[发明专利]基于混合匹配策略的皮下静脉三维重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种皮下静脉血管三维重建方法，具体涉及到一种基于混合匹配策略的皮下静脉三维重建方法，主要应用于皮下静脉注射、静脉身份识别等领域。

背景技术

静脉注射是临床医学中一种常用的给药方法，也是在严重外伤患者送往医院前一种基本的生命维持手段。据统计，在美国每年约有10亿次静脉注射发生，其中，对普通成年人的首次注射失败率高达28％，而对于孩子和特殊人群该比率更高。反复地注射不仅会给患者带来更多的病痛，也会引起患者强烈的不满，甚至导致医患冲突。而对年幼患者而言，这更会给他们带来长期的心理阴影。因此，为了提高首次静脉注射的成功率，静脉注射辅助设备成为领域内的研究热点。目前，如克里斯蒂医疗集团(Christie Medical Holdings,Inc.)公司基于近红外成像和反投影技术生产的VeinViewer系列产品已应用于临床静脉注射过程，可有效地提高医护人员的工作效率。而Veebot公司生产的抽血机器人则结合近红外成像和超声成像技术实现了手臂内侧皮下静脉地全自动识别和注射功能，其识别准确率高达83％。此外，在生物特征识别领域，皮下静脉识别也是近年来研究学者关注的新兴热点。静脉识别技术安全稳定，与人脸识别等传统身份识别技术相比，皮下静脉为人体内部生物特征，其隐蔽性高且不易伪造，更不易受环境因素影响，除非手术介入，其结构不随时间和年龄发生变化。目前，如日立公司的手指静脉识别系统和富士通公司的手掌静脉识别系统等技术产品在相关领域已获得广泛应用。

由于静脉血液成分在700～900nm的光谱范围内具有较强的吸收特性，在8～14um的光谱范围内具有特殊的温度特性，因此，近红外成像和中波红外成像是皮下静脉图像的主要获取方式。中波红外成像为温度感应的被动成像，其成像质量受温度、汗渍等外在因素影响严重，且成像设备普遍价格昂贵。相比而言，基于光谱吸收特性的主动式近红外成像则更好地适应了环境温度及受测者的自身状况，且成像设备相对价格低廉，网络摄像头即可满足一般需求的静脉成像。因此，近红外成像被更多的应用于静脉分析类的产品之中。近红外成像根据光源、静脉和相机的相对位置又可分为透射式和反射式成像两种。透射式成像的光源和相机位于静脉两侧，近红外光线在穿透静脉时被血液大量吸收增强了图像对比度。然而，由于受测组织具有厚度差异，成像结果随厚度差异灰度分布极不均匀，光源强度需随时调整以实现最佳成像。此外，由于光源能量较强，受测者具有明显的烧灼感。反射式成像的光源和相机位于静脉同侧，图像对比度源于血液吸收特性导致的有损反射。反射式成像光源能量较低，图像灰度分布均匀，其3～8mm的穿透力可满足大部分皮下静脉的成像需求。因此，在实际应用中，透射式系统适合应用于手指静脉的成像，而反射式成像则适合应用于手背、手臂等其他区域的静脉成像中。

为了更好地满足辅助静脉注射、身份识别等应用的要求，皮下静脉血管的研究内容从早期的基于单目图像的血管增强、提取、匹配慢慢转变为基于多目图像的皮下静脉血管三维重建。随着机器人技术和计算机视觉技术的发展，基于静脉三维结构分析的相关应用也取得了一定的成果。Yoshifumi at el.设计了一种轻巧、准确的三维手指静脉血管搜索系统和一种自动采血系统，采用双目立体视觉的原理完成模拟血管的深度探测。Reuben等人同样设计了一套皮下静脉自动注射系统。该系统首先通过圆环邻域分析提取提取近红外图像中的血管分叉点并将其视为注射目标。随后，利用邻域匹配和双目视觉技术实现了分叉点的匹配和重建，得到了分叉点的空间和注射角度。Zhu等人采用边缘提取和SAD匹配实现了结构较为完整的静脉三维重建，并利用静脉点云匹配进一步实现了基于三维静脉特征的身份识别。

然而，由于近红外静脉图像质量普遍较差，静脉血管分割结果不完整，现有的静脉血管三维重建方法往往存在以下几方面的局限性：

1.重建结果相对准确但仅适用于结构相对简单或固定的特定血管对象，如模拟的单支血管或血管分叉点等，无法适应真实皮下静脉血管的完整重建。

2.重建对象完整但重建精度难以保证，如采用SAD算法实现的静脉血管重建在匹配过程的使用约束关系并不严格，其重建结果也较为粗糙。

3.由于近红外静脉图像质量并不稳定，静脉血管分割不完整引发的重建算法失效或重建精度下降。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用一种自底向上的重建策略，提出了一种基于混合匹配策略的皮下静脉三维重建方法，实现了近乎实时的静脉血管分割、匹配及三维重建。

一种基于混合匹配策略的皮下静脉三维重建方法，包括以下步骤：