CN104799815B - 一种基于图像引导的血气采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像引导的血气采集装置及方法，包括腕部固定支架，腕部固定支架的正上方固定有图像采集模块，腕部固定支架的正下方固定有红外光源模块，图像采集模块将采集的图像传送至图像处理模块，图像处理模块将处理的结果通过显示模块进行显示。本发明能够实现医护人员根据显示模块上的桡动脉位置信息和指引信息进针采集血气，并通过实时显示图像上得知进针的情况。三台相机同时采集病人腕部图像，数据的采集精确。

Description

一种基于图像引导的血气采集装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种基于图像引导的血气采集装置及方法。

背景技术

血气分析是医学上常用于判断机体是否存在酸碱平衡失调以及缺氧和缺氧程度等的检验手段。动脉血气分析能准确反映肌体的呼吸功能和代谢情况，诊断呼吸衰竭和酸碱平衡紊乱，并指导氧疗和机械通气。在血气分析中，血液标本的采集和保存是否恰当，对测定结果有较大影响。血气分析采用动脉血作为分析样本，动脉采血常用的动脉为股动脉、肱动脉和桡动脉。由于桡动脉表浅，易于触及，容易压迫止血等特点，在实际临床应用中常采集桡动脉血液用于血气分析。

现有的桡动脉血液采集装置对于有些桡动脉不明显病人，或者在医护人员经验不足的情况下，采集桡动脉血气难度较大，一次性穿刺成功率不高，且病人感觉痛苦，容易形成局部血肿、瘀斑。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于图像引导的血气采集装置及方法，利用该装置判断出病人腕部桡动脉位置，根据桡动脉位置等信息指引护士完成桡动脉血气采集。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种基于图像引导的血气采集装置，包括腕部固定支架，所述腕部固定支架的上方设有图像采集模块，图像采集模块将采集的图像传送至图像处理模块，图像处理模块还与红外光源模块相连，图像处理模块接收并处理图像采集模块采集到的图像信息，最后将处理信息输出至显示模块；

所述图像处理模块包含微处理器，能够接收图像采集模块采集到的病人腕部桡侧同一区域多个不同采集角度的图像，微处理器通过采集的图像中的血管影像，利用多视角三维重建算法，恢复出病人腕部内血管的粗细情况及分布情况，并根据血红蛋白对近红外光的选择性吸收特点区分动脉和静脉，提供相对较粗并且距离表皮较近的桡动脉位置信息，指引进行血气采集。

其中，多视角三维重建算法通过三个红外相机从不同视角拍摄的图像对中恢复出被拍摄物体三维信息的过程。要实现该过程一般包括如下步骤：红外相标定、特征提取、立体匹配和三维信息恢复。

红外相机标定：红外相机标定的目的是确定相机的几何位置、属性参数和建立成像模型，以便确定世界坐标系中的物体与它在摄像机的成像平面上的像点之间的对应关系。红外相标定包括确定摄像机内部几何光学特性(内部参数)和确定摄像机在世界坐标系中的三维位置和方向(外部参数)。

红外相机标定基于患者的腕部的摆放位置和情况，确保位于腕部正面上方，腕部正面左方和腕部正面右方的三个红外相机拍摄腕部同一区域，并且腕部正面左方相机和腕部正面上方相机的角度，与腕部正面右方相机和腕部正面上方相机的角度相同，三个相机同时采集图像，通过直接线性变换(DLT)的摄像机标定方法，直接利用摄像机的线性模型，利用线性方程组求解摄像机的参数。

特征提取：多视角三维重建根据视差恢复目标物体深度信息的关键是确定场景中同一物点在三个图像中的对应关系，通过SIFT方法获得三幅图像中相同的特征并提取该特征点。

立体匹配：立体匹配是指根据对所选特征点的计算，并建立特征之间的对应关系，将同一个空间点在不同图像中的投影点对应起来。基于区域的匹配算法以腕部正面上方的红外相机采集到的图像作为基准图，以及准入的待匹配点为中心创建一个窗口，用邻域像素的灰度值分布来表征该像素，然后在对准图中根据匹配准则约束来寻找这样一个像素，以其为中心创建同样的一个窗口，并用其邻域像素的灰度值分布来表征它，然后依据适当的相似性测度，比较两个窗口的灰度分布的相似性，相似性必须满足一定的阈值条件，从而实现三幅图像的配准。

三维信息恢复：当通过立体匹配后，即可根据成像模型中视差与深度的几何关系，对目标的深度进行计算。

所述腕部固定支架为中空圆柱形，图像采集模块包括三台近红外相机，腕部固定支架的正上方设有三个圆形孔洞，每个空洞内嵌入一台近红外相机，图像采集模块后方固定有图像处理模块。

所述腕部固定支架的下方且图像采集模块的正下方设有三个圆形孔洞，每个空洞内嵌入近红外灯，三台近红外灯构成红外光源模块；显示模块通过数据传输线连接图像处理模块，固定于腕部固定支架上方。

所述图像采集模块的三台近红外相机分别位于病人腕部桡侧上方、桡侧左方和桡侧右方三台近红外相机对准病人腕部桡侧同一区域采集穿透病人腕部的近红外光形成的影像，根据血红蛋白对近红外光有明显的选择性吸收的特点，透过病人腕部的近红外光形成的影像可以清楚的反映病人腕部内血管的影像，三台近红外相机的采集区域相同但采集角度不同。

所述红外光源模块的三台近红外灯分别位于病人腕部背面上方、背面左方和背面右方，同时对病人腕部背面的某个区域照射近红外光，由于近红外光有较强的穿透性，近红外光穿透病人腕部并使位于病人腕部桡侧上方的图像采集模块能清楚地采集到病人腕部内的血管信息。

一种基于图像引导的血气采集方法，包括以下步骤：

步骤一：首先通过腕部固定支架固定病人腕部，防止其移动，调整图像采集模块中三台近红外相机的角度使其采集病人腕部桡侧同一区域，调整红外光源模块中的三个近红外灯使其照射病人腕部背面同一区域，并使这两片区域处于同一中轴线上，确保三个近红外灯照射出来的近红外光能透过病人腕部并被三台近红外相机采集到；

步骤二：红外光源模块所包含的三个近红外灯对病人腕部背面同一区域照射近红外光；再由图像采集模块所包含的三台近红外相机采集病人腕部桡侧同一区域的影像；

步骤三：三台近红外相机采集到的图像信息由图像处理模块接收，图像处理模块中的微处理器对三台近红外相机采集到的腕部桡侧同一区域但采集角度不同的图像信息进行处理，获得桡动脉位置信息；

步骤四：显示模块显示桡动脉位置信息，并通过图像采集模块实时显示腕部图像；

步骤五：医护人员根据显示模块上的桡动脉位置信息进针采集血气，并通过实时显示图像上得知进针的情况。

本发明的有益效果：

医护人员根据显示模块上的桡动脉位置信息和指引信息进针采集血气，并通过实时显示图像上得知进针的情况。三台近红外相机同时采集病人腕部图像，数据的采集精确。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于图像引导的血气采集装置的功能示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于图像引导的血气采集装置的结构示意图；

图中，103、图像采集模块，2、腕部桡侧，102、近红外光源模块，101、腕部固定支架，5、手臂，104、图像处理模块，105、显示模块。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种基于图像引导的血气采集装置。包括：

101、腕部固定支架。

其中，固定的是病人腕部、图像采集模块和近红外光源模块。

具体的，病人腕部被支架固定，防止手腕移动；图像采集模块和近红外光源模块被支架固定，防止在图像采集、处理和显示过程中各个模块发生位移。图像采集模块位于腕部固定支架上方，红外光源模块位于腕部固定支架下方，待采集血气人员腕部经由腕部固定支架固定后，腕部桡侧2向上。

102、近红外光源模块。

其中，近红外光源模块发射近红外光。

具体的，近红外光源模块包括三个近红外灯，照射病人手腕背部某一区域。

103、图像采集模块。

其中，采集的是病人腕部桡侧图像。

具体的，图像采集模块包括三台近红外相机，其镜头分别对准聚焦于病人腕部桡侧2的待进针采集区域，并确保三台近红外相机能采集到由腕部背面三台近红外灯经由腕部透射过来的包含有腕部内血管影响的近红外光。

104、图像处理模块。

其中，处理的是图像采集模块采集到的图像。

具体的，图像处理模块中的微处理器接收图像采集模块中三台近红外相机采集的腕部桡侧图像。微处理器对三台近红外相机采集到的同一区域但采集角度不同的图像进行多视角三维重建运算。由于近红外光源透过腕部并被近红外相机所采集，采集到的图像包含清晰丰富的血管影像，三台近红外相机采集的区域相同但由于采集角度不同，导致每台相机都能采集到相同的血管，但血管的分布和在图像中的位置却由于角度不同而有所偏差，通过这些偏差，就可以利用多视角三维重建算法把采集到的血管的二维位置信息扩充至三维位置信息，恢复出血管在腕部内的分布情况。再通过血管粗细判断，以及根据动脉血和静脉血中含氧血红蛋白的不同导致的血红蛋白对近红外光的吸收率不同区分动脉血管和静脉血管，结合血管的三维位置信息，粗细信息和动脉血管判断，将距离腕部桡侧表皮最近且较粗的动脉血管的三维位置信息输出至显示模块。当医生确认将对该动脉血管进行血气采集时，图像处理模块将固定该血管三维位置信息，并调用图像采集模块实时采集医生的进针情况并将图像输出至显示模块。

105、显示模块。

其中，显示的是从图像处理模块得出的腕部动脉血管三维位置信息，当医生确定对该血管进针采集血气时，该血管的三维位置信息固定显示并再显示进针的实时图像，医生可根据进针时的实时图像和血管的三维位置信息修正进针，起到指引进针的作用。

工作原理：近红外光源模块包括三个近红外灯，近红外光源照射腕部背面，为图像采集模块提供近红外光；图像采集模块通过由腕部背面透射到腕部桡侧的近红外光可以采集腕部内的血管影响；图像采集模块中所包含的三台近红外相机采集腕部桡侧待采集区域同一位置的图像信息；图像处理模块根据同一采集区域和不同的采集角度，运用多视角三维重建技术，通过分析和处理，可获得血管的三维位置信息，运用图像处理技术，依据静脉血和动脉血中血红蛋白含氧量不同导致的近红外光吸收率不同，可在采集到的图像中标定腕部动脉血管，排除腕部静脉血管；并根据血管的三维位置信息，血管的粗细程度，挑选出距离腕部桡侧表皮最近且较粗的动脉血管，并由显示模块显示其三维位置信息。当医生确定对该血管进针采集血气时，显示模块固定显示该血管三维位置信息，并实时显示医生的进针情况，使医生可通过三维位置信息和进针的情况进行修正。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种基于图像引导的血气采集装置，其特征是，包括腕部固定支架，所述腕部固定支架的上方设有图像采集模块，图像采集模块将采集的图像传送至图像处理模块，图像处理模块还与红外光源模块相连，图像处理模块接收并处理图像采集模块采集到的图像信息，最后将处理信息输出至显示模块；

所述图像处理模块包含微处理器，能够接收图像采集模块采集到的病人腕部桡侧同一区域多个不同采集角度的图像，微处理器通过采集的图像中的血管影像，利用多视角三维重建算法，恢复出血管在腕部内的分布情况；根据血管粗细，以及根据动脉血和静脉血中含氧血红蛋白的不同导致的血红蛋白对近红外光的吸收率不同的特点区分动脉血管和静脉血管；结合血管的三维位置信息和动脉血管判断，将距离腕部桡侧表皮最近且较粗的动脉血管的三维位置信息输出至显示模块，指引进行血气采集；

所述腕部固定支架为中空圆柱形，图像采集模块包括三台近红外相机，腕部固定支架的正上方设有三个圆形孔洞，每个孔洞内嵌入一台近红外相机，三台近红外灯构成红外光源模块；图像采集模块后方固定有图像处理模块；显示模块通过数据传输线连接图像处理模块，固定于腕部固定支架上方；

所述红外光源模块的三台近红外灯分别位于病人腕部背面上方、背面左方和背面右方，同时对病人腕部背面的某个区域照射近红外光；

所述多视角三维重建算法包括：

红外相机标定：基于患者的腕部的摆放位置和情况，确保位于腕部正面上方，腕部正面左方和腕部正面右方的三个红外相机拍摄腕部同一区域，并且腕部正面左方相机和腕部正面上方相机的角度，与腕部正面右方相机和腕部正面上方相机的角度相同，三个相机同时采集图像，通过直接线性变换的摄像机标定方法，求解摄像机的参数；

特征提取：通过SIFT方法获得三幅图像中相同的特征并提取该特征点；

立体匹配：基于区域的匹配算法以腕部正面上方的红外相机采集到的图像作为基准图，以及准入的待匹配点为中心创建一个窗口，用邻域像素的灰度值分布来表征该像素，然后在对准图中根据匹配准则约束来寻找这样一个像素，以其为中心创建同样的一个窗口，并用其邻域像素的灰度值分布来表征它，然后依据相似性测度，比较两个窗口的灰度分布的相似性，相似性必须满足一定的阈值条件，从而实现三幅图像的配准；

三维信息恢复：当通过立体匹配后，即可根据成像模型中视差与深度的几何关系，对目标的深度进行计算。

2.如权利要求1所述的一种基于图像引导的血气采集装置，其特征是，所述图像采集模块的三台近红外相机分别位于病人腕部桡侧上方、桡侧左方和桡侧右方，三台近红外相机对准病人腕部桡侧同一区域采集穿透病人腕部的近红外光形成的影像，根据血红蛋白对近红外光有明显的选择性吸收的特点，透过病人腕部的近红外光形成的影像清楚的反映病人腕部内血管的影像，三台近红外相机的采集区域相同但采集角度不同。