本發(fā)明涉及醫(yī)療器械領域中的靜脈注射儀器，特別是涉及一種基于紅外成像技術的手背靜脈注射儀器。
背景技術：
：靜脈穿刺，是一種醫(yī)學上非常常見的醫(yī)療手段。但是在目前的醫(yī)療條件下，依靠人工扎針的方式，很難準確、迅速地進行靜脈穿刺。特別是對于兒童、老人及肥胖人群等靜脈不明顯的患者，單純依賴護士的經驗有時無法有效地保證穿刺成功。國外統(tǒng)計資料表明：普通成人靜脈注射的首次穿刺失敗率為28％；兒童靜脈注射的首次穿刺失敗率為44％；兒童中需嘗試穿刺3次以上才能進行靜脈注射的比例為43％；靜脈注射時，發(fā)生漏針的現(xiàn)象比例為23-28％；癌癥患者中穿刺完全失敗的比例為12％；住院病人中，入院三天后發(fā)生穿刺困難的比例為25％。由于醫(yī)療人員的不足，對于醫(yī)療條件較差的偏遠山區(qū)、鄉(xiāng)村或是小城市的患者，需要花費大量的時間和金錢，才能到相關的醫(yī)療站或者醫(yī)院進行這種靜脈注射。在過去的十幾年里，紅外成像技術的應用研究空前繁榮。紅外技術推廣至醫(yī)療領域，采用紅外技術進行診斷，發(fā)展紅外醫(yī)療設備，以適應醫(yī)療的需要，這是自然科學技術不同領域之間相互滲透的必然趨勢。雖然醫(yī)學紅外成像技術的發(fā)展已經有了相當長的歷史，但其在輔助靜脈穿刺過程中的應用卻不是那么廣泛。發(fā)展到現(xiàn)在，將紅外成像技術應用到靜脈穿刺的中，利用儀器測量計算的準確性代替人工帶來的不確定因素，提高靜脈穿刺的成功率，使得手背靜脈穿刺的治療手段變得簡單、準確、快速，既可以幫助醫(yī)護人員降低勞動強度和精神壓力，提高醫(yī)護人員的工作效率，也可以減輕患者的痛苦和緊張情緒，降低醫(yī)療費用,也可以在沒有專業(yè)醫(yī)護人員的某些特殊情況下，幫助患者得到及時治療。技術實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種基于紅外成像技術的手背靜脈注射儀，該裝置通過獨特的機械結構設計，將注射桿架于四個步進電機所承載的兩條水平調整桿上，方便注射角度的調節(jié)并大大提高注射桿的注射穩(wěn)定性。另外，結合PC端的手背血管圖像，點擊注射點可以自動獲取注射點坐標并發(fā)送給單片機，進而由坐標距離計算出各電機的轉動圈數(shù)，從而控制垂直調整桿、水平調整桿獲得指定移位，因此可以幫助患者及醫(yī)護人員排除人為因素的干擾，準確、快速地完成靜脈注射，提高手背靜脈穿刺的成功率。本發(fā)明的技術方案為一種基于紅外成像技術的手背靜脈注射儀，該注射儀的組成包括控制面板、紅外成像部分、機械注射部分、固定部分和儀器框架；所述控制面板固定在儀器框架右端的側壁；所述控制面板的組成包括電源開關和控制按鍵；所述電源開關一端接入220V交流電，另一端與開關電源相連，開關電源分別與單片機、步進電機驅動模塊相連；所述的控制按鍵包括注射桿復位按鍵、注射按鍵和抽針按鍵；各控制按鍵分別與單片機的不同引腳相連；所述紅外成像部分包括組合鏡頭、鏡頭支架、圖像采集卡和電腦；其中，鏡頭支架放置在儀器框架左端的兩側壁上的水平滑槽中，且垂直放置，組合鏡頭固定在鏡頭支架頂板圓孔的上方，所用的組合鏡頭朝下放置安裝；組合鏡頭與圖像采集卡連接，圖像采集卡連接與電腦相連；所述機械注射部分的組成包括：單片機、步進電機、步進電機驅動模塊、垂直調整桿、水平調整桿、水平滑桿、水平調整桿滑軌、注射桿，其中，四個步進電機呈矩形分布固定在儀器框架的底板上的右側，每個步進電機上垂直安裝有一個垂直調整桿，兩根水平滑桿平行安裝在4根垂直調整桿上；兩個水平調整桿滑軌分別垂直安裝在儀器框架兩個側壁的內壁上，水平調整桿水平放置，它的一端直接嵌到一個水平調整桿滑軌，另一端與第五個連步進電機相連，第五個步進電機嵌于另一個水平調整桿滑軌，并且，水平調整桿與兩根水平滑桿互相平行，并位于四個步進電機形成的矩形的中線位置之上；注射桿分別與水平調整桿、水平滑桿相連；所述5個步進電機分別和步進電機驅動模塊相連，步進電機驅動模塊與單片機相連；單片機通過數(shù)據(jù)串口與電腦相連；所述的注射桿的組成包括：注射桿基座、微型直流電機、減速器、固定塊、精密螺紋桿、滑桿、運動滑塊、運動桿、針頭載具、針頭和回血檢測光門；微型直流電機直接與減速器相連，且固定于注射桿基座上；注射桿基座的兩端各安裝有一個固定塊，兩個固定塊之間水平固定著兩根滑桿，兩根滑桿上下分布；兩根滑桿之上設置有可左右滑動的運動滑塊；兩根滑桿之間為一根精密螺紋桿，精密螺紋桿的左端與左側的固定塊相連，精密螺紋桿的右端依次穿過動滑塊、右側固定塊，與減速器相連；精密螺紋桿的垂直正上方為一根運動桿，運動桿的左端穿過左側的固定塊，與針頭載具的垂直豎板相連，運動桿的右端固定在運動滑塊上，并與精密螺紋桿、兩根滑桿相互平行；針頭載具為L型，其水平板固定有針頭和回血檢測光門，其中針頭平行鑲嵌到針頭載具上，回血檢測光門位于針頭右側的輸液管處，并垂直于輸液管水平放置與針頭載具相粘連；輸液管的一端與針頭相連，另一端與懸掛高處的輸液袋相連；回血檢測光門與單片機相連；所述的固定部分的組成包括載物臺、手指固定帶和手腕固定帶；載物臺固定在儀器框架的底板上的左側，并位于鏡頭支架的正下方，手腕固定帶、手指固定帶設置在載物臺上。所述儀器框架為沒有頂層和左壁擋板的長方體盒式結構。所述的組合鏡頭的組成包括紅外濾光片、成像鏡頭、黑白低照CCD和紅外光源陣；其中，黑白低照CCD、紅外濾光片、成像鏡頭由上到下依次排列，紅外光源陣水平嵌套于成像鏡頭周圍，四者同軸設置。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)勢在于：(1)本系統(tǒng)根據(jù)靜脈血的血紅蛋白對760nm紅外光獨特的吸收作用原理，設計了手背靜脈成像系統(tǒng)。對手背皮下靜脈進行紅外成像，使人眼可以清晰地看到皮下靜脈血管分布。(2)在紅外成像的基礎上，設計注射機械結構部分。在單片機的控制下，驅動步進電機從水平方向和垂直方向調整注射桿，找到準確的穿刺注射點?？刂莆⑿椭绷麟姍C，帶動注射桿上的精密螺紋桿一起旋轉，帶動針頭載具、針頭及回血檢測光門一起向前運動，進行手背靜脈穿刺，保證了穿刺過程的穩(wěn)定和精度。(3)具有很高的臨床實用價值。作為最普遍的治療手段，進行靜脈穿刺治療的人數(shù)多。(4)使用人群廣泛?？蛇m用于不同年齡段、不同體型的人群，特別是為老人、兒童及肥胖病人等靜脈血管不易人工視查定位的人群，避免了因定位失誤進行多次穿刺造成的傷痛和畏懼，大大提高了其穿刺的成功率。(5)操作簡單，無傳統(tǒng)放射性及成像危害等特點，可大大提高醫(yī)療效率，提高醫(yī)學治療水平和人類健康水平,解決偏遠地區(qū)醫(yī)療人員缺乏的現(xiàn)狀。附圖說明圖1注射儀的整體結構圖。由A-控制面板、B-紅外成像部分、C-機械注射部分、D-固定部分、E-儀器框架組成。圖2注射儀的機械結構圖。由13-單片機、14-步進電機、15-步進電機驅動模塊、16-垂直調整桿、17-水平調整桿、18-水平滑桿、38-水平調整桿滑軌、19-注射桿組成。圖3注射桿的機械結構圖。由20-注射桿基座、21-微型直流電機、22-減速器、39-固定塊、23-精密螺紋桿、24-滑桿、25-運動滑塊、26-運動桿、27-針頭載具、28-針頭、29-回血檢測光門、30-光滑通孔31-螺孔組成。其中圖3a為注射桿19的斜視圖，圖3b為注射桿19的垂直剖面圖；圖4紅外成像部分結構圖。由5-組合鏡頭、6-鏡頭支架、7-圖像采集卡(及其USB數(shù)據(jù)線)、8-電腦組成。圖5組合鏡頭結構圖。由9-紅外光源陣、10-成像鏡頭、11-紅外濾光片、12-黑白低照CCD組成。其中圖5a為組合鏡頭的正視圖，圖5b為組合鏡頭的仰視圖；圖6固定部分結構圖。由32-載物臺、33-固定端子、34-定滑輪、35-手指固定帶、36-手腕固定帶、37-魔術貼組成；其中圖6a為手指固定部分剖面圖，圖6b為手腕固定部分剖面圖；圖7注射儀電控部分結構圖。圖8注射儀原理圖。具體實施方式以下結合附圖對本發(fā)明做進一步詳述，但所述內容為便于理解和說明，并不意味著保護的內容限定于此：本發(fā)明為一種基于紅外成像技術的手背靜脈注射儀如圖1所示，包括控制面板A、紅外成像部分B、機械注射部分C、固定部分D和儀器框架E；所述儀器框架E為沒有頂層和左壁擋板的長方體盒式結構；所述控制面板A固定在儀器框架E右端的側壁；所述控制面板的組成包括電源開關和控制按鍵；所述電源開關一端接入220V交流電，另一端與開關電源相連，開關電源分別與單片機13、步進電機驅動模塊15相連；其中，開關電源可將220V交流電轉化為直流12V與直流5V，所述電源開關與各控制按鍵相互獨立，各控制按鍵分別與機械注射部分的單片機的不同引腳相連，提供輸入信號；所述的控制按鍵包括注射桿復位按鍵、注射按鍵和抽針按鍵；所述紅外成像部分B包括組合鏡頭5、鏡頭支架6、圖像采集卡7和電腦8；其中，鏡頭支架6為三塊板材垂直拼成的n型結構，頂部的板材設有與組合鏡頭等半徑的圓孔，用于鑲嵌組合鏡頭5，鏡頭支架6放置在儀器框架E左端的兩側壁上的水平滑槽中，且垂直放置，可沿儀器框架E前后兩壁的頂部水平滑動，組合鏡頭5固定在鏡頭支架6頂板圓孔的上方，所用的組合鏡頭5朝下放置安裝；組合鏡頭5與電腦8通過圖像采集卡7連接在一起。所述固定部分D安裝在鏡頭支架6的垂直下方且固定在儀器框架E的底板上表面。圖2為注射儀的機械注射部分結構圖。所述機械注射部分C包括：單片機13、步進電機14、步進電機驅動模塊15、垂直調整桿16、水平調整桿17、水平滑桿18、水平調整桿滑軌38、注射桿19，其中，四個步進電機14呈矩形分布固定在儀器框架E的底板上的右側(所述的步進電機組成的矩形的側邊與儀器框架的側邊平行)，每個步進電機14上垂直安裝有一個垂直調整桿16，兩根水平滑桿18通過兩端的配套螺孔平行安裝在4根垂直調整桿16上，兩根水平滑桿18均平行，并垂直于儀器框架的側壁；兩個水平調整桿滑軌38分別垂直安裝在儀器框架E的兩個側壁的內壁上，水平調整桿17水平放置，它的一端直接嵌到一個水平調整桿滑軌38，另一端與第五個連步進電機相連，第五個步進電機嵌于另一個水平調整桿滑軌38上，并且，水平調整桿17與兩根水平滑桿18平行，并位于四個步進電機14形成的矩形的中線位置之上；注射桿19位于儀器框架的上部，沿儀器框架左右方向放置，其底部有三個孔洞，中間一個嵌有螺孔與水平調整桿17連接，兩側的為光滑通孔與水平滑桿18連接；所述5個步進電機14分別和步進電機驅動模塊15相連，步進電機驅動模塊15與單片機13相連；單片機13固定在儀器框架E的底板下表面；單片機13通過數(shù)據(jù)串口與電腦8相連；四根垂直調整桿16呈長200mm寬60mm的矩形分布；水平滑桿18穿過兩光滑通孔起支撐注射桿的作用，通過對步進電機14的控制可以調整前后兩根水平滑桿的垂直高度從而改變注射桿19的高度以及注射角度；水平調整桿17由步進電機帶動旋轉時可以控制注射桿沿兩條水平滑桿18平移；水平調整桿17能隨注射桿19沿水平調整桿滑軌38垂直上下平移但不能左右移動。水平調整桿17與四根垂直調整桿16均為規(guī)格為外螺紋大徑5mm小徑4.8mm螺距0.8mm的細牙螺紋桿；兩根水平滑桿18為直徑5mm的鋼制光滑桿；上述五個步進電機14均為20步進電機，型號為8H33-0604A步距角為18度驅動電壓電流為5V600mA。步進電機驅動模塊15的型號為M335；為降低成本單片機13可選用價格較為便宜的AT89C51，其功能足以滿足儀器所須控制要求；為節(jié)約空間及美觀將AT89C51單片機13與步進電機驅動模塊15安裝在儀器框架E的底板下表面。圖3為注射桿19的機械結構圖。包括注射桿基座20、微型直流電機21、減速器22、固定塊39、精密螺紋桿23、滑桿24、運動滑塊25、運動桿26、針頭載具27、針頭28、回血檢測光門29、光滑通孔30和螺孔31；微型直流電機21直接與減速器22相連，且固定于注射桿基座20上；注射桿基座20的兩端各安裝有一個固定塊39，兩個固定塊39之間水平固定著兩根滑桿24，兩根滑桿24上下分布(分別在固定塊39的左上角和右下角)；兩根滑桿24之上設置有可左右滑動的運動滑塊25；兩根滑桿24之間為一根精密螺紋桿23(精密螺紋桿23位于固定塊39的中部)，精密螺紋桿23的左端與左側的固定塊39相連，精密螺紋桿23的右端依次穿過動滑塊25、右側固定塊39，與減速器22相連，減速器22與右側的微型直流電機21相連；精密螺紋桿23的垂直正上方為一根運動桿26(運動桿26的高度低于左上角出的滑桿24的高度)，運動桿26的左端穿過左側的固定塊39，與L型針頭載具27的垂直豎板相連，運動桿26的右端固定在運動滑塊25上，并與精密螺紋桿23、兩根滑桿24相互平行；針頭載具27為L型，由長3cm寬1.5cm厚0.3cm的水平板與等寬等厚長1cm的垂直豎板垂直拼接而成，其水平板固定有針頭28和回血檢測光門29，其中針頭28平行鑲嵌到針頭載具27上，并探到水平板外，回血檢測光門29位于針頭28右側的輸液管處，并垂直于輸液管水平橫躺放置與針頭載具27相粘連，當輸液管中有回血時證明成功扎入血管，此時回血檢測光門29會輸出電平信號，并傳給單片機進行判斷處理，進而控制進行后續(xù)操作。因此用于檢測輸液管中是否有回血來判斷是否成功扎入血管。輸液管的一端與針頭相連，另一端與懸掛高處的輸液袋相連，當針頭成功扎入血管并固定后手動撥開輸液管上的輸液閥進行輸液注射?；匮獧z測光門29與單片機13相連；固定塊39用于固定兩根滑桿24；當微型直流電機21帶動精密螺紋桿23轉動時，運動桿26、針頭載具27在運動滑塊25的推動下，沿滑桿24同步運動，從而控制針頭28前后移動，即進行注射和抽針；精密螺紋桿23規(guī)格為外螺紋大徑5mm小徑4.6mm螺距0.6mm的細牙螺紋桿；回血檢測光門29采用對射式關電開關，型號為HD-DS25CM-5MM，當對管之間的透明注射管有回血時，光的通透性擋變差擋住對管的接收，從而將信號傳遞給單片機，判斷穿刺是否成功；對于微型直流電機21由于設計的儀器要求運行穩(wěn)定，尺寸微型化，大扭力，低功耗，工作平穩(wěn)無振動，所以選用了N20微型直流電機，參數(shù)如下表：寬度高度軸型軸長電壓扭力12mm10mm3mmD10mm6V1.5KG/cm圖4為紅外成像部分結構圖。所述紅外成像部分B包括：組合鏡頭5、鏡頭支架6、圖像采集卡7、電腦8等。圖像采集卡7通過數(shù)據(jù)線與黑白低照CCD12和電腦8相連接，將手背靜脈血管圖像顯示在電腦8的顯示器上。圖5為所述組合鏡頭5的結構圖。組合鏡頭5由紅外濾光片11，成像鏡頭10，黑白低照CCD12，以及紅外光源陣9組成。為了保證紅外成像不受可見光的干擾，在成像鏡頭10與黑白低照CCD12之間加裝一個紅外濾光片11,即黑白低照CCD12、紅外濾光片11、成像鏡頭10由上到下先后排列，紅外光源陣9水平嵌套于成像鏡頭10的周圍，四者同軸設置。紅外光源陣9采用半徑為27mm的一個圓形的塑料板，挖一個直徑是15mm大孔，可以嵌到鏡頭上，再在圓圓環(huán)上按每隔0.6mm扎一個5mm的小圓孔，在圓孔當中插入紅外發(fā)光二極管，并且讓紅外發(fā)光二極管頭朝下放置在孔里，然后把二極管串聯(lián)在一起通電發(fā)光，發(fā)光二極管選用的是直徑5mm的LD242，可發(fā)出波長范圍為950nm波段的近紅外光。黑白低照CCD3使用的是LCL-902HS的黑白高清晰度攝像機，性能參數(shù)如下：型號圖像傳感器像數(shù)水平清晰度最低照度信噪比電源功耗LCL-902HS112SONYCCD752*582CCIR570線0.0003Lux/F/4>＝46DbDC12V160mA成像鏡頭選取的型號為TVLENS，采用的是焦距為12mm的手動焦距鏡頭，像面尺寸為1/3，CS接口的鏡頭。紅外濾光片直徑25.4mm，厚度是0.5mm，型號為IRfilter，波長范圍610～1200nm。紅外光源陣9可發(fā)出波長范圍為950nm波段的近紅外光，當照射到患者手背上時，人體血管對近紅外光的強烈吸收作用，使得血管所在位置反射回來的紅外光較弱，紅外濾光片11可允許此部分反射紅外光通過，進入黑白低照CCD，LCL-902HS是高靈敏度紅外攝像機噪聲低，可高精度的捕獲手背血管圖像，利用圖像采集卡EasyCAP,可將采集到的手背紅外靜脈血管圖像傳送給電腦8并顯示到顯示器，同時利用電腦上的MATLAB軟件對圖像進行去噪等處理，把處理好的清晰圖像顯示在顯示器上。手背在紅外光源陣發(fā)出的紅外光照射下顯示出清晰的血管分布。所述的固定部分D的組成如圖6所示，包括載物臺32、固定端子33、定滑輪34、手指固定帶35、手腕固定帶36、魔術貼37組成。載物臺32固定在儀器框架E的底板上的左側，并位于鏡頭支架6的正下方，手腕固定帶36與手指固定帶35通過過孔穿插在載物臺32上，手指固定帶35、手腕固定帶36分別為一根連續(xù)固定帶，固定帶的一端與固定端子33相連，另一端與魔術貼37相連，手指固定帶35位于手腕固定帶36右側14cm處，固定帶的松緊可通過定滑輪34以及固定帶與魔術貼的粘連位置調節(jié)。將手放到載物臺32上穿過兩條固定帶，將除大拇指外的四根手指放到手指固定帶35下，將手指固定帶35的尾端與魔術貼粘連，固定住所述四根手指的最底部；此時手腕正好位于手腕固定帶36處，將手腕固定帶36的尾端與魔術貼粘連，這樣共5點固定，即可達到固定效果使得注射桿能按正確高度以及注射角度對準患者靜脈進行注射而且不會使患者因手移動而使針頭扎偏導致注射失敗。圖7為電控部分的結構圖：直流電源由電源變換電路實現(xiàn)，俗稱開關電源，此直流電源將輸入的220V交流電轉化為兩路輸出，一路輸出直流12V為步進電機驅動進行供電，用以驅動電機轉動；另一路輸出直流5V為單片機控制系統(tǒng)進行供電，整個注射儀系統(tǒng)由此獲得電能，以單片機AT89C51為核心進行控制。紅外成像部分將圖像呈現(xiàn)到顯示器上，注射前注射桿位于初始化位置即默認的坐標原點處，顯示器上的定位界面通過電腦端的處理獲得靜脈血管的信息，當選取注射點后，電腦端經數(shù)據(jù)串口將此注射點坐標發(fā)送到單片機，單片機直接與步進電機驅動和微型直流電機相連，步進電機驅動分別與垂直調整桿與水平調整桿的5個步進電機相連，進行控制。由上述調整桿及步進電機型號知：單片機每給驅動20個脈沖，步進電機帶動水平調整桿或垂直調整桿旋轉一周(360度)，相應調整桿的連接器件前進或后退0.8mm，即每個脈沖器件移動0.04mm。由坐標信息可以計算出各部分的移動距離，進而可以計算出單片機為每個步進電機發(fā)出的驅動脈沖的數(shù)量，從而控制注射桿等進行準確移動。同理，單片機直接與微型直流電機連接，微型直流電機又直接與減速器相連，經測試經過減速器后的輸出轉速為4轉/秒,由精密螺旋桿的規(guī)格知，每旋轉一周針頭前進0.6mm。針頭載具上的回血檢測光門也直接與單片機相連，作為反饋信號控制微型直流電機是否停轉。圖8注射儀原理圖：注射儀的工作包括注射前準備和注射。注射前準備：打開電源，注射儀處于待機狀態(tài)。將一次性針頭和注射儀連接，然后讓患者左手或者右手放入儀器內，使用手腕固定帶和手指固定帶固定好患者的手，使用手腕捆扎帶捆扎患者手腕，促使手背靜脈凸起，人工消毒。紅外光源陣發(fā)出近紅外光，照射到患者手背上。由于靜脈血中的脫氧血紅蛋白的波長為760nm左右的近紅外光的吸收遠遠大于其他的相鄰組織，所以反射的紅外光線中包含有皮下血管的分布信息。這種反射紅外光穿過紅外濾光片，經黑白低照CCD、圖像采集卡EasyCAP將圖像信號送到電腦顯示器上，對手背血管的紅外圖像信號進行去噪等實時處理，最終將處理好的清晰血管分布圖像顯示在電腦顯示器上。通過編寫的血管圖像定位軟件將注射點坐標通過串口發(fā)送到單片機，進而控制各步進電機對注射桿進行調整，使針頭定位在穿刺點。本發(fā)明涉及的軟件或協(xié)議均為公知技術。注射階段：完成準備工作后，按動按鍵“注射”，單片機AT89C51輸出信號給步進電機驅動模塊驅動步進電機，分別控制步進電機從水平方向和垂直方向調整注射桿。水平方向調整注射桿，使注射針頭定位于手背靜脈穿刺點；垂直方向調整注射桿，使針頭與手背保持大約15度。人工消毒后，按動注射儀上的“注射”按鍵。單片機檢測到信號之后控制微型直流電機正向旋轉，帶動注射桿內的精密螺紋桿一起旋轉，精密螺紋桿上的滑塊伴隨著螺紋桿的旋轉帶動針頭載具、針頭及回血檢測光門一起向前運動，進行手背靜脈穿刺。當回血檢測光門檢測到回血信號，判斷本次穿刺成功，此后，將針頭再延血管方向進入2-3毫米，防止針頭掉落，然后進行靜脈注射打開輸液閥，進行輸液。如果穿刺后回血檢測光門未檢測到回血信號，判斷本次穿刺不成功，直接跳轉到抽針程序，單片機控制微型電機倒轉完成抽針過程，并進行人工消毒。當成功進行穿刺、注射或完成輸液過程后，按動按鍵“抽針”，儀器將在單片機的控制下，完成抽針過程，并進行人工消毒。本發(fā)明未盡事宜為公知技術。當前第1頁1 2 3