專利名稱：用于將表面下結(jié)構(gòu)投影到對(duì)象表面上的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上針對(duì)散射紅外光的產(chǎn)生。更具體的，本發(fā)明針對(duì)一種系 統(tǒng)，用于以散射紅外光照射對(duì)象，根據(jù)反射的紅外光產(chǎn)生在對(duì)象表面下的 埋藏結(jié)構(gòu)的視頻圖像，隨后將埋藏結(jié)構(gòu)的圖像投影到對(duì)象表面上。
背景技術(shù)：
許多醫(yī)學(xué)過(guò)程和治療要求醫(yī)生定位在病人體內(nèi)的血管，諸如在他們的 胳膊或其它附屬肢體中的血管。確定血管的位置是困難的任務(wù)，尤其是當(dāng) 血管很小和/或血管在大量堆積的皮下脂肪或其它組織下時(shí)。設(shè)計(jì)用以幫助 找到這種血管的現(xiàn)有成像系統(tǒng)的性能較差。
本發(fā)明的受讓人擁有題為CONTRAST ENHANCING ILLUMINATOR 美國(guó)專利No. 5,969,754 ("，754專利")，其描述了一種用于觀察皮下血管的 系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，將散射紅外光投射到目標(biāo)體部分上，并使用由此反射 的光來(lái)產(chǎn)生皮下血管的圖像，可以將該圖像投影回目標(biāo)體部分上。，754專 利的全部?jī)?nèi)容通過(guò)參考并入本文。
盡管在投影回目標(biāo)上之前對(duì)圖像進(jìn)行了增強(qiáng)處理，但對(duì)于各種應(yīng)用仍 需要額外的增強(qiáng)技術(shù)。此外，當(dāng)將圖像投影回目標(biāo)體位置上時(shí)，圖像的質(zhì) 量會(huì)由于諸如人皮膚的色澤和紋理、在目標(biāo)體部分上的人毛發(fā)數(shù)量等的因 素而受損。因此，可以改進(jìn)'754專利的系統(tǒng)和方法。
題為DIFFUSE INFRARED LIGHT IMAGING SYSTEM的美國(guó)專利NO, 6,556,858 ("，858專利")和題為IMAGING SYSTEM USING DIFFUSE INFRARED LIGHT的未決美國(guó)專利No. 7,239，卯9 ("，909專利")也是由本 受讓人提交的。'858專利和，909專利的內(nèi)容整體上通過(guò)參考并入本文。
盡管，858專利和'909專利改進(jìn)了'754專利的系統(tǒng)和方法，但仍需要進(jìn) 一步改進(jìn)系統(tǒng)和方法，以便提高在皮下血管與周?chē)M織之間的視覺(jué)對(duì)比度。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是通過(guò)提供用于提高在脈管結(jié)構(gòu)與周?chē)M織之間 的視覺(jué)對(duì)比度的系統(tǒng)和方法來(lái)克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例， 一種成像系統(tǒng)和方法用紅外光照射身體組 織，以便提高皮下血管的可見(jiàn)性，并根據(jù)反射的紅外光產(chǎn)生身體組織和皮 下血管的圖像。該系統(tǒng)包括紅外照射源，用于產(chǎn)生紅外光。該系統(tǒng)還包括 成像設(shè)備，用于接收從身體組織反射的紅外光，并根據(jù)反射的紅外光產(chǎn)生
身體組織的增強(qiáng)圖像。通過(guò)包括應(yīng)用鈍化蒙片(imsharpmask)在內(nèi)的對(duì)比 度增強(qiáng)技術(shù)來(lái)產(chǎn)生所述增強(qiáng)圖像。該系統(tǒng)還包括投影器，用于從成像設(shè)備 接收輸出信號(hào)并將增強(qiáng)圖像投影到成像的身體組織上。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)包括使用第一和第二模糊濾波器， 每一個(gè)模糊濾波器都具有不同的分辨率。模糊濾波器用于產(chǎn)生第一和第二 鈍化蒙片。模糊濾波器包括將"平均窗口"應(yīng)用于圖像中的每一個(gè)像素以 產(chǎn)生模糊的圖像。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)包括調(diào)整用于產(chǎn)生鈍化蒙片的模 糊濾波器的窗口尺寸。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)包括將閾值應(yīng)用于像素?cái)?shù)據(jù)，并 且在像素?cái)?shù)據(jù)低于閾值時(shí)將每一個(gè)像素的值設(shè)定為預(yù)置值。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)包括將偏移應(yīng)用于像素?cái)?shù)據(jù)，由 此將每一個(gè)像素調(diào)高或調(diào)低一設(shè)定量。此外，如果在應(yīng)用偏移之后，經(jīng)調(diào) 整的像素值超出了可允許的范圍(例如，0—255)，那么就將該值"翻轉(zhuǎn)(rolled
over)"為可允許的值。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)包括將線性縮放應(yīng)用于圖像，作 為最終對(duì)比度調(diào)整。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)包括在一個(gè)或多個(gè)處理步驟的執(zhí) 行期間使用像素?cái)?shù)據(jù)的絕對(duì)值。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)包括使用最大值濾波器窗口，其 將目標(biāo)像素的值設(shè)定為在該窗口內(nèi)的任意像素的最大值。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，可以提供選擇模塊，用于允許從多個(gè)對(duì)比度增強(qiáng) 技術(shù)中選擇一種對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)或多種對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)的組合來(lái)執(zhí)行。
7根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以用于確定脈管結(jié)構(gòu)的位 置。因此，可以借助于應(yīng)用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法來(lái)執(zhí)行包括定位或避開(kāi)在 身體中的脈管結(jié)構(gòu)的過(guò)程。
以下參考附圖來(lái)論述本發(fā)明各種方案和實(shí)施例的更多應(yīng)用和優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)性方面
從技術(shù)觀點(diǎn)來(lái)看，本發(fā)明處理這樣的情形，其中一些醫(yī)學(xué)過(guò)程和治療 需要醫(yī)生定位在病人的胳膊或其它附屬肢體中的血管。在現(xiàn)有技術(shù)中，這 是困難的任務(wù)，尤其是當(dāng)血管在大量堆積的皮下脂肪下時(shí)。設(shè)計(jì)用以幫助 找到這種血管的現(xiàn)有成像系統(tǒng)的性能是不足的。因此，本發(fā)明要解決的技 術(shù)問(wèn)題是提供一種裝置和方法，用于增強(qiáng)在皮下血管與周?chē)M織之間的視 覺(jué)對(duì)比度。
由用以增強(qiáng)在對(duì)象表面下的埋藏結(jié)構(gòu)的可視性的裝置來(lái)解決這個(gè)問(wèn) 題。該醫(yī)學(xué)設(shè)備包括成像設(shè)備，用于接收從對(duì)象反射的散射光，并產(chǎn)生
輸入圖像以及從輸入圖像產(chǎn)生增強(qiáng)的圖像；以及視頻投影器，用于將埋藏
結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光圖像投影到對(duì)象的表面上。
作為本發(fā)明基礎(chǔ)的技術(shù)思想是通過(guò)包含新的對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)概
念性改變，所述新的對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)有助于通過(guò)以相對(duì)于周?chē)M織更清晰 的對(duì)比度來(lái)顯現(xiàn)埋藏結(jié)構(gòu)的邊緣來(lái)定位其位置。結(jié)果，在病人胳膊或其他 附屬肢體中定位血管的困難任務(wù)就容易得多，因?yàn)檠茏鳛橥队暗狡つw上 的圖像變得可見(jiàn)了。
優(yōu)選的，所述裝置還包括紅外光源，用于以紅外光照射身體組織，所 述紅外光從身體反射并由成像設(shè)備來(lái)成像。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，除了鈍化蒙片之外，可以通過(guò)將一個(gè)值加 到輸入圖像的每一個(gè)像素值上、使用閾值來(lái)將比該閾值高或低的全部值設(shè) 定為一個(gè)預(yù)置值、或者取每一個(gè)像素值的絕對(duì)值，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)比度增強(qiáng)。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的用于在紅外光照射下觀察對(duì)象
的成像系統(tǒng)；圖2a和2b是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的使用散射紅外光的成像系統(tǒng) 的透視圖3和4是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的成像系統(tǒng)的橫截面圖； 圖5是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的成像系統(tǒng)的功能方框圖； 圖6a是根據(jù)本發(fā)明的可替換實(shí)施例的使用散射紅外光的成像系統(tǒng)的透 視圖6b是圖6a的成像系統(tǒng)的橫截面圖7a是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的使用散射紅外光的成像系統(tǒng)的透 視圖7b是圖7a的成像系統(tǒng)的橫截面圖8是成像系統(tǒng)再另一個(gè)方案的等距視圖9是沿圖8的線A-A的箭頭方向觀察的一部分成像系統(tǒng)的前視圖； 圖10是沿圖9的線B-B得到的橫截面?zhèn)纫晥D；及 圖11是一種成像系統(tǒng)的方框圖12是本發(fā)明第三形式的成像系統(tǒng)的透視內(nèi)部視圖； 圖13是出于解釋的目的，以剖面顯示一些部分的本發(fā)明第四形式的成 像系統(tǒng)的內(nèi)部視圖。
圖14是本發(fā)明第四形式的成像系統(tǒng)的圖示。
圖15是本發(fā)明第五形式的成像系統(tǒng)的內(nèi)部視圖，其使用了環(huán)境光來(lái)對(duì) 所觀察的對(duì)象進(jìn)行照射。
圖16a和16b是順序相連的用于接收?qǐng)D像的偽像消除圖像處理的程序清單。
圖17a、 17b、' 17c、 17d、 17e和17f是順序相連的用于接收?qǐng)D像的偽像 消除圖像處理的0++編程語(yǔ)言形式的程序清單。
圖18是顯示如何使用一對(duì)激光指示器來(lái)定位待觀察的對(duì)象的示意性透 視圖。
圖19是顯示對(duì)本發(fā)明的成像系統(tǒng)的校準(zhǔn)過(guò)程的示意性透視圖。 圖20a、 20b和20c是投影在覆蓋血管的身體組織上的皮下血管的經(jīng)處 理的圖像的照片。
圖21是附近有文字邊框的投影圖像的照片。
9圖22是附近有文字邊框的投影圖像的另一個(gè)照片，其類(lèi)似于圖21，但 其中將觀察的對(duì)象移出適當(dāng)?shù)奈恢?，顯示了文字邊框如何變得失焦以表示 沒(méi)有正確定位該對(duì)象。
圖23顯示了文字邊框圖像，其與投影圖像相結(jié)合以便共同投影到對(duì)象 上以確保適當(dāng)?shù)囟ㄎ弧?br>
圖24是借助本發(fā)明的投影到手上的表面下血管的經(jīng)處理的圖像的照 片，類(lèi)似于圖20 (其省略了文字邊框)和圖21，但顯示了文字邊框如何變 得失焦以表示手沒(méi)有被適當(dāng)?shù)囟ㄎ弧?br>
圖25a和25b是計(jì)算機(jī)程序清單，其顯示了用于本發(fā)明的成像系統(tǒng)的 校準(zhǔn)過(guò)程的雙線性變換系數(shù)的求解。
圖26是〔++編程語(yǔ)言的程序清單，其使用在校準(zhǔn)過(guò)程中確定的系數(shù)來(lái) 對(duì)對(duì)象的觀察圖像執(zhí)行運(yùn)行時(shí)(run-time)修正。
圖27A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于對(duì)象圖像的對(duì)比度增強(qiáng)的一種方法 的流程圖。 '
圖27B是沿著梯度的一選定部分的像素值的標(biāo)圖線的測(cè)試目標(biāo)(梯度) 的圖像。
圖27C是借助圖27A中闡明的處理被增強(qiáng)后的，在沿著梯度的該選定 部分的處理后的像素值的標(biāo)圖線的測(cè)試梯度的圖像。
圖28A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于為了提供改進(jìn)的空間細(xì)節(jié)而增強(qiáng) 圖像對(duì)比度的另一種方法的流程圖。
圖28B是在由圖28A中闡明的處理增強(qiáng)后的，沿著梯度的該選定部分 的處理后的像素值的標(biāo)圖線的測(cè)試梯度的圖像。
圖28C包括投影回到人胳膊上的皮下血管的增強(qiáng)圖像的圖像。
圖29A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的，用于增強(qiáng)圖像對(duì)比度的另一種方法的 流程圖。
圖29B是借助圖29A中闡明的處理增強(qiáng)后的，沿著梯度的該選定部分
的處理后的像素值的標(biāo)圖線的測(cè)試梯度的圖像。
圖29C包括投影回到人胳膊上的皮下血管的增強(qiáng)圖像的圖像。
圖30A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的，用于增強(qiáng)圖像對(duì)比度的另一種方法的
流程圖。圖30B是借助圖30A中闡明的處理增強(qiáng)后的，沿著用于梯度的該選定 部分的處理后的像素值的標(biāo)圖線的測(cè)試梯度的圖像。
具體實(shí)施例方式
盡管本發(fā)明可以以許多不同的形式來(lái)體現(xiàn)，但應(yīng)理解，本文描述的多 個(gè)示例性實(shí)施例應(yīng)是將本公開(kāi)文件認(rèn)為是提供本發(fā)明的原理的示例，并且 這種示例不是旨在將本發(fā)明局限于本文所述和/或所示的實(shí)施例。
皮膚及一些其他身體組織反射在約700到900納米的近紅外范圍內(nèi)的 紅外光，而血液吸收在這個(gè)范圍內(nèi)的輻射。因此，在紅外照射下取得的身 體組織的視頻圖像中，血管相對(duì)于周?chē)∪饨M織的較亮背景顯現(xiàn)為黑線。 然而，由于皮下脂肪的反射性本質(zhì)，當(dāng)由直射光，即通常來(lái)自單一方向的 光照射時(shí)，就難以或不可能看見(jiàn)位于大量堆積的這種脂肪下的血管。
發(fā)明人已經(jīng)確定，與當(dāng)在直射紅外光照射下觀察組織時(shí)相比，在高度 散射的紅外光照射下的近紅外范圍內(nèi)對(duì)具有大量堆積的皮下脂肪的身體組 織的區(qū)域進(jìn)行成像時(shí)，在血管與周?chē)∪饨M織之間存在高得多的對(duì)比度。 盡管本發(fā)明不應(yīng)局限于操作的任何具體理論，但看起來(lái)由皮下脂肪反射的 大部分散射紅外光指向偏離了觀察方向。因此，當(dāng)高度散射的紅外光用于 照射組織時(shí)，保持了在血管與周?chē)∪饨M織之間預(yù)期的可見(jiàn)對(duì)比度。
圖1中所示的是成像系統(tǒng)2，用于以高度散射的紅外光照射例如身體組 織的對(duì)象32，并用于根據(jù)從對(duì)象32反射的紅外光產(chǎn)生對(duì)象32的視頻圖像。 如本文中詳細(xì)描述的，當(dāng)對(duì)象32是身體組織時(shí)，在由系統(tǒng)2產(chǎn)生的視頻圖 像中可以清晰的看見(jiàn)位于組織中皮下脂肪下面的血管。
成像系統(tǒng)2包括照射系統(tǒng)10，其用來(lái)自多個(gè)不同照射方向的紅外光照 射對(duì)象32。系統(tǒng)10包括多個(gè)紅外光提供器10a-10f，每一個(gè)都從不同的照 射方向向?qū)ο?2提供紅外光。在圖1中借助于射線4a-4f來(lái)表示來(lái)自每一 個(gè)光提供器10a-10f的紅外光的到達(dá)方向。如圖1所示，紅外光的到達(dá)方向 范圍從垂直于或近乎垂直于對(duì)象32的表面到平行于或近乎平行于對(duì)象32 的表面。在這個(gè)實(shí)施例中，由于紅外光照射從如此寬范圍的照射方向到達(dá) 對(duì)象32，因此該紅外光照射是高度散射的。
如下文中更詳細(xì)描述的，光提供器10a-10f優(yōu)選的是光反射表面，其將光線從單一照射源引向?qū)ο?2。在其他實(shí)施例中，光提供器10a-10f是單獨(dú) 的照射源或者是照射源與反射器的組合。
成像系統(tǒng)2還包括成像設(shè)備38，例如視頻攝像機(jī)，用于觀察對(duì)象32。 成像設(shè)備38從由圖1中箭頭6表示的觀察方向觀察對(duì)象32。成像設(shè)備38 接收從對(duì)象32反射的散射紅外光，并根據(jù)反射的紅外光產(chǎn)生對(duì)象32的電 子視頻圖像。
圖2a和2b中所示的是照射系統(tǒng)10的優(yōu)選實(shí)施例。圖3描繪了對(duì)應(yīng)于 圖2a-2b中所示的剖面A-a的系統(tǒng)10的橫截面視圖。系統(tǒng)10優(yōu)選的包括照 射源12。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，如圖3所示，照射源12包括布置在燈26 與外殼16的輸入孔18之間的冷光鏡34。冷光鏡34反射基本上全部的具有 在選定紅外波長(zhǎng)范圍之外的波長(zhǎng)的光。優(yōu)選的，該選定的范圍包括從大約 700到1100納米的波長(zhǎng)。緊挨著冷光鏡34并布置在冷光鏡34與輸入孔18 之間的是紅外傳送濾光器36，其進(jìn)一步衰減具有在選定的紅外范圍之外的 波長(zhǎng)的光，并同時(shí)傳送具有在選定的紅外范圍之內(nèi)的波長(zhǎng)的光。因此，穿 過(guò)冷光鏡34和濾光器36進(jìn)入外殼16的光是具有在選定紅外范圍之內(nèi)的波 長(zhǎng)的紅外光。
應(yīng)意識(shí)到，存在其他配置照射源12以產(chǎn)生紅外光的方式。例如，照射 源12可以由紅外發(fā)光二極管(LED)或紅外LED陣列組成。因此，圖3 中所示及上述的照射源12的結(jié)構(gòu)僅是優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明不局限于任何特 定結(jié)構(gòu)的照射源12。
如圖4所示，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括鏡頭40，其結(jié)合視頻成像設(shè)備 38使用以便根據(jù)從對(duì)象32反射的散射光產(chǎn)生對(duì)象32的視頻圖像。優(yōu)選的， 該實(shí)施例的成像設(shè)備38是由Cohu制造的型號(hào)631520010000的電荷耦合器 件(CCD)視頻攝像機(jī)38。該優(yōu)選實(shí)施例的鏡頭40是由Angenieux制造的 25mm f-0.95攝影機(jī)鏡頭。
將該優(yōu)選實(shí)施例的攝像機(jī)38和鏡頭40布置在內(nèi)反射器24的管狀部分 24a內(nèi)。如圖3所示，管狀部分24a的開(kāi)口端構(gòu)成攝像機(jī)38和鏡頭40指向 的孔。以此方式，中空的光導(dǎo)22基本上在攝像機(jī)38的視場(chǎng)的中心。因此， 攝像機(jī)38接收從對(duì)象32反射的光，該光進(jìn)入光導(dǎo)22，穿過(guò)外殼16，并進(jìn)入管狀部分24a的開(kāi)口端。
如圖4所示，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括布置在管狀部分24a的開(kāi)口端 中的紅外傳送濾光器42。這個(gè)濾光器42接收從對(duì)象32反射的光及可以進(jìn) 入外殼16的任何其他的光，并基本上消除了波長(zhǎng)在約700到1100納米的 紅外范圍之外的全部光。因此，通過(guò)濾光器42并進(jìn)入鏡頭40的光是在選 定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紅外光。因此，攝像機(jī)38主要接收源自照射系統(tǒng)10內(nèi)部 并從對(duì)象32反射的紅外光。
根據(jù)從對(duì)象32反射的光，攝像機(jī)38產(chǎn)生電視頻信號(hào)形式的對(duì)象32的 視頻圖像。如圖5所示，將視頻信號(hào)優(yōu)選地提供給圖像增強(qiáng)電路板44，例 如由DigiVision制造的型號(hào)ICE-3000的電路板。電路板44根據(jù)來(lái)自攝像機(jī) 38的視頻信號(hào)產(chǎn)生增強(qiáng)的視頻圖像信號(hào)。將增強(qiáng)的視頻圖像信號(hào)提供給視 頻捕捉和顯示卡46，例如由Miro制造的20-TD Live型卡。卡46從圖像信 號(hào)捕獲靜止圖像，可以以數(shù)字形式將其保存在數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備上?？?6還對(duì) 視頻圖像信號(hào)進(jìn)行格式化，用于在視頻監(jiān)視器48上實(shí)時(shí)的顯示。
應(yīng)意識(shí)到，根據(jù)本發(fā)明，照射系統(tǒng)10可以使用其他方式來(lái)產(chǎn)生散射紅 外光。例如，圖1的光提供器10a-10f可以由環(huán)形光頻閃閃光燈來(lái)實(shí)現(xiàn)?？?替換的，LED的環(huán)形陣列可以用于照射放置在對(duì)象32的表面附近的塑料傳 送散射器。在后一實(shí)施例中，光提供器10a-10f對(duì)應(yīng)于陣列中的單個(gè)LED。
在圖6a和6b所示的本發(fā)明的可替換實(shí)施例中，成像系統(tǒng)2包括視頻 投影器50，用于以對(duì)象32的圖像照射對(duì)象32，以便增強(qiáng)在對(duì)象32的亮暗 區(qū)域之間的視覺(jué)對(duì)比度。如'754專利中所述的，當(dāng)對(duì)象的投影的可見(jiàn)光圖 像的特征與對(duì)象的相應(yīng)特征重疊時(shí)，可以為觀測(cè)者在視覺(jué)上增強(qiáng)對(duì)象的特 征。重疊的可見(jiàn)光圖像使得對(duì)象的明亮特征顯得更亮而暗區(qū)域保持不變。
圖6a和6b所示的本發(fā)明的實(shí)施例以類(lèi)似于前述的方式給對(duì)象32提供 散射紅外光(由射線52表示)。然而，在圖6a和6b所示的實(shí)施例中，照 射光的光路被折疊，以使得光導(dǎo)22的出射孔2相對(duì)于圖1-3中所示的出射 孔旋轉(zhuǎn)了90度。
如圖6b所示，諸如熱光鏡(hot mirror) 54的光束分離器從光擴(kuò)散結(jié)構(gòu) 14的內(nèi)部接收紅外光52，并將紅外光52反射到光導(dǎo)22中并前往對(duì)象32。 熱光鏡54還接收對(duì)象32的紅外圖像(由射線56表示)，并將其向攝像機(jī)38反射。熱光鏡54從投影器50接收可見(jiàn)光圖像(由射線58表示)并將其 傳送到光導(dǎo)22中并前往對(duì)象32。
如在美國(guó)專利No. 5,969,754中更詳細(xì)解釋的，將來(lái)自視頻攝像機(jī)38的 視頻輸出信號(hào)作為視頻輸入信號(hào)提供給投影器50。根據(jù)該視頻輸入信號(hào)， 投影器50向熱光鏡54投射對(duì)象32的可見(jiàn)光圖像58。熱光鏡54接收可見(jiàn) 光圖像58，并將其傳送到光導(dǎo)22中前往對(duì)象32。熱光鏡54接收可見(jiàn)光圖 像58并將其傳送到光導(dǎo)22中前往對(duì)象32。通過(guò)將來(lái)自投影器50的投影的 可見(jiàn)光圖像58與由攝像機(jī)38感測(cè)的對(duì)象32的紅外圖像56適當(dāng)?shù)貙?duì)齊， 使得在投影的可見(jiàn)光圖像58中的特征與對(duì)象32的相應(yīng)特征重疊。這通常 在投影的可見(jiàn)光圖像58與由攝像機(jī)38接收的對(duì)象32的紅外圖像(由射線 56表示)同軸時(shí)可以實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)對(duì)象32是身體組織，并且將本發(fā)明用于尋找在身體組織中的皮下血 管時(shí)，血管在投影的可見(jiàn)光圖像58中顯現(xiàn)為黑線。因此，當(dāng)將可見(jiàn)光圖像 58投影到身體組織上時(shí)，皮下血管會(huì)正好位于投影的可見(jiàn)光圖像58中的黑 線下面。以此方式，本發(fā)明顯著提高了醫(yī)生尋找皮下血管的能力，同時(shí)還 使病人的不舒適感覺(jué)最小。
圖7a和7b描繪了用作對(duì)比度增強(qiáng)照射裝置的本發(fā)明的可替換實(shí)施例。 圖7a-7b的實(shí)施例以類(lèi)似于圖6a和6b的實(shí)施例的方式操作。然而，在圖 7a-7b的實(shí)施例中，攝像機(jī)38位于光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)14外部。為了適應(yīng)攝像機(jī)38 的不同位置，將圖7a-7b中所示的熱光鏡54相對(duì)于其在圖6a-6b中的位置 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)卯度。另外，熱光鏡54提供如上述參考圖6a-6b的類(lèi)似的功能。 同樣為了適應(yīng)不同的攝像機(jī)位置，將紅外傳送濾光器42安裝在光導(dǎo)22的 壁中。在該實(shí)施例中提供反射板60，以便進(jìn)一步將光從照射源12引導(dǎo)到光 導(dǎo)22中并前往出射孔23。優(yōu)選的，板60是平面反射片，在其中具有開(kāi)口， 以允許光在對(duì)象32與攝像機(jī)38及投影器50之間通行。
在圖8-11中描繪了相對(duì)緊湊及高度可靠的成像系統(tǒng)70的優(yōu)選實(shí)施例。 最優(yōu)選地配置成像系統(tǒng)70來(lái)照射諸如身體組織等的對(duì)象71，并根據(jù)從對(duì)象 71反射的紅外光產(chǎn)生對(duì)象71的視頻圖像。成像系統(tǒng)70優(yōu)選的包括外殼72， 其包含系統(tǒng)70的成像部件。
如圖8所示，外殼72優(yōu)選的具有基本上是矩形的結(jié)構(gòu)。外殼72優(yōu)選的具有在大約3英寸到大約5英寸之間的長(zhǎng)度及在大約3.5英寸的寬度。本 領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)意識(shí)到可以以各種方式來(lái)配置成像系統(tǒng)70,本發(fā)明不應(yīng)局 限于本文論述的任何具體示例或?qū)嵤├＠纾趫D8中，將外殼描繪為 基本上是矩形，然而圓形、多邊形及其它幾何形狀和尺寸也是可行的。
諸如具有鏡頭75的視頻攝像機(jī)之類(lèi)的成像設(shè)備74和視頻處理組件位 于外殼72內(nèi)。成像設(shè)備74和視頻處理組件操作以檢測(cè)紅外光并處理從對(duì) 象71檢測(cè)到的紅外光。如本文所述的，成像系統(tǒng)74根據(jù)從對(duì)象71反射的 檢測(cè)到的紅外光來(lái)產(chǎn)生圖像。如圖8和9所示，成像設(shè)備74優(yōu)選地安裝在 安裝壁78的孔76內(nèi)，鏡頭75延伸進(jìn)入外殼內(nèi)部77，如以下進(jìn)一步描述的。 更具體的，優(yōu)選地將攝像機(jī)74以居中和對(duì)稱方式安裝在外殼72內(nèi)部。這 個(gè)優(yōu)選對(duì)稱攝像機(jī)位置傾向于使由攝像機(jī)檢測(cè)到的光量最大，這增強(qiáng)了由 系統(tǒng)70產(chǎn)生的圖像，從而增強(qiáng)了對(duì)位于身體組織中皮下脂肪下面的血管的 照射。
外殼72最優(yōu)選地包含各種組件，其可操作以從系統(tǒng)70向?qū)ο?1傳送 散射光。箭頭80表示由系統(tǒng)70傳送的散射光。箭頭82表示從對(duì)象71反 射的光。如圖9所示，由沿著圖8的剖面線A-A的箭頭方向觀察，壁78 包含多個(gè)紅外光發(fā)光二極管(LED) 84，其布置在LED陣列85中，用于發(fā) 出紅外光。LED陣列85定義了 LED參考面。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，每一個(gè)LED 84 都優(yōu)選地發(fā)射在大約740納米(nm)波長(zhǎng)的光。在該優(yōu)選實(shí)施例中，每一 個(gè)LED 84都是型號(hào)ELD-740-524的由奧地利的Roithner Lasertechnik制造 的。
如圖10所示，并根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，LED84安裝在相鄰于壁78的電路 板86上。如圖9所示，最優(yōu)選是LED 84的8個(gè)組92， 94同心地布置在成 像系統(tǒng)74周?chē)Ｍ牡腖ED排列有助于從系統(tǒng)70提供散射光的最大散射 和傳輸。優(yōu)選地，LED 84的每一組92、 94都包含至少10個(gè)LED 84。然而， 取決于系統(tǒng)70的預(yù)期實(shí)現(xiàn)方式，系統(tǒng)70可以在某個(gè)特定組內(nèi)包括更多或 更少的LED。此夕卜，系統(tǒng)70可以在LED陣列85中包括更多或更少的LED 組。
繼續(xù)參考圖9，有4組92 LED 84位于LED陣列85的角區(qū)域96附近。 更優(yōu)選的，將至少15個(gè)LED 84布置在LED陣列85的每一個(gè)角區(qū)域96中。
15優(yōu)選的，有4組94LED84布置在LED陣列85的側(cè)邊區(qū)域98中。每一個(gè) 側(cè)邊區(qū)域98都基本上位于各個(gè)角區(qū)域94之間。更優(yōu)選的，將至少10個(gè)LED 84布置在LED陣列85的每一個(gè)側(cè)邊區(qū)域98中。
如上所述，將LED陣列85最優(yōu)選地布置在電路板86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中特定一組或多組 92、94LED84內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)LED84的啟動(dòng)。如在圖11的方框圖中所示， 將電源88和諸如微處理器或類(lèi)似的控制器件的控制系統(tǒng)90電連接到電路 板86。會(huì)意識(shí)到，也可以在不使用控制系統(tǒng)90的情況下控制LED，就是 說(shuō)，電源88可以"開(kāi)啟"或"關(guān)閉"，以啟動(dòng)或停用LED陣列85。會(huì)意識(shí) 到，還可以結(jié)合電源88使用脈沖調(diào)制技術(shù)，根據(jù)優(yōu)選的占空比(本文中定 義為相對(duì)于LED "關(guān)閉"時(shí)間的LED "開(kāi)啟"時(shí)間)來(lái)啟動(dòng)或停用LED陣 列85中的一個(gè)或多個(gè)LED 84。
如圖ll的方框圖所示，在成像系統(tǒng)70的優(yōu)選實(shí)施例中，將LED陣列 85經(jīng)由電路板86電連接到電源88和控制系統(tǒng)90?？刂葡到y(tǒng)90包括控制 部件，用于控制LED陣列85向?qū)ο?1發(fā)出紅外光。如本文所述的，控制 系統(tǒng)90可以使得LED陣列85的一組或多組中的一個(gè)或多個(gè)LED 84能夠 連續(xù)地或間歇地發(fā)光。就是說(shuō)，可以選擇并控制一個(gè)LED 84或多個(gè)LED 84 間歇地或連續(xù)地向?qū)ο?1發(fā)出紅外光。因此，可以將系統(tǒng)70配置為以LED 84和/或LED組92、 94的各種排列和組合的形式從LED陣列發(fā)送紅外光。
現(xiàn)在參考圖IO，相鄰于LED陣列85中LED 84的發(fā)光表面102布置第 一散射層IOO。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，例如使用已知的粘合劑將第一散射層IOO 粘在LED陣列85的發(fā)光表面102上，從而操作以散射由LED陣列85中一 個(gè)或多個(gè)LED 84發(fā)出的光。第一散射層100最優(yōu)選的是全息20度散射器， 例如由Physical Optics Corporation of Torrance, Calif制造的識(shí)別碼 LSD20PC10-F10xlO/PSA的產(chǎn)品。最優(yōu)選的，第一散射層100具有約3.5英 寸的長(zhǎng)度，約3.5英寸的寬度和約0.10英寸的厚度。當(dāng)啟動(dòng)LED陣列85 中的一個(gè)或多個(gè)LED 84時(shí)，第一散射層100散射從LED陣列85發(fā)出的紅 外光，從而向發(fā)出的紅外光提供第一散射量。
在圖10中顯^^了外殼72的內(nèi)表面104。最優(yōu)選的，內(nèi)表面104涂敷了 諸如白漆等之類(lèi)的反射涂層，其反射并進(jìn)一步散射由第一散射層100產(chǎn)生的已散射的光。繼續(xù)參考圖10，第二散射層106與第一散射層100間隔開(kāi) 距離LDD。最優(yōu)選的，在第一散射層100與第二散射層106之間距離LDD 大約是3英寸。第二散射層106最優(yōu)選的是全息20度散射器，與上述的第 一散射層100類(lèi)似或相同。第二散射層106優(yōu)選地具有大約3.5英寸的長(zhǎng)度， 大約3.5英寸的寬度和大約0.10英寸的厚度。
第二散射層106進(jìn)一步散射從內(nèi)表面104反射的由第一散射層100提 供的己散射光。如圖8所示，第一和第二散射層基本上是平面的，就是說(shuō)， 層100和106每一個(gè)都定義了平面幾何形狀。
繼續(xù)參考圖10，相鄰于第二散射層106布置了背襯材料108，例如商 標(biāo)為L(zhǎng)UCITE的由Wilmington, Delaware的DuPont制造的LUCITE材料。 最優(yōu)選的，該背襯材料具有大約0.125英寸的厚度。相鄰于背襯材料108布 置了可見(jiàn)光偏振器110。可見(jiàn)光偏振器110最優(yōu)選的是由Vernon Hills， Illinois的Visual Pursuits制造的，零件號(hào)為VP-GS-12U并具有大約0.075 英寸的厚度。
因此，隨著發(fā)出的光前進(jìn)通過(guò)第一散射層IOO、由第一隔間72a的內(nèi)表 面104反射、并繼續(xù)前進(jìn)通過(guò)第二散射層106、背襯材料108和偏振器110， 系統(tǒng)70可操作以產(chǎn)生多級(jí)散射。因此，在發(fā)出的光通過(guò)第一散射層100后 產(chǎn)生一級(jí)散射結(jié)果。由第一隔間72a的內(nèi)表面104對(duì)由第一散射層100提 供的已散射光的反射產(chǎn)生另一級(jí)散射。在散射光通過(guò)第二散射層106后產(chǎn) 生再另一級(jí)散射。
如圖8所示，可見(jiàn)光偏振器110優(yōu)選的包括中心部112，最優(yōu)選的是具 有大約一英寸直徑的圓形形狀。中心部112幾何形狀優(yōu)選的與攝像機(jī)鏡頭 75的形狀和尺寸一致。優(yōu)選地將中心部112的偏振相對(duì)于偏振器110的周 圍區(qū)域114的偏振旋轉(zhuǎn)大約90度。在優(yōu)選實(shí)施例中，攝像機(jī)鏡頭75接觸 背襯材料108。如圖8所示，鏡頭75在外殼70內(nèi)的位置優(yōu)選的與偏振器 110的中心部112重合或者與中心部112共享同一中心軸。偏振器110的中 心部112與鏡頭75的前面重合的有助于消除在結(jié)果生成的攝像機(jī)圖像中的 任何表面眩光("鏡面反射")。
如圖10所示，背襯材料108和可見(jiàn)光偏振器110具有平坦表面，其優(yōu) 選的包括相對(duì)于由第一和第二散射層100、106定義的平面類(lèi)似的沿面取向。根據(jù)最優(yōu)選的實(shí)施例，第一散射層100、內(nèi)表面104、第二散射層106、背 襯材料108和可見(jiàn)光偏振器110定義了散射系統(tǒng)116 (圖IO)，用于向?qū)ο?71提供散射光。會(huì)意識(shí)到，散射結(jié)構(gòu)可以包括更多或更少的組件，本發(fā)明 不局限于本文公開(kāi)的任何具體示例或?qū)嵤├?。例如，散射系統(tǒng)116可以包 括第一散射層IOO或者第二散射層106其中之一，有或沒(méi)有偏振器110，或 者可以包括第一散射層100和第二散射層106而沒(méi)有偏振器110。
如上所述， 一旦被啟動(dòng)，系統(tǒng)70就操作以便向?qū)ο?1發(fā)送散射光80 并用成像系統(tǒng)74產(chǎn)生對(duì)象71的視頻圖像。更具體的， 一旦啟動(dòng)電源88， LED陣列85中的一個(gè)或多個(gè)LED 84就從發(fā)光表面102發(fā)出紅外光。第一 散射層100對(duì)發(fā)出的紅外光提供第一散射量。內(nèi)表面104進(jìn)一步散射從第 一散射層100發(fā)出的散射光。第二散射層106進(jìn)一步散射已散射光，隨后 將其在照射對(duì)象71之前發(fā)送通過(guò)背襯材料108和偏振器。如上所述，對(duì)象 71反射發(fā)出的散射光，產(chǎn)生散射的反射光82，它被成像系統(tǒng)74捕獲。成 像系統(tǒng)74隨后產(chǎn)生對(duì)象71的視頻圖像。因此，通過(guò)根據(jù)唯一的散射提供 系統(tǒng)70發(fā)出散射光，系統(tǒng)70幫助定位并區(qū)分對(duì)象71的不同材料特性，例 如在血管與組織之間。
本領(lǐng)域技術(shù)人員依據(jù)在前的描述和附圖可以設(shè)想并且是顯而易見(jiàn)的， 可以對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做出修改和/或改變。例如，可以將由第一或第二散 射層100和106定義的平面調(diào)整為彼此不平行，從而由系統(tǒng)70提供不同級(jí) 別的散射光。此外，由LED陣列85定義的平面最優(yōu)選的是與由第一散射 層100定義的平面具有基本上平行的關(guān)系。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)意 識(shí)到的，可以改變由LED陣列85和第一散射層100定義的平面，以便適 應(yīng)各種操作條件。因此，其明確地意圖是，前文的描述和附圖僅是示例性 的優(yōu)選實(shí)施例，并不局限于此，通過(guò)參考所附權(quán)利要求來(lái)確定本發(fā)明的實(shí) 際精神和范圍。
圖20a、 20b和20c是測(cè)試對(duì)象的照片，其顯示了被投影到覆蓋了被觀 察血管的每一個(gè)對(duì)象的身體組織表面上的皮下血管的經(jīng)處理的圖像。
現(xiàn)在將描述額外的實(shí)施例，其顯示了照射源、用于觀察在被照射的對(duì) 象表面下埋藏結(jié)構(gòu)的圖像的成像設(shè)備和用于將經(jīng)處理的圖像投影回對(duì)象表 面上的投影器的多種配置。因?yàn)楸景l(fā)明的所有實(shí)施例都具有許多共同的結(jié)構(gòu)特征，因此僅需要詳細(xì)論述在這些結(jié)構(gòu)之間的差別，應(yīng)理解，所有實(shí)施 例的相似結(jié)構(gòu)特征執(zhí)行相似的功能。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)易于辯認(rèn)出出現(xiàn)在 本發(fā)明所有實(shí)施例中的相似的結(jié)構(gòu)特征。
因?yàn)楸景l(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于將埋藏結(jié)構(gòu)的圖像投影回對(duì)象表面 上(而不是投影在遠(yuǎn)離對(duì)象表面的屏幕或監(jiān)視器上)，因此使用本發(fā)明的觀 察者不會(huì)受到視差誤差的影響，相反地，在使用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的情況下， 如果觀察者要從偏離軸的方向觀察的話，就會(huì)出現(xiàn)視差誤差。所有實(shí)施例 的一個(gè)重要特征在于，由圖像設(shè)備觀察的埋藏結(jié)構(gòu)的圖像應(yīng)基本上在第一 頻譜內(nèi)，所述第一頻譜在被投影回對(duì)象表面上的圖像的第二頻譜之外，從 而使得成像設(shè)備看不見(jiàn)被投影回對(duì)象表面上的圖像。埋藏結(jié)構(gòu)的觀察圖像 的頻譜與埋藏結(jié)構(gòu)的投影圖像的頻譜的這種基本上不交疊的情況有效地消 除了投影圖像對(duì)埋藏結(jié)構(gòu)的圖像的圖像處理的干擾影響。因?yàn)橥队皥D像在 可見(jiàn)光頻譜中，用于成像設(shè)備的對(duì)象的照射在紅外頻譜中，所以保持了這 兩個(gè)頻譜基本上的不交疊。在另一個(gè)本文公開(kāi)的實(shí)施例中，不是用主要在 紅外頻譜中的光來(lái)照射對(duì)象，可以由寬頻譜環(huán)境光來(lái)照射對(duì)象，并將紅外 濾光器放置在成像設(shè)備的前面，用以去除在紅外頻譜之外的所有頻譜成分， 從而使得成像設(shè)備只看見(jiàn)從對(duì)象反射的寬頻譜散射光中的紅外成分。
在圖12中顯示了成像系統(tǒng)的第三優(yōu)選實(shí)施例130。如同在所有實(shí)施例 中的，將公知的帶有鏡頭的CCD攝像機(jī)132用作成像設(shè)備。將第二偏振濾 光器134插入CCD攝像機(jī)與來(lái)自被觀察對(duì)象的反射光之間，如同以前針對(duì) 較早實(shí)施例所述的，以便減小來(lái)自對(duì)象表面的鏡面反射。在以下對(duì)圖13和 14中所示的成像系統(tǒng)的第四實(shí)施例的論述中最佳地描述了照射源、第一偏 振濾光器、全息照射散射器環(huán)和光學(xué)中性玻璃蓋，其全部總體上在136，第 四實(shí)施例具有相同的結(jié)構(gòu)136，對(duì)于該實(shí)施例將結(jié)構(gòu)136以橫截面的形式進(jìn) 行了顯示。
如同所有實(shí)施例一樣，第三優(yōu)選實(shí)施例包括公知的視頻投影器138或 所謂的"光引擎"，用于將可見(jiàn)圖像投影到接受檢查的對(duì)象O上。視頻投影 器138的預(yù)期特點(diǎn)是高輸出光強(qiáng)度，因?yàn)橥队捌鞯墓廨敵鰪?qiáng)度是在正常室 內(nèi)照射情況下能有多好地觀察被投影圖像的決定因素。視頻投影器138包 括高強(qiáng)度綠色LED照射源140，其將光發(fā)送到公知的棱鏡組件142中，從而使得發(fā)出的光被棱鏡組件142的內(nèi)部反射折回，并在反向射向公知的數(shù) 字光處理("DLP")器件144，也稱為數(shù)字微鏡器件("DMD")，其具有密 集的微鏡陣列，這些微鏡可以分別地改變從其反射的光束的方向，以致于 或者使得光束通過(guò)公知的投影鏡頭146射向目標(biāo)對(duì)象，或者使得光束不射 向目標(biāo)對(duì)象，從而以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式在逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上關(guān)閉 發(fā)出的光束。應(yīng)理解，棱鏡組件142允許將更緊湊的裝置用于成像系統(tǒng)的 各種實(shí)施例，并且這種棱鏡組件的使用是視頻投影器領(lǐng)域中技術(shù)人員公知 的。
如前述實(shí)施例一樣，將公知的所謂"熱光鏡"148以45度插入，以便 截?cái)鄰谋挥^察對(duì)象反射的紅外光，并將該紅外光向下反射到攝像機(jī)132。"熱 光鏡"148對(duì)于具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光(例如，紅外光)充當(dāng)鏡子，但是高頻光， 諸如來(lái)自投影器138的綠光，在不反射情況下穿過(guò)并前往被觀察對(duì)象。
成像系統(tǒng)130還具有第一和第二激光器150、 152，用于確保為了攝像 機(jī)132的聚焦觀察而正確地定位目標(biāo)，如下文中描述的。
現(xiàn)在參考圖13和14，現(xiàn)在將解釋本發(fā)明的成像系統(tǒng)的第四實(shí)施例154。
將第四實(shí)施例154安裝在桿156上，桿156從移動(dòng)車(chē)158向上延伸， 從而能夠容易地運(yùn)送成像系統(tǒng)154。微聚焦鏡臺(tái)160允許升高或降低成像系 統(tǒng)154，以便將其正確地定位在目標(biāo)對(duì)象O上方。如同所有實(shí)施例一樣， 為視頻投影器162提供525nm的綠色LED照射源("光子引擎")164，用 于照射DMD/DLP芯片166。用于第四實(shí)施例的適合的光子引擎164是 Tdedyne Lighting的PE09-G型照射器，其具有85流明的輸出強(qiáng)度。DMD 芯片166可以是德州儀器的零件號(hào)0.7SVGA SDR DMD芯片，其具有848 X600像素的分辨率和10度的鏡面傾斜角度及30Hz的幀頻。如前，公知 的棱鏡組件168將來(lái)自光子引擎164的光內(nèi)部反射到DMD芯片166，并隨 后將從DMD芯片166反射的光射向?qū)ο驩。 DMD芯片166由公知的驅(qū)動(dòng) 電路板167控制，其可以是由Optical Sciences Corporation制造的。
插入到光子引擎164與棱鏡組件168之間的是聚光透鏡170，例如由 OptoSigma銷(xiāo)售的零件號(hào)013-2790-AZ55的BK7生物凸透鏡，其具有為 425-675nm的光涂敷的BBAR/AR表面涂層。在投影器的光從棱鏡組件168 發(fā)出時(shí)，其通過(guò)公知的投影鏡頭172 (Besler零件號(hào)8680的介質(zhì)格式放大
20器鏡頭(medium format enlarger lens))，并隨后通過(guò)公知的"熱光鏡"(高 通濾波器)174，其將接收的來(lái)自對(duì)象O的紅外光圖像反射通過(guò)第二偏振濾 光器178，并隨后到達(dá)攝像機(jī)176。 一種適合的攝像機(jī)176是由Point Grey Research銷(xiāo)售的零件號(hào)FIRE-BW-XX的Firefly Camera,其使用零件號(hào)Sony ICX084AL的640X480 CCD芯片，其通過(guò)正EE-1394 ("火線")接口將其 圖像傳送到計(jì)算機(jī)("CPU") 180。應(yīng)注意，計(jì)算機(jī)180具有多個(gè)接口信號(hào) 181，其以本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的方式與成像系統(tǒng)通信。如針對(duì)第三實(shí)施例 簡(jiǎn)要描述的，第四實(shí)施例還具有第一和第二激光器150、 152，用于確保正 確的定位目標(biāo)O，用于由攝像機(jī)176進(jìn)行聚焦觀察。
如同圖12中所示的第三實(shí)施例130 —樣，參考圖12、 13和14，第四 實(shí)施例154具有組件136，其包括紅外照射源182、第一偏振濾光器184 (它 是具有穿過(guò)其的中心孔的環(huán)形，以便不影響來(lái)自投影器162的投影圖像或 者對(duì)象的觀察圖像)、全息照射散射器環(huán)186 (它同樣具有穿過(guò)其的中心孔， 用于使得來(lái)自投影器162的投影圖像和對(duì)象的觀察圖像通過(guò)，并且它散射 來(lái)自LED 190的光)和光學(xué)中性玻璃蓋188。紅外照射源182是一組LED, 這些LED優(yōu)選的以選擇的方式來(lái)排列，例如具有設(shè)置在中心的孔的圓環(huán)， 投影圖像和被觀察對(duì)象的圖象穿過(guò)這個(gè)孔。LED優(yōu)選的是740nm近紅外 LED 190，其照射對(duì)象O，并且研究已經(jīng)確定這種結(jié)構(gòu)提供了足夠的散射紅 外光來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象O的充分照射。
參考圖15，現(xiàn)在將解釋本發(fā)明的成像系統(tǒng)的第五實(shí)施例192。在該第 五實(shí)施例與其他實(shí)施例之間的重要區(qū)別在于，第五實(shí)施例不提供用于照射 對(duì)象的整體散射紅外照射源(例如，具有LED環(huán)190的照射源182)，但作 為替代，在由環(huán)境光L (或陽(yáng)光S)照射下來(lái)觀察對(duì)象，其具有比前文公開(kāi) 的整體散射紅外照射源更寬的頻譜。盡管環(huán)境光具有一些紅外頻譜成分并 且是非常分散的，但這些紅外頻譜成分通常具有比由前文公開(kāi)的散射紅外 照射源產(chǎn)生的紅外光更低的強(qiáng)度。因此，對(duì)于該實(shí)施例而言需要更好的(即 更敏感的)圖像設(shè)備攝像機(jī)，并且要具有比前述實(shí)施例更好的光學(xué)器件。
如同其他實(shí)施例，第五實(shí)施例192包括視頻投影器162，其包括綠色"光 子引擎"164、棱鏡組件168、投影器鏡頭172和DMD芯片166。為了允許 緊湊的設(shè)計(jì)，第五實(shí)施例192包括"折向鏡"194，其將光束在投影器內(nèi)在光子引擎164與棱鏡組件168之間以直角折向，任何其他實(shí)施例也是同樣 的。同樣如其他實(shí)施例一樣，第五實(shí)施例192包括"熱光鏡"174。
第五實(shí)施例192還具有紅外濾光器196，其插入在成像設(shè)備(攝像機(jī) 198)與對(duì)象O之間的光路中，以便濾除除了由攝像機(jī)198觀察的圖像的紅 外成分之外的所有成分。攝像機(jī)198優(yōu)選的是由德國(guó)Basler Vision Technologies制造的A600-HDR型Basler CMOS攝像機(jī)，其具有正EE 1394 ("火線")接口，并允許在高達(dá)112dB的動(dòng)態(tài)范圍中捕獲圖像。第五實(shí)施 例的優(yōu)點(diǎn)是它可以(并且應(yīng)該)用于照明明亮的房間中。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試已經(jīng)揭示一些人具有覆蓋了表面毛發(fā)的胳膊和腿，以致于難 以清晰地看見(jiàn)被投影到皮膚表面上的被投影皮下結(jié)構(gòu)。研究已經(jīng)揭示了所 有毛發(fā)，即使是白色毛發(fā)，在近紅外光中看起來(lái)也是黑色的。因此，對(duì)接 收的圖像執(zhí)行圖像處理以便從圖像中去除例如毛發(fā)之類(lèi)的細(xì)小的暗偽像， 同時(shí)保留較大的暗對(duì)象以保持血管的可見(jiàn)性。圖16a和16b是順序相連的 用于接收?qǐng)D像的偽像消除圖像處理的程序清單。將相同的偽像消除過(guò)程執(zhí) 行兩次，隨后執(zhí)行公知的自適應(yīng)邊緣增強(qiáng)過(guò)程，例如鈍化蒙片法(misharp masking),隨后是平滑處理，用以清除由毛發(fā)消除所產(chǎn)生的圖像偽像。該程 序清單具有詳細(xì)的注釋，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員解釋了施加到圖像上的各個(gè)
圖像處理步驟。
將具有在(0…255)范圍中的整數(shù)像素值的接收?qǐng)D像轉(zhuǎn)換為在0.0到1.0 (包括這兩個(gè)值)之間的浮點(diǎn)值。隨后使用具有8個(gè)像素的o的高斯巻積 將結(jié)果產(chǎn)生的圖像轉(zhuǎn)換為平滑的(模糊的)圖像。這是相當(dāng)小的o值，在 結(jié)果生成的平滑圖像值中留下了微小的特征，例如細(xì)小的毛發(fā)。產(chǎn)生"差 值圖像"，它是原始圖像減去高斯平滑的圖像的結(jié)果，產(chǎn)生從-1.0到1.0的 一組以0為中心的值。毛發(fā)，即使是白色毛發(fā)在近紅外光中也顯現(xiàn)為黑色 的，所以負(fù)像素值表示毛發(fā)，因此，用來(lái)自高斯平滑圖像的相應(yīng)像素來(lái)代 替這些負(fù)值的像素。這是處理接收?qǐng)D像的第一步驟。接下來(lái)，為該圖像產(chǎn) 生數(shù)值陣列，以使得將原始"差值圖像"為負(fù)的所有像素位置("毛發(fā)"位 置)設(shè)定為l.O，將所有其他像素位置設(shè)定為0，從而產(chǎn)生填充了O.O或l.O 值的陣列，其中每一個(gè)"毛發(fā)像素"都具有1.0的值，所有其他的像素都具 有0值。隨后將具有從0.0到1.0范圍的像素值的原始圖像("iml")在每一個(gè)"毛發(fā)像素"位置處"提升"0.015。因?yàn)檫@是高度非線性的操作，因此 "提升"量就非常小，僅僅為1.5%。
再次執(zhí)行這組相同的操作(具有8個(gè)像素的o的高斯平滑，產(chǎn)生差值 圖像，確定負(fù)像素位置，和在發(fā)現(xiàn)負(fù)像素(小特征和噪聲)的位置處"提 升"圖像)，隨后再次用具有64個(gè)像素的o的高斯巻積對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的圖像 進(jìn)行平滑。產(chǎn)生第三差值圖像，它是再次"提升"的圖像減去平滑的圖像 的結(jié)果，產(chǎn)生由第三差值圖像中每一個(gè)像素的絕對(duì)值構(gòu)成的圖像。隨后用 具有64個(gè)像素的o的高斯巻積對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的絕對(duì)值圖像進(jìn)行平滑，隨后將 第三差值圖像除以平滑的絕對(duì)值圖像，并用具有4個(gè)像素的o的高斯巻積 對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的相除圖像進(jìn)行平滑。
前述偽像消除算法允許依據(jù)皮下血管(感興趣的表面下結(jié)構(gòu))的對(duì)比 度來(lái)設(shè)定對(duì)比度，忽略了偽像(毛發(fā))，從而為自適應(yīng)鈍化蒙片邊緣增強(qiáng)準(zhǔn) 備了圖像，以便設(shè)定最終圖像的對(duì)比度?？梢愿鶕?jù)對(duì)象的年齡、色素沉積 程度等來(lái)改變諸如o值、閾值等的參數(shù)。
圖17a、 17b、 17c、 17d、 17e和17f是順序相連的C+十編程語(yǔ)言的程序 清單，用于對(duì)接收?qǐng)D像的偽像消除圖像處理，其是根據(jù)圖16a和16b顯示 的研究/調(diào)查程序，但作為替代，使用了 Intel圖像處理庫(kù)來(lái)更迅速地執(zhí)行數(shù) 學(xué)運(yùn)算。
本發(fā)明的任何或所有實(shí)施例都優(yōu)選的包括一種機(jī)制，用于以適當(dāng)?shù)溺R 頭到對(duì)象的距離將由成像設(shè)備所見(jiàn)到的埋藏結(jié)構(gòu)的圖像與圖像設(shè)備攝像機(jī) 焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。如圖18中所見(jiàn)的，這個(gè)機(jī)制的第一實(shí)施例使用一對(duì)激光器150、 152，每一個(gè)激光器都分別發(fā)出光束200、 202，光束200、 202相對(duì)于彼此 不平行，因此從不同角度指向?qū)ο螅允沟脙H當(dāng)目標(biāo)在距成像設(shè)備適當(dāng)?shù)?鏡頭到對(duì)象距離時(shí)，如由相交面206的位置所示，這兩個(gè)激光束才會(huì)在同 一斑點(diǎn)204處會(huì)聚并相交。如果目標(biāo)比該適當(dāng)?shù)溺R頭到對(duì)象距離更接近于 該裝置，如由平面208所示，或者如果目標(biāo)比該適當(dāng)?shù)溺R頭到對(duì)象距離更 遠(yuǎn)離該裝置，如由平面210所示，則這兩個(gè)激光束就不會(huì)在單一點(diǎn)204相 交，而是會(huì)作為第一對(duì)可見(jiàn)點(diǎn)212、 214 (對(duì)于平面208)，或者作為第二對(duì) 可見(jiàn)點(diǎn)216、 218 (對(duì)于平面210)出現(xiàn)在對(duì)象的表面上，這表示埋藏結(jié)構(gòu) 沒(méi)有與成像設(shè)備攝像機(jī)焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，應(yīng)改變從對(duì)象到該裝置的距離以便將埋藏結(jié)構(gòu)的觀察圖像調(diào)節(jié)為焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。還可以在圖12、 13和14中見(jiàn)到激光 器150和152。適用于本發(fā)明的激光器是由Vienna, Austria的Roithner Lasertechnik制造的LM-03型激光器模塊。
目標(biāo)定位機(jī)制的第二實(shí)施例為投影圖像增加了可識(shí)別的可見(jiàn)光圖案， 例如文字邊框，其獨(dú)立于被觀察的埋藏結(jié)構(gòu)，用于以此相互投影。僅當(dāng)目 標(biāo)在距投影器的預(yù)期距離處時(shí)，投影的可識(shí)別圖案才會(huì)被人類(lèi)觀察者識(shí)別 為聚焦在目標(biāo)對(duì)象的表面上，從而使得在目標(biāo)表面下的埋藏結(jié)構(gòu)也處于距 成像設(shè)備適當(dāng)?shù)溺R頭到對(duì)象距離處。如果想要的話，可以提供引起孩子們 興趣的卡通人物作為刺激因素來(lái)使孩子們正確地定位他們的身體部分，以 便觀察皮下血管，或者可以將醫(yī)院或門(mén)診部的標(biāo)志或姓名用于該圖案。盡 管埋藏結(jié)構(gòu)的投影圖像由于偽像的圖像處理消除常常會(huì)有一些模糊，但人 們可以迅速地?cái)喽ü幕蚩勺R(shí)別的可見(jiàn)光圖案是否失焦。目標(biāo)定位機(jī)制 的該第二實(shí)施例，即，投影可識(shí)別的可見(jiàn)光圖案而不是使用激光器，的優(yōu) 點(diǎn)在于，如果沒(méi)#對(duì)激光器使用適當(dāng)?shù)陌踩A(yù)防措施，就存在傷害的可能 危險(xiǎn)性，例如失明。
圖21的照片顯示了周?chē)哂形淖诌吙虻耐队皥D像。
圖22是周?chē)哂形淖诌吙虻耐队皥D像的另一個(gè)照片，其類(lèi)似于圖21， 但其中已經(jīng)將觀察圖像移出了適當(dāng)?shù)奈恢?，顯示了文字邊框如何變得失焦 以表示沒(méi)有適當(dāng)?shù)叵鄬?duì)于圖像設(shè)備攝像機(jī)定位對(duì)象。
圖23顯示了文字邊框圖像，其與投影圖像相結(jié)合以便共同投影到對(duì)象 上來(lái)確保適當(dāng)?shù)囟ㄎ?。因?yàn)橛捎谇笆龅睦忡R結(jié)構(gòu)內(nèi)的圖像反射而在本發(fā)明 的一些實(shí)施例中出現(xiàn)的圖像反轉(zhuǎn)，這個(gè)文字邊框圖像被反轉(zhuǎn)顯示，但是在 被投影時(shí)就顯現(xiàn)為是未反轉(zhuǎn)的。在將投影圖像與文字邊框進(jìn)行組合之前適 當(dāng)?shù)丶舨猛队皥D像，以使得文字邊框在被投影時(shí)保持明顯而清晰。
圖24是借助本發(fā)明的投影到手上的表面下血管的經(jīng)處理的圖像的照 片，類(lèi)似于圖20 (其省略了文字邊框)和圖21，但顯示了文字邊框如何變 得失焦以表示手沒(méi)有被適當(dāng)?shù)囟ㄎ弧?br>
如圖19所示，提供了校準(zhǔn)方法，其中視頻投影器138 (或162，或本 發(fā)明的任意投影器)將綠色目標(biāo)圖案220投影到熒光屏222上，熒光屏222 將投影的四點(diǎn)綠色目標(biāo)圖案220轉(zhuǎn)換為深紅色光，它可以被紅外成像設(shè)備
24132看見(jiàn)。計(jì)算機(jī)程序在笛卡爾坐標(biāo)系中記錄這些投影點(diǎn)的觀察圖案的觀測(cè) 位置，即(xl,yl)，(x2,y2)，(x3,y3)和(x4,y4)，與在對(duì)準(zhǔn)定位正確的情況下的四 個(gè)投影點(diǎn)PKP2、P3和P4的預(yù)期或"真實(shí)"位置，即(X1,Y1)，(X2，Y2)，(X3,Y3) 和(X4，Y4灘對(duì)比，并計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)(a，b，c,d，g，h,k，f)，其用于雙線性變換等式 中(用于圖25a和圖25b中"solve"函數(shù)的自變量)，以修正在成像設(shè)備與 投影器之間的放大、旋轉(zhuǎn)和平移失準(zhǔn)。圖25a和圖25b顯示了使用MAPLE 9計(jì)算機(jī)方程求解程序來(lái)求解作為在校準(zhǔn)期間測(cè)量的數(shù)值的函數(shù)的雙線性 變換系數(shù)。在該設(shè)備的操作期間使用這些校準(zhǔn)系數(shù)，來(lái)將圖像的坐標(biāo)系(x,y) 變換為產(chǎn)生校準(zhǔn)圖像所必需的修正的坐標(biāo)系(X,Y)。圖26顯示了一旦在校準(zhǔn) 過(guò)程中計(jì)算得到了這些坐標(biāo)，如何將這些坐標(biāo)用作由集成電路公司Intel提 供的與其處理器一起使用的公知圖像處理庫(kù)數(shù)學(xué)例程的參數(shù)，以使用雙線 性變換等式來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能的圖像對(duì)準(zhǔn)修正。使用縮放的整數(shù)運(yùn)算來(lái)進(jìn)行運(yùn) 行時(shí)計(jì)算，而不是使用浮點(diǎn)運(yùn)算，以便更快地處理圖像。
校準(zhǔn)過(guò)程將測(cè)試圖案220投影到熒光屏上，測(cè)試圖案220由四個(gè)點(diǎn)Pl、 P2、 P3和P4組成，其每一個(gè)都具有25像素的半徑(按照成像設(shè)備攝像機(jī) 所觀察到的)，在具有320X240像素矩形的尺寸(按照成像設(shè)備攝像機(jī)所 觀察到的)矩形的角中。例如，攝像機(jī)132可以具有640X480像素的分辨 率，而投影器138可以具有1024X780像素的分辨率。針對(duì)從4到50個(gè)像 素變化的點(diǎn)半徑的實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示100個(gè)樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差從5個(gè)像素的點(diǎn)半 徑到約25個(gè)像素的點(diǎn)半徑迅速減小，隨后到50個(gè)像素的半徑就減小的慢 得多。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的校準(zhǔn)方法，在第一頻譜內(nèi)，優(yōu)選的使用綠色光，將 四個(gè)分離點(diǎn)Pl、 P2、 P3和P4的測(cè)試圖案投影到熒光屏222上，其隨后發(fā) 出熒光并產(chǎn)生在第二頻譜內(nèi)的光，優(yōu)選的是相鄰于或在紅外頻譜內(nèi)的光， 例如，紅色光，它對(duì)于圖像設(shè)備攝像機(jī)132是可見(jiàn)的，即使是穿過(guò)了紅外 傳送濾光器(圖像設(shè)備攝像機(jī)通過(guò)其觀察它的目標(biāo)對(duì)象)。校準(zhǔn)軟件隨后測(cè) 量這四點(diǎn)的觀測(cè)位置并為雙線性變換等式計(jì)算修正系數(shù)(a，b，c,d,g，f,h，k)，隨
后將這些系數(shù)用作雙線性變換的參數(shù)，以便通過(guò)在投影之前使圖像變形來(lái) 修正在圖像設(shè)備攝像機(jī)與投影器之間的未對(duì)準(zhǔn)誤差(旋轉(zhuǎn)、平移和放大)， 以便針對(duì)未對(duì)準(zhǔn)來(lái)修正投影圖像。應(yīng)注意，這個(gè)過(guò)程允許對(duì)在水平與垂直方向上不同的放大誤差進(jìn)行修正，并且還允許對(duì)在水平與垂直方向上不同 的平移誤差進(jìn)行修正。
測(cè)試顯示這個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程可以修正高達(dá)+/-25.4111111到在圖像攝像機(jī)的像 素尺寸的大約一半內(nèi)的未對(duì)準(zhǔn)。對(duì)于接近測(cè)試圖案的四個(gè)點(diǎn)的圖像部分， 對(duì)準(zhǔn)是最好的，但在整個(gè)圖像上都保持得非常良好。
應(yīng)理解，鑒于前文的公開(kāi)內(nèi)容，任何這些實(shí)施例的特征都可以以現(xiàn)在 會(huì)理解的方式與另一個(gè)實(shí)施例一起使用。例如，任何實(shí)施例可以選擇使用 環(huán)境光內(nèi)的紅外光成分來(lái)照射對(duì)象，而不是提供單獨(dú)的散射紅外光照射源， 和/或任何實(shí)施例可以在激光目標(biāo)定位器與可識(shí)別圖案之間進(jìn)行選擇，其中 的可識(shí)別圖案與埋藏結(jié)構(gòu)的投影圖像相結(jié)合以保持從圖像設(shè)備攝像機(jī)到對(duì) 象的預(yù)期距離。
如上所述，在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中，可以在將接收?qǐng)D像投影回到目 標(biāo)之前，通過(guò)各種圖像處理技術(shù)來(lái)增強(qiáng)接收?qǐng)D像的可視性。例如，描述了 偽像消除處理，該處理除了其他操作之外，使用了鈍化蒙片一產(chǎn)生對(duì)象圖 像的模糊版本，并從原始對(duì)象圖像(即，聚焦的圖像)中減去它，以產(chǎn)生 邊緣增強(qiáng)的圖像。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，還可以使用其他技術(shù)。
圖27A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于對(duì)對(duì)象圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)的方 法的流程圖。在步驟27-1，在圖像處理設(shè)備處接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，例如從攝像 機(jī)接收?？梢砸砸阎臄?shù)字格式來(lái)處理該圖像數(shù)據(jù)，例如在0-225灰度級(jí)上 的像素?cái)?shù)據(jù)。在步驟27-2，通過(guò)應(yīng)用例如高斯模糊的模糊濾波器來(lái)產(chǎn)生模 糊圖像。這個(gè)模糊可以出現(xiàn)在空間域中或者頻域中，通過(guò)巻積來(lái)提高計(jì)算 速度。在步驟27-3，從原始圖像中減去(例如，逐個(gè)像素的)結(jié)果產(chǎn)生的 模糊圖像，產(chǎn)生鈍化蒙片(27-4)。取該鈍化蒙片的絕對(duì)值(ABS) (27-5)， 并且對(duì)其應(yīng)用另一個(gè)模糊濾波器。將鈍化蒙片除以該鈍化蒙片的模糊的 ABS (27-7)，并對(duì)該運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整以產(chǎn)生最終的增強(qiáng)圖像(27-8)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)將"平均窗口"應(yīng)用于圖像中的每一個(gè)像 素來(lái)產(chǎn)生模糊圖像。平均窗口是內(nèi)核尺寸小于被處理圖像的尺寸的窗口。 平均窗口以圖像的每一個(gè)像素為中心，并將感興趣的像素的值設(shè)定為窗口 內(nèi)所有像素的平均值。例如，在具有640X480像素分辨率的圖像中，已經(jīng) 確定192X192大小的平均窗口作為第一模糊濾波器產(chǎn)生了良好的結(jié)果。當(dāng)將平均窗口應(yīng)用于圖像外部中的像素從而使得平均窗口延伸超出圖像的分辨度時(shí)，就對(duì)窗口中的像素進(jìn)行鏡像以便填充平均窗口。
通過(guò)將平均窗口應(yīng)用于圖像中的每一個(gè)像素，產(chǎn)生了模糊圖像。在圖
27A的方法中，在兩個(gè)不同時(shí)間應(yīng)用模糊濾波器。已經(jīng)確定了當(dāng)模糊濾波器的第二次應(yīng)用使用與第一次應(yīng)用不同的窗口尺寸時(shí)，優(yōu)選的是更小的尺寸，就獲得了更好的結(jié)果。已經(jīng)確定了如果第一次平均窗口具有192X192像素的內(nèi)核尺寸，那么具有96X96像素尺寸的第二次平均窗口就導(dǎo)致圖像清晰度的有效提高。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，如果在空間域中進(jìn)行處理，處理較小的內(nèi)核會(huì)比處理較大的內(nèi)核更快，本發(fā)明并不限于任何特定內(nèi)核尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以通過(guò)執(zhí)行線性縮放來(lái)完成最終對(duì)比度調(diào)整(例如，27-8)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，在這個(gè)步驟之前執(zhí)行的除法函數(shù)產(chǎn)生16比特帶符號(hào)整數(shù)。可以使用最小和最大值，將這個(gè)值縮放回8比特?zé)o符號(hào)整數(shù)。在縮放期間，最小值(Min)和最大值(Max)參數(shù)確定了該擴(kuò)展，并從而確定對(duì)比度增加的程度。用于將源像素p映射到目標(biāo)像素P'的縮放公式是
其中，A:=(^st—她x-(isf—M/"」/fi7r—Mznc—M/"」
從圖27B-C可以看到該圖像處理的結(jié)果。圖27B是沿著梯度的選定部分的像素值的標(biāo)圖線的測(cè)試目標(biāo)(梯度)的圖像。圖27C是借助圖27A中闡明的處理進(jìn)行了增強(qiáng)之后，在沿著梯度的選定部分的處理后的像素值的標(biāo)圖線的測(cè)試梯度的圖像。如所見(jiàn)的，產(chǎn)生了細(xì)節(jié)的顯現(xiàn)，例如梯度線的變暗的中心線。
可以通過(guò)對(duì)模糊步驟以更小的平均窗口尺寸來(lái)應(yīng)用圖27A的方法來(lái)獲得更為精細(xì)的細(xì)節(jié)。已經(jīng)確定了可以通過(guò)在步驟27-2中使用大小96X96像素的第一平均窗口并在步驟27-6中使用大小48X48像素的第二平均窗口
來(lái)獲得更為精細(xì)的圖像。
可以使用進(jìn)一步的圖像處理來(lái)產(chǎn)生皮下血管的視覺(jué)上更有用的圖像。例如，對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)可以產(chǎn)生具有輪廓更分明的邊緣或清晰的中心的血管圖像。圖28A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于為了提供改進(jìn)的空間細(xì)節(jié)而增強(qiáng)圖像對(duì)比度的另一種方法的流程圖。在步驟28-l，接收待處理的圖像。 在步驟28-2，例如如上所述，通過(guò)應(yīng)用模糊濾波器來(lái)產(chǎn)生模糊圖像。在步 驟28-3，從原始圖像中減去模糊圖像，結(jié)果產(chǎn)生鈍化蒙片(28-4)。取鈍化 蒙片的ABS (28-5)，并對(duì)其應(yīng)用模糊濾波器(28-6)。將鈍化蒙片的ABS 除以(28-7)該鈍化蒙片的模糊的ABS，并且對(duì)該運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整以 產(chǎn)生最終的增強(qiáng)圖像(28-8)。
在圖28A的方法中，確定了分別使用大小76X76和40X40像素的第 一和第二平均窗口獲得了較好的結(jié)果。
可以從圖28B-28D看到該圖像處理的結(jié)果。圖28B是在由圖28A中闡 明的處理進(jìn)行了增強(qiáng)之后，沿著梯度的選定部分的處理后的像素值的標(biāo)圖 線的測(cè)試梯度的圖像。如所見(jiàn)的，產(chǎn)生了細(xì)節(jié)的顯現(xiàn)，例如梯度線的變暗 的邊緣。圖28C包括投影回到人胳膊上的皮下血管的增強(qiáng)圖像的圖像。上 面的圖像是根據(jù)圖27A的方法的處理結(jié)果，下面的圖像是根據(jù)圖28A的方 法的處理結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到每一種方法產(chǎn)生了顯然不同的結(jié) 果，并理解這些技術(shù)對(duì)于不同的應(yīng)用而言會(huì)是優(yōu)選的。
圖28D包括在圖28A的處理步驟過(guò)程中人目標(biāo)身體部分的圖像。左上 角圖像是目標(biāo)身體部分的原始圖像。右上角圖像是目標(biāo)身體部分的模糊圖 像。左中的圖像是從原始圖像中減去模糊圖像的結(jié)果。右中的圖像是圖28A 的處理的結(jié)果，具有增強(qiáng)的空間細(xì)節(jié)。底部的兩個(gè)曲線圖是分別用于該圖 上面的兩個(gè)圖像的圖像的像素?cái)?shù)據(jù)的橫截面曲線圖。
圖29A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的，用于增強(qiáng)圖像對(duì)比度的另一種方法的 流程圖。在步驟29-l，從攝像機(jī)接收?qǐng)D像。在步驟29-2，通過(guò)應(yīng)用模糊濾 波器來(lái)產(chǎn)生模糊圖像。在步驟29-3，從原始圖像中減去模糊圖像，結(jié)果產(chǎn) 生鈍化蒙片(29-4)。取鈍化蒙片的絕對(duì)值(29-5)，并對(duì)其應(yīng)用模糊濾波器 (29-6)。將鈍化蒙片除以(29-7)該鈍化蒙片的模糊的ABS，并對(duì)該運(yùn)算 的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整以產(chǎn)生增強(qiáng)圖像(29-8)。接下來(lái)，在步驟29-9中將每一個(gè) 像素與閾值亮度進(jìn)行比較。如果像素低于閾值，就將該像素設(shè)定為最大級(jí) 別(例如，在0-255的對(duì)比度級(jí)上的255)。
在圖29A的方法中，確定了分別使用大小96X96和40X40像素的第 一和第二平均窗口獲得了較好的結(jié)果。可以從圖29B-29C看到該圖像處理的結(jié)果。圖29B是借助圖29A中闡 明的處理進(jìn)行增強(qiáng)之后，沿著梯度的選定部分的處理后像素值的標(biāo)圖線的 測(cè)試梯度的圖像。如所見(jiàn)的，借助于在梯度線變暗的邊緣與明亮的中心之 間的極強(qiáng)的對(duì)比度產(chǎn)生了細(xì)節(jié)的顯現(xiàn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到每一種方 法產(chǎn)生顯然不同的結(jié)果，并理解這些技術(shù)對(duì)于不同的應(yīng)用而言會(huì)是優(yōu)選的。
圖30A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的，用于增強(qiáng)圖像對(duì)比度的另一種方法的 流程圖。在步驟30-l，從攝像機(jī)接收待處理的圖像。在步驟30-2，通過(guò)應(yīng) 用模糊濾波器來(lái)產(chǎn)生模糊圖像。在步驟30-3，從原始圖像中減去模糊圖像， 結(jié)果產(chǎn)生鈍化蒙片(30-4)。取鈍化蒙片的絕對(duì)值(30-5)，并對(duì)其應(yīng)用模糊 濾波器(30-6)。將鈍化蒙片除以(30-7)該鈍化蒙片的模糊的ABS，并對(duì) 該運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整以產(chǎn)生增強(qiáng)圖像(30-8)。接下來(lái)，將圖像的每一個(gè) 像素調(diào)整(減小或增大) 一個(gè)偏移量。在一個(gè)實(shí)施例中，將這個(gè)值減小一 個(gè)恒定值，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的負(fù)值進(jìn)行"翻轉(zhuǎn)"。例如，使用0-255的灰度級(jí)和 常數(shù)30，將圖像值25減小到-5，它在可允許的范圍之外，并被翻轉(zhuǎn)到250。 如果使用偏移量來(lái)增大像素值，像素值就從255翻轉(zhuǎn)到0。
在圖30A的方法中，確定了分別使用大小96X96和40X40像素的第 一和第二平均窗口獲得了較好的結(jié)果。
可以從圖30B看到該圖像處理的結(jié)果，它是借助圖30A中闡明的處理 進(jìn)行增強(qiáng)之后，沿著梯度的選定部分的處理后像素值的標(biāo)圖線的測(cè)試梯度 的圖像。如所見(jiàn)的，借助于在梯度線變暗的邊緣與明亮的中心之間的極強(qiáng) 的對(duì)比度產(chǎn)生了細(xì)節(jié)的顯現(xiàn)。圖29C包括投影回到人胳膊上的皮下血管的 增強(qiáng)圖像的圖像。上面的圖像是根據(jù)圖27A的方法的處理結(jié)果，而下面的 圖像是根據(jù)圖30A的方法的處理結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到每一種方 法產(chǎn)生顯然不同的結(jié)果，并理解這些技術(shù)對(duì)于不同的應(yīng)用而言會(huì)是優(yōu)選的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，可以通過(guò)為以上處理增加一個(gè)步驟，來(lái) 減小由身體上的毛發(fā)引起的圖像中的噪聲或干擾，該步驟在應(yīng)用其余處理 步驟之前首先將."最大值濾波器"用于圖像。最大值濾波器類(lèi)似于模糊濾 波器，但不是將平均窗口用于每一個(gè)像素，而是使用了最大值窗口。最大 值窗口識(shí)別在覆蓋感興趣像素的窗口中的任何像素的最大值，并將感興趣 的像素設(shè)定為該最大值。己經(jīng)確定了以每一個(gè)感興趣像素為中心的大小12X 12像素的最大值窗口獲得了良好的結(jié)果。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可以將最大值窗口濾波器應(yīng)用于圖27A的方法，以 便減小圖像上毛發(fā)的影響。確定了分別使用大小192X192和96X96像素 的第一和第二平均窗口獲得了較好的結(jié)果。
可以借助已知的傳統(tǒng)手段來(lái)執(zhí)行數(shù)字圖像處理，例如借助于使用對(duì)數(shù) 視頻信號(hào)或數(shù)字視頻信號(hào)的硬件、軟件和/或固件的組合。在本發(fā)明的實(shí)施 例中，以諸如C語(yǔ)言之類(lèi)的已知的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言以編程的方式執(zhí)行處理。然 而，本發(fā)明不局限于任何特定計(jì)算手段。
因此，以上已經(jīng)參考附圖充分描述了多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。盡管本發(fā)明是 基于這些優(yōu)選實(shí)施例來(lái)加以描述的，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然可 以在本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)，對(duì)所描述的實(shí)施例獲得某些修改、變化和可 替換的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種成像系統(tǒng)，包括(a)成像設(shè)備，用于接收以輸入圖像形式從身體組織的區(qū)域反射的紅外光，并產(chǎn)生所述身體組織的區(qū)域的增強(qiáng)圖像，其中，所述增強(qiáng)圖像的產(chǎn)生包括對(duì)比度增強(qiáng)，所述對(duì)比度增強(qiáng)包括將鈍化蒙片應(yīng)用于所述輸入圖像；以及(b)投影器，其接收所述增強(qiáng)圖像，并將所述增強(qiáng)圖像投影到所述身體組織的區(qū)域上。
2、 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，還包括紅外光源，用于產(chǎn)生朝向所 述身體組織的區(qū)域的紅外光。
3、 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述對(duì)比度增強(qiáng)還包括應(yīng)用 第一模糊濾波器和第二模糊濾波器，所述第一模糊濾波器和所述第二模糊 濾波器每一個(gè)都具有不同的分辨率。
4、 如權(quán)利要求3所述的成像系統(tǒng)，其中，所述第一模糊濾波器和所述 第二模糊濾波器包括將平均窗口應(yīng)用于所述輸入圖像的每一個(gè)像素。
5、 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述對(duì)比度增強(qiáng)還包括調(diào)整 用于產(chǎn)生所述鈍化蒙片的模糊濾波器。
6、 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述輸入圖像包括像素?cái)?shù)據(jù)， 并且其中，所述對(duì)比度增強(qiáng)還包括將閾值應(yīng)用于所述像素?cái)?shù)據(jù)，以便當(dāng)一 像素的值低于所述閾值時(shí)，將該像素的值改變?yōu)橐活A(yù)置值。
7、 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述輸入圖像包括像素?cái)?shù)據(jù)， 并且其中，所述對(duì)比度增強(qiáng)還包括將每一個(gè)像素值偏移一設(shè)定量，以產(chǎn)生 調(diào)整的像素值，并且如果任何調(diào)整的像素值在預(yù)置范圍之外，就將該值翻轉(zhuǎn)為所述預(yù)置范圍內(nèi)的值。
8、 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述對(duì)比度增強(qiáng)還包括應(yīng)用 線性縮放。
9、 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述輸入圖像包括像素?cái)?shù)據(jù)， 并且其中，所述對(duì)比度增強(qiáng)還包括在執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)處理步驟期間使用每 一個(gè)像素值的絕對(duì)值的步驟。
10、 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述輸入圖像包括像素?cái)?shù) 據(jù)，并且其中，所述對(duì)比度增強(qiáng)還包括應(yīng)用最大值濾波器窗口，所述最大 值濾波器窗口將目標(biāo)像素的值設(shè)定為該窗口內(nèi)任何像素的最大值。
11、 如權(quán)利要求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述成像設(shè)備具有至少兩 個(gè)可能的對(duì)比度增強(qiáng)選項(xiàng)，并且還包括選擇器，以便用戶可以使用所述選 擇器來(lái)為所述成像設(shè)備選擇一個(gè)或多個(gè)對(duì)比度增強(qiáng)選項(xiàng)以用來(lái)產(chǎn)生所述增 強(qiáng)圖像。
12、 如權(quán)利f求1所述的成像系統(tǒng)，其中，所述身體組織的區(qū)域包括 包含血管結(jié)構(gòu)的身體組織，并且所述增強(qiáng)圖像包含允許用戶定位所述血管 結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。
13、 一種用于增強(qiáng)在身體組織內(nèi)埋藏結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)性的方法，包括-(a) 接收從所述身體組織反射的紅外光，以產(chǎn)生輸入圖象；(b) 增強(qiáng)所述輸入圖像的對(duì)比度，以產(chǎn)生包含所述埋藏結(jié)構(gòu)的表示的 增強(qiáng)圖像；(c) 將所述增強(qiáng)圖像投影到所述身體組織上，以使得所述埋藏結(jié)構(gòu)的 所述表示與所述埋藏結(jié)構(gòu)重疊。
14、 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括以紅外光照射所述身體組織的初始步驟。
15、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述增強(qiáng)對(duì)比度的步驟還包括 應(yīng)用第一模糊濾波器和第二模糊濾波器，所述第一模糊濾波器和所述第二 模糊濾波器每一個(gè)都具有不同的分辨率。
16、 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述第一模糊濾波器和所述第 二模糊濾波器包括將平均窗口應(yīng)用于所述輸入圖像的每一個(gè)像素。
17、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述增強(qiáng)對(duì)比度的步驟還包括 調(diào)整用于產(chǎn)生鈍化蒙片的模糊濾波器。
18、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述輸入圖像包括像素?cái)?shù)據(jù)， 并且其中，所述增強(qiáng)對(duì)比度的步驟還包括將閾值應(yīng)用于所述像素?cái)?shù)據(jù)，以 便當(dāng)像素的值低于所述閾值時(shí)，將該像素的值改變?yōu)橐活A(yù)置值。
19、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述輸入圖像包括像素?cái)?shù)據(jù)， 并且其中，所述增強(qiáng)對(duì)比度的步驟還包括將每一個(gè)像素值偏移一設(shè)定量， 以產(chǎn)生調(diào)整的像素值，并且如果任何調(diào)整的像素值在預(yù)置范圍之外，就將 該值翻轉(zhuǎn)為所述預(yù)置范圍內(nèi)的值。
20、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述增強(qiáng)對(duì)比度的步驟還包括 應(yīng)用線性縮放。
21、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述輸入圖像包括像素?cái)?shù)據(jù)， 并且其中，所述增強(qiáng)對(duì)比度的步驟還包括在執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)處理步驟期間 使用每一個(gè)像素值的絕對(duì)值的步驟。
22、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述輸入圖像包括像素?cái)?shù)據(jù)， 并且其中，所述增強(qiáng)對(duì)比度的步驟還包括應(yīng)用最大值濾波器窗口，所述最大值濾波器窗口將目標(biāo)像素的值設(shè)定為該窗口內(nèi)任何像素的最大值。
23、 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括為所述成像設(shè)備選擇一個(gè)或多 個(gè)對(duì)比度增強(qiáng)選項(xiàng)以用來(lái)產(chǎn)生所述增強(qiáng)圖像的步驟。
24、 如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述身體組織的區(qū)域包括包含 血管結(jié)構(gòu)的身體組織，并且還包括定位所述血管結(jié)構(gòu)的步驟。
全文摘要
一種成像系統(tǒng)和方法，用紅外光照射身體組織，以提供血管結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)性，并根據(jù)反射的紅外光產(chǎn)生身體組織和皮下血管的圖像。該系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生紅外光的紅外光照射源和用于散射紅外光的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)還包括成像設(shè)備，用于接收從身體組織反射的紅外光，并根據(jù)反射的紅外光產(chǎn)生身體組織的增強(qiáng)圖像。借助于包括應(yīng)用鈍化蒙片在內(nèi)的對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)來(lái)產(chǎn)生增強(qiáng)圖像。該系統(tǒng)還包括投影器，用于從成像設(shè)備接收輸出信號(hào)并將增強(qiáng)圖像投影到身體組織上。
文檔編號(hào)A61B6/00GK101686820SQ200880012041
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者C·弗蘭肯, J·D·貝里希爾, P·梅恩 申請(qǐng)人:路耐狄斯公司