创新类中期进度报告血管成像系统开发研制

1、一、基本信息申请者信息姓名性 别男年龄24所在学院机械科学与专业年级2014 级学位学术主要研究领域智能感知技术电话电子邮件主要科研经历先后参与开发 AGV 机器人，5度喷涂机器人导 师 /指导老师主要研究领域机器人，柔性电子所在院系机械科学与讲师电话电子邮件b项目基本信息项目名称成像系统开发研制所在院系机械科学与是否导师课题转化否该项目有否其他资助否申有否项目处置权有预 期成 果申请发明和实用新型专利； 进一步临床试验并产品化推向市场应 用领 域静脉穿刺 静脉曲张手术血液评估应用企业联系方式其他成员姓 名专业年级电话电子邮箱项目分工2015 级硕机械设计2012 级本工业设计项目简介团队研发

2、的设备为 成像系统（拟申请发明专利和实用新型专利），设备使用波长为 850nm 的红外光照射皮肤表面，同时内置相机实时 被照射区域皮肤的图像，然后经医学影像数字图像处理程序提取 形状与位置，最后将 的数字影像直观地投射在患者的皮肤表面。合格的医疗 能够通过实时显示的影像系统观察静脉结构、分支及阻塞情况，协助他们查找到大小和位置均合适的静脉进行穿刺等医护操作。仪器主要包括成像单元，悬停支架，储能单元和移动底盘四个部分。其中成像单元用于 信息的提取，悬停支架保证成像单元在空间任意位置悬停，储能单元保证仪器 10 小时不间断工作，移动单元便于医护 移动仪器。该设备主要针对医生护士对于静脉穿刺、美容注

3、射、静脉曲张手术等进行应用，能够大大提高静脉的穿刺成功率，具有重要的科学研究价值和巨大的市场前景。二、项目详细情况(一) 项目背景静脉穿刺是一种常见的医疗，如静脉注射在日常医疗中广泛应用。但是在临，准确、迅速地进行静脉穿刺却并非易事，卫生组织统计资料表明：普通成人静脉注射的首次穿刺失败率为 28%；儿童静脉注射的首次穿刺失败率为 44%；儿童中需尝试穿刺 3 次以上才能进行静脉注射的比例为 43%；静脉注射时，发生“漏针”现象的比例为 23-28%；患者中穿刺完全失败的比例为 12%；住院中，入院三天后发生穿刺的比例为 25%。(二) 立项依据国家正逐渐加大对基础医疗卫生系统的投入，以提高基层

4、 的就诊水平和数字化程度。2015 年 3 月国家食品药品监督管理 下文，首次明确静脉显像设备作为医疗器械的用途和场合。而随着数字化医疗系统建设和 素质提高，医护 对静脉 成像仪的认可也被激发出来，2015 年 5 月 18 日联播也着重 了静脉 检测设备。对于静脉显像技术， 、欧洲先后展开了研究，具有代表性的成果是 Christie公司的 VeinViewer 产品，该产品可显著提高穿刺成功率。临床实验结果如表 1 所示。表 1 静脉穿刺辅助设备使用前后对比普通成人儿童（首次）儿童（三次）患者PICC使用前失败率28%44%43%12%30%使用后失败率2%10%2%4%12%口有 13 亿

5、之多，占世界 的 1/4，有 98.5 万家医疗卫生机构，平均每人每年进行十次静脉穿刺，我国每年要进行静脉穿刺 130 多亿次，此外还应包括 、打 和长期住院治疗的患者。如果目测穿刺的成功率在 60%，那么将有 52 亿之多的人群将要二次或多次穿刺；52 亿次一次穿刺不成功的患者分布到 98.5 万医疗 ，平均每个医疗 对患者进行二次以上穿刺的人将是每年 5 次以上。为了缓解这一情况，并同时辅助静脉曲张手术、美容医疗等，团队决定研发 成像系统。(三) 项目目的与创新点1、目的运用数字影像技术将的数字影像直观地投射在患者皮肤表面上，实时观察静脉结构、分支、阻塞情况，评估 灌注率，选择最佳注射位置

6、。提高首次穿刺成功率、降低穿刺成本、满意度2、创新点基于多变环境的静脉红外图像技术设计具有自适应性的采图系统，以便于在非结构化的环境下，到效果比较优异的血管图像高鲁棒性轮廓提取算法针对不同人群，开发不同的使用算法，满足实际要求采图投影光路设计将摄影光路（图像）和投影光路（图像投影）组合到一条对外光(四) 国内外现状分析2014 年以前，世界范围内具有代表性的厂家为 Christie 公司的 Veinviewer 品牌产品， AccuVein 公司的 AccuVein 品牌产品，2014 年后， 微光公司 VIVO 品牌产品上市，如图 2 所示。图 2 国内外产品外观图，(a)产品 VeinVi

7、ewer，(b)产品 AccuVein，(c)中国产品 VIVO300Veinviewer 公司产品定位于高端市场，由大学教授历经 10 余年开发完成，主要采用红外和微投影原理。2006 年原理样机开始测试，2010 年产品进入市场，每台售价约 30 万，由于其价格较高，性价比低，同时其产品功能未能贴合需求，导致市场对其反应冷淡，国内市场尚未大面积爆发，但在发达国家的普及率逐年攀升。AccuVein 公司定位于中端产品，每台售价约 15 万 ，由于采用激光扫描成像技术，成像质量较差，无法准确定位静脉 。同时由于其激光功率较大，具有极大的安全隐患，不能直射眼睛等敏感 。国内产品以 微光 VIVO

8、300 为代表，其技术原理与 VeinViewer 类似，但其图像成像模糊，算法实时性不够，容易造成拖尾、延迟等现象，导致医护的误操作，但其价格低廉，每台约 5 万元，目前正逐渐打开市场。图 3 给出了每种产品的成像图，可以看出 VeinViewer 产品（图 3(a)）成像质量比较好，清晰的反映了的位置信息。AccuVein 则图像模糊，颜色失衡，无法提供其它有效信息（图 3(b)）。VIVO300（图 3(c)）则图像失真严重，医生很难凭借其对做出评价。图 3 成像效果图，(a)产品 VeinViewer，(b)产品AccuVein，(c)中国产品 VIVO300，(五) 相关技术的未来发

9、展趋势1、红外成像技术红外成像技术实际上是一种将红外图像光电转换与处理的技术。它包含的内容有：红外辐射特性；红外辐射特性在都大气中的 ；光学系统对红外辐射的吸收与反射；红外传感器技术、红外图像处理技术、红外传感器非均匀性校正技术、盲元补偿和校正技术等；红外成像技术最早是应用在军事领域， 性较强，成本较高。随着科技的进步以及社会生产生活的需要，红外成像技术逐渐开始应用与非军事领域。随着红外成像技术的发展与不断成熟，其医疗领域的应用也不断增多。由于红外成像有以下两个优势：第一，它能轻易地 诸如皮肤之类的表层，来 被观测对象的皮下信息；第二，生命组织对红外光的反射、吸收特性差异远大于可见光谱，这使得

10、它在医学影像中有着广泛的应用。目前，医用红外热成像技术正在生物信息、无创检测、亚健康评估、肿瘤 、中医 客观化、异常信息的无创监测（包括 SARS 监测）等 前沿领域得到广泛的应用。由于系统级产品种类和量产规模的不断扩大导致了红外器件成本的降低，这个发展趋势不但促进了这项技术在民用领域能够不断地探寻 的应用用途，同时又拉动了这项技术本身所牵引的基础行业的发展。2、高鲁棒性红外图像处理技术红外图像处理技术是指根据红外图像的特点，提取所需要的红外信息的技术。红外图像主要存在如下几个共性问题：第一，红外成像受非均匀性及无效像元的影响，实际温度分辨率不高；第二，红外成像普遍存在噪声大、图像对比度低、灰

11、度范围窄的现象。针对上述缺陷，国内外学者均进行了相关的研究，并取得了一定的进展。比如，针对红外图像非均匀性问题，提出了非均匀性校正方法。针对图像对比度低和灰度范围窄 ，开展了数字细节增强等相关技术研究。虽然当前的红外成像算法已经取得了很大的精度，但是横 比红外成像系统和可见光成像系统，红外成像系统的性能还没有充分发挥，且智能化程度不高。因此，预计未来，红外图像处理方法在解决好红外图像性能缺陷的基础上，会继续向着智能化、高可靠性和高性能的方向发展。(六) 市场分析2015 年 3 月国家食品药品监督管理下文，首次明确该产品作为医疗器械的用途和场合；改仪器的市场扩展度高。可以应用于传统的医院、卫生

12、所，也可用于高等院校教学、随军医疗车、潜艇等众多场合；此外，医护的需求比较旺盛。随着数字化医疗系统建设和素质提高，激发医护了对该产品的认可，2015 年 5 月 18 日，联播着重了静脉成像产品。截至 2015 年 4 月，医疗卫生机构数达 98.5 万个，其中：医院 2.6 万所，基层医疗卫生机构 92.1 万所，专业公共卫生机构 3.5 万所，其他机构 0.3 万个。其中， 三甲医院1475 所，二甲医院 6957 所，公立医院 13388 所，民营医院 11514 所，假设二甲医院以上平均每家 3 台以上，约 2.5 ，平均每台售价 5 万元，共计 12.5 亿元。若其它医院和基层医疗

13、开始逐渐 ，市场将达到 100 亿元。此外欧美发达国家对数字化医疗辅助设备需求更加旺盛，预计全球市场规模 300 亿元。(七) 研究基础及条件（包括已具备的研究条件和需要其它提供或须新添置的研究设备等）团队目前依托数字制造装备与技术国家 进行设备的研发，有雄厚的指导团队，如中国 的，教授，教育部学术新人、华 技大学学术十杰的 老师，等。团队成员先后参与了国家 863 项目“RFID 封装设备研发与生产”，国家 973 项目 “高密度倒装键合中多物理量协同控制机制与实现”和 省科技 “RFID 窄带和 strap 设备开发”等，在机器视觉、机器人运动规划、机械结构优化、运动控制方面掌握了多项 技

14、术，项目研发能力突出。(八) 研究内容成像系统由以下几个模块组成：成像单元、悬停支架、储能单元、移动底盘。VeinSight成像单元悬停支架储能单元移动底盘血 血悬 电底光 管 管 关 停 池 电 盘 滚路 图 提 节 结 管 池 结 轮设 像 取 设 构 理 仓 构 设计 采 算 计 设 系 设 设 计集 法计 统 计 计图 4成像系统开发研制的模块各个模块的研究内容如下。1、 成像单元1) 光路设计光路设计根据基本几何光学知识，以和投影图像尺寸比例 1:1 为目的，对光路进行设计计算，以便确定摄影模块和投影模块的位置参数，如图 5 所示。图 5 光路计算原理简图设计好光路参数，还要将摄影光

15、路和投影光路重合到一起，如图 6，采用 L 型结构，分别放置摄影光路和投影光路。图 6 L 型结构示意简图2) 静脉图像获取静脉图像的获取主要有两个问题需要深入研究：光源的组合优化、感光选择。（1）光源的优化组合在 760nm-900nm 之间的红外光下，与其他组织之间的差别是最大的，如图 7 所示。 图 7图和红外吸收率曲线在这个波段内的红外光种类比较多，要通过大量的实验来研究以下两个问题：第一，哪种单波长光源的效果是最好的；第二、多种波长的结合是否更有利于图像。（2）感光选择感光从原理上分有 CMOS 和 CCD 两种，CMOS电路少，制造难度低，输出信号是数字信号，CCD电路多，输出模拟

16、信号，成像质量好。在实际选择中，要通过对比不同感光的感光量子效率，找出对红外光比较敏感的CMOS 和 CCD，再通过对比实验对这两种的采图效果进行比较，综合考虑选择。3)提取算法设计由于采图环境的不规范性和被采物体多样性，相机到 的可能会存在光线不均匀、图像不清晰、干扰点多等问题，因此要在图像处理算法上增强对非结构化图像的适应性；但由于采图和投影是同时进行的，因此在设计算法中要兼顾实时性和识别率，保证人眼观察没有时差。图 8 是初步的图像处理结果。 图 8 原始静脉图像处理效果图2、 悬停支架1) 关节设计关节设计主要是要根据实际的临床需求，来确定所需要的度。图 9 关节所需度示意2) 悬停结

17、构设计悬停结构设计，目的是要实现在成像单元在实际的操作中可以在设计的行程内的任意高度悬停，以便于医生可以根据实际的使用环境来调整成像单元的高度。3、 储能单元电池管理设计电池管理设计主要是要结像单元的功耗，和临床所需要的续航时间和充电时间，确定电池组的容量，和充放电电路的设计。电池仓设计电池仓设计目的是要根据实际的用户界面要求，设计容纳电池管理系统的仓体。4、 移动底盘移动底盘结构设计要根据实际的载重要求，用有限元仿真优化，设计出最佳称重结构。滚轮设计滚轮设计主要是要兼顾医院的使用环境、噪声要求和实际的载重要求，设计出转动声音小，承重能力大的滚轮。(九)基于多变环境的静脉红外图像；投影摄影光路设计；高鲁棒性图像处理算法研究；(十) 预期成果专利申请；学术撰写；产品样机实现和小批量制造(十一) 进度安排及阶段目标2015.2-2015.10系统原理设计； 2015.10-2015.12系统第一代样机的设计加工制造； 2015.12-2016.3第二代样机的设计加工和测试 2016.3-2016.10样机测试和小批量制造； 2016.10-2016.12相关学术撰写(十二)已完成的进度计划各项工作都按照计划进行，3 月份完成第二代样机的设计，4 月份样机功能定型，5 月-6 月份正在进行小批量生产试制。（十三）现有成果展示1、 完成第二代样机制作，