静脉成像显示仪的前端设计

李向东 卫 娜 云庆辉 张敏刚

静脉成像显示仪的前端设计

李向东①卫 娜①云庆辉①张敏刚①

目的：提升静脉成像显示仪前端图像采集质量，以满足后端图像后处理的需求。方法：通过分析成像原理、发射光源的调整、滤光镜片的选择以及接口电路的设计等环节的优化，得到最适宜的初始采集图像。结果：通过提高不同环节的采集传输质量，最终图像的成像质量也会得到提高。结论：高性能的静脉成像显示仪前端设计将会为后端图像处理提供更多、更好的选择，对于最终能否观测到高质量的图像画面具有决定性的作用。

静脉成像显示仪；发光二极管；USB驱动类

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

在静脉成像显示仪的制作过程中前端高分辨率、高对比度及低噪声的图像是后端图像处理的重要保证，而前端图像采集在整个系统当中起着至关重要的作用。如果前端采集的图像质量过差后端将很难通过图像处理的算法进行弥补，通过分析前端每一环节，得到最终前端采集的最优图像。

1 静脉成像的原理

使用近红外线照射静脉血管，此时静脉红血球中的血红蛋白因照射会失脱氧份，而还原的血红蛋白对波长760 nm附近的近红外线会有吸收作用，从而导致静脉部分的透射较少，在影像上就会产生静脉暗影图案。因为人体静脉比较靠近指腹表皮，当近红外线照射手指时，比较容易读取信息，且静脉图案的样本数量较多，曲线和分叉也相当复杂，每个人的差别十分明显[1]。在装置的设置中由于手臂较厚不能穿透，有报道称可以穿透10 mm的组织，但依然不能穿透手臂静脉，因此在实验中采用反射的原理，其总体设计结构如图1所示。

图1 总体设计结构图

投影、摄影台3装有红外发射管以及摄像头，在摄像头上端安装红外滤光片(用于滤除自然光干扰)，确保该设备能在自然光存在的条件下正常运行，是开放式制作的前提；螺母8将摄影台3的上下运动转化为螺杆2的圆周运动，把手1与螺杆2相连接，通过旋转把手1可以达到对于投影台3的上下运动，直至找到最合适的图像质量，导轨7用于确保投影、摄影台3一直处于与手垫4相互垂直的位置，手垫4依据人体工程学原理进行设计，增加了仪器在检测中的舒适性；底座5用于安装支架6、手垫4以及整个嵌入式系统。摄像头采集到的图像通过USB接口与后端图像处理和显示模块相连接。

近红外光源的选择对静脉的成像效果致关重要。当入射光波长720～1100 nm时，能够较好地穿透骨骼和肌肉，凸现出血管结构。常用的近红外光源波长有760 nm、850 nm和940 nm，一般相机对940 nm的光谱响应较低，静脉成像差[2]。本试验采用850 nm的红外发射二极管(LED)作为红外光源。试验中光源产生部分选用850 nm的红外发射二极管，红外发光二极管由红外辐射效率高的材料制成(常用砷化嫁GaAs)，光谱功率中心波长830～950 nm，半峰带宽约40 nm左右，为窄带分布，为普通CCD/CMOS黑白摄像机可感受的范围[3-4]。红外发光二极管的最大辐射强度在光轴的正前方，并随着辐射方向与光轴夹角的增加而减小。辐射强度为最大值50%的角度称为半强度辐射角，不同工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同。

2 光源功率可调节电路

在实验过程中由于要测试不同的发光功率的二级管对于人体静脉血管的敏感度，试验中要调整二极管的发光功率(如图2所示)。

图2 功率可调型电路

从图2中能够看出通过改变PWM波的占空比，可以起到改变Q2的通断时间比，通过Q2的放大作用，从而达到控制Q1的目的，Q1在此相当于开关管的作用，Q1通时对电容和电感充电；Q1断开电感和电容放电继续供电；因此通过改变PWM波的占空比可以达到改变输出功率的目的。

LED灯的连接存在串联、并联和混联3种连接方式，在LED灯采用并联时，由于各个LED灯的参数会存在细微差距，将会导致使用的LED灯中管电压稍微偏低的灯损坏[7]。在LED的连接中采用串联的连接方式，一般会存在一个灯管损坏其他灯管均不能工作。实际应用证明，串联连接中在驱动电路正常的情况下，即使发光管自身故障一般也会保持通路状态，其他发光管不受影响。在购买时商家一般也会建议使用串联的连接方式，此种连接发光LED灯管的发光效率最高。因此在光源可调电路后采用LED的串联连接方式。

3 静脉成像显示仪滤光片的选择

在进行静脉图像采集时，采集的图像易受外界环境可见光线的影响，自然光也在摄像头的采集范围内，由于反射回的静脉血管信号回光信号较弱，造成静脉血管信号被湮没在自然光环境中，因此，还需增加滤光片来滤除可见光的干扰[9]。而使用近红外滤光片滤除外界辐射干扰是最有效、最直接的办法[10]。滤光片能滤掉一定波长范围内的光线的一种光学镜片，按照工作的光谱波段不同，滤光片可分为紫外滤光片、可见滤光片及红外滤光片，选择的LED光源峰值波长为850 nm，所选择的滤光片为“蔡氏”，参数为：①中心波长(850±2) nm；②中心透过率＞85%[11]。

4 静脉成像显示仪接口电路

摄像头采集到的图像通过USB接口与核心模块进行通信，S5PV210核心板只预留一个USB接口，在USB图像采集中需要鼠标、U盘等其他设备的参与，在此需要对USB进行必要的扩展。选用USB2514B对USB模块进行扩展；USB2514B的连接可以参照具体数据手册中的典型连接。

在连接中VDD直接连接3.3 V直流电压，test接口直接与地连接，OC1、OC2、OC3及OC4均与3.3 V高电平连接，31、32引脚DP、DM分别与S5PV210中的AE19及AD19相连接，以达到将USB接口扩展的目的。

5 基于Linux的图像采集方法

在Linux[12-13]中，操作系统将所有外部设备看成是一类特殊文件，称之为“设备文件”，如果系统调用是Linux内核和应用程序之间的接口，那么设备驱动程序则可以看成是Linux内核与外部设备之间的接口。设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件在实现上的细节，使得应用程序可以像操作普通文件一样来操作外部设备。Linux访问硬件设备的方式如图3所示。

图3 Linux访问硬件设备的方式

Linux并不允许应用程序直接访问硬件，而必须通过系统调用的方式，使用驱动程序才能访问硬件，驱动程序工作在内核态，而应用程序工作在用户态。若在应用程序和驱动程序之间传递数据(指针)，则需经过转换，将用户态“看”到的空间地址转换成内核态可访问的地址。其工作模式如图4所示。

图4 Linux运行的模式

本试验先移植了一个具有广泛支持能力的视频设备驱动程序(usb video class，UVC)，用来支持该视频设备在Linux下工作，然后在此驱动的基础上，遵循V4L2(Video For Linux Two)编程规范，编写图像采集应用程序。

6 UVC视频驱动程序的移植

目前，市面上多数摄像头均提供了基于windows的驱动程序，而对于Linux系统的支持则相对要少的多，本研究使用的摄像机未提供针对Linux的驱动程序，因此，移植了UVC驱动程序用于支持该摄像设备。

USB协议中除了通用的软硬件电气接口规范等，还包含了各种各样的Class协议，用来为不同的功能定义各自的标准接口和具体的总线上的数据交互格式和内容[12-13]。Class协议的数量非常多，最常见的如支持U盘功能的Mass Storage Class，以及通用的数据交换协议：CDC class。此外还包括Video、Audio Class及Print Class等。正是由于这些Class协议，极大的促进了USB设备的普及。Video Class是作为USB接口的视频设备统一的数据交换规范，最初版本于2003年9月添加到USB Class规范中；1.1的版本更于2005年发布。虽然UVC提出的较晚，基于UVC的设备投入市场也较晚，但无疑UVC将是大势所趋，支持UVC的USB视频设备将会越来越多，迅速普及。本研究选用的USB摄像机符合UVC标准，因此只要在Montavista-Linux操作系统上移植UVC的驱动即可支持此摄像机。

UVC驱动的源代码可以在其官方网站http：// www.ideasonboard.org/uvc/上获得。将UVC源代码复制到操作系统....../drivers/media/video目录下修改Kconfig配置文件和Makefile文件，重新编译内核，将编译好的内核通过内核配置命令添加到内核当中。

7 结语

本研究从静脉血管的成像原理出发，设置后端图像的采集装置，为便于后端试验需求设计了功率可调节电路，从实际应用出发对USB接口进行扩展，方便后期应用与升级。同时重点介绍了Linux下图像采集设备的工作原理，在V4L2框架下，编写了静脉图像采集应用程序。实验表明，采集到的静脉图像纹路清晰，可满足静脉识别的需求，为后续图像处理提供便利。

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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第四军医大学西京医院器材设备科 陕西 西安 710032

李向东，男，(1963- )，博士，副主任医师。第四军医大学西京医院器材设备科主任，从事设备管理和研究工作。