画面进行突显处理，生成加强后的图像；所述投影装置再以可见光的形式向所述目标对象的静脉呈现在所述目标对象相重合，以使所述红外图像中所呈现的所述目标对象的静脉呈现在所述目标对象的静脉所在的位置上。
另一种包括：投影装置向目标对象投影结构光条纹，摄像机装置以无滤光片状态以采集所述目标对象的结构光条纹，从而得出目标对象的位置；再通过摄像装置以滤光片状态采集所述目标对象的红外图像，其中，所述红外图像呈现有所述目标对象的静脉画面；通过投影装置以可见光的形式向所述目标对象投影与目标对象相重合位置，所述目标对象的静脉的画面投影至所述目标对象的静脉所在的位置上。
其中，在采集所述目标对象的结构光条纹图像的步骤之后，所述方法还包括：提取结构光条纹变形前后的相位；通过获取所述条纹前后相位，根据相位差算出前后像素偏移距离，得到投影的实际位置；再通过采集目标对象的红外图像，对所述目标对象的静脉的画面进行突显处理，生成加强后的图像；所述投影装置以可见光的形式向所述目标对象的静脉呈现在所述目标对象相重合，以使所述红外图像中所呈现的所述目标对象的静脉呈现在所述目标对象的静脉所在的位置上。
其中，所述增强所述目标对象的红外图像步骤，包括：将所述红外图像保存，识别图像中静脉的位置，通过以保存的位置；降低其它像素位置的灰度值，提升静脉图像位置像素的灰度值；将所述提升像素的灰度值，生成最终增强图像。
为解决上述技术问题，对所述方法1，本发明采用的一个技术方案是：提供一种静脉显像系统，包括红外光源，红外摄像装置和投影装置；所述红外光源用于发射红外光，其中，所述红外光源覆盖目标对象；红外摄像装置用于采集所述目标对象的红外图像，其中，所述红外图像呈现有所述目标对象的静脉画面；投影装置，用于以红外光的形式向所述目标对象投影条纹，得出投影位置；再以可见光的形式向所述目标对象投影所述红外图像，其中，所述红外图像的投影位置与所述目标对象相重合，所述红外图像中所呈现的所述目标对象的静脉的画面投影至所述目标对象的静脉所在的位置上。
其中，所述处理器用于得出投影位置与加强采集红外图像，步骤具体为：通过投影仪投影红外条纹，计算得出条纹变形前后的相位值，通过相位差值得出投影偏移位置；再通过红外摄像头采集所述红外图像，提取静脉图像位置，将所述位置保存；将以除这个位置以外像素灰度值降低，增加提取静脉位置的灰度值；将所述提升灰度值后的图像再通过投影仪以可见光的形式投射出去。
为解决上述技术问题，对所述方法2，本发明采用的一个技术方案是：提供一种静脉显像系统，包括红外光源，摄像装置和投影装置；所述红外光源用于发射红外光，其中，所述红外光源覆盖目标对象；摄像装置以装有滤光片状态采集所述目标对象的红外图像，其中，所述红外图像呈现有所述目标图像的静脉画面；投影装置，用于以可见光的形式向所述目标对象投影条纹，得出投影位置；再以可见光的形式向所述目标对象投影所述红外图像，其中，所述红外图像的投影位置与所述目标对象相重合，所述红外图像中所呈现的所述目标对象的静脉的画面投影至所述目标对象的静脉所在的位置上。
其中，所述处理器用于得出投影位置与加强采集红外图像，步骤具体为：通过投影仪投影结构光条纹，计算得出条纹变形前后的相位值，通过相位差值得出投影偏移位置；再通过红外摄像头采集所述红外图像，提取静脉图像位置，将所述位置保存；将以除这个位置以外像素灰度值降低，增加提取静脉位置的灰度值；将所述提升灰度值后的图像再通过投影仪以可见光的形式投射出去。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，在本发明实施方式中，采集目标红外条纹或结构光条纹，得出投影的实际位置，再采集目标对象的红外图像，其中，红外图像呈现有目标对象的静脉的画面，通过投影装置以可见光的形式向目标对象投影红外图像，而红外图像的投影与目标对象位置相重合，以使目标对象的静脉的画面投影至目标对象的静脉所在位置上，相当于在目标对象的静脉所在的位置显示静脉的画面，用户可以直观地观察到目标对象的静脉所在位置的，方便查找目标对象的静脉。
附图说明
图1是本发明静脉显像方法1实施方式的流程图；
图2是本发明静脉显像方法1实施方式对投影位置处理的流程图；
图3是本发明静脉显像方法2实施方式的流程图；
图4是本发明静脉显像方法2实施方式对投影位置处理的流程图；
图5是本发明静脉显像方法实施方式具体增强红外图像的流程图；
图6是本发明静脉显像系统实施方式的示意图；
图7是现有的同轴采集红外静脉系统示意图；
图8是同轴采集红外静脉系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1，静脉显像方法包括：
步骤S1：向目标对象照射红外光；
向目标对象投影四幅有相位差的红外条纹；
通过四幅红外条纹变形前后的相位来算出投影的实际位置；
步骤S2：通过红外摄像装置采集目标对象的红外图像，其中红外图像呈现有目标对象的画面；
由于目标对象的不同生物组织所反射出去的红外光的量不相同的，可通过采集目标对象亮度和形状分辨出不同的生物组织。
步骤S3：通过投影仪装置以可见光的形式向目标对象投影红外图像，其中，红外图像的投影位置由步骤S1得出，使其与目标对象相重合，目标对象的静脉的画面投影至目标对象的静脉所在的位置上；
红外光对于用户是不可见的，可见光对于用户是可见的，投影仪装置不仅能投影红外条纹，也可以用可见光的形式投影红外图像，则用户可以直观看到红外图像，而红外图像的投影位置通过投影红外条纹得到，使其与目标对象相重合，则红外图像中所呈现的目标对象的静脉投影至目标对象的静脉之上，形同目标对象的实体静脉显示出来一样，大大提高了医护人员的识别度。
实施例2
如图2和5，另一实施例
步骤S4：向目标对象投射红外条纹；
步骤S5：通过投射四幅有相位差的红外条纹图，采集红外条纹变形前后图像。
步骤S6：通过采集的变形前后图像，算出变形前后的相位值，通过两者相位差值算出投影的偏移位置及投影实际位置，目标对象的静脉的画面投影至目标对象的静脉所在位置上。
步骤S7：向目标对象照射红外光；
向目标对象投影四幅有相位差的结构光条纹图；
通过摄像机以没有滤光片状态采集四幅结构光条纹变形前后的相位来算出投影的实际位置；
步骤S8：通过摄像装置的有滤光片状态采集目标对象的红外图像，其中红外图像呈现有目标对象的画面；
由于目标对象的不同生物组织所反射出去的红外光的量不相同的，可通过采集目标对象亮度和形状分辨出不同的生物组织。
步骤S9：通过投影仪装置以可见光的形式向目标对象投影红外图像，其中，红外图像的投影位置由步骤S7得出，使其与目标对象相重合，目标对象的静脉的图像投影至目标对象的静脉所在的位置上；
红外光对于用户是不可见的，可见光对于用户是可见的，摄像装置不仅采集照射在目标静脉上的红外图像，也可以用来采集可见光的形式投影目标对象的结构光条纹，通过投影仪以可见光的形式将增强后的红外图像投影在结构光得出的位置上，则用户可以直观看到增强后的红外图像，而红外图像的投影位置通过投影结构光条纹得到，使其与目标对象相重合，则红外图像中所呈现的目标对象的静脉投影至目标对象的静脉之上，形同目标对象的实体静脉显示出来一样，大大提高了医护人员的识别度。
实施例2
如图4和5，另一实施例
步骤S10：向目标对象投射结构光条纹；
步骤S11：通过投射四幅有相位差的结构光条纹图，采集结构光条纹变形前后图像。
步骤S12：通过采集的变形前后图像，算出变形前后的相位值，通过两者相位差值算出投影的偏移位置及投影实际位置，目标对象的静脉的画面投影至目标对象的静脉所在位置上。
步骤S13：红外摄像头采集的红外图像，识别其中静脉图像的位置。
步骤S14：降低除静脉位置以外的像素灰度值，提高静脉位置像素的灰度值，从而生成新的最终加强后的静脉图像。
步骤S15：加强后的图像再通过投影仪以可见光的形式投影在目标对象的静脉上，根据前面得出投影位置，使得加强后红外图像与目标对象完全重合。
本发明根据上述方法1又提供静脉显像系统实施方式。请参阅图6，静脉显像系统40包括红外光源41，红外摄像装置42和投影装置43。
红外光源41用于发射红外光，其中，红外光源41所发射的红外光源41覆盖目标对象50。其中，红外光可较好地穿透目标对象50的表皮和真皮等生物组织，而静脉中的血中的血红蛋白对红外光的光谱吸收特性也是不相同的，因此，目标对象50在吸收再反射出去的红外光包含了静脉信息。
红外摄像装置42用于采集目标对象50的红外图像，其中，红外图像呈现有目标对象50的静脉画面。由于目标对象50的各个生物组织吸收红外光的光谱吸收特性不相同，则红外图像除了呈现有目标对象50的静脉画面之外还呈现有目标对象50的其它生物组织画面。投影装置43通过状态器45将投影器以红外条纹状态投影目标对象50上，通过条纹变形前后的相位差得出投影位置，使得红外图像与目标对象50完全重合。
处理器44用于获取红外摄像装置42所采集到的条纹图像和红外图像，处理器44储存未发生变形的四幅条纹51(没有目标)，处理器44获取变形后的四幅条纹52(有目标)，通过公式1.5提取投射红外条纹的相位，公式1.1至1.4是光栅条纹表达式，a(x,y)和b(x,y)分别表示光强和物体表面反射率的变化，Φ(x,y) 是受物体高度调制后的相位值。公式2表示提取条纹变形前后的相位值的差值，将公式2算出的相位差值代入公式3，从而得出有目标进入后像素偏移的位置，得出投影装置43投影的实际位置，使得以可见光的形式向目标对象50投影红外图像相重合，红外图像中所呈现的所述目标对象50的静脉画面投影至所述目标对象50的静脉所在的位置上。
I1(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[Φ(x,y)] (1.1)
I3(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[Φ(x,y)+π] (1.3)
ΔΦ(x,y)＝Φ1-Φ2 (2)
具体的，处理器44增强采集的红外图像，生成最终增强图像的步骤为：将红外图像保存，识别并提取静脉图像的位置；将除提取位置以外的像素点灰度值降低，增加提取位置的灰度值；将增强后的图像传输给投影装置43，投影设备 43再通过状态器45以可见光的形式将增强后的红外图像投影至目标对象50上。
静脉显像系统40还包括滤光片46。
如图8所示，同轴采集红外静脉系统，红外光源41照射人体手背50，反射光线经过热镜48反射到红外摄像装置42，经过处理器44，将增强后的图片传输到投影装置43，投影装置43以可见光的形式通过透镜组47，将增强后图片覆盖在人的手背上，这样便于护士找到穿刺的静脉。
在本发明实施方式中，采集目标对象的红外图像，其中，红外图像呈现有目标对象的静脉的画面，通过投影装置43以红外光形式投影四幅有相位差的条纹图，通过条纹图变形前后相位差值得出投影偏移位置，从而得出投影实际位置；再将红外图像按照投影实际位置以可见光形式投射红外图像，与目标对象相重合，以使目标对象的静脉的画面投影至目标对象的静脉所在位置，相当于在目标对象的静脉所在位置显示静脉的画面，用户可以直观地观察到目标对象的静脉所在位置的，方便查找目标对象的静脉，与同轴采集红外静脉系统相比较，简化了系统的整体结构，减少了热镜48以及透镜组47，减少了成本，结构上更加紧凑。
本发明根据上述方法2又提供静脉显像系统实施方式。请参阅图7，静脉显像系统40包括红外光源41，摄像装置42和投影装置43。
红外光源41用于发射红外光，其中，红外光源41所发射的红外光源41覆盖目标对象50。其中，红外光可较好地穿透目标对象50的表皮和真皮等生物组织，而静脉中的血中的血红蛋白对红外光的光谱吸收特性也是不相同的，因此，目标对象50在吸收再反射出去的红外光包含了静脉信息。
摄像装置42通过调节状态器53，用于采集目标对象50的红外图像将状态器53调制摄像装置有滤光片的状态，其中，红外图像呈现有目标对象50的静脉画面。由于目标对象50的各个生物组织吸收红外光的光谱吸收特性不相同，则红外图像除了呈现有目标对象50的静脉画面之外还呈现有目标对象50的其它生物组织画面。投影装置43以结构光条纹投影目标对象50上，通过将状态器53 调节至无滤光片的状态采集条纹变形前后的相位差得出投影位置，使得红外图像与目标对象50完全重合。
处理器44用于获取摄像装置42所采集到的结构光条纹图像和红外图像，处理器44储存未发生变形的四幅条纹51(没有目标)，处理器44获取变形后的四幅条纹52(有目标)，通过公式1.5提取投射红外条纹的相位，公式1.1至1.4 是光栅条纹表达式，a(x,y)和b(x,y)分别表示光强和物体表面反射率的变化，Φ(x,y)是受物体高度调制后的相位值。公式2表示提取条纹变形前后的相位值的差值，将公式2算出的相位差值代入公式3，从而得出有目标进入后像素偏移的位置，得出投影装置43投影的实际位置，使得以可见光的形式向目标对象50 投影红外图像相重合，红外图像中所呈现的所述目标对象50的静脉画面投影至所述目标对象50的静脉所在的位置上。
I1(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[Φ(x,y)] (1.1)
I3(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[Φ(x,y)+π] (1.3)
ΔΦ(x,y)＝Φ1-Φ2 (2)
具体的，处理器44增强采集的红外图像，生成最终增强图像的步骤为：将红外图像保存，识别并提取静脉图像的位置；将除提取位置以外的像素点灰度值降低，增加提取位置的灰度值；将增强后的图像传输给投影装置43，以可见光的形式将增强后的红外图像投影至目标对象50上。
静脉显像系统40还包括滤光片46。
如图6所示，同轴采集红外静脉系统，红外光源41照射人体手背50，反射光线经过热镜48反射到红外摄像装置42，经过处理器44，将增强后的图片传输到投影装置43，投影装置43以可见光的形式通过透镜组47，将增强后图片覆盖在人的手背上，这样便于护士找到穿刺的静脉。
在本发明实施方式中，采集目标对象的红外图像，其中，红外图像呈现有目标对象的静脉的画面，通过投影装置43以红外光形式投影四幅有相位差的条纹图，通过条纹图变形前后相位差值得出投影偏移位置，从而得出投影实际位置；再将红外图像按照投影实际位置以可见光形式投射红外图像，与目标对象相重合，以使目标对象的静脉的画面投影至目标对象的静脉所在位置，相当于在目标对象的静脉所在位置显示静脉的画面，用户可以直观地观察到目标对象的静脉所在位置的，方便查找目标对象的静脉，与同轴采集红外静脉系统相比较，简化了系统的整体结构，减少了热镜48以及透镜组47，减少了成本，结构上更加紧凑。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用说明书以及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于结构光的静脉成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
向目标对象照射结构光图像；
通过摄像机装置采集所述目标对象上的结构光图像，测出目标位置；
向目标对象照射红外光；
通过摄像机装置采集所述目标对象中的静脉红外图像；
根据目标位置及拍摄到的静脉红外图像，将所述目标对象的静脉图像以可见光的形式投影在目标对象所在的位置上。
2.根据权利要求1所述的基于结构光的静脉成像方法，其特征在于，
向目标对象照射结构光图像；通过摄像机装置采集所述对象上的结构光图像，测出目标位置，具体为：投射的结构光图为红外条纹图，根据四步相移法得出相位差，再由相位差得出投影的偏移位置。
3.根据权利要求1所述的基于结构光的静脉成像方法，其特征在于，
向目标对象照射结构光图像；通过摄像机装置采集所述对象上的结构光图像，测出目标位置，具体为：投射的结构光图为可将光条纹图，根据四步相移法得出相位差，再由相位差得出投影的偏移位置。
4.根据权利要求1所述的基于结构光的静脉成像方法，其特征在于，还包括：
增强所述静脉红外图像对比度，识别增强的红外图像中所显示的所述目标对象的静脉画面；
对所述的目标对象的静脉画面进行突显处理，生成最终增强图像。
5.根据权利要求4所述的基于结构光的静脉成像方法，其特征在于，还包括：
通过投影装置以可见光的形式向所述目标对象投影所述的增强图像，并根据投影位置，使得增强图像的投影与目标相重合，以使所述最终增强图像中显示的所述目标对象的静脉呈现在所述目标对象的静脉所在位置上。
6.根据权利要求4所述的基于结构光的静脉成像方法，其特征在于，
增强所述目标对象的红外图像步骤，包括：
识别图像中静脉的位置，通过以保存的位置；降低其它像素位置的灰度值，提升静脉图像位置像素的灰度值；将所述提升像素的灰度值，生成最终增强图像。
7.一种静脉显像系统，包括红外光源，红外摄像装置和投影装置；其特征在于：
所述红外光源用于发射红外光，其中，所述红外光源覆盖目标对象；
红外摄像装置用于采集投影的红外条纹图，以及所述目标对象的红外图像；
投影装置，用于以红外光形式向所述目标对象投影条纹，由红外摄像装置采集的红外条纹图得出投影位置；根据投影位置计算投影装置和红外摄像装置光轴有一定夹角时的投影偏差，并进行补偿，再以可见光的形式向所述目标对象投影所述红外图像，所述红外图像中呈现的所述目标对象的静脉的画面投影至所述目标对象的静脉所在的位置上。
8.根据权利要求7所述的静脉显像系统，其特征在于，所述投影装置配置有红外和可见光光源，并配置光源切换装置。
9.一种静脉显像系统，包括红外光源，可见光投影装置和摄像装置，其特征在于：
所述红外光源用于发射红外光，其中，所述红外光源覆盖目标对象；
可见光投影装置用于向所述目标投射可见光条纹，及以可见光形式向目标对象投射摄像装置拍摄的目标对象的静脉红外图像；
摄像装置用于采集投影的可见光条纹图，以及所述目标对象的静脉红外图像；
摄像装置采集可见光条纹图得出投影位置；根据投影位置计算投影装置和红外摄像装置光轴有一定夹角时的投影偏差，并进行补偿，再以可见光的形式向所述目标对象投影所述红外图像，所述红外图像中呈现的所述目标对象的静脉的画面投影至所述目标对象的静脉所在的位置上。
10.根据权利要求9所述的静脉显像系统，其特征在于，所述摄像装置配置有红外和可见光光滤色片，并配置滤色片切换装置。
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