基于FPGA的静脉采集系统(终)

第二十六届“冯如杯”学生学术科技作品竞赛项目论文基于FPGA的静脉采集系统Ⅰ摘要在医疗方面对静脉显示的需求逐渐增加，尤其是一次穿刺失败率较高静脉注射领域。本文基于血红蛋白的吸光性而设计的静脉采集系统由静脉采集装置、图像采集控制模块、图像缓存控制模块和TFT显示控制模块等构成。模块化的结构设计特点使该装置的使用更加方便快捷，能够更加有效地为医疗人员提供医疗辅助工作。反射式的光路设计特点使该装置不局限于人体较薄的组织，几乎可以对人体任何部位的静脉进行采集成像。该装置具有便携性强，图像流畅稳定，成本低廉等优势，有一定的市场发展潜力。关键字：FPGA，静脉吸光性，静脉显示，便携式ⅡAbstractDemandforveindisplayinthefieldofmedicalgraduallyincrease,especiallyinthefieldofintravenousinjectionwhichhashighfailurerateofthefirstpuncture.Intravenousacquisitionsystembasedontheopticalabsorptionofhemoglobinismadeupofintravenousacquisitiondevice,imageacquisitionmodule,imagecacheandTFTdisplay.Thedesignfeatureofmodularstructuremakesthedevicemoreconvenientandquick,whichworkformedicalpersonneltoprovidemedicalassistancemoreeffectively.Thelightpathofreflectionmakethedevicenotonlycanusingforthinnermuscletissueinthehumanbodybutalsothethickertissue,whichalmostcanbecollectedforanypartsofthehumanbodytoformtheveinimaging.Thedevicehasstrongerportability,moresmoothandstableimageandtheadvantageoflowcost,whichhascertainpotentialofmarketdevelopment.KeywordsFPGATheopticalabsorptionofhemoglobinImagedisplayPortableproductⅢ目录第一章绪论......................................................................................................................11.1项目背景及意义..................................................................................................11.2发展趋势..............................................................................................................1第二章静脉造影原理......................................................................................................22.1静脉造影..............................................................................................................22.2透射与反射的对比..............................................................................................2第三章静脉采集仪的总体设计......................................................................................33.1总体设计..............................................................................................................33.2图像采集模块设计..............................................................................................43.3静脉图像采集硬件选型......................................................................................43.3.1FPGA开发板的选择................................................................................53.3.2光源的选择与模块设计...........................................................................53.3.3摄像头和TFT显示器的选择..................................................................5第四章创新点..................................................................................................................54.1模块化的结构设计..............................................................................................54.2反射式的光路设计..............................................................................................6第五章总结及展望..........................................................................................................6参考文献............................................................................................................................6北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生学术科技作品竞赛参赛作品1第一章绪论1.1项目背景及意义从生物识别技术发展开始，静脉结构就作为一种生物特征用于身份认证，但由于相比其他技术没有很明显的优势，目前的应用还不是很广。因此我们主要关注的是它在临床医疗领域的应用，尤其是在静脉滴注和静脉疾病检测方面提供的优势。统计表明，全球每年约进行120亿次静脉注射，其中中国约占25%，超过30亿。普通成人静脉注射的首次穿刺失败率是28%，儿童是44%。如此大的基数和失败率，对于静脉注射技术的改进提出了需求，特别是对一些肥胖，血管塌陷，浮肿从而难以找到血管的患者比较适用。1.2发展趋势静脉注射是一种最基本的医疗手段，因此准确地找到血管进行静脉注射是这种医疗手段的关键。然而，由于皮肤色素、血管深度，脂肪层过厚等因素影响，有时候静脉很难被肉眼观察到因此就需要一种装置进行辅助。静脉的位置捕捉主要经历了三个阶段。第一阶段是目测法和触摸法。这两种方法是最原始的也是出错率较高的。通常护士需要几年的训练才能够达到较高的准确率。第二阶段是手电筒透射模式。虽然比较便宜，但是受到环境影响较大，只有在较暗的环境下才能用，其次它只能投射薄层组织，无法投射头部，同时静脉显示的准确度不够清晰。会发生不同层次静脉血管的重叠。而且现在市面上面的产品多数不能长时间使用。第三阶段就是屏幕显示，这种方法能够显示更加好的清晰度。能够显示各个部位的静脉图像。对于辅助静脉注射有更好的效果。这也是现在应用最广泛的一种。但是市场上面的仪器多数是在PC机上进行操作的，或者是沉重的仪器，不够便携。为了更方便快捷地采集静脉，本项目是在第三阶段上设计的一种便携式静脉采集系统。该系统对静脉有较好的显示情况下，有效地解决了传统静脉采集系统体积大、难移动的问题。北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生学术科技作品竞赛参赛作品2第二章静脉造影原理2.1静脉造影医学研究表明，人体静脉血液中的血红蛋白会因近红外光的照射而脱氧失去氧份。脱氧后的血红蛋白对700nm-1000nm波段的近红外光有吸收作用[1]。尤其在波长为760nm和850nm处有两个吸收峰，所以在相应波长的近红外光照射下，利用摄像头采集图片会获得对应位置静脉的暗影，也就是手背静脉的图像。而且由于人体手背处静脉一般较浅，特征明显，所以比较容易获得成像质量较高的静脉图像。2.2透射与反射的对比利用红外光照射获取静脉图像可以分为两种方式，目前采用较多的是利用透射原理，近红外光照射在人体手背上，静脉位置处透过的光线较少，这样将图片传感器装置在光源异侧，就可以捕捉到亮度不同的静脉图案。具体原理如图1所示。图1静脉造影透射法目前存在的问题主要是近红外光的波长比较长，因此穿透能力相对较弱，而反射能力较强，因此成像环境比较恶劣，很难获得高质量的图像，对图像传感器的红外灵敏度要求较高。当然这样可以获取到内部的一些静脉信息，而不是表面图像特征，对于静脉识别来说可以避免皮肤表面一些褶皱，干裂等影响图像特征的信息。但北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生学术科技作品竞赛参赛作品3对于静脉注射，仅需要是手背清晰的表面静脉图像，过分详细的内部静脉信息反而可能造成图像重叠从而影响医护人员判断[2]。因此我们采用了反射的方法。相对而言，反射法对光源和摄像头的要求相对较低。只对表层3-5nm左右的静脉进行采集，成像效果相对较好。但反射法存在的问题主要在于光路的设计。相比透射直接平行放置，采用反射成像需要对光源的位置和角度不断进行调整达到最好的成像效果。第三章静脉采集仪的总体设计3.1总体设计本系统由静脉采集装置、图像采集控制模块、图像缓存控制模块和TFT显示控制模块等构成，其工作原理如图2所示。图2静脉采集系统总体设计通过近红外光照射手掌背面进行反射，摄像头采集到的静脉图像数据经过SDRAM缓存，通过TFT液晶显示屏实时显示。在软件QuartusII11.0中用Verilog语言设计系统完成对整体系统的设计。由于此系统的处理速度很快，所以能够达到实时显示的效果。通过对成本以及性能的综合考虑，在实际中我们选取了Cyclone4FPGA为控片，波长为850nm的近红外模块为光源，SDRAM为缓存介质，具有功耗低、体积小等优点的MT9V034摄像头为图像采集模块、7.0寸TFT显示屏为图像显示模块。实验表明，此系统能够较好地完成静脉采集的任务，而且系统体积小、采集实时性强，显示的手指静脉图像纹路清晰，具有良好的稳定性。北京航空航天大学第二十六届“冯如杯”学生学术科技作品竞赛参赛作品43.2图像采集模块设计根据人手掌、MT9V034摄像头