[發(fā)明專利]基于混合匹配策略的皮下靜脈三維重建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410514148.7
• 申請日: 2014-09-29
• 公開（公告）號: CN104361626B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設計）人: 楊健;王涌天;艾丹妮;劉越;宋憲政
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T7/50
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 仇蕾安

技術領域

本發(fā)明涉及一種皮下靜脈血管三維重建方法，具體涉及到一種基于混合匹配策略的皮下靜脈三維重建方法，主要應用于皮下靜脈注射、靜脈身份識別等領域。

背景技術

靜脈注射是臨床醫(yī)學中一種常用的給藥方法，也是在嚴重外傷患者送往醫(yī)院前一種基本的生命維持手段。據(jù)統(tǒng)計，在美國每年約有10億次靜脈注射發(fā)生，其中，對普通成年人的首次注射失敗率高達28％，而對于孩子和特殊人群該比率更高。反復地注射不僅會給患者帶來更多的病痛，也會引起患者強烈的不滿，甚至導致醫(yī)患沖突。而對年幼患者而言，這更會給他們帶來長期的心理陰影。因此，為了提高首次靜脈注射的成功率，靜脈注射輔助設備成為領域內的研究熱點。目前，如克里斯蒂醫(yī)療集團(Christie Medical Holdings,Inc.)公司基于近紅外成像和反投影技術生產的VeinViewer系列產品已應用于臨床靜脈注射過程，可有效地提高醫(yī)護人員的工作效率。而Veebot公司生產的抽血機器人則結合近紅外成像和超聲成像技術實現(xiàn)了手臂內側皮下靜脈地全自動識別和注射功能，其識別準確率高達83％。此外，在生物特征識別領域，皮下靜脈識別也是近年來研究學者關注的新興熱點。靜脈識別技術安全穩(wěn)定，與人臉識別等傳統(tǒng)身份識別技術相比，皮下靜脈為人體內部生物特征，其隱蔽性高且不易偽造，更不易受環(huán)境因素影響，除非手術介入，其結構不隨時間和年齡發(fā)生變化。目前，如日立公司的手指靜脈識別系統(tǒng)和富士通公司的手掌靜脈識別系統(tǒng)等技術產品在相關領域已獲得廣泛應用。

由于靜脈血液成分在700～900nm的光譜范圍內具有較強的吸收特性，在8～14um的光譜范圍內具有特殊的溫度特性，因此，近紅外成像和中波紅外成像是皮下靜脈圖像的主要獲取方式。中波紅外成像為溫度感應的被動成像，其成像質量受溫度、汗?jié)n等外在因素影響嚴重，且成像設備普遍價格昂貴。相比而言，基于光譜吸收特性的主動式近紅外成像則更好地適應了環(huán)境溫度及受測者的自身狀況，且成像設備相對價格低廉，網絡攝像頭即可滿足一般需求的靜脈成像。因此，近紅外成像被更多的應用于靜脈分析類的產品之中。近紅外成像根據(jù)光源、靜脈和相機的相對位置又可分為透射式和反射式成像兩種。透射式成像的光源和相機位于靜脈兩側，近紅外光線在穿透靜脈時被血液大量吸收增強了圖像對比度。然而，由于受測組織具有厚度差異，成像結果隨厚度差異灰度分布極不均勻，光源強度需隨時調整以實現(xiàn)最佳成像。此外，由于光源能量較強，受測者具有明顯的燒灼感。反射式成像的光源和相機位于靜脈同側，圖像對比度源于血液吸收特性導致的有損反射。反射式成像光源能量較低，圖像灰度分布均勻，其3～8mm的穿透力可滿足大部分皮下靜脈的成像需求。因此，在實際應用中，透射式系統(tǒng)適合應用于手指靜脈的成像，而反射式成像則適合應用于手背、手臂等其他區(qū)域的靜脈成像中。

為了更好地滿足輔助靜脈注射、身份識別等應用的要求，皮下靜脈血管的研究內容從早期的基于單目圖像的血管增強、提取、匹配慢慢轉變?yōu)榛诙嗄繄D像的皮下靜脈血管三維重建。隨著機器人技術和計算機視覺技術的發(fā)展，基于靜脈三維結構分析的相關應用也取得了一定的成果。Yoshifumi at el.設計了一種輕巧、準確的三維手指靜脈血管搜索系統(tǒng)和一種自動采血系統(tǒng)，采用雙目立體視覺的原理完成模擬血管的深度探測。Reuben等人同樣設計了一套皮下靜脈自動注射系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過圓環(huán)鄰域分析提取提取近紅外圖像中的血管分叉點并將其視為注射目標。隨后，利用鄰域匹配和雙目視覺技術實現(xiàn)了分叉點的匹配和重建，得到了分叉點的空間和注射角度。Zhu等人采用邊緣提取和SAD匹配實現(xiàn)了結構較為完整的靜脈三維重建，并利用靜脈點云匹配進一步實現(xiàn)了基于三維靜脈特征的身份識別。

然而，由于近紅外靜脈圖像質量普遍較差，靜脈血管分割結果不完整，現(xiàn)有的靜脈血管三維重建方法往往存在以下幾方面的局限性：

1.重建結果相對準確但僅適用于結構相對簡單或固定的特定血管對象，如模擬的單支血管或血管分叉點等，無法適應真實皮下靜脈血管的完整重建。

2.重建對象完整但重建精度難以保證，如采用SAD算法實現(xiàn)的靜脈血管重建在匹配過程的使用約束關系并不嚴格，其重建結果也較為粗糙。

3.由于近紅外靜脈圖像質量并不穩(wěn)定，靜脈血管分割不完整引發(fā)的重建算法失效或重建精度下降。

發(fā)明內容

為了解決上述問題，本發(fā)明采用一種自底向上的重建策略，提出了一種基于混合匹配策略的皮下靜脈三維重建方法，實現(xiàn)了近乎實時的靜脈血管分割、匹配及三維重建。

一種基于混合匹配策略的皮下靜脈三維重建方法，包括以下步驟：