一種血管識別方法及設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種血管識別方法及設(shè)備，通過引入雙光源系統(tǒng)(紅外光源+可見光源)，集合目前智能優(yōu)化算法的光路系統(tǒng)光學元件調(diào)整方法，通過血紅蛋白與其他組織對紅外光線的吸收比率不同，結(jié)合計算機算法的優(yōu)化，提供一種血管識別腹腔鏡，能夠與常見的內(nèi)窺鏡進行分光顯影的目的，做到對血管識別，易于醫(yī)生應(yīng)用。
【專利說明】
_種血管識別方法及設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體涉及一種血管識別方法及設(shè)備?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]腹腔鏡(英文名:Laparoscopic)是一種帶有微型攝像頭的醫(yī)用器械，腹腔鏡手術(shù)就是利用腹腔鏡及其相關(guān)器械進行的手術(shù):使用冷光源提供照明，將腹腔鏡鏡頭(直徑為3 ?10mm)插入腹腔內(nèi)，運用數(shù)字攝像技術(shù)使腹腔鏡鏡頭拍攝到的圖像通過光導纖維傳導至后級信號處理系統(tǒng)，并且實時顯示在專用監(jiān)視器上。然后醫(yī)生通過監(jiān)視器屏幕上所顯示患者器官不同角度的圖像，對病人的病情進行分析判斷，并且運用特殊的腹腔鏡器械進行手術(shù)。腹腔鏡手術(shù)創(chuàng)傷小，并發(fā)癥少，患者康復(fù)迅速，目前已在臨床得到廣泛應(yīng)用，并且已成為未來手術(shù)的發(fā)展趨勢。
[0003]腹腔鏡創(chuàng)傷小，并發(fā)癥少，患者康復(fù)迅速。自100年前被發(fā)明以來，就被越來越多的用在各種手術(shù)。在中國，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，開展腹腔鏡手術(shù)的科室已涵蓋普外，婦產(chǎn)，泌尿外科，肝膽外科等，很多縣以上醫(yī)院，廠礦醫(yī)院，甚至鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院已經(jīng)開展了腹腔鏡手術(shù)。我國目前的腹腔鏡市場約310億/年，市場容量巨大。2011年全球腹腔鏡設(shè)備市場產(chǎn)值為69.68 億美元，2018年預(yù)計將達131.529億美元。在中國，二級及以上醫(yī)院都是腹腔鏡潛在用戶，目前中國二級及以上醫(yī)院共有11673家(2010年數(shù)據(jù))。根據(jù)2013年數(shù)據(jù)，可以看到外企占據(jù)了我國腹腔鏡市場的絕對優(yōu)勢。同時也說明國產(chǎn)腹腔鏡的發(fā)展?jié)摿艽蟆?br>[0004]在各種人體腔體內(nèi)部進行檢查、診斷、手術(shù)時，血管都是非常敏感的部位，明確血管的位置和走形，對醫(yī)生非常有幫助。尤其是在做手術(shù)的時候，如果對血管的位置判斷失誤，損傷了血管，往往會導致嚴重的傷害。在外科手術(shù)尤其是微創(chuàng)手術(shù)日益發(fā)展的今天，腹腔鏡手術(shù)攜帶其無可比擬的優(yōu)勢占據(jù)了主流位置。對于腫瘤切除要求的“骨骼化”，部分手術(shù)血管的“保護化”，無疑要求我們?nèi)ふ乙环N能夠充分顯示血管的一種設(shè)備?；诖?，我們根據(jù)既往的研究情況，自助研發(fā)一種基于紅外的內(nèi)窺鏡操作平臺，其目的能夠與常見的內(nèi)窺鏡進行分光顯影的目的，做到對血管識別，易于醫(yī)生術(shù)中應(yīng)用的目的。本發(fā)明采用雙光路系統(tǒng)，可見光光路部分并未進行太多改進，紅外光路系統(tǒng)通過主動發(fā)射冷紅外光線，根據(jù)血紅蛋白與其他組織對紅外光線的吸收比率不同，進而識別血管的位置與形態(tài)，結(jié)合計算機輔助技術(shù)，對血管進行清洗的顯露，在術(shù)中輔助手術(shù)和診斷。通過雙光路系統(tǒng)，能夠極大提升手術(shù)成功率，降低患者術(shù)中出現(xiàn)血管損傷的風險，同時能夠輔助醫(yī)生進行診斷，做到依據(jù)血管走形決定相應(yīng)的手術(shù)。本項目從最初的構(gòu)思到目前的逐步形成一個思路以來，與多家企業(yè)進行了相關(guān)的溝通與交流。目前，項目集成了光學、設(shè)備基礎(chǔ)、自動化、圖像處理、醫(yī)學基礎(chǔ)操作等多方面人才對項目進行分析整合，力圖在各方面的資助下能夠完成該類設(shè)備的研發(fā)。在高清(1080P/4K)腹腔鏡的技術(shù)上，加上紅外識別的功能。高清是主體，紅外是賣點。 換句話說，沒有血管識別需求的醫(yī)生，也可以將本產(chǎn)品作為高清腹腔鏡采購。
[0005]現(xiàn)有的國外內(nèi)窺鏡的研究集中在以下幾個方向:1)利用窄帶光譜NBI(narrow band imaging)技術(shù)，可以在診斷中，利用不同波長的光顯影，看到病變組織，該技術(shù)主要用于診斷。2)熒光染色技術(shù)，可以看到癌變組織，并為手術(shù)提供依據(jù)。3)分辨率為1080P的高清腹腔鏡，可以看到更加清晰的組織細節(jié)。4)3D可視化繪制技術(shù)，可以將體內(nèi)組織的三維形狀等信息展示出來?；谀壳暗难芯壳闆r，我們可以看到著重提升單光源系統(tǒng)的硬件水平是目前國內(nèi)外研發(fā)重點。然而，華山醫(yī)院的10265腹腔鏡手術(shù)并發(fā)癥報道中，45.16%為出血相關(guān)性并發(fā)癥，此外如何能夠讓手術(shù)醫(yī)生簡化手術(shù)技術(shù)，探明血管的走形和分布，利于上手， 是目前迫切需要解決的問題。
[0006]因此，迫切需要設(shè)計一種具有血管識別術(shù)中定位雙光路腹腔鏡。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種血管識別方法及設(shè)備，能夠與常見的內(nèi)窺鏡進行分光顯影的目的，做到對血管識別，易于醫(yī)生應(yīng)用。
[0008]為了達到上述目的，一種血管識別方法，包括以下步驟:
[0009]步驟一，將內(nèi)窺鏡伸入腹腔中，通過白光光源進行照明，內(nèi)窺鏡的紅外線光源發(fā)射紅外線穿透人體組織，并將血液中的血紅蛋白吸收；
[0010]步驟二，通過內(nèi)窺鏡中的攝像機進行拍攝，攝像機將圖像信息發(fā)送至處理主機；
[0011]步驟三，處理主機對血管圖像增強；
[0012]步驟四，對增強后的血管圖像進行分割，圖像的分割邊界包括血管和其他組織成分；
[0013]步驟五，對分割后的血管圖像進行血管識別，識別出血管紋路細節(jié)；
[0014]步驟六，對識別出的血管紋路細節(jié)進行采用灰度表示的深度分析，并完成3D可視化繪制。
[0015]所述步驟二中，內(nèi)窺鏡將拍攝的圖像經(jīng)過濾波后發(fā)送至處理主機。
[0016]所述步驟三中，圖像增強采用非線性對比度變換和圖像平滑的算法。
[0017]所述步驟四中，分割采用基于圖論的Graph Cut或Normalized Cut方法。
[0018]所述步驟五中，血管識別采用采用LBP特征作為血管識別的主要依據(jù)，用身份識別的依據(jù)來識別血管紋路細節(jié)。
[0019]—種血管識別方法采用的設(shè)備，包括內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡連接有光源和攝像機，攝像機連接處理主機，處理主機具有人機接口，處理主機連接有顯示器；
[0020]所述光源包括紅外線光源和白光光源；
[0021]所述處理主機為電腦、專業(yè)圖像處理服務(wù)器或者嵌入式的計算主機。
[0022]所述內(nèi)窺鏡內(nèi)設(shè)置有發(fā)射光纖和接受光纖，接受光纖連接攝像機，發(fā)射光纖連接光源的紅外線光源和白光光源。[〇〇23]所述攝像機具有不同頻段光譜的濾波功能。[〇〇24] 所述顯示器為單個顯示器或多個顯示器組成的陣列。
[0025]所述人機接口包括鍵盤、按鍵、鼠標和觸摸板中的至少一種。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的血管識別方法將照射過紅外線的人體組織進行拍攝， 再將圖像中的血管進行圖像增強，增強后進行分割，再識別出血管紋路細節(jié)，通過處理主機完成3D可視化繪制，本發(fā)明有助于臨床手術(shù)醫(yī)生進行術(shù)中決策，容易辨認血管并能夠盡早得到血管的走形分布，一方面便于術(shù)中的操作，有了 “導航”系統(tǒng)能夠減少尋找血管的時間，縮短手術(shù)時間;此外，能夠給醫(yī)生的技術(shù)提供有益的補充，縮短學習曲線;縮短手術(shù)時間，意味著能夠減少患者術(shù)中的應(yīng)激事件，有利于患者的康復(fù)。
[0027]本發(fā)明的設(shè)備通過處理主機控制，控制攝像機拍攝可見光照片、紅外光線照片、可見光疊加紅外光線照片，獲得這些照片之后，通過處理主機對圖像進行分析，最終將血管的位置和走形進行3D可視化繪制，以便于醫(yī)生使用，本設(shè)備采用主動發(fā)射冷紅外光線的光源， 根據(jù)血紅蛋白與其他組織對紅外光線的吸收比率不同，進而識別血管的位置與形態(tài)，輔助手術(shù)和診斷，能夠極大提升手術(shù)成功率，降低患者術(shù)中出現(xiàn)血管損傷的風險，同時能夠輔助醫(yī)生進行診斷。【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明3D可視化繪制的流程圖；
[0029]圖2為本發(fā)明的血管識別方法采用的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；[〇〇31]其中，101、內(nèi)窺鏡；102、紅外線光源；103、白光光源；105、發(fā)射光纖；106、接受光纖;202、光源;203、攝像機;204、處理主機;205、顯示器;206、人機接口?！揪唧w實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0033]參見圖1，一種血管識別方法，包括以下步驟:[〇〇34] 步驟一，將內(nèi)窺鏡101伸入腹腔中，通過白光光源103進行照明，內(nèi)窺鏡101的紅外線光源102發(fā)射紅外線穿透人體組織，并將血液中的血紅蛋白吸收；[〇〇35]步驟二，通過內(nèi)窺鏡101中的攝像機203進行拍攝，攝像機203將圖像信息經(jīng)過濾波后發(fā)送至處理主機204;[〇〇36]步驟三，處理主機204對血管圖像增強，圖像增強采用非線性對比度變換和圖像平滑的算法，尤其是當血管深度達到組織內(nèi)部5mm左右時，有效的圖像增強方法，可以為后續(xù)處理提供便利；
[0037]步驟四，對增強后的血管圖像進行分割，圖像的分割邊界包括血管和其他組織成分，分割采用基于圖論的Graph Cut或Normalized Cut方法；
[0038]步驟五，對分割后的血管圖像進行血管識別，識別出血管紋路細節(jié)，血管識別采用采用LBP特征作為血管識別的主要依據(jù)，用身份識別的依據(jù)來識別血管紋路細節(jié)，可以滿足實際應(yīng)用的需要；
[0039]步驟六，對識別出的血管紋路細節(jié)進行采用灰度表示的深度分析，并完成3D可視化繪制。
[0040]參見圖2和圖3，一種血管識別方法采用的設(shè)備，包括內(nèi)窺鏡101，內(nèi)窺鏡101連接有光源202和攝像機203，攝像機203連接處理主機204，處理主機204具有人機接口 206，處理主機204連接有顯示器205,攝像機203具有不同頻段光譜的濾波功能；[〇〇41] 光源202包括紅外線光源102和白光光源103,內(nèi)窺鏡101內(nèi)設(shè)置有發(fā)射光纖105和接受光纖106,接受光纖106連接攝像機203,發(fā)射光纖105連接光源202的紅外線光源102和白光光源103;
[0042]處理主機204為電腦、專業(yè)圖像處理服務(wù)器或者嵌入式的計算主機。[〇〇43] 優(yōu)選的，顯示器205為單個顯示器或多個顯示器組成的陣列。
[0044]優(yōu)選的，人機接口 206包括鍵盤、按鍵、鼠標和觸摸板中的至少一種。[0〇45] 紅外線光源102能夠發(fā)射850nm紅外線穿透約6mm的人體組織，并被血液中的血紅蛋白吸收。用紅外線照射人體組織，并用紅外攝像頭拍攝，可以發(fā)現(xiàn)血管呈現(xiàn)2個特征:①表現(xiàn)為陰影;②連續(xù)線狀。根據(jù)這2個特征，機器視覺就能辨認出血管，并加以描繪。
[0046]本發(fā)明借鑒的現(xiàn)有成熟技術(shù):腹腔鏡技術(shù);紅外線靜脈顯影技術(shù);高清影像傳輸技術(shù);以上技術(shù)均有成熟的貨架產(chǎn)品。[〇〇47]本發(fā)明在開展的動物實驗中，血管識別深度達到5mm，識別的準確率達到99%，高清影像的有效像素多5MP，輸出幀率30f ps以上。
[0048]本發(fā)明針對目前市場的薄弱環(huán)節(jié)，目前市場銷售的腹腔鏡無紅外功能，不能提供血管顯示的輔助功能，本項目研發(fā)的產(chǎn)品一旦投入批量生產(chǎn)，必定擁有廣闊的市場。本項目的順利開展勢必將增強我國腹腔鏡在研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)制造方面的國際競爭力;促進形成我國在腹腔鏡領(lǐng)域中的自主知識產(chǎn)權(quán);力爭在三到五年內(nèi)形成研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、封裝、測試和銷售的完整產(chǎn)業(yè)鏈;進一步提升陜西省在醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的業(yè)內(nèi)地位;為醫(yī)生帶來手術(shù)便利，造福患者，并帶動陜西省其它相關(guān)的信息電子和光電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。[〇〇49]本發(fā)明能夠有助于臨床手術(shù)醫(yī)生進行術(shù)中決策，容易辨認血管并能夠盡早得到血管的走形分布，一方面便于術(shù)中的操作，有了 “導航”系統(tǒng)能夠減少尋找血管的時間，縮短手術(shù)時間;此外，能夠給醫(yī)生的技術(shù)提供有益的補充，縮短學習曲線;縮短手術(shù)時間，意味著能夠減少患者術(shù)中的應(yīng)激事件，有利于患者的康復(fù)。
【主權(quán)項】
1.一種血管識別方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟一，將內(nèi)窺鏡(101)伸入腹腔中，通過白光光源(103)進行照明，內(nèi)窺鏡(101)的紅 外線光源(102)發(fā)射紅外線穿透人體組織，并將血液中的血紅蛋白吸收；步驟二，通過內(nèi)窺鏡(101)中的攝像機(203)進行拍攝，攝像機(203)將圖像信息發(fā)送至 處理主機(204);步驟三，處理主機(204)對血管圖像增強；步驟四，對增強后的血管圖像進行分割，圖像的分割邊界包括血管和其他組織成分； 步驟五，對分割后的血管圖像進行血管識別，識別出血管紋路細節(jié)；步驟六，對識別出的血管紋路細節(jié)進行采用灰度表示的深度分析，并完成3D可視化繪制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種血管識別方法，其特征在于，所述步驟二中，內(nèi)窺鏡 (101)將拍攝的圖像經(jīng)過濾波后發(fā)送至處理主機(204)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種血管識別方法，其特征在于，所述步驟三中，圖像增強采 用非線性對比度變換和圖像平滑的算法。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種血管識別方法，其特征在于，所述步驟四中，分割采用基 于圖論的Graph Cut或Normalized Cut方法。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種血管識別方法，其特征在于，所述步驟五中，血管識別采 用采用LBP特征作為血管識別的主要依據(jù)，用身份識別的依據(jù)來識別血管紋路細節(jié)。6.權(quán)利要求1所述的一種血管識別方法采用的設(shè)備，其特征在于，包括內(nèi)窺鏡(101)，內(nèi) 窺鏡(101)連接有光源(202)和攝像機(203 )，攝像機(203)連接處理主機(204 )，處理主機(204)具有人機接口(206)，處理主機(204)連接有顯示器(205);所述光源(202)包括紅外線光源(102)和白光光源(103);所述處理主機(204)為電腦、專業(yè)圖像處理服務(wù)器或者嵌入式的計算主機。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種血管識別方法采用的設(shè)備，其特征在于，所述內(nèi)窺鏡 (101)內(nèi)設(shè)置有發(fā)射光纖(105)和接受光纖(106 )，接受光纖(106)連接攝像機(203)，發(fā)射光 纖(105)連接光源(202)的紅外線光源(102)和白光光源(103)。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種血管識別方法采用的設(shè)備，其特征在于，所述攝像機 (203)具有不同頻段光譜的濾波功能。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種血管識別方法采用的設(shè)備，其特征在于，所述顯示器(205)為單個顯示器或多個顯示器組成的陣列。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種血管識別方法采用的設(shè)備，其特征在于，所述人機接口(206)包括鍵盤、按鍵、鼠標和觸摸板中的至少一種。
【文檔編號】A61B1/313GK105962881SQ201610596277
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月26日
【發(fā)明人】王錚, 楊焜, 鐘德星, 馬磊, 仵正
【申請人】西安交通大學第附屬醫(yī)院, 西安交通大學第一附屬醫(yī)院