將表面下結(jié)構(gòu)投影到物體表面的制作方法

專利名稱：將表面下結(jié)構(gòu)投影到物體表面的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要與散射紅外光的產(chǎn)生有關。更具體地說，本發(fā)明涉 及到一種用散射紅外光照射物體，并基于反射的紅外光產(chǎn)生物體表面 之下埋藏結(jié)構(gòu)的視頻圖像，然后將該埋藏結(jié)構(gòu)的圖像投影到物體表面 的一種系統(tǒng)。
背景技術：
一些醫(yī)療步驟和療法需要醫(yī)生在病人的胳膊或其它部位找準血 管。這一點可能會比較困難，尤其是當血管比較小和/或血管隱藏在較 厚的皮下脂肪或其它組織之下的時候?，F(xiàn)有的用來幫助找到血管的成 像系統(tǒng)之性能是不足的。因此，需要一種增強皮下血管與周圍組織間的視覺對比度的系統(tǒng)。 發(fā)明內(nèi)容上述的需求和其它需求可以通過一種提供散射光給一個物體， 例如一位病人，以增強皮下血管的能見度的設備而得以滿足。在一個 實施例里，該設備包括一個發(fā)光源陣列。每一個發(fā)光源都能朝向物體 發(fā)射一定波長的紅外光。 一個電源給該陣列供電，當電源接通時，該 陣列發(fā)射出紅外光。該設備還包括一個具有不止一個擴散級的擴散結(jié) 構(gòu)。在自該陣列發(fā)射出來的紅外線穿過擴散結(jié)構(gòu)時，每一擴散級都提 供一個級別的紅外線擴散。在另一個實施例中，披露了一種可提供散射光給物體的設備。 該設備包括一個發(fā)光源陣列，每一光源都能朝向物體發(fā)射出一定波長 的紅外光。 一個電源給該陣列供電。該設備還包括擴散結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu) 為該陣列發(fā)射出的紅外光提供各種級別的擴散。該擴散結(jié)構(gòu)包括一個
緊鄰該陣列布置的第一擴散層。第一擴散層為陣列射出的光提供第一 等級擴散。第二擴散層與第一擴散層隔開，并為陣列射出的光提供第 二等級擴散。包括一個起偏器用于將陣列射出的光偏振化。在另一個實施例里，披露了一種可提供散射光給一個物體的設 備。該設備包括一個光源，用于將紅外光發(fā)射到物體。第一擴散層具 有一個第一擴散平面，截獲來自光源的光，并對光源射出的紅外光提 供第一數(shù)量的散射。該設備包括一個視頻成像裝置，用于接收自物體 反射的光。該視頻成像裝置基于反射光而提供物體的視頻圖像。在另一個實施例里，披露了一種可提供散射光給一個物體的設備。以選定的圖案排列的發(fā)光二極管(LED)組確定了一個LED平面。 每一 LED都具有一個用于朝物體發(fā)射紅外光的發(fā)射表面和一個用于 提供電信號給LED的電輸入端。該設備包括一個控制電路以提供用于 激活一個選定的LED組中的一個或多個LED的控制信號。放置一個擴 散結(jié)構(gòu)以截獲和散射發(fā)射自一個或多個LED的紅外光。使用這里所描述的發(fā)明，使在白光或非擴散性紅外光下很難或 不可能看見的皮下血管在視頻圖像里很容易看得清，此時皮下血管在 周圍肉質(zhì)的較淺背景下呈暗線狀。附加的實施例被展示以顯示照射源、用于觀察被照射物體表面 下的埋藏結(jié)構(gòu)的圖像的成像裝置、以及用于將處理過的圖像投影回 物體表面的投影器的多種不同配置。由于本發(fā)明不同于現(xiàn)有技術，是 將埋藏結(jié)構(gòu)的圖像投影回物體表面(而不是遠離物體表面的屏幕或監(jiān) 視器上)，如果觀察者進行離軸觀察，則使用本發(fā)明的觀察者不會出 現(xiàn)現(xiàn)有技術裝置中會發(fā)生的顯著的視差。換句話說，由于本發(fā)明是投 影到物體表面而不是遠離物體表面的屏幕，所以當觀察者離軸移動時 圖像仍然停留在物體表面的同樣位置。所有實施例的一個重要的特征 是成像裝置所觀察到的埋藏結(jié)構(gòu)的圖像基本上應在投影回物體表面 的圖像的第二光譜之外的第一光譜范圍內(nèi)，從而導致成像裝置看不到 投影回物體表面的圖像。觀察到的埋藏結(jié)構(gòu)的圖像的光譜與埋藏結(jié)構(gòu) 的投影圖像的光譜大體上的不重合有效地減弱了投影圖像對埋藏結(jié) 構(gòu)圖像處理的干擾。因為投影圖像是在第二光譜，如可見光光譜里，
用于成像裝置的物體照射是在第一光譜，如紅外光譜里，所以保持這 兩個光譜的基本不重合。在另一個披露的實施例里，物體可用寬光譜 環(huán)境光照射，而非用主要是第一光譜中的光照射，并且第一光譜帶通 濾光器被放置在成像裝置前面，以移去第一光譜外的所有光譜分量， 從而使成像裝置只能看見物體反射的寬光譜散射光的第一光譜分量。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施例里，當用于醫(yī)療用途來觀察皮下血管時，第一 光譜以紅外光譜最為優(yōu)選。本發(fā)明描述了兩種機構(gòu)來以鏡頭與物體之間的適當距離保持成 像裝置觀察到的埋藏結(jié)構(gòu)的圖像清晰。本機構(gòu)的第一個實施例使用一 對激光指示器從不同角度指向物體，從而只當目標距離成像裝置在恰 當?shù)某上窬嚯x時，這兩個激光指示器才會聚于同一點上。本機構(gòu)的第 二個實施例給投影圖像增加了一個可識別的圖案，如一個文字邊框， 從而使目標物體表面上可識別的圖案僅在目標距離投影器適當?shù)某?像距離時清晰，從而使得目標距離成像裝置的成像距離也適當。本發(fā)明還披露了圖像處理以將不想要的小的假象，如表面毛發(fā) 和其它特征，在投影到物體表面之前從觀察到的埋藏結(jié)構(gòu)的圖像上去 除。本發(fā)明描述了一個校準步驟，其中投影器將綠色目標圖案投影 到熒光屏上，然后熒光屏將投影的綠色目標圖案轉(zhuǎn)化成紅外成像裝置 可見的深紅色光。 一個計算機程序紀錄觀察到的圖案的位置，并計算 用于雙線性變換的校準系數(shù)，以校正成像裝置和投影器之間的放大倍 率、旋轉(zhuǎn)和偏移。 技術層面從技術觀點來講，本發(fā)明提出了一種情形，就是某些醫(yī)療步驟和療法需要醫(yī)生在病人的胳膊或其它部位找準血管。在現(xiàn)有技術里， 這一點可能會比較困難，尤其是當血管隱藏在厚厚的皮下脂肪之下時。用來幫助找到血管的現(xiàn)有的成像系統(tǒng)的性能是不足的。因此，本 發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種設備和方法增強皮下血管和周 圍組織之間的視覺對比度。該問題可通過一種增強物體表面下埋藏結(jié)構(gòu)的能見度的設備來 解決。該醫(yī)療設備包含一個用于接收物體反射的散射光并成像的成像 裝置和一個用于將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到物體表面的視頻投影器。本發(fā)明的技術設想是一種概念上的轉(zhuǎn)變，其使埋藏結(jié)構(gòu)成像， 并使用了具有第一發(fā)出光束的第一激光器和具有第二發(fā)出光束的第 二激光器，所述的第一發(fā)出光束和第二發(fā)出光束彼此不平行，而且它 們相交于距所述設備的期望目標距離處，當所述第一發(fā)出光束和第二 發(fā)出光束的交點位于物體表面上時，所述埋藏結(jié)構(gòu)位于所述成像裝置 的焦點上。結(jié)果，在病人的胳膊或其它部位上找準血管這一艱巨的任 務變得容易許多，因為圖像投影到皮膚上時血管變得可見了。優(yōu)選的，該設備還包括視頻投影器，通過將可見光圖像投影到 物體表面來顯示埋藏結(jié)構(gòu)。根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種對增強物體表面下埋藏結(jié)構(gòu)的 能見度的設備的校準方法。該設備包括 一個成像裝置，用于接收物 體反射的第一光譜范圍之內(nèi)的散射光并產(chǎn)生圖像；和視頻投影器，用 于將埋藏結(jié)構(gòu)在第二光譜范圍之內(nèi)的可見光圖像投影到物體表面，而 所述第一光譜和第二光譜基本上不重合。該方法包括如下步驟將所 述第二光譜里的間隔開的點的圖案投影到在所述第二光譜里發(fā)出熒 光的熒光屏上；觀察所述點的熒光圖案的位置；使用所述觀察到的位 置計算用于雙線性變換的校準系數(shù)；然后用所述雙線性變換以所述校準系數(shù)校正接下來投影的圖像。根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種增強物體表面下埋藏結(jié)構(gòu)的能 見度的方法。該方法包括下列步驟提供一種成像裝置，用于接收物 體反射的散射光；產(chǎn)生接收圖像；然后從接收圖像移去細小的黑暗假 象，同時保留接收圖像里較大的黑暗物體以產(chǎn)生己處理圖像；然后以 可見光譜將己處理圖像投影到物體的表面。優(yōu)選地，該方法還包括在產(chǎn)生已處理圖像之后并在投影已處 理圖像之前，對已處理圖像執(zhí)行自適應邊緣增強。根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及一種增強物體表面下埋藏結(jié)構(gòu)的能 見度的設備。該設備包括 一個成像裝置，用于接收物體反射的散射
光并產(chǎn)生圖像；和一個視頻投影器，用于將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投 影到物體表面，所述投影可見光圖像包括一個獨立于所述埋藏結(jié)構(gòu)的 可識別的附加圖案。優(yōu)選地，該附加圖案是一個文字邊框。根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及另一種增強物體表面下埋藏結(jié)構(gòu)的 能見度的設備。該設備包括 一個成像裝置，用于接收物體反射的散 射光并成像； 一個視頻投影器，用于將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到 物體表面；和一個紅外濾光器，位于所述的成像裝置和物體之間。根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及第三種增強物體表面下埋藏結(jié)構(gòu)的 能見度的設備。該設備包括 一個成像裝置，用于接收物體反射的散 射光并成像； 一個視頻投影器，用于將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到 物體表面；和一個照射源，用于照射埋藏結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述設備中所述成像裝置只接收第一光譜范圍內(nèi)的所 述散射光，且投影到物體表面的所述可見光圖像具有一個基本上與所 述第一光譜不重合的第二光譜。在一個優(yōu)選實施例里，該裝置還包括一個位于所述成像裝置和 物體之間的紅外濾光器。根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及第四種增強物體表面下埋藏結(jié)構(gòu)的 能見度的設備，其中所述埋藏結(jié)構(gòu)被四周環(huán)境光線照射。該設備包括 一個成像裝置，用于接收物體反射的散射光并成像；視頻投影器，用 于將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到物體表面；和一個紅外濾光器，位 于所述成像裝置和所述物體之間。


通過參考優(yōu)選實施例中詳盡的描述，并連同非按比例的附圖一 起考慮時，本發(fā)明的其它優(yōu)點將變得明顯，其中相似的參考符號在下 列附圖里指定代表相似或相近的元件圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例用于觀察紅外光照射 下的物體的一種成像系統(tǒng)；圖2a和圖2b為根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例使用散射紅外光
的一種成像系統(tǒng)的透視圖；圖3和圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的成像系統(tǒng)的橫斷 面視圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的成像系統(tǒng)的功能框圖； 圖6a為根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例使用散射紅外光的一種成 像系統(tǒng)的透視圖；圖6b為圖6a的成像系統(tǒng)的橫斷面視圖；圖7a為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例使用散射紅外光的一種成像 系統(tǒng)的透視圖；圖7b為圖7a的成像系統(tǒng)的橫斷面視圖；圖8為一種成像系統(tǒng)的另一方面的等距視圖；圖9為依照圖8之線A-A的箭頭方向觀察到的一部分成像系統(tǒng) 的前視圖；圖10為依照圖9之線B-B的橫斷面?zhèn)纫晥D；和圖11為一種成像系統(tǒng)的框圖。圖12為本發(fā)明的第三種成像系統(tǒng)的內(nèi)部透視圖。圖13為本發(fā)明的第四種成像系統(tǒng)的內(nèi)部視圖，為便于解釋，一 些部分合在一起顯示。圖14為本發(fā)明的第四種成像系統(tǒng)的圖解視圖。圖15為本發(fā)明的第五種成像系統(tǒng)的內(nèi)部視圖，該成像系統(tǒng)使用 環(huán)境光照射被觀察的物體。圖16a和16b，依次合在一起，是為接收圖像進行去除假象的圖 像處理的程序列表。圖17a、 17b、 17c、 17d和17f，依次合在一起，是接收圖像進 行去除假象圖像處理的〔++編程語言程序列表。圖18為圖解透視圖，顯示一對激光指示器是怎樣被用于定位要 觀察的物體的。圖19為圖解透視圖，顯示本發(fā)明的成像系統(tǒng)的校準步驟。圖20a、 20b和20c為皮下血管投影到覆蓋血管的身體組織之上 的處理過的圖像的照片。
圖21為周圍有文字邊框的投影圖像的照片。圖22為周圍有文字邊框的投影圖像的另一張照片，其與圖21 類似，但圖22里觀察到的物體已經(jīng)移位，用來顯示文字邊框是如何 偏離焦點以顯示該物體的定位不當。圖23顯示的是一個文字邊框圖像，該圖像與一個投影圖像結(jié)合， 一同投影到物體上以確保定位正確。圖24為通過本發(fā)明將表面下血管投影到一只手上的處理過的圖 像，類似于圖20 (省去了文字邊框)和圖21，但顯示了文字邊框是 如何偏離焦點以顯示該物體的定位不當。圖25a和圖25b為計算機列表，顯示了本發(fā)明的成像系統(tǒng)的雙 線性變換的校準系數(shù)解決方法。圖26為〔++編程語言程序列表，使用校準過程中決定的系數(shù)對 觀察到的物體圖像進行運行時校正。
具體實施方式
皮膚和一些其它身體組織反射大約700到900毫微米的近紅外 光范圍的紅外光，而血液則會吸收此范圍內(nèi)的輻射。因此，在紅外照 射下的身體組織的視頻圖像里，血管在周圍肉質(zhì)的較亮背景下看似一 條條的暗線。但由于皮下脂肪的反射本性，隱藏在厚厚的皮下脂肪下 的血管在直射光的照射下(也就是說，光一般從單方向入射)將很難 或不可能看得清。發(fā)明人已經(jīng)確定，當具有厚厚的皮下脂肪的一塊身體組織在近 紅外光范圍內(nèi)在高散射紅外光的照射下成像時，血管和周圍肉質(zhì)之間 的對比度要比在直射紅外光照射下觀察到的要明顯得多。盡管本發(fā)明 不應被任何特殊操作理論所局限，但看起來皮下脂肪反射的散射紅外 光的大部分都朝著遠離觀察的方向。因而，當高散射紅外光被用于照 射組織時，血管和周圍肉質(zhì)之間要求的視覺對比度能得以保持。圖1所示是一個成像系統(tǒng)2，用于使用高散射紅外光照射物體 32，例如身體組織等，以及在物體32反射的紅外光的基礎上產(chǎn)生物 體32的視頻圖像。如這里詳細描述的那樣，當物體32為身體組織時，
隱藏在組織里皮下脂肪下的血管在系統(tǒng)2所產(chǎn)生的視頻圖像里清晰 可見。成像系統(tǒng)2包括一個照射系統(tǒng)10，其使用來自多個不同照射方 向的紅外光照射物體32。系統(tǒng)10包括多個紅外光源10a-10f，每一 光源都從不同的照射方向提供紅外光給物體32。紅外光從每一光源 10a-10f入射的方向在圖1中通過射線4a-4f來描述。如圖1所示， 紅外光的入射方向從垂直于或近似垂直于物體32表面到平行于或近 似平行于物體32表面的范圍之間變動。由于紅外線入射到物體32 的方向范圍很廣，因而紅外照射為高散射的。如下文所詳細描述的那樣，光源10a-10f優(yōu)選地為光反射表面， 該表面將光從單光源引導到物體32。在其它實施例里，光源10a-10f 為單個光源或光源和反射器的組合。成像系統(tǒng)2還包括一個成像裝置38，例如一個攝像機，用于觀 察物體32。成像裝置38從圖1中箭頭6所示方向觀察物體32。 成 像裝置38接收物體32反射的散射紅外光，并在反射紅外光的基礎上 產(chǎn)生物體32的電子視頻圖像。圖2a和2b所示為照射系統(tǒng)10的一個優(yōu)選實施例。圖3描繪的 是對應于圖2a和2b所示斷面A-A的系統(tǒng)10的橫斷面視圖。系統(tǒng)10 在優(yōu)選實施例里包括一個將光發(fā)射到光擴散結(jié)構(gòu)14一端的光源12。 光擴散結(jié)構(gòu)14包括一個具有反射內(nèi)表面的延伸外殼16。在優(yōu)選實施 例里，延伸外殼16的內(nèi)表面為白色?；蛘?，這些反射表面為鏡面， 或白色和鏡面的混合。正對光源12的光擴散結(jié)構(gòu)14的端部為一個中 空導光管22。如下文會詳細描述的那樣，導光管22用作散射光的輸 出孔。延伸外殼16包括第一和第二部件16a和16b，每一部件都具有 一個大端和一個小端。更理想地，第一和第二部件16a和16b大體上 為金字塔形，每一個都有四個梯形面。在較優(yōu)選實施例里，它們的四 個梯面相同，從而在16a和16b的每一端都形成一個方形孔。如圖 2a和2b所示，第一和第二部件16a和16b的較大端連在一起形成外 殼16。
第一部件16a的小端為一個輸入孔18，由部件16a的四個梯面 的四條短邊形成。光源12優(yōu)選地在輸入孔18連接到第一部件16a 的小端。因此，光源12產(chǎn)生的光在輸入孔18進入延伸外殼16，照 射外殼16的內(nèi)表面。第二部件16b的小端為一個輸出孔徑20，由部件16b的四個梯 面的四條短邊形成。連接在輸出孔20上的是一個中空導光管22的一 端。導光管22在優(yōu)選實施例里為白色反射內(nèi)表面，與外殼16的內(nèi)表 面相似。系統(tǒng)10還包括一個延伸的內(nèi)反射器24，其被放置在外殼16里， 且最好與外殼16同軸。為清晰起見，內(nèi)反射器24在圖2b里顯示為 從外殼16中移去。在優(yōu)選實施例里，內(nèi)反射器24由一個方筒形部件 24a連接到一個金字塔形部件24b的方底形成。更理想地，金字塔形 部件24b有四個面呈塔狀逐漸接近相交于頂點。如圖3所示，金字塔 形部件24b的頂點靠近外殼16的輸入孔18。內(nèi)反射器24具有白色 的反射外表面，類似于外殼16的內(nèi)表面。結(jié)構(gòu)14的光擴散特性借助于圖3可很好理解。光源12里面是 一個燈26，例如一個石英卣素燈泡和Gilway制造的型號為L517A-G 的鍍金反射器。當通電時，燈26發(fā)出白光，產(chǎn)生電磁輻射。為了更好地描述，燈26可以被想象成一個點光源，發(fā)出多個方 向的光線，如示例射線28和30所表現(xiàn)的那樣。如圖3所示，射線 28從外殼16的部件16b的內(nèi)表面反射。然后，射線28穿過輸出孔 20，進入導光管22，然后經(jīng)過導光管22的內(nèi)表面的多次反射后，從 出口孔23射出。射線30自光源12處以不同于射線28的角度射出， 經(jīng)過內(nèi)反射器24反射。射線30經(jīng)外殼16的部件16b的內(nèi)表面反射， 然后穿過輸出孔20，進入導光管22。經(jīng)過導光管22的內(nèi)表面的多次 反射之后，射線30從出口孔23射出，但角度與射線28的不同。當物體32被放置在出口孔23附近時，射線28和30從不同角 度射入物體32。最理想的是，從光源12處射出的光線可以被描述為 無數(shù)條從內(nèi)反射器24和外殼16的內(nèi)表面以無數(shù)個不同角度反射的射 線。因此，從出口孔23射出的光線從許多不同角度射到物體32，成 為高散射光。這些射入的角度從近似垂直直到近似平行于出口孔23的平面的范圍之間變動。由于擴散結(jié)構(gòu)14為三維的，光也可從外殼 16和內(nèi)反射器24的其它表面反射，例如與圖3所示表面垂直的表面。 因而，從照射系統(tǒng)IO的出口孔23射出的光線為高散射光，看似是從 許多不同的光源發(fā)出。由于外殼16的反射內(nèi)表面和內(nèi)反射器24的反射外表面的排列， 擴散結(jié)構(gòu)14有效地將燈26射出的光線傳遞到出口孔23。因此，燈 26射出的相當大一部分的光線都到達物體32，光能浪費很少。如下文詳細描述的那樣，照射系統(tǒng)10可被用于提供醫(yī)學成像所 用的散射光。但是，本發(fā)明的范圍不僅僅局限于醫(yī)療用途。系統(tǒng)10 也可以被用作一個散射光源，用于一般的攝影目的。在一個優(yōu)選實施例里，如圖3所描繪的那樣，光源12包含一個 冷光反射鏡34，其被置于燈26和外殼16的輸入孔18之間。冷光反 射鏡34大體上反射波長在選擇的紅外線波長范圍之外的所有光線。 優(yōu)選的是，所選擇的范圍包括700到1000毫微米的波長。緊靠著冷 光反射鏡34，置于冷光反射鏡34和輸入孔18之間的是一個紅外透 過濾光器36，該濾光器進一步減弱波長在所選擇的紅外范圍之外的 光線，而讓波長在所選擇的紅外范圍之內(nèi)的光線通過。因此，穿過冷 光反射鏡34和濾光器36繼而進入外殼16的光線為波長在所選擇的 紅外范圍之內(nèi)的紅外光。應該注意的是其它方式亦可以用來將光源12設定為產(chǎn)生紅外 光。例如，光源12可包含一個紅外發(fā)光二極管(LED)或一個紅外發(fā)光 二極管的陣列。因此，圖3所示和上面所描述的光源12的配置只是 一個優(yōu)選實施例，本發(fā)明對光源12的任何特殊配置均沒有限制。圖4描述的是照射系統(tǒng)10的一個優(yōu)選實施例的尺寸規(guī)格。如圖 4所示，光擴散結(jié)構(gòu)14的總長度大約是34.82英寸。第一和第二部 件16a和16b的接合點處的外殼16的高度和寬度大約是10. 04英寸。 導光管22的優(yōu)選長度大約是14.00英寸，高度和寬度大約是5.08 英寸。在優(yōu)選實施例里，內(nèi)反射器24的總長度大約是15.86英寸。 內(nèi)反射器24的管狀部件24a的優(yōu)選長度大約是7. 93英寸。管狀部件 24a的高度和寬度大約是3. 5英寸。光源12的高度和寬度大約是2. 11 英寸。如圖4所示，本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例包括一個基于物體32反 射的散射光連同視頻成像裝置38 —起產(chǎn)生視頻圖像的鏡頭40。該實 施例的成像裝置38優(yōu)選地為一個電荷耦合器件(CCD)攝像機38，由 Cohu制造，型號為631520010000。而該優(yōu)選實施例的鏡頭40是一個 25毫米的f-0. 95電影攝影機鏡頭，由Angenieux制造。優(yōu)選實施例的攝像機38和鏡頭40置于內(nèi)反射器24的管狀部件 24a內(nèi)。如圖4所示，管狀部件24a的開口端形成了一個孔，而攝像 機38和鏡頭40須對準該孔。這樣的話，中空導光管22大體上位于 攝像機38的視野中央。因此，攝像機38接收物體32反射的光線， 該光線進入導光管22，穿過外殼16，繼而進入部件24a的開口端。如圖4所示，本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括一個紅外透過濾光器42， 其置于管狀部件24a的開口端。該濾光器42接收物體32反射的光線 以及任何其它可以進入外殼16的光線，且大致上排除了波長在約700 到1000毫微米的紅外線范圍之外的所有光線。在優(yōu)選實施例里，濾 光器42大體上排除了波長約在800到850毫微米的所選紅外線范圍 之外的光線。因此，穿過濾光器42進入鏡頭40的光線為所選擇的波 長范圍之內(nèi)的紅外光。因而，攝像機38主要接收來自于照射系統(tǒng)10 的紅外光和物體32所反射的紅外光?；谖矬w32反射的光線，攝像機38產(chǎn)生了一個以電子視頻信 號的形式表達的物體32的視頻圖像。如圖5所示，該視頻信號優(yōu)選 地被提供給一個圖像增強板44，如DigiVision制造的型號為 ICE-3000的板。板44基于來自攝像機38的視頻信號產(chǎn)生一個增強的視頻圖像信號。該增強的視頻圖像信號被提供給一個視頻采集顯卡 46，如Miro制造的一個型號為20-TD的Live卡?？?6仍采集來自圖像信號的可能被以數(shù)字格式存儲在一個數(shù)字存儲設備上的靜態(tài)圖 像?？?6也可以對視頻圖像信號進行格式編排以便在視頻監(jiān)視器48 上進行實時顯示。照射系統(tǒng)IO可以使用其它方法產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的散射紅外光。
例如，圖1的光源10a-10f可通過環(huán)形光閃光燈實現(xiàn)?；蛘?，可以使 用一個圓形陣列的發(fā)光二極管來照射置于物體32表面附近的一個塑 料擴散器。在后面的實施例里，光源10a-10f對應該陣列里的單個發(fā) 光二極管。在圖6a和6b所描述的本發(fā)明的另一實施例里，成像系統(tǒng)2包 括一個視頻投影器50，用于用物體32的圖像照射物體32，以增強物 體32較亮區(qū)域和較暗區(qū)域之間的視覺對比度。如美國專利編號為 5， 969， 754，名稱為對比度增強照射裝置(Contrast Enhancing Illuminator)的專利(內(nèi)容并入本文參考)所描述的那樣，當物體的 投影可見光圖像的部分與物體相應的部分重疊時，該物體的特征對于 觀察者來講在視覺上增強了。重疊的可見光圖像使得該物體較亮的部 分看起來更亮，而較暗的區(qū)域則沒有變化。圖6a和6b所示的本發(fā)明的實施例以類似于之前描述的方式將 散射紅外光(以射線52表示)提供給物體32。然而，在圖6a和6b 所示的實施例里，照射光的路徑被折疊，導光管22的出口孔23相對 于圖l-3所示出口孔旋轉(zhuǎn)90度。如圖6b所示， 一個分光器，如一個熱鏡54，接收來自光擴散結(jié) 構(gòu)14內(nèi)部的紅外光52，并將紅外光52反射到導光管22里并朝向物 體32。熱鏡54也接收物體32的一個紅外光圖像(以射線56表示)， 并將其反射到攝像機38。熱鏡54接收來自投影器50的可見光圖像 (以射線58表示)，并將其傳輸?shù)綄Ч夤?2里并朝向物體32。如美國專利編號為5,969,754的專利里更加詳細的描述那樣， 來自攝像機38的視頻輸出信號被當作視頻輸入信號提供給投影器 50。基于視頻輸入信號，投影器50將物體32的可見光圖像58投影 到熱鏡54。熱鏡54接收可見光圖像58，并將其傳輸?shù)綄Ч夤?2里 朝向物體32。通過適當?shù)卣{(diào)準來自投影器50的投影可見光圖像58 和通過攝像機38所檢測到的物體32的紅外線圖像56，投影的可見 光圖像58的部分與物體32相應的部分重疊。當物體32為身體組織時，本發(fā)明被用于找準身體組織里的皮下 血管，該血管在投影的可見光圖像58里看起來像是一條條的暗線。 因此，當可見光圖像58被投影到身體組織上時，皮下血管直接位于投影可見光圖像58里的暗線之下。如此一來，本發(fā)明大大提高了醫(yī) 生找準皮下血管的能力，同時將病人的不適感降到最低。圖7a和7b描述的是本發(fā)明的另一個實施例以作為一個對比度 增強照射裝置使用。圖7a和7b的實施例按與圖6a和6b的實施例類 似的方式操作。但是，在圖7a和7b的實施例里，攝像機38置于光 擴散結(jié)構(gòu)14的外面。為適應攝像機38的不同位置，圖7a和7b所示 熱鏡54相對于圖6a和6b中熱鏡的位置順時針旋轉(zhuǎn)90度。另外，熱 鏡54具有與上面所描述的根據(jù)圖6a和6b的功能相似的功能。為適 應不同的攝像機位置，紅外透過濾光器42被安裝在導光管22的壁上。 本實施例提供有一個反射面板60，以進一步將光從光源12傳輸?shù)綄?光管22里和出口孔23處。在優(yōu)選實施例里，面板60為一個具有一 個孔的扁平反射片以允許光線在物體32和攝像機38以及投影器50 之間通過。一個相對小型且可靠的成像系統(tǒng)70的一個優(yōu)選實施例在圖 8-11里有描述。成像系統(tǒng)70優(yōu)選地被配置為用于照射物體71，如身 體組織之類，并基于物體71反射的紅外光產(chǎn)生物體71的視頻圖像。 成像系統(tǒng)70在優(yōu)選實施例里包括一個將系統(tǒng)70的成像部件含在內(nèi)的 機架72。如圖8所示，機架72最好具有一個大體為矩形的構(gòu)造。機架72 在優(yōu)選實施例里長度大約在3到5英寸之間，寬度大約為3.5英寸。 所屬領域的技術人員會聯(lián)想到成像系統(tǒng)70可以以多種方式配置，而 且本發(fā)明不應受任何特殊例子或這里討論的實施例所限制。例如，在 圖8里，機架被描述成矩形，但是，圓形、多邊形和其它幾何結(jié)構(gòu)和 大小也是可行的。成像裝置74 (比如一臺配有鏡頭75的攝影機)和視頻處理組件 都處在機架72內(nèi)。成像裝置74和視頻處理組件能夠檢測紅外光，并 處理來自物體71的被檢測紅外光。成像系統(tǒng)74基于物體71所反射 的被檢測紅外光生成一個圖像，如同這里描述的一樣。如圖8與9 所示，成像裝置74優(yōu)選地安裝于安裝壁78的一個孔76之內(nèi)，鏡頭
75伸入機架內(nèi)部77，如以下進一步描述。更具體地說，攝像機74 最好是在中央并且平行地安裝于機架72之內(nèi)。該優(yōu)選的攝像機對稱 位置旨在將攝像機所檢測的光的量減少到最小，改善系統(tǒng)70所生成 的圖像，從而改善分布在身體組織內(nèi)皮下脂肪之下的血管的照射。在最佳實施例中，機架72包含多個能夠?qū)碜韵到y(tǒng)70的散射 光傳輸?shù)轿矬w71的組件。箭頭80代表系統(tǒng)70所傳輸?shù)纳⑸涔?。?頭82代表物體71所反射的散射光。如圖9所示，以沿圖8斷面線 A-A的箭頭方向觀測，壁78包含多個分布于LED陣列85中的用于發(fā) 出紅外光的紅外發(fā)光二極管(LED) 84。 LED陣列85定義了一個LED 參照面。通電之后，每一個LED 84優(yōu)選地以大約740毫微米(nm) 的波長傳輸光。在優(yōu)選實施例中，每一個LED 84由奧地利的Roithner Lasertechnik制造，型號為ELD-740-524。如圖10所示，并根據(jù)優(yōu)選實施例，LED84被安裝于一個靠近壁 78的電路板86上。如圖9所示，在最佳實施例中，共有八組LED84 的組92、 94，同心地布置在成像系統(tǒng)74周圍。LED的同心布置旨在 保證來自系統(tǒng)70的散射光的最大散透射。更佳的，每一LED84的組 92、 94至少包含十個LED 84。但是，根據(jù)系統(tǒng)70的一個實施要求， 在某一組內(nèi)也能包括更多或較少數(shù)量的LED。而且，系統(tǒng)70能在LED 陣列85內(nèi)包括更多或較少的LED組。繼續(xù)參照圖9，在LED陣列85的角區(qū)96處共有四個LED 84的 組92。在最佳實施例中，LED陣列85的每一個角區(qū)96內(nèi)至少布置了 15個LED 84。在LED陣列85的側(cè)區(qū)98內(nèi)優(yōu)選地布置有四個LED 84 的組94。每一個側(cè)區(qū)98大體上位于每一個角區(qū)94之間。在最佳實 施例中，LED陣列85的每一個側(cè)區(qū)98內(nèi)至少布置10個LED 84。如上所描述的，在最佳實施例中，LED陣列85布置在電路板86 之上。結(jié)合控制系統(tǒng)90，電路板86包括控制電路，其控制在LED陣 列85內(nèi)的LED 84的某一組或幾組92、 94之內(nèi)的一個或多個LED 84 的激活狀態(tài)。如圖ll中框圖所示， 一電源88和一控制系統(tǒng)90 (比 如一臺微處理器或類似控制裝置)被電連接到電路板86上。另外， 亦可以不使用控制系統(tǒng)90來控制LED,也就是可以將電源88切換到"開"或"關"，以激活或關閉LED陣列85。此外，脈沖調(diào)制技術 也可結(jié)合到電源88來根據(jù)需要的占空比激活或關閉LED陣列85內(nèi)的 一個或多個LED 84。如圖ll的框圖所示，在成像系統(tǒng)70的一個優(yōu)選實施例中，LED 陣列85通過電路板86電連接至電源88和控制系統(tǒng)90。控制系統(tǒng)90 包括控制LED陣列85將紅外光發(fā)至物體71的控制部件。如這里所述， 控制系統(tǒng)90能夠激活一組或多組LED陣列85內(nèi)的一個或多個LED 84 來持續(xù)或間歇地發(fā)出光。也就是能夠選擇并控制一個LED 84或多個 LED 84向物體71持續(xù)或間歇地發(fā)出紅外光。因此，系統(tǒng)70可被配 置為從各種排列和組合的LED 84禾B/或LED組92、 94的LED陣列來 傳輸紅外光?，F(xiàn)在請參照圖IO，第一散射層100布置在鄰近LED陣列85內(nèi)的 LED 84的發(fā)光面102處。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，第一散射層100用 例如已知的粘合劑等粘合到LED陣列85的發(fā)光面102之上，從而將 LED陣列85內(nèi)一個或多個LED84所發(fā)出的光擴散。在最佳實施例中， 第一散射層100為一個全息20度散射體，比如由加利福尼亞托蘭斯 的 Physical Optics Corporation 制造的、標識碼為 LSD20PC10-F10xlO/PSA的產(chǎn)品。在最佳實施例中，第一散射層100 長度大約為3. 5英寸，寬度大約為3. 5英寸，厚度大約為0. 10英寸。 當激活LED陣列85內(nèi)的一個或多個LED84時，第一散射層100擴散 來自LED陣列85的紅外光，從而向所發(fā)紅外光提供第一散射量。圖10所示為機架72的內(nèi)表面104。在最佳實施例中，內(nèi)表面 104涂覆有反射涂層，比如白色油漆或類似產(chǎn)品等，以反射和進一步 擴散第一散射層100所生成的己散射的光。繼續(xù)參照圖10，第二散 射層106與第一散射層間隔距離LDD。在最佳實施例中，第一和第二 散射層100和106之間的距離LDD大約為3英寸。在最佳實施例中， 第二散射層106為一全息20度散射體，與如上描述的第一散射層100 相似或相同。第二散射層106的優(yōu)選長度大約為3. 5英寸，寬度大約 為3.5英寸，厚度大約為0. IO英寸。第二散射層106進一步擴散內(nèi)表面104所反射和第一散射層100
所提供的已散射光。如圖8所示，第一和第二散射層大體上是平面的，即每一個層100和106都定義了一個平面幾何形狀。根據(jù)最佳實施例， 第一和第二散射層100和106所定義的平面大體上是相互平行的。散 射層100、 106的優(yōu)選平行平面布置旨在當激活一個或多個LED 84 時，促進從系統(tǒng)70發(fā)射出可計量和統(tǒng)一數(shù)量的散射光。繼續(xù)參照圖10， 一基底材料108，比如以LUCITE商標銷售的由 威爾明頓的DuPont制造的LUCITE (盧塞特樹脂)材料，布置成與第 二散射層106相鄰。在最佳實施例中，基底材料厚度大約為0.125 英寸。 一可見偏光器110布置成與基底材料108相鄰?？梢娖馄?110最好為位于伊利諾斯州弗農(nóng)山的Visual Pursuits制造的產(chǎn)品， 部件號為VP-GS-12U，厚度大約為0.075英寸。因此，隨著發(fā)射光穿過第一散射層100，在第一隔室72a的內(nèi)表 面104反射，并繼續(xù)穿過第二散射層106、基底材料108和偏光器110， 系統(tǒng)70可產(chǎn)生不同等級的擴散。因此，所發(fā)出光通過第一散射層100 之后就會產(chǎn)生一個散射等級。從第一隔室72a的內(nèi)表面104反射第一 散射層100所提供的散射光時就會產(chǎn)生另一個散射等級。而在散射光 通過第二散射層106之后就會再產(chǎn)生一個散射等級。如圖8所示，可見偏光器IIO優(yōu)選地能包括一個中心部分112， 該中心部分112優(yōu)選的是直徑大約為1英寸的圓形。中心部分112 在最佳實施例中與攝像機鏡頭75的形狀和尺寸是一致的。優(yōu)選的情 況下，中心部分112的偏光相對于偏光器110的周邊區(qū)域114的偏光 大約旋轉(zhuǎn)90度。在優(yōu)選實施例中，鏡頭75接觸到基底材料108。如 圖8所示，鏡頭75在機架70中的位置優(yōu)選地與偏光器110的中心部 分112 —致或與之共中心軸。偏光器110的中心部分112與鏡頭75 的正面一致，該中心部分112旨在去掉所生成的攝像機圖像中的任何 表面眩光("鏡面反射")。如圖IO所示，基底材料108和可見偏光器IIO具有平坦表面， 其優(yōu)選地包括相對于第一和第二散射層100、 106定義的平面的類似 的平面取向。根據(jù)一個最佳實施例，第一散射層100、內(nèi)表面104、 第二散射層106、基底材料108和可見偏光器110確定了一個向物體71提供散射光的散射系統(tǒng)116 (圖10)。所述擴散結(jié)構(gòu)也可包括更 多或更少數(shù)量的組件，且本發(fā)明不限于這里所披露的特定例子或?qū)嵤├?。比如，散射系統(tǒng)116可包括第一或第二散射層100、 106之一而 具有或不具有偏光器llQ，或者可包括第一和第二散射層100、 106 二者但不具有偏光器110。一旦激活，系統(tǒng)70會向物體71輸送散射光80，并使用成像系 統(tǒng)74生成物體71的視頻圖像，如上述的那樣。更具體的， 一旦電源 88被啟動，LED陣列85內(nèi)的一個或多個LED84會從發(fā)光面102發(fā)出 紅外光。第一散射層100向所發(fā)出的紅外光提供第一數(shù)量的散射。內(nèi) 表面104進一步擴散從第一散射層100發(fā)出的散射光。第二散射層 106進一步擴散所述已散射光，該已散射光在照射物體71之前將穿 過基底材料108和偏光器。如上所描述的，物體71反射所發(fā)出的散 射光80來生成被成像系統(tǒng)74所捕獲的被散射的反射光82。然后， 成像系統(tǒng)74生成物體71的視頻圖像。因此，根據(jù)一個特殊散射提供 系統(tǒng)70發(fā)出的散射光，系統(tǒng)70幫助在物體71的不同材料特性之間 進行定位和區(qū)分，比如在血管和組織之間。從先前的描述和附圖中，所屬領域的技術人員可以很容易知曉， 在本發(fā)明的各個實施例中可以作一些修改和/或改變。比如，可以調(diào) 整第一或第二散射層100和106定義的平面使其不互相平行，從而提 供來自系統(tǒng)70的不同等級的散射光。而且，LED陣列85所確定的平 面在最佳實施例中大體與第一散射層100所定義的平面相平行。但 是，可以變更LED陣列85與第一散射層IOO所定義的平面以適應不 同的工作條件，而所屬領域的技術人員應了解這一點。相應地，希望 強調(diào)的是先前的描述和附圖僅對各個優(yōu)選實施例進行解釋說明，但并 不限于這些。本發(fā)明真正精神和范圍應參照附上的權利要求來確定。圖20a、 20b和20c是測試對象的圖片，顯示皮下血管的處理圖像被投影到覆蓋所觀測血管的每一個對象的身體組織的表面之上?，F(xiàn)在將描述其他的附加實施例，顯示照射源、觀測被照射物體 表面之下埋藏結(jié)構(gòu)圖像的成像裝置、以及將處理圖像投影到物體表面 之上的投影器的各種配置。本發(fā)明的所有實施例都有很多相同的結(jié)構(gòu)
特征，只有構(gòu)造之間的不同之處需要詳細討論，因此，所有實施例的 類似結(jié)構(gòu)特征都具有類似的功能。所屬領域的技術人員應很容易就能 認識到出現(xiàn)在本發(fā)明的所有實施例中的類似結(jié)構(gòu)特征。因為本發(fā)明與現(xiàn)有技術的不同處在于將埋藏結(jié)構(gòu)的圖像投影到物體的表面之上(而非投影到遠離物體表面的屏幕或顯示器之上)， 所以如果觀察者從離軸的角度進行觀察，則使用本發(fā)明的觀察者不會 出現(xiàn)現(xiàn)有技術裝置將會產(chǎn)生的顯著的視差。所有實施例的一個重要的 特征是成像裝置所觀察到的埋藏結(jié)構(gòu)的圖像大體上應在投影回物體 表面的圖像的第二光譜之外的第一光譜范圍內(nèi)，從而導致成像裝置看 不到投影回物體表面的圖像。觀察到的埋藏結(jié)構(gòu)的圖像的光譜與埋藏 結(jié)構(gòu)的投影圖像的光譜的大體上不重合有效地減弱了投影圖像對埋 藏結(jié)構(gòu)圖像處理的干擾。因為投影圖像是在可見光譜內(nèi)，用于成像裝 置的物體照射是在紅外光譜內(nèi)，因此保持這兩個光譜的實質(zhì)不重合。 在另一個披露的實施例里，與使用主要在紅外光譜中的光照射物體不 同的是，可以用寬光譜環(huán)境光照射物體，并將紅外濾光器放置在成像 裝置前面，用于移去紅外光譜外的所有光譜分量，從而使成像裝置只 能看見物體反射的寬光譜散射光的紅外分量。成像系統(tǒng)的第三個優(yōu)選實施例130如圖12所示。如同在所有實施例中的一樣，這里使用了近紅外光來照射公知的帶鏡頭132的CCD 攝像機作為成像裝置。如之前對早先實施例所描述的那樣，第二偏振 濾光器134介于CCD攝像機和被觀測物體的反射光之間，從而減少從 物體表面的鏡面反射。在下文對如圖13和14所示的成像系統(tǒng)的第四 個實施例的討論中，對通常全部位于136的照射源、第一偏振濾光器、 全息照射散射環(huán)以及光中性玻璃蓋板進行最佳的說明，而它們都具有 如橫截面中所示的相同結(jié)構(gòu)136。如同所有實施例一樣，第三個優(yōu)選實施例包括一個眾所周知的 視頻投影器138或所謂的"光引擎"，在檢查時將可見圖像投影到物 體0之上。視頻投影器138的一個理想特征在于高輸出光強度，因為 投影器的光輸出強度是在正常室內(nèi)照射下觀測投影圖像效果的決定 性因數(shù)。視頻投影器138包括一個高強度綠色LED光源，將光射入眾 所周知的棱鏡組件142，從而通過棱鏡組件142的內(nèi)反射造成發(fā)出光 的折疊，并向后引向眾所周知的數(shù)字光處理(DLP)裝置144，亦叫 做數(shù)字微鏡器件(DMD)，其具有一緊密的小型微鏡陣列，能個別地 轉(zhuǎn)換反射光束的方向，以使光束通過眾所周知的投影鏡頭146導向目 標物體，或使光束不能導向目標物體，從而以所屬領域的技術人員眾 所周知的方式逐像素地轉(zhuǎn)變發(fā)出光束的方向。應了解到，棱鏡組件 142容許成像系統(tǒng)的各個實施例采用更緊湊的設備，視頻投影器所屬 領域的技術人員都了解此種棱鏡組件的使用。如同先前描述的實施例， 一個眾所周知的所謂的"熱鏡"148 以45度布置，以截取被觀測物體所反射的紅外光，并將紅外光向下 反射到攝像機132。"熱鏡"148針對較長波長的光(比如紅外光) 用作反射鏡，而對于較高頻率的光(比如來自投影器138的綠光)則 沒有反射地通過并朝向被觀測物體。成像系統(tǒng)130還有第一和第二激光器150、 152，以確保正確定 位目標，以便攝像機132聚焦觀測，如下文所描述的那樣?，F(xiàn)在參照圖13和14，對本發(fā)明的成像系統(tǒng)的第四個實施例154 進行解釋。第四實施例154被安裝在一個從一移動式手推車158向上延伸 的柱子156上，以保證成像系統(tǒng)154能夠容易運送。 一精確調(diào)焦平臺 160保證成像系統(tǒng)154能夠被升高或降低以在目標物體0上準確定 位。如同所有實施例中一樣，視頻投影器162配有一個525nm綠色 LED照射源("光子引擎")164，用作照射DMD/DLP芯片166。第四 實施例所使用的一臺合適光子引擎164是Teledyne Lighting型號為 PE09-G的照射器，輸出強度為85流明。匿D芯片166可以是Texas Instruments部件號0. 7SVGA SDR的DMD芯片，分辨率為848X600 像素，鏡面傾斜角度為IO度，幀頻為30Hz。眾所周知的棱鏡組件168， 在內(nèi)部將來自光子引擎164的光反射到DMD芯片，并隨后朝向物體O。 DMD芯片166受一個眾所周知的驅(qū)動電子板167的控制，該驅(qū)動電子 版可由Optical Sciences Corporation制造。布置在光子引擎164和棱鏡組件168之間的是一聚光透鏡170， 比如BK7 Bioconvex透鏡，其部件號為013-2790-A55，由OptoSigma 銷售，其具有針對425-675nm光的BBAR/AR表面涂層。投影器的光來 自棱鏡組件168，通過眾所周知的投影透鏡172，即Besler部件號為 8680的介質(zhì)格式放大器鏡頭，然后穿過眾所周知的"熱鏡"(高通 濾光器)174，其將來自物體O的接收紅外光圖像反射入第二偏振濾 光器178,然后到達攝像機176。 一合適的攝像機176是Firefly攝 像機，其由Point Grey Research銷售且部件號為FIRE-BW-XX，其 使用部件號為索尼ICX084AL的640X480 CCD芯片，它能夠通過一個 IEEE-1394 ("火線")接口將圖像傳送到計算機("CPU" ) 180。 應注意，計算機180有很多接口信號181，可以以所屬領域的技術人 員眾所周知的方式與成像系統(tǒng)通信。如第三實施例簡要提及的那樣， 第四實施例也有第一和第二激光器150、 152，確保準確定位目標O， 以便攝像機176聚焦觀測。如同圖12所示的第三實施例130，并參照圖12、 13與14，第 四實施例154有一個組件136，其包括紅外光照射源182、第一偏振 濾光器184 (其為有一中心孔的環(huán)形，從而不會影響來自投影器162 的投影圖像或物體的觀測圖像)、全息照射散射環(huán)186 (同樣有一中 心孔，以便來自投影器162的投影圖像或物體的觀測圖像通過，并擴 散來自LED190的光)、以及光中性玻璃蓋板188。紅外光照射源182 是優(yōu)選地布置成一個特定式樣的一組LED,比如一個有一中心孔以便 投影圖像和被觀測物體的圖像通過的圓環(huán)。LED優(yōu)選的是照射物體0 的740nra近紅外LED190，研究己經(jīng)證明，這種結(jié)構(gòu)為物體O的良好 照射提供了充足的散射紅外光。參照圖15，現(xiàn)在解釋本發(fā)明的成像系統(tǒng)的第五個實施例192。 第五實施例與其他實施例的重大區(qū)別在于，第五實施例沒有提供一個 照射物體的整體散射紅外光源(比如，帶LED190環(huán)的照射源182)， 但是卻觀測由光譜比之前披露的整體散射紅外光照射源更寬的環(huán)境 光L (或太陽光S)所照射的物體。雖然環(huán)境光有一些紅外光譜分量 并且相當?shù)姆稚ⅲ@些紅外光譜分量的強度通常比之前披露的散射照 射光源所生成的紅外光更低。因此，本實施例要求更好(即更靈敏)
的圖像裝置攝像機，光學性能要比之前描述的實施例更佳。就像其他實施例，第五實施例192包括視頻投影器162，其包括 一個綠色"光子引擎"164、棱鏡組件168、投影透鏡172以及DMD 芯片166。為允許緊湊的設計，如同其他實施例，第五實施例192包 括一個折鏡194，其能在投影器內(nèi)在光子引擎164和棱鏡組件168之 間以直角折疊光束。如同其他實施例，第五實施例192包括一個"熱 鏡"174。第五實施例192也有一個紅外濾光器196，其被插在成像裝置 (攝像機198)和物體0之間的光路中，以濾掉除攝像機198所觀測 的圖像的紅外分量以外的全部分量。攝像機198優(yōu)選的是Basler CMOS攝像機，型號為A600-HDR，由德國Basler Vision Technologies 制造，其有一個IEEE1394 ("火線")接口，能保證捕獲高達112dB 動態(tài)范圍的圖像。第五實施例的一個優(yōu)點在于，它能夠(并且應該) 用于光亮照明的室內(nèi)。實驗測試顯示，有些人的手臂或腿被表面毛發(fā)覆蓋，以致難于 清楚地看到被投影到皮膚表面之上的投影皮下構(gòu)造。調(diào)查顯示，所有 的毛發(fā)，甚至是白發(fā)，在近紅外光中看起來也是黑色的。因此，對所 接收的圖像進行圖像處理，以便去掉小而暗的假象，比如毛發(fā)，同時 保留接收圖像里較大的黑暗物體，以保持靜脈的能見度。圖16a與 16b依次合在一起，是接收圖像進行去除假象圖像處理的程序列表。 執(zhí)行同樣的假象去除程序兩次，然后執(zhí)行一個眾所周知的適應性邊緣 改善程序，比如模糊掩蓋銳化處理，再接下來平滑處理由毛發(fā)去除所 生成的圖像假象。程序列表已被很好的注釋，能向所屬領域的技術人 員解釋用于圖像的圖像處理步驟。在范圍(0…255)內(nèi)具有整數(shù)像素值的接收圖像被轉(zhuǎn)換為0.0 和1.0之間(含)的浮點值。然后，使用具有8像素的西格馬的高斯 巻積將結(jié)果圖像轉(zhuǎn)換為平滑(模糊)圖像。這是相當小的西格瑪值， 在平滑的結(jié)果圖像中留下一些小特征，比如細毛發(fā)。 一個"差值圖像" 被生成，其系原始圖像減去高斯法平滑圖像得到的，從而生成一個從 -l.O到1.0的零中心值集。毛發(fā)，甚至是白發(fā)，在近紅外光中看起
來也是黑色的，所以像素負值顯示是毛發(fā)，這些負值像素因此被來自 高斯法平滑圖像的相應像素替換。這是接收圖像處理的第一步驟。其 次，創(chuàng)建一個值陣列，將原始"差值圖像"為負值所在的所有像素位 置("毛發(fā)"位置)設置為1.0，所有其他像素位置設置為零，從而 創(chuàng)建一個由0. 0或1.0值組成的陣列，而每一個"毛發(fā)像素"有一個 值l.O，所有其他像素具有一個零值。原始圖像("圖像l")，其有從O.O到l.O的像素值，在每一個"毛發(fā)像素"位置增加0.015。 因為這是一種高度非線性操作，因此如果相當小，增加量只有1.5%。再次執(zhí)行同樣的操作設置(用8像素的西格馬進行高斯法平滑、 創(chuàng)建一個差值圖像、確認負值像素的位置、并增加負值像素所在位置 的圖像)，然后使用具有64像素的西格馬的高斯巻積再次平滑結(jié)果 圖像。創(chuàng)建第三差值圖像，其系原始圖像減去高斯法平滑圖像所得； 在第三差值圖像內(nèi)創(chuàng)建一個從每一個像素的絕對值開始形成的圖像。 然后，使用具有64像素的西格馬的高斯巻積再次平滑生成的絕對值 圖像；然后，用平滑絕對值圖像分割第三個差值圖像，使用具有4 像素的西格馬的高斯巻積平滑結(jié)果分割圖像。前述的假象去除算法允許以皮下靜脈的對比度(感興趣的表面 下組織)來設置對比度，忽視假象(毛發(fā))，從而為自適應模糊掩蓋 邊緣增強而準備圖像，以設置最終圖像的對比度。參數(shù)例如西格瑪值、 閥值等可能根據(jù)對象的年齡和色素沉著程度等會有所變化。圖17a、 17b、 17c、 17d和17f，依次合在一起，為接收圖像去 除假象圖像處理的0++編程語言程序列表，其基于圖16a和圖16b所 示的研究Z調(diào)查程序之上，但使用英特爾圖像處理庫以更快地執(zhí)行數(shù) 學操作。本發(fā)明的任何或全部實施例應包括一個保持成像裝置所觀測到 的埋藏結(jié)構(gòu)圖像以合適的成像距離與圖像裝置攝像機焦點對準的機 械裝置。如圖18所示，這個機械裝置的第一實施例使用一對激光器 150、 152，每一個激光器相應地發(fā)出光束200、 202，而光束200、 202 互不平行，因此從不同的角度導向物體；當目標處在距離成像裝置的 合適成像距離時，這兩條激光光束只能會聚在相同點204并相交，如
交叉面206的位置所示。如果目標比合適的成像距離更靠近設備，如平面208所示，或者如果目標比合適的成像距離更遠離設備，如平面 210所示，這兩條光束就不會在單一點相交，而會作為第一對可見點 212、 214 (平面208的)或作為第二對可見點216、 218 (平面210 的)出現(xiàn)在物體表面，從而顯示埋藏結(jié)構(gòu)并沒有位于圖像裝置攝像機 的焦點，而從物體到設備的距離應當被改變，來將埋藏結(jié)構(gòu)的觀測圖 像帶入焦距。激光器150和152也可以在圖12、 13和14中看到。本 發(fā)明所用的適宜激光器為由奧地利維也納的Roithner Lasertechnik 制造、型號為LM-03的激光模塊。目標定位機械裝置的第二個實施例給投影圖像添加了一個獨立 于被觀測埋藏結(jié)構(gòu)的可識別可見光圖案，比如文字邊框，以進行相互 投影。只有在當目標處在距離投影器的理想距離時，被投影的可識別 圖案聚焦在目標物體的表面上才能被觀測者識別出來，從而使得目標表面之下的埋藏結(jié)構(gòu)也處在距離成像裝置的合適成像距離處。如果需 要的話，可以提供對小孩子有吸引力的卡通圖案，用來鼓勵孩子將身 體部位放好，以便觀測皮下血管，或者可以將醫(yī)院或診所的標識或名 稱用作圖案。雖然埋藏結(jié)構(gòu)的投影圖像經(jīng)常因為去除假象的圖像處理 去除而有些模糊，但人們能夠迅速地通過一個眾所周知或可識別的可 見光圖案是否脫離焦距來確認。目標定位機械裝置，即可識別可見光 圖案的投影而非激光器的使用的該第二實施例的一個優(yōu)點在于如果 使用激光器時沒有采用合適的安全防范措施，可能會有造成傷害的危 險，比如失明。 '圖21的照片顯示的是周圍有文字邊框的投影圖像。 圖22是周圍有文字邊框的投影圖像的另一張照片，與圖21類 似，但圖22里被觀察的物體已經(jīng)移位，用來顯示文字邊框是如何偏 離焦點以說明該物體相對于圖像裝置攝像機定位不當。圖23顯示的是一個文字邊框圖像，該圖像與一個投影圖像結(jié)合， 一同投影到物體上以確保定位正確。由于如以上所描述的那樣，當圖 像反射在棱鏡結(jié)構(gòu)之內(nèi)時，本發(fā)明的有些實施例中會出現(xiàn)圖像反轉(zhuǎn)的 現(xiàn)象，該文字邊框是反轉(zhuǎn)顯示的，但是，當被投影時，看起來就沒有 反轉(zhuǎn)了。投影圖像在與文字邊框結(jié)合之前得到良好的修剪，因此投影 時文字邊框仍然明顯且清楚。圖24為通過本發(fā)明將表面下血管投影到一只手上的處理過的圖像，類似于圖20 (省去了文字邊框)和圖21，但顯示了文字邊框是如何偏離焦點以說明該手的定位不當。如圖19所示，提供了一個校準方法，其中，視頻投影器138 (或 162，或者本發(fā)明的任何投影器)將一綠色目標圖案220投影到熒光 屏222上，然后熒光屏將投影的四點綠色目標圖案220轉(zhuǎn)化成紅外成 像裝置132可見的深紅色光。 一個計算機程序在直角坐標系即(xl， yl) 、 (x2， y2) 、 (x3， y3)與(x4, y4)中紀錄了四個投影點 Pl、 P2、 P3和P4的觀測圖案，如果正確排列時，相對于各個點的理 想或"真實"位置即(Xl， Yl) 、 (X2， Y2) 、 (X3， Y3)與(X4， Y4)，并計算了用于雙線性變換等式(圖25a和圖25b中對于"解" 函數(shù)的自變量)的校準系數(shù)(a、 b、 c、 d、 g、 h、 k、 f),以校正成 像裝置和投影器之間的放大倍率、旋轉(zhuǎn)和偏移。圖25a和圖25b顯 示使用MAPLE 9計算機解方程程序?qū)㈦p線性變換系數(shù)作為校準過程中 測定的各個值的一個.函數(shù)。這些校準系數(shù)在裝置運作過程中用于將圖 像(x， y)的坐標系變換為校正的坐標系(X，Y)，以生成一個校準過 的圖像。圖26顯示的是這些坐標在校準過程中完成計算后如何用作 集成電路公司Intel為匹配其處理器的使用而提供的一個眾所周知 的圖像處理庫數(shù)學程序的參數(shù)，以使用雙線性變換等式達到高性能圖 像對準校正。這些運行時計算使用雙線性變換等式而非浮點算術完 成，以便對圖像進行更迅速的處理。校準程序?qū)⒁粋€測試圖案220投影到熒光屏之上，其由四個點 Pl、 P2、 P3和P4組成，分別在一個320X240像素矩形尺寸(如成 像裝置攝像機觀測)的矩形的各個端角處，每一個點有一個25像素 的半徑(從成像裝置攝像機觀測)。例如，攝像機132的分辨率可能 是640X480像素，而投影器138的分辨率可能是1024X 780像素。 點半徑從4到50像素變化的實驗測試顯示，100個樣品的標準偏差 迅速地從5像素的點半徑降低到大約25像素，然后再較緩慢地降低
到50像素的半徑。要實施本發(fā)明的校準方法時，較理想的是使用綠光在第一光譜內(nèi)將一個有四個間隔開的點Pl、 P2、 P3和P4的測試圖案投影到熒光 屏222上，之后，該熒光屏發(fā)出熒光并生成第二光譜里的光，較理想 的是臨近或處在紅外光譜里的光，比如紅光，其能為圖像裝置攝像機 132所見，甚至是通過圖像裝置攝像機可以通過它來觀測到目標物體 的紅外光傳輸濾光器。之后，校準軟件測量這四個點的觀測位置，計 算雙線性變換等式的校正系數(shù)(a、 b、 c、 d、 g、 h、 k、 f)，然后使 用這些系數(shù)作為雙線性變換的參數(shù)，通過在投影之前扭曲圖像校正圖 像裝置攝像機和投影器之間的未對準誤差(旋轉(zhuǎn)、偏移和放大)，從 而校正投影圖像。應注意，該程序允許對在水平和垂直方向不同的放 大倍率誤差的校正，也允許對在水平和垂直方向不同的偏移誤差的校 正。測試顯示，該校準程序能夠校正該圖像攝像機大概一半像素尺 寸內(nèi)高達土25.4mm的未對準誤差?？拷鼫y試圖案的四個點的圖像部 分的對準效果最佳，但對整個圖像的對準效果也非常之好。應理解到，任何這些實施例的一個特征都可以以在前述的披露 之后能夠理解的方式與另一個特征一起使用。比如，任何實施例都能 選擇在環(huán)境照射里的紅外分量照射物體，而非提供一個獨立的散射紅 外光源，禾卩/或可在一個激光目標定位器和一個結(jié)合埋藏結(jié)構(gòu)的投影 圖像的可識別圖案之間選擇，以保持圖像裝置攝像機到物體的理想距 離。雖然已對本發(fā)明進行描述并對照一個實施例和一個較佳用途進 行例證，但不僅限于這些內(nèi)容，因為在本發(fā)明的全面設計范圍內(nèi)可以 出現(xiàn)某些修改和更改。
權利要求
1.一種增強物體表面之下埋藏結(jié)構(gòu)的能見度的設備，該設備包括成像裝置，用于接收物體反射的散射光并生成圖像；和具有第一發(fā)出光束的第一激光器和具有第二發(fā)出光束的第二激光器，所述第一發(fā)出光束和第二發(fā)出光束彼此不平行，并相交于距離所述設備理想的目標距離處，當所述第一發(fā)出光束和第二發(fā)出光束的交點在物體表面上時，所述埋藏結(jié)構(gòu)在所述成像裝置的焦點上。
2. 如權利要求l所述的設備，另外包含視頻投影器，用于將所 述埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到物體表面。
3. —種對設備進行校準的方法，所述設備用于增強物體表面之 下埋藏結(jié)構(gòu)的能見度，所述設備包括成像裝置，用于接收物體反射的第一光譜范圍之內(nèi)的散射光并 生成圖像；和視頻投影器，用于將埋藏結(jié)構(gòu)在第二光譜范圍之內(nèi)的可見光圖 像投影到該物體表面，所述第一光譜和第二光譜基本不重合； 所述方法包括下列步驟(a) 將一個所述第二光譜里的間隔開的點的圖案投影到一個發(fā) 出所述第二光譜熒光的熒光屏上；然后(b) 觀察所述點的熒光圖案的位置；然后(C)使用所述觀察到的位置計算一個用于雙線性變換的校準系 數(shù)；然后(d)使用所述雙線性變換以所述校準系數(shù)校正隨后投影的圖像。
4. 一種增強物體表面之下埋藏結(jié)構(gòu)的能見度的方法，該方法包 括下列步驟(a) 提供一個成像裝置，用于接收物體反射的散射光；(b) 生成一個接收圖像；然后(C)從接收圖像移去小而暗的假象，同時保留接收圖像里較大 而暗的物體以產(chǎn)生一個已處理圖像；然后(d)將已處理圖像以可見光譜投影到物體的表面。
5. 如權利要求4所述的方法，另外包括在生成已處理圖像之后 并在投影已處理圖像之前對已處理圖像執(zhí)行自適應邊緣增強的步驟。
6. —種增強物體表面之下埋藏結(jié)構(gòu)的能見度的設備，該設備包括成像裝置，用于接收物體反射的散射光并生成圖像；和 視頻投影器，用于將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到物體表面，所述投影的可見光圖像包括一個獨立于所述埋藏結(jié)構(gòu)的可識別的附加圖案。
7. 如權利要求6所述的設備，其中所述附加圖案為一個文字邊框。
8. —種增強物體表面之下埋藏結(jié)構(gòu)的能見度的設備，該設備包括成像裝置，用于接收物體反射的散射光并生成圖像； 視頻投影器，用于將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到物體表面；禾口插在所述成像裝置和所述物體之間的紅外濾光器。
9. 一種增強物體表面之下埋藏結(jié)構(gòu)的能見度的設備，該設備包括成像裝置，用于接收物體反射的散射光并生成圖像； 視頻投影器，用于將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到物體表面；和照射埋藏結(jié)構(gòu)的照射源。
10. 如權利要求9所述的設備，其中所述成像裝置只接收第一 光譜范圍之內(nèi)的散射反射光，并且所述投影到物體表面上的埋藏結(jié)構(gòu) 的可見光圖像具有與所述第一光譜基本上不重合的第二光譜。
11. 如權利要求9所述的設備，其中所述設備另外包含一個插 在所述成像裝置和所述物體之間的紅外濾光器。
12. —種增強物體表面之下埋藏結(jié)構(gòu)的能見度的設備，其中所 述埋藏結(jié)構(gòu)被環(huán)境光照射，該設備包括成像裝置，用于接收物體反射的散射光并生成圖像； 視頻投影器，用于將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到物體表面；和插在所述成像裝置和所述物體之間的紅外濾光器。
全文摘要
一種成像系統(tǒng)，利用紅外光照射一個物體，以增強該物體表面之下埋藏結(jié)構(gòu)的能見度，并將埋藏結(jié)構(gòu)的可見光圖像投影到物體表面。該系統(tǒng)可以包括一個可產(chǎn)生紅外光的紅外光源以及一個紅外光散射結(jié)構(gòu)。該散射結(jié)構(gòu)可包括一層或多層散射材料以用于光散射。該系統(tǒng)還包括一個視頻成像裝置，用于接收物體反射的紅外光，并基于反射的紅外光形成埋藏結(jié)構(gòu)的視頻圖像。該埋藏結(jié)構(gòu)可以是一條皮下血管。本申請案對校準步驟進行了描述，并提供有確保物體在焦點上且距離適當?shù)膶嵤├?br> 文檔編號A61B6/00GK101166467SQ200580049430
公開日2008年4月23日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權日2005年7月1日
發(fā)明者岡納·勒夫霍伊登, 卡洛斯·弗蘭肯, 約翰·斯諾德格拉斯, 詹姆斯·A·德朗, 赫伯特·D·澤曼 申請人:路明尼斯科技公司