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AbstractDemand for vein display in the field of medical gradually increase, especially in the field of intravenous injection which has high failure rate of the first puncture. Intravenous acquisition system based on the optical absorption of hemoglobin is made up of intravenous acquisition device, image acquisition module, image cache and TFT display. The design feature of modular structure makes the device more convenient and quick, which work for medical personnel to provide medical assistance more effectively. The light path of reflection make the device not only can using for thinner muscle tissue in the human body but also the thicker tissue, which almost can be collected for any parts of the human body to form the vein imaging. The device has stronger portability, more smooth and stable image and the advantage of low cost, which has certain potential of market development.KeywordsFPGA The optical absorption of hemoglobin Image display Portable product目录第一章绪论 (1)1.1项目背景及意义 (1)1.2发展趋势 (1)第二章静脉造影原理 (2)2.1静脉造影 (2)2.2透射与反射的对比 (2)第三章静脉采集仪的总体设计 (3)3.1总体设计 (3)3.2图像采集模块设计 (4)3.3静脉图像采集硬件选型 (4)3.3.1 FPGA开发板的选择 (5)3.3.2光源的选择与模块设计 (5)3.3.3摄像头和TFT显示器的选择 (5)第四章创新点 (5)4.1模块化的结构设计 (5)4.2反射式的光路设计 (6)第五章总结及展望 (6)参考文献 (6)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。

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Quartus II 11.0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Cyclone4 FPGA为控片，波长为850 nm 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。

3.2图像采集模块设计根据人手掌、MT9V034 摄像头镜头、红外光源模块的形状和大小，设计了手指静脉采集装置。

摄像头前端固定850nm的红外滤波片，以便排除自然光的干扰，光源将光照射到手背上面，摄像头接收反射的红外光，而人体静脉部分的红外光被吸收而呈现暗影[3]。

具体光路描述如图3所示。

图3 图像采集原理3.3静脉图像采集硬件选型如图4所示，该系统由光源、摄像头、滤光片、FPGA开发板、7寸显示屏及下载器6部分组成。

图4 硬件模块3.3.1 FPGA开发板的选择因为Cyclone4 FPGA开发板拥有配置较高的SDRAM芯片，完善的图像处理及传输配置，同时体积小，性价比较高，它的FPGA 处理器为Cyclone IV系列EP4CE15E17C8N，内部逻辑资源非常丰富，完全能够满足此系统对图像处理的需求，所以作为红外静脉采集系统的核心控制板比较合适。

3.3.2光源的选择与模块设计静脉成像原理说明静脉的成像效果受光源的影响非常大。

本设计选择了功率为10w红外光源，光源能够提供足够的光强以便完成对光的采集。

本光源的波长为850nm，调节角度距离之后能够取得较好的反射效果。

3.3.3摄像头和TFT显示器的选择摄像头是手指静脉图像采集系统的关键组成部分，直接影响手指静脉图像的成像效果。

根据静脉成像原理，我们采用对850nm波长敏感MT9V034 CMOS摄像头，其拥有752×480 的感光阵列，能够较好地与LCD进行对接[4]。

因此我们选择了MT9V034 黑白摄像头来采集手指静脉图像。

TFT LCD显示器选用an070,其大小为7.0寸为静脉成像提供了较好的载体[5]。

第四章创新点4.1模块化的结构设计该装置主要由光源、摄像头、FPGA及显示屏组成。

其结构清晰可拆卸，可脱离电脑使用，基本不受空间限制。

所以，本装置在便携式出诊、重大灾难以及家庭注射方面有显著优势。

便携式出诊：提高一次穿刺成功率。

对于经验不足的的护士，在出诊的时候可以携带本系统进行成功率较高的静脉注射，较少医患纠纷。

重大灾难：可以降低对医护人员的要求，简单培训就可以使用我们仪器进行静脉注射，提高医疗效率。

家庭注射：由于本系统可以较大程度上提高静脉注射的成功率，因此可以方便地在家里使用。

4.2反射式的光路设计该装置采用反射原理，对皮肤组织的厚度没有要求，几乎可以用于身体任何部位静脉的采集。

在静脉疾病的前期观测有广阔的应用前景。

静脉曲张的前期观察，可以将图像进行存储，方便对比对照。

静脉栓塞是由于静脉中血液粘稠度过高而引起的静脉堵塞，通常可引发静脉曲张。

可以通过对身体部位的静脉检测初步确认疾病的发病点，做到早发现早治疗。