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0431-81702023
光学工程
新型高科技成像系统——投影式血管显像仪

      静脉穿刺是医疗行业中最基本的、临床应用最广泛的护理技术操作之一,静脉注射也成为临床治疗、抢救病人的重要给药途径。但是,由于有些特殊人群的血管并不容易找到,比如儿童、胖人、老人、长期静脉注射的人、肤色较深的人等一次注射成功的情况甚少,因此会增加病人的痛苦和加大护士的心理压力,并容易产生医疗纠纷。

      针对这一问题,我们研发了投影式血管显像仪,它是基于全球最新的红外成像技术、微型DLP 投影技术、高速数字图像处理技术等多种光、机、电技术相融合的新型高科技成像系统,可以通过红外成像技术将隐藏在皮肤下无法肉眼观察到的静脉血管找到,并通过数字芯片的图像处理再实时输入到DLP投影仪中原位投影到皮肤表面,从而做到将静脉血管实时显像于病人皮肤,护士可以直接进行静脉注射。

1 国内外的研发现状

       非接触式显影系统大多采用主动红外成像技术,按照成像和显示方式的不同,可分为激光扫描显影系统、透射式红外成像系统和反射式红外成像投影系统。

1.1 激光扫描投影显示系统

图1 激光扫描投影显示系统

       图1是美国AccuVein公司研发的基于双激光扫描的皮下静脉辅助显影系统的原理图,其主要由可见光激光器、红外激光器、二维扫描器件、光电探测器、散射光收集系统及控制单元等部分组成。

      其工作原理主要是利用激光扫描来进行显影。红外激光器发射的红外激光经过二相色性反射镜反射,再先后经过行扫描振镜反射和场扫描振镜反射,最后以一定的轨迹扫描患者的皮肤区域。当控制单元打开可见光激光器,可见光先后经过二相色性反射镜,行扫描振镜和场扫描振镜到达患者皮肤区域,便显示出静脉血管的轨迹。

      其主要缺点是成本过高,激光器的价格相对传统投影显示光源高出不少。

 

1.2 透射式红外成像系统

       美国空军研究实验室先进材料与制造部从 1994 年起,研究军用夜视仪在辅助血管穿刺中的应用,并与企业合作,开发出来血管观察仪。这种仪器主要由红外光源控制器、红外光源、夜视仪组成。与上述的手背浅静脉显示仪原理相似,使用时,将红外光源置于患者手臂之下,调节红外光至适当的强度,则可在上面的夜视仪中看到肌体中清晰的血管网络。由于有夜视仪辅助观察,可以适当的减小红外光源的功率。这种透射红外成像方式,能将深浅不同的血管反映出来。

      为了防止交叉感染,需要在光源和患者手臂之间用一次性透光薄膜进行隔离,这样使用起来不够方便;同时佩戴夜视仪还容易影响护士的情绪;而军用夜视仪的昂贵价格也直接导致该装置成本较高。另外,通过夜视仪看到的静脉与其周围组织的边界模糊,也影响了显影静脉的对比度和清晰度。因此该装置虽然样机开发早,但一直没有投入商用化生产。

1.3 反射式红外成像投影系统

       美国孟菲斯大学生物工程学院开发出的静脉实时显影系统,如图3 所示。该系统主要由红外光源、红外摄像机、投影机等部件组成,该系统能在患者的手臂上显示出大约 64 mm×48 mm 的静脉图像。工作过程中,红外光源发射一定波长的红外光照射患者皮肤,由于皮肤不同组织的对红外光的光学特性不同,这样从皮肤组织及静脉反射出去的光线便包含它们的信息,反射光再进入红外摄像机,经过一定的图像处理,最后通过投影机投影至皮肤表面。该仪器在临床实验中效果比较理想,并通过了美国食品药品管理局的认证,成为第一个此类技术的商业化产品。

 

      此外,还有美国Luminetx公司的技术人员从 1999年也开始研究反射式红外静脉成像技术,开发成功了静脉观察仪。该仪器临床使用效果好,并通过了美国食品药品管理局的认证。投影式血管显像仪是目前市场上的主流产品,美国Luminetx公司生产的血管显像仪是全球市场占有率第一的产品。

 

2 投影式血管显像仪的技术特点

      基于中国科学院西安光学精密机械研究所在航天影像技术中积累多年的红外成像技术、微型DLP 投影技术、高速数字图像处理技术等核心技术,我们成功研制出国内首台高速投影式血管显像仪,成像帧数达到25帧/s,见图4。

      静脉血中的脱氧血红蛋白对波长为760 nm左右的近红外光有明显的吸收作用,利用这一特性,采用主动红外成像技术,对皮下血管组织进行红外成像,这就是血管红外成像技术的基础。

      血管显像仪采用LED红外灯照射,CCD摄像头采集图像后,将信号传输至DSP模块进行图像处理,然后由DLP模块将处理后的图像投影输出。

      此产品与国外同类产品相比较之下,在成像速度、血管找寻能力、成像范围等关键性能上两者均不相上下,而在安全性能上我们的产品则更加具有优势,因为美国产品使用激光扫描成像及投影,对人眼特别是幼儿眼睛具有很大的潜在风险,而我们则使用TI公司非常成熟的DLP投影方案,安全且不会晃眼,使用体验更胜一筹。性能对比见表1。

 


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