一种智能辅助超声穿刺动静脉置管系统

技术领域

本发明涉及人工智能领域，尤其涉及一种智能辅助超声穿刺动静脉置管系统。

背景技术

现有技术在穿刺动静脉血管时，严重依赖医务人员的经验，而抢救病人往往无法依根据验找到血管，需要借助超声影像去探，但超声影像手段需要两人配合，一人探视一人穿刺，且在无菌方面存在风险。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种智能辅助超声穿刺动静脉置管系统，所述系统包括以下部分：

一种智能辅助超声穿刺动静脉置管系统，所述系统包括振动感应传感器，超声波探头，摄像头，第二摄像头，音频模块，显示模块，按键开关，数据总线接口模块，处理模块，图像处理模块；

所述振动感应传感器，用于接收动脉和静脉的脉搏振动信息，振动感应传感器通过通信连接的方式连接有数据总线接口；

所述超声波探头，可以通过发射和接收超声波的方式获得动静脉血管的超声波扫描图像信息，所述超声波探头通过通信连接的方式连接有数据总线接口；

所述摄像头，采用微距广角摄像头，所述微距摄像头可清晰地拍摄人体表面纹理，用于近距离采集人体表面的图像信息，摄像头通过通信连接的方式连接有数据总线接口；

所述音频模块，用于产生音频信号，进而发出音频指示音，音频模块通过通信连接的方式连接有数据总线接口；

所述显示模块，用于显示图像处理模块和处理模块传来的显示信息，通过通信连接的方式连接有数据总线接口；

所述按键开关，用于产生开关信息，按键开关通过通信连接的方式连接有数据总线接口；

所述数据总线接口，用于提供数据交互的数据总线，数据总线接口通过数据总线的方式连接有处理模块；

所述处理模块，是所述智能辅助超声穿刺动静脉置管系统的核心处理器，用于接收和处理数据，并发出控制器指令；处理模块通过数据连接有图像处理模块；

所述图像处理模块，用于处理图像，可对超声波探头和所述摄像头产生的图像进行处理。

进一步，所述通信连接的方式包括但不限于有线连接方式，如网线、电缆，以及无线连接方式，如红外、蓝牙、wifi。

进一步，该系统的使用流程如下：

振动感应传感器接收到动静脉的脉搏信息后，将脉搏信息通过数据总线接口模块实时发送给处理模块，处理模块接收并存储振动感应传感器传来的脉搏信息，并根据脉搏信息辅助判定动脉或静脉；摄像头近距离拍摄人体表面纹理图像信息，并将人体表面纹理图像信息通过数据总线接口实时发送给图像处理模块；

同时，超声波探头通过自动循环改变超声波发生频率，可采集到皮肤表层超声波图像信息和动静脉超声波图像，并将表层超声波图像和动静脉超声波图像信息通过数据总线接口模块实时发送给图像处理模块；

图像处理模块接收到动静脉超声波图像信息后，直接通过数据总线接口发送给显示模块，显示模块接收到动静脉超声波图像信息后将信息显示到显示屏，根据动静脉超声波图像信息和振动感应传感器的脉搏信息判断出目标动静脉后，按下按键开关；

按键开关将开关信息通过数据总线接口发送给处理模块，处理模块接收到按键开关信息后，通过数据总线接口向图像处理模块发送通知信号，图像处理模块接到通知信号后，将皮肤表层超声波图像信息一方面通过数据总线接口实时发送给显示模块显示，另一方面对当前皮肤表层超声波图像信息和摄像头采集的人体表面纹理图像信息做融合处理，通过融合人体表面纹理图像信息和皮肤表层超声波图像信息获得动静脉在人体表面纹理图像信息的相对位置；

当摄像头的视觉焦点标识与人体表面纹理图像中的目标穿刺点重合时，图像处理模块通过数据总线接口向处理器发出通知信号，处理器接到图像处理模块发来的所述通知信号后，通过数据总线接口向音频模块发送音频信息，音频模块收到所述音频信息后，发出提示音，提示当前摄像头的视觉焦点标识所指位置即最终目标穿刺点。

进一步，通过融合标记时皮肤表层超声波图像信息和标记时人体表面纹理图像信息判断摄像头的视觉焦点与按键开关标记的声焦标识目标穿刺点重合的详细处理过程：

记标记时皮肤表层超声波图像信息

S1分别对标记时皮肤表层超声波图像信息

采用OTSU算法，对图像进行快速的二值化处理，得到超标记时皮肤表层超声波图像信息

S2基于二值化图像分别提取超声波图像

S3图像处理模块循环对摄像头采集到的实时标记时人体表面纹理图像信息IMS

即实现了通过融合标记时皮肤表层超声波图像信息

进一步，步骤S2中，提取极小特征的处理过程为：

对于图像

S201隔行扫描图像

采用隔行扫描并隔列统计的方式，统计列像素中灰度值连续为255的区间，记当前扫描到的行数为x，统计列像素中灰度值连续为255的区间集合为A

其中

取每个区间的中点作为特征点，即像素点

隔行扫描，以此类推，将得到行坐标为(x+2),(x+4),…,时的列像素中灰度值连续为255的区间集合，记为A

对于隔行扫描到的每个像素行坐标，取列坐标最大的特征点，组成特征点集P

再对隔行扫描到的每个像素行坐标，取列坐标最小的特征点，组成特征点集P

则二值化图像

S202隔行扫描图像BMS

采用隔行扫描并隔列统计的方式，统计列像素中灰度值连续为255的区间，记当前扫描到的行数为X，统计列像素中灰度值连续为255的区间集合为B

其中

取每个区间的中点作为特征点，即像素点

隔行扫描，以此类推，将得到行坐标为(X+2),(X+4),…,时的列像素中灰度值连续为255的区间集合，记为B

对于隔行扫描到的每个像素行坐标，取列坐标最大的特征点，组成特征点集Q

再对隔行扫描到的每个像素行坐标，取列坐标最小的特征点，组成特征点集Q

则二值化图像BMS

本发明至少具有以下有益效果：

(1)超声波探头采用了可变频率超声，即可探视皮下组织中的动静脉，又可探视皮肤纹理，在与摄像头可见光图像融合的同时，在可见光图像上显示目标穿刺点信息。

(2)采用了提取超声波图像和摄像头采集的人体表面纹理图像的极小特征的方式进行图像融合，可大大提高超声波图像和摄像头图像的实时性。

(3)本发明采用了动静脉超声波图像、表皮层超声波图像和摄像头人体表面纹理图像的融合，可以更精准的找到目标穿刺点。

附图说明

图1本发明所述一种智能辅助超声穿刺动静脉置管系统组成框图；

图2本发明所述可移动的集成手持设备示意图；

图3本发明所述表皮层超声波图像、动静脉超声波图像以及人体表面纹理图像；

图4本发明所述动静脉超声波图像及人体表面纹理图像的极小特征示意图；

图中：振动感应传感器101，超声波探头102，摄像头103，穿刺引导通孔104，音频模块201，显示模块202，按键开关203，数据总线接口30，处理模块40，图像处理模块50。

具体实施方式

为了更好地说明本发明，下面将结合说明书附图和具体实施例来做详细说明。

参照图1，本发明所述一种智能辅助超声穿刺动静脉置管系统，包括以下部分：振动感应传感器101，超声波探头102，摄像头103，穿刺引导通孔104，音频模块201，显示模块202，按键开关203，数据总线接口30，处理模块40，图像处理模块50。

所述振动感应传感器101，用于接收动脉和静脉的脉搏振动信息，振动感应传感器101通过通信连接的方式连接有数据总线接口30，所述通信连接包括但不限于网线、电缆等有线连接和红外、蓝牙、wifi等无线连接方式。

所述超声波探头102，可以通过发射和接收超声波的方式获得人体动静脉血管的超声波扫描图像信息，所述超声波探头102通过采用可变频率超声波发生器，可通过自动改变超声波频率检测到人体表皮层、真皮层以及皮下组织，获得到皮肤表层超声波图像信息和动静脉超声波图像信息，超声波探头102通过通信连接的方式连接有数据总线接口30，所述通信连接包括但不限于网线、电缆等有线连接和红外、蓝牙、wifi等无线连接方式。

所述摄像头103，采用微距广角摄像头，所述微距摄像头可清晰地拍摄人体表面纹理，用于近距离采集人体表面的图像信息，摄像头103通过通信连接的方式连接有数据总线接口30，所述通信连接包括但不限于网线、电缆等有线连接和红外、蓝牙、wifi等无线连接方式。

所述音频模块201，用于产生音频信号，进而发出音频指示音，音频模块201通过通信连接的方式连接有数据总线接口30，所述通信连接包括但不限于网线、电缆、数据总线等有线连接和红外、蓝牙、wifi等无线连接方式。

所述显示模块202，用于显示图像处理模块50和处理模块40传来的显示信息，通过通信连接的方式连接有数据总线接口30，所述通信连接包括但不限于网线、电缆等有线连接和红外、蓝牙、wifi等无线连接方式。

所述按键开关203，用于产生开关信息，按键开关203通过通信连接的方式连接有数据总线接口30，所述通信连接包括但不限于网线、电缆等有线连接和红外、蓝牙、wifi等无线连接方式。

所述数据总线接口30，用于提供数据交互的数据总线，数据总线接口30通过数据总线的方式连接有处理模块40。

所述处理模块40，是所述智能辅助超声穿刺动静脉置管系统的核心处理器，用于接收和处理数据，并发出控制器指令；处理模块40通过数据连接连接有图像处理模块50。

所述图像处理模块50，用于处理图像，可对超声波探头102和摄像头103产生的图像进行处理。

振动感应传感器101接收到人体动静脉的脉搏信息后，将脉搏信息通过数据总线接口模块30实时发送给处理模块40，处理模块40接收并存储振动感应传感器101传来的脉搏信息，并根据脉搏信息辅助判定动脉或静脉。

摄像头103近距离拍摄人体表面纹理图像信息，并将人体表面纹理图像信息通过数据总线接口30实时发送给图像处理模块50。

同时，超声波探头102通过自动循环改变超声波发生频率，可采集到皮肤表层超声波图像信息和动静脉超声波图像信息，并将皮肤表层超声波图像信息和动静脉超声波图像信息通过数据总线接口模块30实时发送给图像处理模块50，所述超声波图像中含有超声波的声焦指示信息，所述声焦指示信息随超声波探头102生产制造时即确定，声焦指示信息用于标定超声波探头102的探测焦点区域。

图像处理模块50接收到动静脉超声波图像信息后，直接通过数据总线接口30发送给显示模块202，显示模块202接收到动静脉超声波图像信息后将信息显示到显示屏，供医务人员实时查看。

当医务人员根据动静脉超声波图像信息和振动感应传感器101的脉搏信息判断出目标动静脉后，按下按键开关203，表示当前动静脉超声波信息中声焦指示所示的位置即为目标动静脉的穿刺点。

按键开关203将开关信息通过数据总线接口30发送给处理模块40，处理模块40接收到按键开关信息后，通过数据总线接口30向图像处理模块50发送通知信号，图像处理模块50接到通知信号后，将皮肤表层超声波图像信息一方面通过数据总线接口30实时发送给显示模块202显示，另一方面对当前皮肤表层超声波图像信息和摄像头103采集的人体表面纹理图像信息做融合处理，通过融合人体表面纹理图像信息和皮肤表层超声波图像信息获得动静脉在人体表面纹理图像信息的相对位置。当摄像头103的视觉焦点标识与人体表面纹理图像中的目标穿刺点重合时，图像处理模块50通过数据总线接口30向处理器40发出通知信号，处理器40接到图像处理模块50发来的所述通知信号后，通过数据总线接口30向音频模块201发送音频信息，音频模块201收到所述音频信息后，发出提示音，提示医务人员当前摄像头103的视觉焦点标识所指位置即最终目标穿刺点。

作为本发明的一个实施例：

参照图2，振动感应传感器101、超声波探头102和摄像头103集成在一个可移动的集成手持设备上，在超声波探头102探视人体动静脉的过程中，振动感应传感器101同时能感应动静脉脉搏，摄像头103也能同时拍摄人体表面纹理图像信息。

医护人员手持可移动的探头设备，在人体皮肤表面移动探视，超声波探头102通过自动循环改变超声波发生频率，可采集到皮肤表层超声波图像信息

同时振动感应传感器101通过数据总线接口30向处理模块40发送脉搏振动信息V

振动感应传感器101通过感应动静脉的脉搏信息，辅助判定动脉或静脉，过程如下：

振动感应传感器101感应到t时刻的振动信息

B＝[cHz,dHz]，“[]”表示区间描述，c为带通滤波器的下通边界，c≥0；d为带通滤波器的上通边界，带通滤波器的带通宽度应大于人类的脉搏极限区间，并保留设计余量(>0)为好。

采用带通滤波器对

当医务人员观察动静脉超声波图像

医务人员继续移动所述集成手持设备，期望摄像头103的视觉焦点标识能够到达目标穿刺点。超声波探头102实时将皮肤表层超声波图像信息

同时摄像头103也将实时标记时人体表面纹理图像信息IMS

记图像

S1分别对标记时皮肤表层超声波图像信息

本发明采用OTSU(大津)算法，对图像进行快速的二值化处理，得到标记时皮肤表层超声波图像信息

S2基于二值化图像分别提取

对于图像

提取极小特征的处理过程为：

S201隔行扫描图像

为了提高扫描效率，加快图像实时处理能力。本发明采用隔行扫描并隔列统计的方式，统计列像素中灰度值连续为255的区间，记当前扫描到的行数为x，统计列像素中灰度值连续为255的区间集合为A

其中

取每个区间的中点作为特征点，即像素点

隔行扫描，以此类推，将得到行坐标为(x+2),(x+4),…,时的列像素中灰度值连续为255的区间集合，记为A

对于隔行扫描到的每个像素行坐标，取列坐标最大的特征点，组成特征点集P

再对隔行扫描到的每个像素行坐标，取列坐标最小的特征点，组成特征点集P

则二值化图像

S202隔行扫描图像BMS

采用隔行扫描并隔列统计的方式，统计列像素中灰度值连续为255的区间，记当前扫描到的行数为X，统计列像素中灰度值连续为255的区间集合为B

其中

取每个区间的中点作为特征点，即像素点

隔行扫描，以此类推，将得到行坐标为(X+2),(X+4),…,时的列像素中灰度值连续为255的区间集合，记为B

对于隔行扫描到的每个像素行坐标，取列坐标最大的特征点，组成特征点集Q

再对隔行扫描到的每个像素行坐标，取列坐标最小的特征点，组成特征点集Q

则二值化图像BMS

S3图像处理模块50循环对摄像头103采集到的实时人体皮肤纹理图像信息求极小特征，直至某一时刻人体皮肤纹理图像信息的最小特征与标记时皮肤表层超声波图像信息

随着集成手持设备的推进，图像处理模块50循环按照S2步骤所述，对人体皮肤纹理图像信息求极小特征，直至某一时刻人体皮肤纹理图像信息IMS

此时，即实现了通过融合标记时皮肤表层超声波图像信息

经过上述处理，摄像头103的视觉焦点即为最终目标穿刺点时，处理器40通过数据总线接口30向音频模块发送音频信息，音频模块产生提示音，提示医务人员手持设备的摄像头103找到了最终目标穿刺点。

参照图2，所述手持设备上还有穿刺引导通孔，穿刺引导通孔104的延长线与人体皮肤的交点即摄像头103的视觉焦点，因此，当找到最终目标穿刺点后，通过所述穿刺引导通孔，即可很方便地辅助医务人员进行穿刺动静脉置管。

综上，本发明公开的一种智能辅助超声穿刺动静脉置管系统，至少具有以下有益效果：

(1)超声波探头采用了可变频率超声，即可探视皮下组织中的动静脉，又可探视皮肤纹理，在与摄像头可见光图像融合的同时，在可见光图像上显示目标穿刺点信息。

(2)采用了提取超声波图像和摄像头采集的人体表面纹理图像的极小特征的方式进行图像融合，可大大提高超声波图像和摄像头图像的实时性。

(3)本发明采用了动静脉超声波图像、表皮层超声波图像和摄像头人体表面纹理图像的融合，可以更精准的找到目标穿刺点。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。