靜脈成像顯示儀的前端設計

李向東 衛 娜 云慶輝 張敏剛

靜脈成像顯示儀的前端設計

李向東①衛 娜①云慶輝①張敏剛①

目的：提升靜脈成像顯示儀前端圖像采集質量，以滿足后端圖像后處理的需求。方法：通過分析成像原理、發射光源的調整、濾光鏡片的選擇以及接口電路的設計等環節的優化，得到最適宜的初始采集圖像。結果：通過提高不同環節的采集傳輸質量，最終圖像的成像質量也會得到提高。結論：高性能的靜脈成像顯示儀前端設計將會為后端圖像處理提供更多、更好的選擇，對于最終能否觀測到高質量的圖像畫面具有決定性的作用。

靜脈成像顯示儀；發光二極管；USB驅動類

[First-author’s address] The First Hospital of the Fourth Military Medical University, Xi’an 710032, China.

在靜脈成像顯示儀的制作過程中前端高分辨率、高對比度及低噪聲的圖像是后端圖像處理的重要保證，而前端圖像采集在整個系統當中起著至關重要的作用。如果前端采集的圖像質量過差后端將很難通過圖像處理的算法進行彌補，通過分析前端每一環節，得到最終前端采集的最優圖像。

1 靜脈成像的原理

使用近紅外線照射靜脈血管，此時靜脈紅血球中的血紅蛋白因照射會失脫氧份，而還原的血紅蛋白對波長760 nm附近的近紅外線會有吸收作用，從而導致靜脈部分的透射較少，在影像上就會產生靜脈暗影圖案。因為人體靜脈比較靠近指腹表皮，當近紅外線照射手指時，比較容易讀取信息，且靜脈圖案的樣本數量較多，曲線和分叉也相當復雜，每個人的差別十分明顯[1]。在裝置的設置中由于手臂較厚不能穿透，有報道稱可以穿透10 mm的組織，但依然不能穿透手臂靜脈，因此在實驗中采用反射的原理，其總體設計結構如圖1所示。

圖1 總體設計結構圖

投影、攝影臺3裝有紅外發射管以及攝像頭，在攝像頭上端安裝紅外濾光片(用于濾除自然光干擾)，確保該設備能在自然光存在的條件下正常運行，是開放式制作的前提；螺母8將攝影臺3的上下運動轉化為螺桿2的圓周運動，把手1與螺桿2相連接，通過旋轉把手1可以達到對于投影臺3的上下運動，直至找到最合適的圖像質量，導軌7用于確保投影、攝影臺3一直處于與手墊4相互垂直的位置，手墊4依據人體工程學原理進行設計，增加了儀器在檢測中的舒適性；底座5用于安裝支架6、手墊4以及整個嵌入式系統。攝像頭采集到的圖像通過USB接口與后端圖像處理和顯示模塊相連接。

近紅外光源的選擇對靜脈的成像效果致關重要。當入射光波長720～1100 nm時，能夠較好地穿透骨骼和肌肉，凸現出血管結構。常用的近紅外光源波長有760 nm、850 nm和940 nm，一般相機對940 nm的光譜響應較低，靜脈成像差[2]。本試驗采用850 nm的紅外發射二極管(LED)作為紅外光源。試驗中光源產生部分選用850 nm的紅外發射二極管，紅外發光二極管由紅外輻射效率高的材料制成(常用砷化嫁GaAs)，光譜功率中心波長830～950 nm，半峰帶寬約40 nm左右，為窄帶分布，為普通CCD/CMOS黑白攝像機可感受的范圍[3-4]。紅外發光二極管的最大輻射強度在光軸的正前方，并隨著輻射方向與光軸夾角的增加而減小。輻射強度為最大值50%的角度稱為半強度輻射角，不同工藝型號的紅外發光二極管的輻射角度有所不同。

2 光源功率可調節電路

在實驗過程中由于要測試不同的發光功率的二級管對于人體靜脈血管的敏感度，試驗中要調整二極管的發光功率(如圖2所示)。

圖2 功率可調型電路

從圖2中能夠看出通過改變PWM波的占空比，可以起到改變Q2的通斷時間比，通過Q2的放大作用，從而達到控制Q1的目的，Q1在此相當于開關管的作用，Q1通時對電容和電感充電；Q1斷開電感和電容放電繼續供電；因此通過改變PWM波的占空比可以達到改變輸出功率的目的。

LED燈的連接存在串聯、并聯和混聯3種連接方式，在LED燈采用并聯時，由于各個LED燈的參數會存在細微差距，將會導致使用的LED燈中管電壓稍微偏低的燈損壞[7]。在LED的連接中采用串聯的連接方式，一般會存在一個燈管損壞其他燈管均不能工作。實際應用證明，串聯連接中在驅動電路正常的情況下，即使發光管自身故障一般也會保持通路狀態，其他發光管不受影響。在購買時商家一般也會建議使用串聯的連接方式，此種連接發光LED燈管的發光效率最高。因此在光源可調電路后采用LED的串聯連接方式。

3 靜脈成像顯示儀濾光片的選擇

在進行靜脈圖像采集時，采集的圖像易受外界環境可見光線的影響，自然光也在攝像頭的采集范圍內，由于反射回的靜脈血管信號回光信號較弱，造成靜脈血管信號被湮沒在自然光環境中，因此，還需增加濾光片來濾除可見光的干擾[9]。而使用近紅外濾光片濾除外界輻射干擾是最有效、最直接的辦法[10]。濾光片能濾掉一定波長范圍內的光線的一種光學鏡片，按照工作的光譜波段不同，濾光片可分為紫外濾光片、可見濾光片及紅外濾光片，選擇的LED光源峰值波長為850 nm，所選擇的濾光片為“蔡氏”，參數為：①中心波長(850±2) nm；②中心透過率＞85%[11]。

4 靜脈成像顯示儀接口電路

攝像頭采集到的圖像通過USB接口與核心模塊進行通信，S5PV210核心板只預留一個USB接口，在USB圖像采集中需要鼠標、U盤等其他設備的參與，在此需要對USB進行必要的擴展。選用USB2514B對USB模塊進行擴展；USB2514B的連接可以參照具體數據手冊中的典型連接。

在連接中VDD直接連接3.3 V直流電壓，test接口直接與地連接，OC1、OC2、OC3及OC4均與3.3 V高電平連接，31、32引腳DP、DM分別與S5PV210中的AE19及AD19相連接，以達到將USB接口擴展的目的。

5 基于Linux的圖像采集方法

在Linux[12-13]中，操作系統將所有外部設備看成是一類特殊文件，稱之為“設備文件”，如果系統調用是Linux內核和應用程序之間的接口，那么設備驅動程序則可以看成是Linux內核與外部設備之間的接口。設備驅動程序向應用程序屏蔽了硬件在實現上的細節，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設備。Linux訪問硬件設備的方式如圖3所示。

圖3 Linux訪問硬件設備的方式

Linux并不允許應用程序直接訪問硬件，而必須通過系統調用的方式，使用驅動程序才能訪問硬件，驅動程序工作在內核態，而應用程序工作在用戶態。若在應用程序和驅動程序之間傳遞數據(指針)，則需經過轉換，將用戶態“看”到的空間地址轉換成內核態可訪問的地址。其工作模式如圖4所示。

圖4 Linux運行的模式

本試驗先移植了一個具有廣泛支持能力的視頻設備驅動程序(usb video class，UVC)，用來支持該視頻設備在Linux下工作，然后在此驅動的基礎上，遵循V4L2(Video For Linux Two)編程規范，編寫圖像采集應用程序。

6 UVC視頻驅動程序的移植

目前，市面上多數攝像頭均提供了基于windows的驅動程序，而對于Linux系統的支持則相對要少的多，本研究使用的攝像機未提供針對Linux的驅動程序，因此，移植了UVC驅動程序用于支持該攝像設備。

USB協議中除了通用的軟硬件電氣接口規范等，還包含了各種各樣的Class協議，用來為不同的功能定義各自的標準接口和具體的總線上的數據交互格式和內容[12-13]。Class協議的數量非常多，最常見的如支持U盤功能的Mass Storage Class，以及通用的數據交換協議：CDC class。此外還包括Video、Audio Class及Print Class等。正是由于這些Class協議，極大的促進了USB設備的普及。Video Class是作為USB接口的視頻設備統一的數據交換規范，最初版本于2003年9月添加到USB Class規范中；1.1的版本更于2005年發布。雖然UVC提出的較晚，基于UVC的設備投入市場也較晚，但無疑UVC將是大勢所趨，支持UVC的USB視頻設備將會越來越多，迅速普及。本研究選用的USB攝像機符合UVC標準，因此只要在Montavista-Linux操作系統上移植UVC的驅動即可支持此攝像機。

UVC驅動的源代碼可以在其官方網站http：// www.ideasonboard.org/uvc/上獲得。將UVC源代碼復制到操作系統....../drivers/media/video目錄下修改Kconfig配置文件和Makefile文件，重新編譯內核，將編譯好的內核通過內核配置命令添加到內核當中。

7 結語

本研究從靜脈血管的成像原理出發，設置后端圖像的采集裝置，為便于后端試驗需求設計了功率可調節電路，從實際應用出發對USB接口進行擴展，方便后期應用與升級。同時重點介紹了Linux下圖像采集設備的工作原理，在V4L2框架下，編寫了靜脈圖像采集應用程序。實驗表明，采集到的靜脈圖像紋路清晰，可滿足靜脈識別的需求，為后續圖像處理提供便利。

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The fore-end design of vein imaging system/LI Xiang-dong, WEI Na, YUN Qing-hui, et al//

China Medical Equipment,2014,11(10):46-48.

Objective: To improve the front-end image acquisition quality to make vein image clearer. Methods: Through analysis the imaging theory, adjustment the power of LED light source, select appropriate filters, design the interface circuit to get the best image in the foreend system. Results: Improve every phase of the image acquisition would make the image more clearly. Conclusion: The high image quality got in the fore-end will useful in the chose about image processing, so the fore-end design of vein imaging system is necessary for the whole system.

Vein imaging system; Light emitting diode; USB video device class

1672-8270(2014)10-0046-03

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.10.016

2014-03-16

①第四軍醫大學西京醫院器材設備科 陜西 西安 710032

李向東，男，(1963- )，博士，副主任醫師。第四軍醫大學西京醫院器材設備科主任，從事設備管理和研究工作。