人体静脉管定位仪设计（软件部分）(附件)
随着科学技术的不断进步和发展，人们的生活发生了巨大的变化，科学技术的迅速进步也对医学病理的辅助和分析起到了很大的作用。人体静脉导管成像作为一种先进的近红外数字成像技术，可以有效地解决需要静脉注射、静脉曲张、修复和观察等静脉信息的医学问题。在这篇文章中，我通过MATLAB图像处理软件，通过图像去噪，图像锐化，直方图均衡化的技术处理，使得装置采集到的图像变得更加清晰。该系统主要由850nm窄带红外镜头、OV7720成像芯片、USB传输线、笔记本电脑、850nmLED灯、LED灯电源可调光电路组成。通过硬件部分同学采集到的图像传输到电脑，最后通过MATLAB进行图像的处理。关键词 人体静脉，静脉管定位，matlab
目 录
1 绪论 1
1.1 人体静脉定位仪概况 1
2 系统方案设计 3
2.1 系统原理图 3
2.2 图像处理的选择 4
2.3 滤波器技术选择 5
3 软件技术介绍 5
3.1 巴特沃斯低通滤波器 5
3.2 中值滤波器 7
3.3 均值滤波器 8
4 图像处理技术 9
4.1 图像锐化 9
4.2 图像去噪 12
4.3 直方图均衡化 14
5 调试 19
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
附录 23
1 绪论
静脉在医学上有着非常重要的研究意义，通过向皮下静脉直接输入药物、血浆等液体是现代医学中常用的治疗手段。静脉注射由于其直接进入人体的血液循环，起效迅速，因此能够在最短的时间内起到药物的作用。在抢救垂危病人时，越早得输入药物、血浆，便能大幅提高病人的存活率。以往，护理人员主要通过目视观察的办法来判断病人的静脉位置，并通过病人用力握紧双拳的方式使得静脉更为明显。然而，这种传统方式在一些静脉十分不明显，或者已经失去意识的病人身上并不适用，由此会出现扎错的情况。本次的设计就是在这样一个应用背景下提出来的，这种人体静脉管定位仪是由850nmLED灯发出850nm波长的不可见红外光，然后 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
打开850nm窄带红外摄像头，用USB连接电脑，在850nm波长的不可见红外光的作用下，通过摄像头模组采集人体静脉图像，可以通过调节LED灯的亮度来调节来控制采集人体静脉图像的质量。最后将图像传输到电脑，通过MATLAB进行图像处理，使人体静脉图更清晰，最后方便医生输液等。所以我以为该课题的研究意义是相当可观的，并且课题难度很合适我们。
1.1 人体静脉管定位仪概况
无论是国内还是国外，人体静脉定位技术像作为一种新型的识别技术，被广泛应用于医学治疗等领域。在安全系统中，可以应用再palm静脉血管的独特性检测。对于那些静脉管看上去不是很清楚的人，使用静脉定位技术可以快速获得静脉血管成像，进而帮助医生完成准确的治疗。
尽管国外市场上已经有了成熟的静脉管定位仪产品，但是相比之下，国内在此方面的研究仍然处于刚刚起步的阶段，目前所做的工作仍然集中于对相关理论进行研究，而并没有能够推出具有自己专利知识产权的成熟产品[15]。在中国，静脉穿刺术很早就通过采用冷乳房测试仪代替静脉显示仪器进行过尝试，并在论文中介绍了该方法的具体操作。冷乳房测试仪的基本原理也是基于红外成像。然而该方法的弊端在于这种设备体积庞大（如图 1），使用的时候存在诸多不便。由此可见，红外静脉定位仪在国内有着十分急迫的研发需求，为此有必要对其进行更深一步的研究。
/
图1 冷光乳腺检查仪
2013年，王庆源申请保护了一项关于红外显像静脉血管的专利。他给出了如图 2所示的红外静脉血管造影的光学机构。该系统的核心部件为一台红外摄像机以及一台投影机，二者的光路互成90度垂直。此外，在两者光路的交汇处布置有一面分光镜，该分光镜与摄像机和投影仪光路的夹角均为45度。投射光束在穿过分束器的入射光路之前和之后发射，穿过分束器并且具有一致的入射方向；这个光路可以实现将穿刺针头以及病人的浅层静脉血管在同一个画面中等比例显示出来，从而辅助医务人员完成静脉穿刺。这项设计后来得到了授权。这种设计的巧妙之处在于使用一面分光镜，使得红外成像光线和投影光线的光路通过同一透镜重合。这种机构的光路设计非常巧妙，相比以往的光路而言，具有明显的优点，可以说他这次设计的这个装置是国内人体静脉管定位仪进步的一个里程碑。
/图2 红外静脉血管显像系统光路示意图
2 系统方案设计
2.1 系统原理图
这部分是本人软件部分设计的主要原理图，本次设计主要采用了智能的MATLABGUI界面，通过图像锐化，图像去噪，以及直方图均衡化技术，先打开matlab软件，进行系统的初始化，打开硬件部分同学采集到的图像，进行图像锐化，图像去噪和直方图均衡化三个模块，进行对比，从中选出能够被应用的，清晰度高的人体静脉图，保存达到要求的图像，最后再应用到人体静脉管定位仪中。它的原理图如图 3.
图3 系统原理图
2.2 图像处理的选择
本次毕业设计课题所要求选用的图像处理软件是MATLAB，我通过搜集资料以及自己的学习，最后发现图像锐化，图像去噪和直方图均衡化这三个技术可以达到理想的效果。
MATLAB（Matrix Laboratory）的缩写是Matrix Lab。最基本的数据结构是数字图像阵列存储在一个数组（矩阵）中。矩阵的某些元素对应于图像的像素。换句话说，MATLAB矩阵运算的原理和功能可以应用于数字图像的处理。随着科学技术的发展，MATLAB成为世界上最受认可的数学建模应用软件之一，具有操作简单、界面友好、功能全面等特点。此外，MATLAB还提供了丰富的图像分析工具，因而被广泛应用于图像分析处理领域。
在分析和处理图像之前，需要首先执行一定步骤的预处理工作。数字图像预处理技术的关键部分是图像增强，一般进行图像处理首先会对图像进行增强。图像增强可以实现选择性地增强图像中我们关注的信息，抑制或者去除我们所不需要的干扰信息。简单来说，图像增强的目的就是要改善图像的质量，对图像中物体的边缘信息进行锐化，从而能够使得物体轮廓信息更加突出，方便图像的后期分析。增强图像对比度是实现这一目的最为常见的操作，对比度增强可以使图像的边缘、轮廓、纹理之类的效果变的更加突出且清晰[6]。
目 录
1 绪论 1
1.1 人体静脉定位仪概况 1
2 系统方案设计 3
2.1 系统原理图 3
2.2 图像处理的选择 4
2.3 滤波器技术选择 5
3 软件技术介绍 5
3.1 巴特沃斯低通滤波器 5
3.2 中值滤波器 7
3.3 均值滤波器 8
4 图像处理技术 9
4.1 图像锐化 9
4.2 图像去噪 12
4.3 直方图均衡化 14
5 调试 19
结 论 20
致 谢 21
参 考 文 献 22
附录 23
1 绪论
静脉在医学上有着非常重要的研究意义，通过向皮下静脉直接输入药物、血浆等液体是现代医学中常用的治疗手段。静脉注射由于其直接进入人体的血液循环，起效迅速，因此能够在最短的时间内起到药物的作用。在抢救垂危病人时，越早得输入药物、血浆，便能大幅提高病人的存活率。以往，护理人员主要通过目视观察的办法来判断病人的静脉位置，并通过病人用力握紧双拳的方式使得静脉更为明显。然而，这种传统方式在一些静脉十分不明显，或者已经失去意识的病人身上并不适用，由此会出现扎错的情况。本次的设计就是在这样一个应用背景下提出来的，这种人体静脉管定位仪是由850nmLED灯发出850nm波长的不可见红外光，然后 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
打开850nm窄带红外摄像头，用USB连接电脑，在850nm波长的不可见红外光的作用下，通过摄像头模组采集人体静脉图像，可以通过调节LED灯的亮度来调节来控制采集人体静脉图像的质量。最后将图像传输到电脑，通过MATLAB进行图像处理，使人体静脉图更清晰，最后方便医生输液等。所以我以为该课题的研究意义是相当可观的，并且课题难度很合适我们。
1.1 人体静脉管定位仪概况
无论是国内还是国外，人体静脉定位技术像作为一种新型的识别技术，被广泛应用于医学治疗等领域。在安全系统中，可以应用再palm静脉血管的独特性检测。对于那些静脉管看上去不是很清楚的人，使用静脉定位技术可以快速获得静脉血管成像，进而帮助医生完成准确的治疗。
尽管国外市场上已经有了成熟的静脉管定位仪产品，但是相比之下，国内在此方面的研究仍然处于刚刚起步的阶段，目前所做的工作仍然集中于对相关理论进行研究，而并没有能够推出具有自己专利知识产权的成熟产品[15]。在中国，静脉穿刺术很早就通过采用冷乳房测试仪代替静脉显示仪器进行过尝试，并在论文中介绍了该方法的具体操作。冷乳房测试仪的基本原理也是基于红外成像。然而该方法的弊端在于这种设备体积庞大（如图 1），使用的时候存在诸多不便。由此可见，红外静脉定位仪在国内有着十分急迫的研发需求，为此有必要对其进行更深一步的研究。
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图1 冷光乳腺检查仪
2013年，王庆源申请保护了一项关于红外显像静脉血管的专利。他给出了如图 2所示的红外静脉血管造影的光学机构。该系统的核心部件为一台红外摄像机以及一台投影机，二者的光路互成90度垂直。此外，在两者光路的交汇处布置有一面分光镜，该分光镜与摄像机和投影仪光路的夹角均为45度。投射光束在穿过分束器的入射光路之前和之后发射，穿过分束器并且具有一致的入射方向；这个光路可以实现将穿刺针头以及病人的浅层静脉血管在同一个画面中等比例显示出来，从而辅助医务人员完成静脉穿刺。这项设计后来得到了授权。这种设计的巧妙之处在于使用一面分光镜，使得红外成像光线和投影光线的光路通过同一透镜重合。这种机构的光路设计非常巧妙，相比以往的光路而言，具有明显的优点，可以说他这次设计的这个装置是国内人体静脉管定位仪进步的一个里程碑。
/图2 红外静脉血管显像系统光路示意图
2 系统方案设计
2.1 系统原理图
这部分是本人软件部分设计的主要原理图，本次设计主要采用了智能的MATLABGUI界面，通过图像锐化，图像去噪，以及直方图均衡化技术，先打开matlab软件，进行系统的初始化，打开硬件部分同学采集到的图像，进行图像锐化，图像去噪和直方图均衡化三个模块，进行对比，从中选出能够被应用的，清晰度高的人体静脉图，保存达到要求的图像，最后再应用到人体静脉管定位仪中。它的原理图如图 3.
图3 系统原理图
2.2 图像处理的选择
本次毕业设计课题所要求选用的图像处理软件是MATLAB，我通过搜集资料以及自己的学习，最后发现图像锐化，图像去噪和直方图均衡化这三个技术可以达到理想的效果。
MATLAB（Matrix Laboratory）的缩写是Matrix Lab。最基本的数据结构是数字图像阵列存储在一个数组（矩阵）中。矩阵的某些元素对应于图像的像素。换句话说，MATLAB矩阵运算的原理和功能可以应用于数字图像的处理。随着科学技术的发展，MATLAB成为世界上最受认可的数学建模应用软件之一，具有操作简单、界面友好、功能全面等特点。此外，MATLAB还提供了丰富的图像分析工具，因而被广泛应用于图像分析处理领域。
在分析和处理图像之前，需要首先执行一定步骤的预处理工作。数字图像预处理技术的关键部分是图像增强，一般进行图像处理首先会对图像进行增强。图像增强可以实现选择性地增强图像中我们关注的信息，抑制或者去除我们所不需要的干扰信息。简单来说，图像增强的目的就是要改善图像的质量，对图像中物体的边缘信息进行锐化，从而能够使得物体轮廓信息更加突出，方便图像的后期分析。增强图像对比度是实现这一目的最为常见的操作，对比度增强可以使图像的边缘、轮廓、纹理之类的效果变的更加突出且清晰[6]。
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