[发明专利]基于结构重建的皮下静脉三维可视化装置及方法有效

专利信息
申请号: 201310245219.3 申请日: 2013-06-19
公开(公告)号: CN103337071A 公开(公告)日: 2013-10-02
发明(设计)人: 杨健;王涌天;刘越;宋宪政 申请(专利权)人: 北京理工大学
主分类号: G06T7/00 分类号: G06T7/00;G06T17/00;A61B5/00
代理公司: 北京理工大学专利中心 11120 代理人: 高燕燕
地址: 100081 *** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 基于 结构 重建 皮下 静脉 三维 可视化 装置 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种静脉血管显示设备,具体涉及到一种基于静脉及皮肤表面三维重建数据的三维可视化设备和二维投影血管增强显示设备,主要应用于皮下静脉注射、静脉结构教学等医用领域。

背景技术

在医学领域中,随着成像技术的不断发展,人眼感知的可见光成像越来越暴露出其局限性,被探测组织的大量信息隐藏于不可见光谱波段内。因此,基于红外、紫外及X射线等波段的成像技术由于其优越的成像特性而被越来越广泛的应用于组织探测及识别领域。应用于皮下静脉提取时,相比于可见光成像下静脉血管图像的低对比度,红外成像可以得到更为清晰、对比度更高的静脉图像。目前存在的静脉血管红外成像方式主要基于以下两种原理:

近红外主动成像,即使用特定波段的近红外光源照射目标检测区域,并使用近红外感光相机采集照射区域反射图像的成像方法。该方法可以应用于静脉成像主要基于以下两点原因:1、不同波段的近红外光线可以穿透人体表面皮肤组织约3-6mm。2、血液中的血红蛋白和细胞色素对于特定近红外波段的光线存在明显的吸收特性,氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白分别在760nm和850nm处存在两个吸收峰。因此,当近红外光线穿透皮肤组织照射在皮下静脉血管上时,由于血液对近红外光线的吸收,血管区域与周围组织的反射光强存在明显差异。近红外感光器件成像后,图像中血管区域明显暗于周围组织,具有比较清晰的轮廓和较高的对比度。

远红外被动成像,即不需要使用光源,直接使用远红外相机采集目标检测区域红外辐射图像的成像方式。根据Stefan–Boltzmann理论,任何物体都会产生辐射。对于人体而言,其辐射产生的是波段位于3~14μm的红外光。红外辐射在空气中传播并逐渐衰减,其中,3~5μm和8~14μm波段的红外辐射具有良好的透射性。因此使用在两个波段内具有良好响应的红外相机可以得到人体组织的热分布图。更为关键的是,医学研究者发现,人体皮下静脉血管与其周围组织相比具有更强的辐射。因此,通过对目标区域进行热成像,可以得到具有静脉血管轮廓结构的热成像图,然后将其映射到灰度范围为0~255的灰度图像中,静脉血管表现为亮区域,而皮肤背景相对较暗。

以上两种方法相比较,近红外成像的优点是设备较为低廉,使用近红外响应的工业相机即可得到较高质量的静脉图像;缺点在于,由于其主动成像的性质,使得图像质量受到光源分布、照射角度及光源强度等因素的影响严重。远红外成像的优点在于,被动成像的图像质量不受光照的影响;缺点在于远红外设备较贵,同时热成像受到环境热辐射的影响较大。综合比较,实际应用中采用近红外成像进行静脉血管采集的方法更为常用。

清晰的红外静脉血管图像有助于医生进行静脉的初步定位和分析,传统显示的图像一般是在二维原始图像的基础上经过一些图像处理操作后得到的,包括区域提取、光照修正、灰度映射、阈值分割等。最终提供给医生观察的静脉血管图片多为静脉血管增强图或者静脉血管分割图。静脉血管图像的显示方式也大体分为两种,一种为直接在屏幕上显示处理后的图像。这种方法较为简单,只需完成上文所述的图像采集及图像处理即可,但由于图像与目标位于不同空间区域,实时交互操作尤为不便;另一种方法在第一种方法的的基础上增加了反投影的过程。将增强或分割后的静脉血管图像反投影到人体的皮肤表面,提供了更为直观的血管分布信息,并可以方便的实现实时交互。但是,该类显示方法也带来了一个新的技术难题,即如何保证投影图像与原图像的完全重合。基于近红外成像的静脉血管采集方式,解决上述问题的主要方法是采用一种对称光路的设计。具体装置中使用了红外截止滤光片,可将皮肤表面反射的近红外光线与投影设备发出的可见光分离,同时保证了图像采集光路与图像投影光路关于红外截止滤光片完全对称。为了进一步得到完全重合的投影图像,还需在投影系统前安装物镜,通过调整物镜焦距来调整投影图像的大小,实现完全重合。该类产品已经在临床中有所应用,典型产品为Christie公司生产的VeinVeiwer系列。

以上介绍的两种近红外成像静脉显示方式各有优点,相比而言,第二种反投影的方式更直观的显示了血管的分布,对于静脉穿刺及过敏检测等临床应用有着重要的意义。但是依然存在以下几方面的局限性:

1、采用二维屏幕显示或二维投影显示的方法只能感知静脉血管的二维分布特征,无法提供血管的深度信息。

2、基于二维成像技术的静脉显示非常依赖于成像角度,无法实现从各个角度对静脉血管进行观察。

传统的静脉血管显示方式采用的是二维屏幕或二维投影显示,难以满足对静脉血管三维结构的观察及对血管与皮肤相对位置关系的测算。

发明内容

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