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光學工程
新型高科技成像系統——投影式血管顯像儀

      靜脈穿刺是醫療行業中最基本的、臨床應用最廣泛的護理技術操作之一,靜脈注射也成為臨床治療、搶救病人的重要給藥途徑。但是,由于有些特殊人群的血管并不容易找到,比如兒童、胖人、老人、長期靜脈注射的人、膚色較深的人等一次注射成功的情況甚少,因此會增加病人的痛苦和加大護士的心理壓力,并容易產生醫療糾紛。

      針對這一問題,我們研發了投影式血管顯像儀,它是基于全球最新的紅外成像技術、微型DLP 投影技術、高速數字圖像處理技術等多種光、機、電技術相融合的新型高科技成像系統,可以通過紅外成像技術將隱藏在皮膚下無法肉眼觀察到的靜脈血管找到,并通過數字芯片的圖像處理再實時輸入到DLP投影儀中原位投影到皮膚表面,從而做到將靜脈血管實時顯像于病人皮膚,護士可以直接進行靜脈注射。

1 國內外的研發現狀

       非接觸式顯影系統大多采用主動紅外成像技術,按照成像和顯示方式的不同,可分為激光掃描顯影系統、透射式紅外成像系統和反射式紅外成像投影系統。

1.1 激光掃描投影顯示系統

圖1 激光掃描投影顯示系統

       圖1是美國AccuVein公司研發的基于雙激光掃描的皮下靜脈輔助顯影系統的原理圖,其主要由可見光激光器、紅外激光器、二維掃描器件、光電探測器、散射光收集系統及控制單元等部分組成。

      其工作原理主要是利用激光掃描來進行顯影。紅外激光器發射的紅外激光經過二相色性反射鏡反射,再先后經過行掃描振鏡反射和場掃描振鏡反射,最后以一定的軌跡掃描患者的皮膚區域。當控制單元打開可見光激光器,可見光先后經過二相色性反射鏡,行掃描振鏡和場掃描振鏡到達患者皮膚區域,便顯示出靜脈血管的軌跡。

      其主要缺點是成本過高,激光器的價格相對傳統投影顯示光源高出不少。

 

1.2 透射式紅外成像系統

       美國空軍研究實驗室先進材料與制造部從 1994 年起,研究軍用夜視儀在輔助血管穿刺中的應用,并與企業合作,開發出來血管觀察儀。這種儀器主要由紅外光源控制器、紅外光源、夜視儀組成。與上述的手背淺靜脈顯示儀原理相似,使用時,將紅外光源置于患者手臂之下,調節紅外光至適當的強度,則可在上面的夜視儀中看到肌體中清晰的血管網絡。由于有夜視儀輔助觀察,可以適當的減小紅外光源的功率。這種透射紅外成像方式,能將深淺不同的血管反映出來。

      為了防止交叉感染,需要在光源和患者手臂之間用一次性透光薄膜進行隔離,這樣使用起來不夠方便;同時佩戴夜視儀還容易影響護士的情緒;而軍用夜視儀的昂貴價格也直接導致該裝置成本較高。另外,通過夜視儀看到的靜脈與其周圍組織的邊界模糊,也影響了顯影靜脈的對比度和清晰度。因此該裝置雖然樣機開發早,但一直沒有投入商用化生產。

1.3 反射式紅外成像投影系統

       美國孟菲斯大學生物工程學院開發出的靜脈實時顯影系統,如圖3 所示。該系統主要由紅外光源、紅外攝像機、投影機等部件組成,該系統能在患者的手臂上顯示出大約 64 mm×48 mm 的靜脈圖像。工作過程中,紅外光源發射一定波長的紅外光照射患者皮膚,由于皮膚不同組織的對紅外光的光學特性不同,這樣從皮膚組織及靜脈反射出去的光線便包含它們的信息,反射光再進入紅外攝像機,經過一定的圖像處理,最后通過投影機投影至皮膚表面。該儀器在臨床實驗中效果比較理想,并通過了美國食品藥品管理局的認證,成為第一個此類技術的商業化產品。

 

      此外,還有美國Luminetx公司的技術人員從 1999年也開始研究反射式紅外靜脈成像技術,開發成功了靜脈觀察儀。該儀器臨床使用效果好,并通過了美國食品藥品管理局的認證。投影式血管顯像儀是目前市場上的主流產品,美國Luminetx公司生產的血管顯像儀是全球市場占有率第一的產品。

 

2 投影式血管顯像儀的技術特點

      基于中國科學院西安光學精密機械研究所在航天影像技術中積累多年的紅外成像技術、微型DLP 投影技術、高速數字圖像處理技術等核心技術,我們成功研制出國內首臺高速投影式血管顯像儀,成像幀數達到25幀/s,見圖4。

      靜脈血中的脫氧血紅蛋白對波長為760 nm左右的近紅外光有明顯的吸收作用,利用這一特性,采用主動紅外成像技術,對皮下血管組織進行紅外成像,這就是血管紅外成像技術的基礎。

      血管顯像儀采用LED紅外燈照射,CCD攝像頭采集圖像后,將信號傳輸至DSP模塊進行圖像處理,然后由DLP模塊將處理后的圖像投影輸出。

      此產品與國外同類產品相比較之下,在成像速度、血管找尋能力、成像范圍等關鍵性能上兩者均不相上下,而在安全性能上我們的產品則更加具有優勢,因為美國產品使用激光掃描成像及投影,對人眼特別是幼兒眼睛具有很大的潛在風險,而我們則使用TI公司非常成熟的DLP投影方案,安全且不會晃眼,使用體驗更勝一籌。性能對比見表1。

 


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