基于數(shù)字圖像處理的自動(dòng)輸液設(shè)備的設(shè)計(jì)

張開(kāi)

對(duì)外經(jīng)貿(mào)大學(xué)附屬中學(xué)

基于數(shù)字圖像處理的自動(dòng)輸液設(shè)備的設(shè)計(jì)

張開(kāi)

對(duì)外經(jīng)貿(mào)大學(xué)附屬中學(xué)

自十五世紀(jì)以來(lái)，靜脈輸液作為一種醫(yī)療手段，治愈了千千萬(wàn)萬(wàn)的病人，傳統(tǒng)的靜脈輸液方式是由人工完成配藥、下針、拔針等操作，隨著科技水平不斷進(jìn)步與發(fā)展，靜脈輸液中自動(dòng)化配藥技術(shù)的不斷完善，本文設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)化輸液設(shè)備也將逐漸凸顯出自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，替代傳統(tǒng)的人工操作，為人類(lèi)的醫(yī)療技術(shù)帶來(lái)重大的革新。

數(shù)字圖像處理；自動(dòng)輸液

1.背景分析

靜脈輸液技術(shù)最早可以追溯到1656年，英國(guó)醫(yī)生克里斯朵夫和羅伯特采用羽毛管針頭，把藥物注入狗的靜脈，這是人類(lèi)歷史上首個(gè)為生命體內(nèi)注入血液的事例。英國(guó)醫(yī)生哈維發(fā)現(xiàn)了血液循環(huán)原理，認(rèn)識(shí)到血液作為體內(nèi)運(yùn)輸?shù)妮d體，進(jìn)而為靜脈輸液的理論奠定了基礎(chǔ)。19世紀(jì)靜脈輸液的安全已經(jīng)能夠得到保證，20世紀(jì)研制出更安全的靜脈注射液體。時(shí)至今日，靜脈注射已成為不可或缺的一種醫(yī)療手段，應(yīng)用于各類(lèi)疾病。但自其發(fā)展以來(lái)，都是人工輸液，我國(guó)人口眾多，患病幾率大，逐漸衍生出了看病難，就醫(yī)難，打針難等問(wèn)題。于是筆者大膽設(shè)想——可以利用機(jī)械臂操作代替人為操作，結(jié)合現(xiàn)有的發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輸液。一旦這項(xiàng)技術(shù)投入使用，將會(huì)大量節(jié)省人力物力。為社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。醫(yī)療問(wèn)題自古以來(lái)就是人們最關(guān)心的問(wèn)題之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者有針對(duì)自動(dòng)輸液監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在避免輸液過(guò)程中一些像凝血堵住針孔、空氣栓塞等安全隱患，同時(shí)也減少了醫(yī)護(hù)人員的巡房次數(shù)。也有針對(duì)輸液袋進(jìn)行自動(dòng)配藥設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)，精準(zhǔn)的給藥配藥，降低了配藥風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省了大量的人力，同時(shí)也提高了護(hù)理效率。在我們當(dāng)今社會(huì)，越來(lái)越多的高科技機(jī)械取代人工進(jìn)行工作，人工智能在某些領(lǐng)域更是不輸給人工操作。所以我們想設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化輸液設(shè)備來(lái)替代人工輸液，它的出現(xiàn)可以提高入針準(zhǔn)度以及降低等待時(shí)間，若再得以?xún)?yōu)化，可有效的減少病人入針時(shí)的痛苦并使人工臨床注射的不穩(wěn)定因素大大降低，最后達(dá)到零風(fēng)險(xiǎn)，零人工。醫(yī)院可配置自動(dòng)化輸液臂，它有一個(gè)完整的系統(tǒng)——它有運(yùn)輸輸液袋、換藥、換針、行針、預(yù)計(jì)輸液時(shí)間等功能，從而有效的節(jié)約出醫(yī)生，護(hù)士們學(xué)習(xí)入針技術(shù)以及臨床操作所需要的時(shí)間，降低靜脈輸液成本；以及來(lái)輸液人的排隊(duì)時(shí)間，使醫(yī)院的有效空間變大；能讓病患及時(shí)得到醫(yī)治。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)靜脈注射的研究多在藥物，注射速度，外界干擾因素等方面，所以本文要研究的問(wèn)題為自動(dòng)化輸液臂的臨床應(yīng)用問(wèn)題。

2.數(shù)字圖像處理的自動(dòng)輸液設(shè)備的原理

2.1 靜脈識(shí)別的原理

靜脈識(shí)別的原理是依據(jù)血液中的血紅素有吸收紅外線光的特質(zhì)，將具紅外線感應(yīng)度的小型照相機(jī)對(duì)著手指進(jìn)行攝影，即可將照著血管的陰影處攝出圖像來(lái)。將血管圖樣進(jìn)行數(shù)字處理，制成血管圖樣影像。靜脈識(shí)別系統(tǒng)就是通過(guò)靜脈識(shí)別儀取得個(gè)人靜脈分布圖，從靜脈分布圖依據(jù)專(zhuān)用比對(duì)算法提取特征值，通過(guò)紅外線CCD攝像頭獲取手背靜脈的圖像，將靜脈的數(shù)字圖像存貯在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，將特征值存儲(chǔ)。靜脈比對(duì)時(shí)，實(shí)時(shí)采取靜脈圖，提取特征值，運(yùn)用先進(jìn)的濾波、圖像二值化、細(xì)化手段對(duì)數(shù)字圖像提取特征，同存儲(chǔ)在主機(jī)中靜脈特征值比對(duì)，采用復(fù)雜的匹配算法對(duì)靜脈特征進(jìn)行匹配，從而對(duì)個(gè)人進(jìn)行身份鑒定，確認(rèn)身份。再次來(lái)到醫(yī)院時(shí)無(wú)需再進(jìn)行檢測(cè)。全過(guò)程采用非接觸式。上述操作對(duì)醫(yī)務(wù)人員具的業(yè)務(wù)技能、工作經(jīng)驗(yàn)及也理素質(zhì)要求很高，尤其是面對(duì)小兒、肥胖、膚色較重等患者時(shí)，由于靜脈血管的位置與深度不易判斷，給醫(yī)務(wù)人員實(shí)施靜脈穿刺帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，往往需要多次穿刺才能成功，也給患者帶來(lái)不必要的痛苦，容易使得患者對(duì)靜脈穿刺產(chǎn)生也理恐懼，還會(huì)使醫(yī)患雙方矛盾增加，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)患者家屬毆打醫(yī)務(wù)人員等惡性事件。

靜脈識(shí)別技術(shù)在我們所處的數(shù)字化時(shí)代中儼然成為了一種身份鑒別系統(tǒng)。在目前已經(jīng)投產(chǎn)使用的利用生物科技來(lái)進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)中，比較多的是指紋識(shí)別和虹膜識(shí)別，因此靜脈識(shí)別技術(shù)這種通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)將人體皮膚下面的靜脈血管分布情況進(jìn)行分析并且來(lái)識(shí)別母體身份的技術(shù)，大多數(shù)人都未曾了解過(guò)。

2.2 自動(dòng)化輸液臂原理的介紹

自動(dòng)化輸液臂為一個(gè)類(lèi)筒狀機(jī)械，由兩個(gè)半筒組成（可活動(dòng)，自由開(kāi)關(guān)），各含有一個(gè)機(jī)械臂，一個(gè)的作用為行針，另一個(gè)作用是拔針時(shí)按棉球，它的系統(tǒng)由處理器，分析器，控制器，內(nèi)核CPU所組成，能完成識(shí)別患者信息（之前為待機(jī)狀態(tài)），按個(gè)體差別配藥，輸液袋，換針，行針，打開(kāi)裝置，按棉球，關(guān)閉裝置等操作，使其成為一個(gè)集識(shí)別功能與操作功能于一體的機(jī)械設(shè)備。其中尤為重要的是行針的設(shè)計(jì)，它主要運(yùn)用數(shù)字圖像處理的原理，把映射出的靜脈血管網(wǎng)圖像轉(zhuǎn)化位數(shù)字，并通過(guò)比較的方法找到最有效入針位置，然后錄入自動(dòng)化輸液臂的系統(tǒng)中去。對(duì)于有效靜脈血管的尋找我們分成兩方面，寬窄度，厚度。

3.自動(dòng)輸液設(shè)備的設(shè)計(jì)

我們把將手部刻畫(huà)為一個(gè)二維平面（縱截面），以此建立X，Y軸，建立平面直角坐標(biāo)系，X軸與手背下端重合。Y軸含義為針頭到某一血管的深度。并以血管寬窄最寬的一支確定針頭頂點(diǎn)落點(diǎn)處，并且在此下針。

首先確定血管的寬窄，本文給出一種針對(duì)血管造影圖形的AOI方法，（橫截面）他主要依賴(lài)兩方面的技術(shù)：（1）圖像特征提取；（2）人工智能自動(dòng)識(shí)別。

圖1 靜脈血管圖像特征提取圖

圖2 靜脈血管處理圖

對(duì)于該圖像，我們想得B圖的處理成果，以此確定血管的寬窄，具體做法：將圖中血管按交點(diǎn)分為幾個(gè)部分，找到各個(gè)部分的左右邊界數(shù)值，再取其平均值，能確定出靜脈中最寬血管的大致位置，此位置為大致入針位置（此圖中為窄位置）。大致入針位置我們基本鎖定在一個(gè)范圍內(nèi)，現(xiàn)在將實(shí)際入針位置用坐標(biāo)點(diǎn)（x0，y0）精確定位。X軸算法：以靜脈識(shí)別為原理，根據(jù)血液中的血紅素有吸收紅外線光的特質(zhì)，通過(guò)紅外線CCD攝像頭獲取手背靜脈的圖像，將靜脈的數(shù)字圖像存貯在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。將血管圖樣進(jìn)行數(shù)字處理，制成血管圖樣影像。找到與血管造影圖形的位置相匹配的位置，找到其邊界兩橫坐標(biāo)x1，x2，即x0＝（x1＋x2）／2，得到針頭橫坐標(biāo)落點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

圖3 自動(dòng)化輸液臂行針示意圖

Y軸算法：基本原理是：根據(jù)不同深度的靜脈血管所對(duì)應(yīng)的紅外圖像的表觀模型的不同，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)回歸模型，建立圖像與血管深度之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)基于圖像的血管深度自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，基于以上原理內(nèi)容所描述的算法，我們將給定如下解決方案：通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的回歸模型訓(xùn)練；提取手腕部橫截面所在平面作為感興趣區(qū)域，利用超聲儀測(cè)量從血管頂部到皮膚表層的厚度（厚度為（下端y1＋上端y2）／2））繼而構(gòu)建訓(xùn)練圖像深度標(biāo)記集，找到與血管造影圖形的位置相匹配的位置的深度（厚度），并以此為Y0。以上可得出入針的準(zhǔn)確位置（x0，y0）。

4.總結(jié)與展望

本文中筆者給出了借助機(jī)械操作的自動(dòng)輸液設(shè)備，符合現(xiàn)代化的潮流，加以研究會(huì)讓這種技術(shù)取代傳統(tǒng)的人工操作，將一些簡(jiǎn)單的醫(yī)療動(dòng)作機(jī)械化、自動(dòng)化，可以節(jié)省大量的社會(huì)勞動(dòng)力和社會(huì)資源，解放雙手，讓人類(lèi)去做更多更有意義的事情。

本文中設(shè)計(jì)的基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的自動(dòng)化輸液設(shè)備，首先要采用圖像處理技術(shù)將手背進(jìn)行掃描分析，提取圖像，再利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析出手背的構(gòu)造，將血管與皮膚、軟組織、骨骼等組織進(jìn)行分離開(kāi)來(lái)，再?gòu)乃刑崛〕龅难苤姓页鲎顑?yōu)解，即寬度最大值所在的血管位置，讓輸液臂的操作更加精準(zhǔn)，盡可能做到零失誤。

盡管本文還存在著很多的弊端，很多技術(shù)還不是十分成熟，還需要更多的人才參與進(jìn)來(lái)，如何讓輸液臂更加迅速準(zhǔn)確的找出合適的血管？如何讓行針無(wú)痛化？如何讓圖像處理更加清晰準(zhǔn)確？還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步探究。

筆者猜想，在不久的將來(lái)，不僅僅是輸液會(huì)趨于自動(dòng)化，也不只有拍CT、X光、核磁共振、做B超這些需要借助醫(yī)療設(shè)備，連診斷、取藥、配藥這些醫(yī)療操作都會(huì)逐漸變成數(shù)字化處理，這也是信息時(shí)代的大勢(shì)所趨。

[1]王科俊,丁宇航,王大振.基于靜脈識(shí)別的身份認(rèn)證方法研究[J].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,2005

[2]李鵬，朱宏輝.一種改進(jìn)的不變矩方法在圖像目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用[J].交通與計(jì)算機(jī)，2004年第二期第22卷:88-90

[3]林喜榮,莊波,蘇曉生等.人體手背血管圖像的特征提取及匹配[J].北京：清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系,2003

[4]張會(huì)林,簡(jiǎn)獻(xiàn)忠.人體手背靜脈血管圖像增強(qiáng)處理算法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2005，26（8）：38～4