血管特征提取方法、装置及血管显像仪

技术领域

本发明涉及医学图像处理技术领域，具体涉及一种血管特征提取方法、装置及血管显像仪。

背景技术

现有的对静脉血管图像分割的方法均采用方向谷形图像对采集到的静脉血管图像进行识别。由于静脉区域处的灰度较低，背景灰度相对较高，因此会在纵切面呈现出谷形的特点。所以，可以将原始图像的灰度区域较低的谷形处提取为静脉区域。但是，在实际应用中，往往真实注射穿刺过程中会采集到低质量的静脉图像，常表现为对比度低，局部光照发生突变，整体亮度不均匀等。对于这种情况的原始图像，谷形特征几乎不明显，并不能准确的提取到静脉血管图像。

由于在使用静脉采集装置对静脉图像进行采集的过程会受到来自各种环境因素和被采集者自身因素的影响(如血管粗细不同、血流速度不同、皮肤表皮厚度分布不均匀、皮肤颜色不同等)，所以往往真实注射穿刺过程中会采集到低质量的静脉图像，常表现为对比度低，局部光照发生突变，整体亮度不均匀等。对于此类的原始图像，谷形特征几乎不明显，因此，以方向谷形检测原理为基础的基础方法存在不容易提取出血管，导致血管显像漏显，血管还原度不够的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种血管特征提取方法、装置及血管显像仪，以解决上述存在的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种血管特征提取方法，其中，该方法应用于血管显像仪的处理模块，血管显像仪包括处理模块和与处理模块连接的光学系统，方法包括：获取血管显像仪采集到的血管原始图像信息以及患者的血管特征信息；基于血管显像仪的光学系统参数和血管特征信息确定卷积窗口；基于卷积窗口提取原始图像信息中不同方向的血管分布特性；对不同方向的血管分布特性进行累加得到血管原始图像的血管特征。

进一步地，其中，获取患者的血管特征信息的步骤包括:预先利用超声设备采集患者的血管特征信息；其中，血管特征信息包括：血管直径与血管方向；将患者的患者信息与血管特征信息进行关联存储，并生成对应的血管特征信息表；查找血管特征信息表，获取患者对应的血管特征信息。

进一步地，其中，基于血管显像仪的光学系统参数和血管特征信息确定卷积窗口的步骤，包括：获取血管显像仪的光学系统参数；其中，光学系统参数包括血管显像仪的镜头焦距；基于镜头焦距、血管特征信息中的血管直径、像元大小及第一转换公式确定血管图像的像元个数；其中，第一转化公式如下式表示：

N＝fc×H

其中，N为像元个数，fc为镜头焦距，h

基于像元个数和第二转换公式确定卷积窗口。

进一步地，其中，第二转换公式如下式表示：

卷积窗口的边长＝2N+1

其中，N为像元个数。

进一步地，其中，基于卷积窗口提取原始图像信息中不同方向的血管分布特性的步骤包括：获取预先统计分析的血管方向个数；基于血管方向个数确定卷积正弦函数；基于卷积正弦函数对卷积窗口内的原始图像信息进行卷积处理，以得到不同方向的血管分布特性。

进一步地，其中，对卷积窗口内的原始图像信息进行卷积处理的步骤包括：对原始图像进行跨时钟域离散化处理，将原始图像输出为多个离散的图像数据流；其中，图像数据流的个数与血管方向个数相同；基于卷积正弦函数对图像数据流进行卷积，并得到多个不同的卷积值；对卷积值进行求和，以将图像数据流连续化。

进一步地，其中，基于卷积正弦函数对卷积窗口内的原始图像信息进行卷积处理之前，方法还包括：对不同的原始图像信息进行归一化处理，以使原始图像信息不超出卷积窗口的范围。

第二方面，本发明实施例还提供了一种血管特征提取装置，其中，应用于血管显像仪的处理模块，血管显像仪包括处理模块和与处理模块连接的光学系统，用以执行上述任一项的方法；包括：获取模块，用于获取血管显像仪采集到的血管原始图像信息以及患者的血管特征信息；确定模块，用于基于血管显像仪的光学系统参数和血管特征信息确定卷积窗口；提取模块，用于基于卷积窗口提取原始图像信息中不同方向的血管分布特性；累加模块，用于对不同方向的血管分布特性进行累加得到血管原始图像的血管特征。

第三方面本发明实施例还提供了一种血管显像仪，其中，包括处理模块和与处理模块连接的光学系统；其中，处理模块中配置有上述中的血管特征提取装置，用以执行上述任一项的方法；光学系统用于采集患者的血管原始图像信息。

进一步地，其中，光学系统包括：摄像模块和发光模块；其中，摄像模块于处理模块连接；发光模块，用于发出红外光至患者人体；摄像模块，用于接收患者人体反射的红外光，并采集反射回的红外光信号，作为患者的血管原始图像信息并将血管原始图像信息发送至处理模块。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供了一种血管特征提取方法，其中，该方法应用于血管显像仪的处理模块，血管显像仪包括处理模块和与处理模块连接的光学系统，方法包括：获取血管显像仪采集到的血管原始图像信息以及患者的血管特征信息；基于血管显像仪的光学系统参数和血管特征信息确定卷积窗口；基于卷积窗口提取原始图像信息中不同方向的血管分布特性；对不同方向的血管分布特性进行累加得到血管原始图像的血管特征。可以获取患者的静脉血管原始图像，并基于患者的血管粗细信息，确定静脉血管的特征窗口大小，再根据采集到的原始外图像分析其分布特性，得到某一个方向的分布特征得到特征系数，再与sin函数卷积，设计出多个方向的Gabor滤波器进行血管特征匹配，最后再处理得到血管图像。可以基于加窗傅里叶变换的方法对静脉血管原始图像进行提取能过获得更多的血管信息并且可以利用图像离散化的方法对不同方向的特征图像进行卷积以达到进行分时复用的目的，可以减少内存的使用，并且提高处理效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种血管特征提取方法的流程图；

图2为本发明提供的一种血管显像仪的成像示意图；

图3为本发明提供的另一种血管特征提取方法的流程图；

图4为本发明提供的一种血管原始图像的示意图；

图5为本发明提供的一种提取后的血管图像示意图；

图6为本发明提供的一种血管特征提取装置的结构示意图；

图7为本发明提供的一种血管显像仪的结构示意图；

图8为本发明提供的一种血管显像仪的实际应用图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前静脉血管图像分割算法大多采用方向谷形检测或者在此基础上的优化改进。方向谷形检测基本原理是通过对静脉血管的灰度进行分析可知，静脉区域处的灰度较低，背景灰度相对较高，纵切面一般呈现出谷形特点，而静脉就存在于谷形处。在图像的纵切面会呈现出若干谷形，而谷形所在位置正是静脉所处的位置，因此就可以将静脉区域的提取转化成对图像中的谷形区域的提取。

由于在使用静脉采集装置对静脉图像进行采集的过程会受到来自各种环境因素和被采集者自身因素的影响(如血管粗细不同、血流速度不同、皮肤表皮厚度分布不均匀、皮肤颜色不同等)，所以往往真实注射穿刺过程中会采集到低质量的静脉图像，常表现为对比度低，局部光照发生突变，整体亮度不均匀等。对于此类的原始图像，谷形特征几乎不明显，因此，以方向谷形检测原理为基础的基础方法不容易提取出血管，导致血管显像漏显，血管还原度不够。

基于此，本发明实施例提供了一种血管特征提取方法，图1示出了一种血管特征提取方法的流程图，其中，该方法应用于血管显像仪的处理模块，血管显像仪包括处理模块和与处理模块连接的光学系统，如图1所示，该方法包括：

步骤S101，获取血管显像仪采集到的血管原始图像信息以及患者的血管特征信息；

具体地，获取患者的血管特征信息的过程可以由如下步骤A1-A3实现，包括:

步骤A1，预先利用超声设备采集患者的血管特征信息；其中，血管特征信息包括：血管直径与血管方向；

步骤A2，将患者的患者信息与血管特征信息进行关联存储，并生成对应的血管特征信息表；

步骤A3，查找血管特征信息表，获取患者对应的血管特征信息。

在实际应用中，可以预先与医院合作获得患者的基本信息，并通过超声设备采集一系列患者的以下信息，并得到血管粗细信息，在已经进行统计的数据中，可得，成年女性的血管大约为3mm左右，成年男性的血管大约在4mm左右。

步骤S102，基于血管显像仪的光学系统参数和血管特征信息确定卷积窗口；

具体地，基于血管显像仪的光学系统参数和血管特征信息确定卷积窗口的过程可以由如下步骤B1-B3实现，包括：

步骤B1，获取血管显像仪的光学系统参数；其中，光学系统参数包括血管显像仪的镜头焦距；

步骤B2，基于镜头焦距、血管特征信息中的血管直径、像元大小及第一转换公式确定血管图像的像元个数；其中，第一转化公式如下式表示：

N＝fc×H

其中，N为像元个数，fc为镜头焦距，D

步骤B3，基于像元个数和第二转换公式确定卷积窗口。

具体地，其中，上述第二转换公式如下式表示：

卷积窗口的边长＝2N+1

其中，N为像元个数。

在实际应用中，可以根据血管显像仪的光学系统参数，建立世界坐标尺寸与像素个数的转化公式，得到其滤波窗口大小，具体地，如图2所示的一种血管显像仪的成像示意图所示，镜头焦距与距离的公式为：

其中，fc为镜头焦距，D

转化可得，像素尺寸与世界物理尺寸的公式为：

再由公式像素尺寸＝像素个数×像元大小，可以得到最终的转化公式：

N＝fc×H

具体地，在实际应用中的血管显像仪的光学器件参数为fc＝6mm，Hc约3mm-4mm左右，像元大小为6um，Dc距离为26cm，故像素个数约为7-9个，选取中间值8，则滤波窗口大小为8×2+1＝17，即滤波系数为一个二维的17x17矩阵。

步骤S103，基于卷积窗口提取原始图像信息中不同方向的血管分布特性；

在实际应用中，可以利用FPGA的高速IO性能以及并行处理特性能够帮助完成图像的实时采集运算。同时，FPGA的现场可编程能力能够根据现场成像情况进行不同的算法优化，具有强大的灵活性。

因此，在实际应用中可以基于FPGA平台进行开发，搭建了一套近红外图像采集系统并保存原始近红外图像。在近红外光作用下，FPGA读取sensor捕获的由人体皮肤吸收、散射、反射等返回来的光信号数据图像，即原始近红外数据，缓存到SDRAM外置内存芯片，再把图片保存到flash芯片。最后可通过上位机软件与FPGA的nios2 cpu进行交互，通过uart协议通信，上传图片数据到PC机。

步骤S104，对不同方向的血管分布特性进行累加得到血管原始图像的血管特征。

本发明实施例提供了一种血管特征提取方法，其中，该方法应用于血管显像仪的处理模块，所述血管显像仪包括处理模块和与所述处理模块连接的光学系统，所述方法包括：获取血管显像仪采集到的血管原始图像信息以及所述患者的血管特征信息；基于所述血管显像仪的光学系统参数和所述血管特征信息确定卷积窗口；基于所述卷积窗口提取所述原始图像信息中不同方向的血管分布特性；对不同方向的所述血管分布特性进行累加得到所述血管原始图像的血管特征。可以获取患者的静脉血管原始图像，并基于患者的血管粗细信息，确定静脉血管的特征窗口大小，再根据采集到的原始外图像分析其分布特性，得到某一个方向的分布特征得到特征系数，再与sin函数卷积，设计出多个方向的Gabor滤波器进行血管特征匹配，最后再处理得到血管图像。可以基于加窗傅里叶变换的方法对静脉血管原始图像进行提取能过获得更多的血管信息并且可以利用图像离散化的方法对不同方向的特征图像进行卷积以达到进行分时复用的目的，可以减少内存的使用，并且提高处理效率。

在上述实施例的基础上，图3示出了另一种血管特征提取方法的流程图，如图3所示，该方法具体包括如下步骤：

步骤S301，获取血管显像仪采集到的血管原始图像信息以及患者的血管特征信息；

步骤S302，基于血管显像仪的光学系统参数和血管特征信息确定卷积窗口；

步骤S303，获取预先统计分析的血管方向个数；

具体地，统计分析可得血管方向约为6个方向，则以30°为旋转角度卷积sin函数，得到各个方向的Gabor滤波系数，再对近红外血管图像进行6个方向上的卷积，再累加得到最终的结果。

步骤S304，基于血管方向个数确定卷积正弦函数；

步骤S305，基于卷积正弦函数对卷积窗口内的原始图像信息进行卷积处理，以得到不同方向的血管分布特性。

具体地，对卷积窗口内的原始图像信息进行卷积处理的过程可以由如下步骤C1-C3实现，包括：

步骤C1，对原始图像进行跨时钟域离散化处理，将原始图像输出为多个离散的图像数据流；其中，图像数据流的个数与血管方向个数相同；

步骤C2，基于卷积正弦函数对图像数据流进行卷积，并得到多个不同的卷积值；

步骤C3，对卷积值进行求和，以将图像数据流连续化。

在实际应用中，卷积窗口大小为NxN，以下以N＝17为例进行说明，但是不限于17，只需要奇数且大于3即可。

在此可以根据一种图像离散化以及提高视频流时钟方法相结合的方式来进行分时复用。不仅可以用速度换面积，用一个卷积模块完成6次卷积，还可以把延时时间也保留在ns级，也不需要另外内存存储开销。

具体地，本申请实施例中所涉及的血管显像仪Sensor输入是24M的随路时钟，其每一行的周期个数是845，有效数据是752个像素，但是实际应用中，目标区域最大使用宽度只有320个。因此，也就是说，一行的时间周期是35.21ns，当我们使用120M时钟来处理目标的320个像素，则只需要2.67ns。若是重复做6次，其累加的时间也小于一行的周期，因此，完全可以通过提高视频流时钟以及利于非有效数据空闲时间来完成6次处理，即不浪费空闲时间，延时时间依旧在ns级，同时实现了分时复用，用速度换资源，减少dsp等资源重复开销。

首先，可以采用video_bridge_s2t模块，该模块用两个RAM乒乓操作用于跨时钟域离散化处理，即24M连续的数据流输入，输出120M离散的数据流(6个一组)。图像宽度从width变成width*6宽度大小，o_de_flag代表每一组开始的标志，并利用Data_ctrl_17x17模块，用于产生滤波窗口大小的图像数据。用16个RAM进行行缓存，同时输出17行数据，同时每一行数据用DFF寄存器延迟16拍，其中上一个模块输出的de_flag信号用于控制读写使能，最终得到一个17x17窗口的图像数据，且该窗口同步保持6个周期保持不变。例如图显示各个点对应的窗口数据，则水平复制了6份。

继而，可以利用filter_gauss_17x17模块，对某个方向的一次卷积操作，在fpga的并行处理可以把卷积函数展开变成如下矩阵:

其中，窗口内的数据乘加即为卷积值，fpga的并行处理可以使得计数结果在几个周期内完成。同时，根据de_flag信号开始计数，切换6个方向得到的固定Gabor滤波系数来流水的实现6次卷积处理。并对流水出来的卷积结果进行保留，以de_flag为标志，6个代表一组，对这6个数据求和处理，得到该点的提取结果。

最后利用video_bridge_t2s模块得到的结果，并且每隔6周期即可为一个方向的血管结果，用RAM存储完再一次性读取，完成图像离散化到连续化的转化，得到提取后的血管图，如图4-图5所示，其中，图4为一种血管原始图像的示意图，图5为一种提取后的血管图像示意图。

步骤S306，对不同方向的血管分布特性进行累加得到血管原始图像的血管特征。

在实际应用中，基于卷积正弦函数对卷积窗口内的原始图像信息进行卷积处理之前，方法还包括：

对不同的原始图像信息进行归一化处理，以使原始图像信息不超出卷积窗口的范围。

具体地，由于血管显像仪可以利用人体血液中血红蛋白对近红外光吸收强于其它组织的特性对血管进行显像，具体体现在成像上就是静脉处的成像会较其他组织暗，对多张近红外原始图像选取分析其17x17窗口下的分布特性，可得到其分布符合二维正态分布曲线。选择合适的标准差σ得到权重分布。为了使加权和之后的值不超过像素值本来的最大范围，需要对上式做一下归一化，使0

对应于上述方法实施例，本发明实施例提供了一种血管特征提取装置，如图6所示，该装置应用于血管显像仪的处理模块，如图7所示出的一种血管显像仪的结构示意图，血管显像仪700包括处理模块701和与处理模块连接的光学系统702，用以执行上述中任一项的方法；包括：

获取模块601，用于获取血管显像仪采集到的血管原始图像信息以及患者的血管特征信息；

确定模块602，用于基于血管显像仪的光学系统参数和血管特征信息确定卷积窗口；

提取模块603，用于基于卷积窗口提取原始图像信息中不同方向的血管分布特性；

累加模块604，用于对不同方向的血管分布特性进行累加得到血管原始图像的血管特征。

具体地，上述光学系统用于采集患者的血管原始图像信息。

其中该光学系统702包括：摄像模块721和发光模块722；其中，摄像模块721于处理模块701连接；

发光模块用于发出红外光至患者人体；

摄像模块用于接收患者人体反射的红外光，并采集反射回的红外光信号，作为患者的血管原始图像信息并将血管原始图像信息发送至处理模块。

图8示出了一种血管显像仪的实际应用图，在实际应用中，上述处理模块可以采用如图8中所示的Sensor板，摄像模块包括镜头，发光模块包括发光用的光机和LED以及用于调色调光的二向色镜和匀光片。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。