基于樹莓派的便攜式靜脈投影儀的研制

王國徽，馬 競，衛(wèi)洪濤

（鄭州大學(xué)力學(xué)與安全工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引言

靜脈穿刺是常規(guī)的醫(yī)療手段。即使是經(jīng)驗豐富的護(hù)士，在面對血管不明顯的嬰兒、黑人以及肥胖群體時，初次扎針的成功率也會大幅降低[1]。另外，患者的血管條件也是影響靜脈穿刺成功率的一大因素。老人由于器官老化，易出現(xiàn)血管硬化、不充盈等現(xiàn)象[2]，有些重癥患者由于長期治療會出現(xiàn)血管壁薄弱、修復(fù)能力減弱的問題[3]。這些特殊情況都需要醫(yī)護(hù)人員深入了解血管形態(tài)和走向，以便找到最適合進(jìn)行穿刺的靜脈。隨著靜脈顯像技術(shù)和可視化儀器的不斷發(fā)展，上述難題已經(jīng)得到改善和解決。

Zeman等[4]早在1999年就提出將靜脈識別技術(shù)運(yùn)用到醫(yī)療領(lǐng)域，利用靜脈圖像輔助醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行靜脈穿刺。美國Christiemedical公司的VeinViewer系列產(chǎn)品[5]是近些年國外相關(guān)領(lǐng)域最為知名的產(chǎn)品之一，該系列產(chǎn)品的靜脈成像效果好，但售價高達(dá)2萬美元。2013年，美國伊凡娜公司推出Eyes On智能醫(yī)學(xué)眼鏡[6]，通過發(fā)射X射線，使使用者看見血管的位置。由于X射線對人體健康有一定危害，故難以普及。

國內(nèi)靜脈顯像及定位技術(shù)研究雖然稍晚于國外，但是近幾年也獲得巨大的進(jìn)步和豐碩的成果。2006年，靜脈識別首次成為國家自然科學(xué)基金資助項目[7]，隨后更多國內(nèi)高校開始從事靜脈顯像相關(guān)研究。同濟(jì)大學(xué)研究人員設(shè)計了紅外靜脈輔助定位系統(tǒng)[8]，該系統(tǒng)是把人體靜脈顯示在LCD顯示屏上，不夠直觀且無法滿足臨床上的需求。王慶源[9]申請了“一種用于紅外靜脈血管顯像的光學(xué)機(jī)構(gòu)”的專利，通過一個分光鏡使紅外攝像頭入射光路和投影儀出射光路重合，實(shí)現(xiàn)淺層靜脈血管等比例顯示的效果。董麗麗等[10]設(shè)計了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動穿刺機(jī)器人，采用超聲技術(shù)對血管進(jìn)行定位。中科微光醫(yī)療器械技術(shù)有限公司研制了投影式血管顯像儀，其最新的型號V800P是嵌入式靜脈投影儀[11]，亮度具有4擋，帶有若干種可調(diào)模式，如不同顏色的投影模式。值得注意的是，該產(chǎn)品還可以對血管進(jìn)行深度估計，可以評估0～2 mm、2～4 mm以及4 mm以上3種深度，但是該產(chǎn)品系統(tǒng)閉源，不能遠(yuǎn)程通信，同時售價昂貴，影響其在醫(yī)院的使用規(guī)模。博聯(lián)眾科（武漢）科技有限公司研制了VeinSight系列血管顯像儀，其最新型號VS500具有深度探測功能[12]，可以通過軟件把儲存在顯像儀中的照片下載到計算機(jī)中，同時具有距離感應(yīng)裝置，可隨時測量顯像儀與皮膚之間的距離，提示下針位置及送針路徑。

得益于靜脈顯像技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外市場上已有多種類型的產(chǎn)品在售，但價格普遍高昂，系統(tǒng)不開放，沒有遠(yuǎn)距離傳輸功能，且尚未大范圍推廣應(yīng)用。本文研制的靜脈投影儀可實(shí)現(xiàn)靜脈的原位置投影，節(jié)省光學(xué)元件的同時也減小了體積，并且所選用的元件設(shè)備價格低，易于推廣和普及。

1 硬件設(shè)計

1.1 原理

靜脈投影儀的原理是靜脈中脫氧血紅蛋白對紅外光的吸收強(qiáng)度高于靜脈周邊組織[10]，通過人為增加紅外光照射皮膚表面，用帶紅外濾光片的攝像頭拍攝皮膚，靜脈的位置在影像中的亮度相較于其他部位更暗，這就得到了人體靜脈的分布特征和靜脈大致的形態(tài)。將得到的圖像用圖像處理技術(shù)處理，以放大、增強(qiáng)靜脈特征，再把圖像實(shí)時傳輸給投影儀，并投影在皮膚上，就能直觀地看到靜脈血管的分布情況。通過調(diào)整拍攝角度并結(jié)合圖像處理，消除拍攝區(qū)域和投影區(qū)域的位置偏差，實(shí)現(xiàn)靜脈的原位置顯示。靜脈投影儀工作流程如圖1所示。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

靜脈顯像設(shè)備最理想的效果是能夠?qū)崿F(xiàn)靜脈圖像在皮膚表面的原位置投影，真正方便使用者直觀地看到靜脈所在位置。一些靜脈顯像設(shè)備通過光路復(fù)用結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一效果[13]，即通過分光鏡片使投影儀出射光回到原來的垂直于皮膚的光路上。光路復(fù)用方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

本文設(shè)計的靜脈投影儀由樹莓派、微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）激光掃描投影模組、加裝紅外濾光片的紅外攝像頭、電池、殼體和支架構(gòu)成。靜脈投影儀殼體主體外形與槍式測溫計相似，電池置于手柄內(nèi)，樹莓派疊放在MEMS激光掃描投影模組下方。攝像頭夾持裝置設(shè)計成可旋轉(zhuǎn)式，通過轉(zhuǎn)動攝像頭的拍攝角度改變拍攝位置，結(jié)合圖像處理算法消除拍攝區(qū)域和投影區(qū)域的位置偏差，使投影區(qū)域處于圖像中央位置。對拍攝的圖像進(jìn)行裁切、放縮矯正后由投影儀投射到皮膚，從而實(shí)現(xiàn)靜脈血管的原位置等大投影。原位置投影原理如圖3所示。

圖2 光路復(fù)用方案結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 原位置投影原理

這種方案不必使用光學(xué)鏡片，在一定程度上縮小了靜脈投影儀的尺寸。但投影儀距離皮膚的遠(yuǎn)近會影響投射畫面的大小，因而使用時需限定在一定的距離范圍內(nèi)才不至于使靜脈的大小有較大的偏差。為此本文設(shè)計了一個輔助使用的支架，使用時需要把靜脈投影儀放在支架指定位置，手臂平放在桌面上。靜脈投影儀三維視圖如圖4所示。

1.3 核心部件選型

圖4 靜脈投影儀三維視圖

靜脈投影儀采用開源樹莓派平臺，CPU為博通BCM 2711，由5 V/3 A USB-C供電。盡管樹莓派官方操作系統(tǒng)Raspbian是32位，但經(jīng)過實(shí)際測試，64位的系統(tǒng)在運(yùn)行流暢度和穩(wěn)定性上都優(yōu)于32位系統(tǒng)，故本文使用的樹莓派安裝了64位Raspbian操作系統(tǒng)。樹莓派為開源系統(tǒng)，可以安裝自己的程序，并接入很多其他應(yīng)用，使得靜脈投影儀有較大的可拓展性和開放性。在研制階段，通過網(wǎng)絡(luò)和VNC Viewer軟件實(shí)現(xiàn)靜脈圖像的遠(yuǎn)程傳輸以及靜脈投影儀的無線控制與調(diào)試，使靜脈投影儀能夠成為終端產(chǎn)品，助力遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展[14]。

投影裝置選用MEMS激光掃描投影模組，其尺寸為95 mm×65 mm×18 mm（長×寬×高），功率為2.5 W，質(zhì)量為82.5 g，解析度為720P（1 280像素×720像素），亮度為23～33 lm。其原理是通過靜電力驅(qū)動MEMS鏡片，反射紅、綠、藍(lán)3束激光，逐行掃描成像[15]。因此，該投影模組成像無需調(diào)焦，能在曲面上投影出清晰的畫面，非常適用于在人體皮膚表面投影。另外，MEMS投影模組這種成像方式在圖像像素為黑色時，激光源就不再掃描該像素點(diǎn)所對應(yīng)的位置，使得亮光區(qū)域面積減小。照射范圍的縮小，減弱了皮膚反射的亮光對攝像頭采集圖像的影響。與普通投影模組相比，MEMS投影模組這一特點(diǎn)可以避免因完全出射光線導(dǎo)致畫面過曝的問題，能得到更佳的拍攝效果。

圖像采集設(shè)備選用與樹莓派相適配的紅外攝像頭，支持接入2個紅外補(bǔ)光燈。感光芯片是OV5647，具有500萬像素；紅外補(bǔ)光燈工作功率為3 W，可以發(fā)出850 nm的近紅外光，其穿透能力以及還原型血紅蛋白的吸收能力都處在較好的水平[16]。

靜脈投影儀的外殼和支架由3D打印制作而成，材質(zhì)為聚乳酸（polylactic acid，PLA）。另外配有一塊定制的鋰電池為設(shè)備供電。因為樹莓派和MEMS激光掃描投影模組尺寸小，所以靜脈投影儀也足夠小巧，作為終端設(shè)備具有方便攜帶的優(yōu)點(diǎn)，更能夠滿足門診醫(yī)生的多樣化使用需求。

2 程序設(shè)計

2.1 圖像增強(qiáng)

靜脈投影儀軟件程序采用Visual Studio Code編寫，由樹莓派內(nèi)置的Python解釋器運(yùn)行，通過OpenCV圖像處理算法完成圖像對比度的增強(qiáng)及其他操作。圖像增強(qiáng)方法有直方圖均衡化、線性變換、伽馬變換、局部自適應(yīng)直方圖均衡化、分段線性變換等[17]。經(jīng)過多次實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)使用局部自適應(yīng)直方圖均衡化，能夠達(dá)到效果和處理速度的平衡，基本不存在卡頓現(xiàn)象。

灰度直方圖是將數(shù)學(xué)中直方圖的概念遷移到圖像上，統(tǒng)計0～255之間每個灰度級對應(yīng)的像素個數(shù)。圖像對比度可通過灰度級范圍來度量，灰度級范圍與對比度呈正相關(guān)[18]。直方圖均衡化是一種增強(qiáng)圖像對比度的有效方法，一般而言是在圖像全局進(jìn)行的。而局部自適應(yīng)直方圖均衡化將圖像按預(yù)設(shè)大小劃分成多個網(wǎng)格，在每個方格內(nèi)進(jìn)行直方圖均衡化，每個方格的灰度直方圖被限制在設(shè)定的灰度級范圍內(nèi)。但是如果某一方格內(nèi)有噪聲，反而會降低圖像質(zhì)量[19]，因而有必要在進(jìn)行圖像增強(qiáng)之前進(jìn)行圖像模糊處理以去除噪聲。這種與對比度增強(qiáng)背道而馳的做法會丟失一些邊緣特征，所以需要合理控制預(yù)處理時卷積核的大小。實(shí)驗結(jié)果表明，卷積核的大小設(shè)為5×5時，這種微弱的模糊處理收益是正向的。手臂圖像經(jīng)過去噪和局部自適應(yīng)直方圖均衡化處理后的效果如圖5所示。

2.2 程序優(yōu)化

對程序進(jìn)行優(yōu)化的目的是提高處理速度和增強(qiáng)設(shè)備易用性。具體方法如下：（1）裁剪圖片提取感興趣區(qū)（range of interest，ROI），去除部分背景信息，減小后續(xù)圖像處理的計算量。ROI最后會被放大以便在一定的投影距離實(shí)現(xiàn)等比例投影。（2）給圖像添加黑色邊界，擴(kuò)大為1 280像素×720像素。MEMS激光掃描投影模組不會顯示黑色像素，以降低亮光對攝像頭的干擾。而通過調(diào)整4個邊界的寬度可以改變相對位置，使其能投射到正確部位。（3）圖像二值化處理，使人體周圍較暗的區(qū)域變成黑色，進(jìn)一步縮小顯示范圍。帶有黑色邊界的二值化圖像如圖6所示。（4）改善顯示效果，把ROI灰度圖像拓展為三通道，即把R、B通道置為0，便可呈現(xiàn)綠色效果。

3 實(shí)際測試效果

采用制成的樣機(jī)（如圖7所示）進(jìn)行測試，尺寸為169 mm×101 mm×173 mm（長×寬×高）。

圖5 手臂圖像處理效果

圖6 帶有黑色邊界的二值化圖像

圖7 樣機(jī)示意圖

實(shí)際測試的環(huán)境為室內(nèi)且有日光燈照射，測試時靜脈投影儀放在一個高約7 cm的轉(zhuǎn)臺上，實(shí)際投影顯示效果如圖8所示，可見手背較粗的血管能夠清晰顯示。由于程序中的圖像模糊處理會去掉圖片中細(xì)小孤立的部分，所以細(xì)小血管在皮膚表面難以觀察到。投影的圖像分辨力大小可以通過程序控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖8中顯示的圖像分辨力為1 322像素×1 612像素。對于普通靜脈穿刺而言，僅僅看到淺層或較為粗大的血管就能實(shí)現(xiàn)目的，因而目前程序設(shè)置的參數(shù)顯示為這種效果，即只突出顯示較為粗大的血管。圖9是測試者手背圖片，圖像分辨力為636像素×726像素。為了能凸顯血管位置以便于比對驗證，拍攝時仿照臨床靜脈穿刺的做法用橡皮筋扎緊手臂。

圖8 投影顯示效果

圖9 手背圖片

為了對照檢查血管投影位置是否與真實(shí)位置重合，在圖8中選擇紅色方框部位中的血管分叉處進(jìn)行驗證，圖9中也對應(yīng)標(biāo)出血管分叉處大致位置。將圖8和圖9在Windows 10系統(tǒng)內(nèi)置的畫圖程序中打開，在2幅圖像上選擇關(guān)鍵點(diǎn)，畫水平的直線并進(jìn)行測量。由于手掌在2幅圖像中的尺度不同，因而選擇食指的寬度作為參考，即把2幅圖像中各自測得的像素長度進(jìn)行比較。其中L1、L3是在食指對應(yīng)位置標(biāo)記的直線，L2、L4是從手掌邊緣到血管分叉處標(biāo)記的直線。軟件顯示L1、L2、L3、L44條線段的像素值分別是101、276、78、214。因為是同一只手，計算食指寬度之比便可作為比例尺計算出在圖9尺度下從手掌邊緣到血管分叉處的直線的理論長度，即L4′。以像素為單位進(jìn)行下列計算：

L4′-L4=-0.85像素

L4′與圖9實(shí)測長度L4的差值-0.85像素即計算得到的誤差，基本可以忽略。而且即便是考慮了標(biāo)記線段端點(diǎn)時產(chǎn)生的偶然誤差，最終反映出的血管投影畫面與血管真實(shí)位置的偏差也會在人可以接受的程度。

同類產(chǎn)品中，V800F成像效果圖如圖10所示，對比圖8與圖10可知，2款產(chǎn)品的投影效果都比較好。

4 結(jié)語

本文研制了一種基于樹莓派的便攜式靜脈投影儀，實(shí)現(xiàn)了靜脈的原位置投影，制成的樣機(jī)經(jīng)實(shí)際測試，實(shí)用性較好。借助樹莓派的系統(tǒng)優(yōu)勢，設(shè)計的靜脈投影儀能夠拓展成為便攜式醫(yī)療輔助設(shè)備，而且對比在售的靜脈顯像產(chǎn)品其在制造成本上具有顯著的優(yōu)勢。

本文研制的靜脈投影儀未來可以在很多方向優(yōu)化升級。硬件上可以換用算力更高的設(shè)備和電量更大、電壓更穩(wěn)定的電池；在算法上可開發(fā)更有效的圖像增強(qiáng)算法，如把圖像模糊和圖像增強(qiáng)組合到一起，設(shè)置不同的參數(shù)，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)“層”的形式進(jìn)行多次處理；功能設(shè)計上可以試用超聲波獲取血管深度信息、與人工智能推薦算法結(jié)合在線評估血管狀態(tài)，以推薦適宜靜脈穿刺的血管，還可與虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步提升可視化的體驗。

圖10 中科微光V800F成像效果