一种基于血管管径优化的便携式静脉穿刺操作方

本发明涉及医疗仪器、静脉穿刺以及血管管径测量优化，尤其涉及一种基于血管管径优化的便携式静脉穿刺操作方法及系统。背景技术：1、目前呼吸道疾病最有效的治疗方法是支持疗法，支持疗法包括根据氧饱和度变化进行氧疗，根据呼吸困难程度和胸部影像情况，短期使用糖皮质激素。氧饱和度需要通过动脉血抽取化验后得到，而糖皮质激素大部分需要静脉穿刺输液。能否快速准确地实施静脉穿刺和动脉血抽取直接关系到治疗、抢救效果。不同人及不同身体状态下静脉和动脉血管均存在差异，特别是肥胖患者、儿童、老人、失血或体液损失过多血压下降等情况下的患者血管条件差穿刺困难。目前，静脉穿刺和动脉血抽取在临床上主要靠人工操作，能否穿刺成功完全依靠医护人员的经验，穿刺成功率也容易受到外界环境、医护人员个人状态的干扰，具有丰富穿刺经验的医护人员也比较短缺。穿刺失败给患者带来痛苦，且延误救治速度，错过最佳的抢救时间，并容易造成治疗环境的污染。与人工操作相比，自动化医疗设备具有重复性好，精度高的优点，因此亟需一款能自动实施静脉穿刺和动脉血抽取的医疗仪器，提高一次穿刺成功率，减低医护人员在特殊情况下的工作强度。2、然而在静脉穿刺和动脉血抽取的医疗仪器中最难解决的核心问题就是对于血管管径的准确量化和基于此的精确定位，现有技术具有一种可视静脉穿刺仪，根据血红蛋白对红外光吸收能力强的原理设计而成。首先向皮肤表面投射特定波长的近红外光，通过能够感知反射的红外光/强弱，由光敏元器件采集皮肤红外图像，同时经过高性能图像处理芯片对信号进行一系列处理后形成血管分布轮廓图，即可在显示器上显示血管的走形，再由微投影技术将图像清晰地在皮肤表面。仪器由红外光源发生器、滤光系统、ccd感光芯片、图像信号处理模块，显示器组成。然而，以上技术需要借助外部的光源系统，方案复杂且成本较高，此外需要配置高性能图像处理设备和微投影设备，引入的设备底噪较大，无法对于靶血管进行精确定位。鉴于目前尚无其他成熟、精确、完整且低成本的以算法作为支撑的方案，从而无法形成传统或者便携式静脉穿刺系统或者自动动脉血抽取系统，需要设计并实施一种用于血管管径优化的血管精确定位方法和系统。技术实现思路1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了如下技术方案，一种基于血管管径优化的便携式静脉穿刺系统及操作方法，通过在血管精确定位前先进行粗定位，并改进canny算法以形成基于canny算法的优化大津算法，基于该算法对粗定位的血管位置进行检测后确定血管的精确定位，并基于精确定位进行静脉穿刺，从而替代传统的针对三种不同血管情况的阈值分割经验值(即对于canny算子3个参数的选择的普遍做法，为：其中，m(dot)为梯度值，按照梯度从小大大，dot为第(alldots*p)个点；alldots为最大移植后的图像中possible_edge的全部点数；p为可设置的固定值，默认值为0.95)，消除血管截面背景杂光干扰，提高定位的精确度。2、本发明一方面提供了一种基于血管管径优化的便携式静脉穿刺操作方法，包括：3、s1，基于深度学习算法获取血管的粗定位；4、s2，基于所述血管的粗定位以及血管的管径检测结果获得针刺坐标，所述针刺坐标作为对于血管进行的精确定位；其中，所述血管的管径检测结果由基于改进canny算法的优化大津算法获得；5、s3，基于精确定位进行静脉穿刺。6、优选的，所述s1包括：7、s11，获得血管样本图像并基于所述血管样本图像获得标注图像；其中所述标注图像用于建立深度卷积神经网络模型；8、所述血管样本图像来自于临床获得的超声血管影像大数据；所述标注图像是通过经验丰富的医护人员指导或者自动标注程序对所述血管样本图像中的血管位置进行标注获得的高质量的标注图像；9、s12，基于所述标注图像建立深度卷积神经网络模型；其中，所述深度卷积神经网络模型用于对血管进行粗定位，从而通过计算机自动学习血管模式特征的方法，并将特征学习融入到了建立模型的过程。10、优选的，所述s12包括：11、基于所述标注图像由计算机自动学习适合穿刺的血管的模式特征；12、基于学习到的所述模式特征通过faster-rcnn算法或mobilenet-ssd算法建立所述深度卷积神经网络模型；其中所述faster-rcnn算法用于固定端，所述mobilenet-ssd算法用于移动端；13、所述faster-rcnn算法采用内部深层网络代替候选区域形成新的候选区域网络rpn，所述faster-rcnn算法将目标检测的四个基本步骤统一到一个深度网络框架之内，所述四个基本步骤包括：候选区域生成，特征提取，分类和位置精修，所述faster-rcnn算法的步骤包括：14、向cnn网络中输入任意大小图片m×n；15、将所述图片经过cnn网络前向传播至最后共享的卷积层以获得供rpn网络输入的特征图；同时继续前向传播至特有卷积层以产生高维特征图；16、所述供rpn网络输入的特征图经过rpn网络得到区域建议和区域得分，并对区域得分采用非极大值抑制，向rol池化层输出top-n得分的区域建议；17、将所述高维特征图和输出的所述区域建议同时输入到rol池化层并提取所述区域建议对应的建议特征；18、所述建议特征通过全连接层后，输出对应区域的分类得分以及回归后的bounding-box；19、所述mobilenet-ssd算法中使用轻量级深度网络模型mobilenet，所述轻量级深度网络模型mobilenet基于深度可分离卷积depthwiseseparableconvolution将标准卷积核进行分解计算，并引入了宽度乘数和分辨率乘数两个超参数来减少参数量和计算量；所述深度可分离卷积depthwiseseparableconvolution将一个标准的卷积核分成深度卷积核和1x1的点卷积核，假设输入为m个通道的featuremap，卷积核大小为dk*dk，输出通道为n，则标准卷积核为m*dk*dk*n。20、优选的，所述s2包括：21、s21，建立基于canny算法的优化大津算法，以提取标注图像所对应血管的边缘；22、s22，基于所述血管的粗定位以及血管的管径检测结果获得针刺坐标，所述针刺坐标作为对于血管进行的精确定位。23、优选的，s21的实施包括k-近邻均值滤波、梯度幅值与方向计算、非极大值抑制、优化otsu算法自适应选取阈值以及双门限法进行边缘提取5个基本步骤；其中：24、所述k-近邻均值滤波为边界保持滤波器，在待处理中心像素的相邻区域内，寻找k个与中心像素灰度值相近的点，用这k个点的灰度均值代替原中心像素点的灰度值；25、所述计算梯度幅值与方向，梯度可以表示图像灰度变化的剧烈程度，使用3*3的scharr算子作为梯度模板，改进后的scharr内核为：26、27、28、设平滑后像素点(i，j)的像素值为i(i，j)，对上述改进后的内核与平滑后的图像进行卷积运算，可以计算出x、y方向的偏导数如下所示：29、fx(i，j)＝{[3i(i-1，j-1)+10i(i-1，j)+3i(i-1，j+1)]-[3i(i+1，j-1)+10i(i+1，j)+3i(i+1，j+1]}/430、fy(i，j)＝{[3i(i-1，j-1)+10i(i，j-1)+3i(i+1，j-1)]-[3i(i-1，j+1)+10i(i，j+1)+3i(i+1，j+1]}/4；31、所述进行非极大值抑制包括：对梯度图像中每个像素进行非极大值抑制，将当前像素的梯度幅值与沿正负梯度方向上相邻的2个像素的梯度幅值进行比较；如果当前像素的梯度幅值是最大值，则保留该像素点，否则该像素点将被抑制；32、所述优化otsu算法自适应选取阈值包括：采用带抑制因子的otsu算法自适应选取阈值t，并将该值设定为canny算法的最高阈值；通过多尺度空间边缘检测日确定最低阈值，保证算法自适应性，最后完成图像分割；33、所述双门限法进行边缘提取包括：保留强边缘以及与强边缘相连接的弱边缘，滤除弱边缘；34、所述优化otsu算法包括两个方面的优化：35、(1)方差值σ2计算方式优化为：36、σ2＝w0w1(u1-u0)2；37、(2)设置一个抑制因子a，和前景区域与背景区域的像素比相关。当像素比较小时，即上述情况，阈值受背景梯度的影响偏小，此时抑制因子a的作用是降低这一影响使阈值增大；当像素比为1时，阈值不受影响，a不产生作用。a是和前景与背景区域的像素比有关的一个动态函数，其作用随像素比的增大而逐渐减小。38、本发明的第二方面在于提供一种基于血管管径优化的便携式静脉穿刺系统，包括：39、粗定位模块(101)，用于基于深度学习算法获取血管的粗定位；40、精确定位模块(102)，用于基于所述血管的粗定位以及血管的管径检测结果获得针刺坐标，所述针刺坐标作为对于血管进行的精确定位；其中，所述血管的管径检测结果由基于canny算法的优化大津算法获得；41、静脉穿刺模块(103)，用于基于精确定位进行静脉穿刺。42、优选的，所述静脉穿刺模块(103)包括穿刺装置，设备箱和推车；其中：43、所述穿刺装置包括b超探头，控针电机、俯仰电机、穿刺引导支架、定位支撑架以及连接部件，用于实现动静脉的精准穿刺；共计2个自由度；其中：所述b超探头用于获取穿刺部位靶血管的医学图像，以便基于医学影像分析算法确定靶血管的分布，深度以及直径等信息；所述控针电机用于实现穿刺针的进给以及控制穿刺针的移动速度、加速度和运动距离；所述俯仰电机用于根据临床操作要求调整穿刺入针角度；所述穿刺引导支架用于实现穿刺针体进给方向的引导，防止出现偏差；所述定位支撑架以及所述连接部件用于所述穿刺装置的安装和固定；44、所述设备箱包括平板电脑、电气控制单元和穿刺装置储存工装；所述平板电脑用来处理及显示b超图像，并与所述电气控制单元对关于穿刺角度和深度的信息进行通讯，所述穿刺装置储存工装为动/静脉穿刺器的储放位置；所述电气控制单元控制穿刺装置的所述控针电机和俯仰电机运动，完成角度调节和进针运动；45、推车由车体和设备箱载台组成。46、优选的，所述基于血管管径优化的便携式静脉穿刺系统的总体控制方案分为两个阶段：47、第一个阶段为穿刺准备阶段，在该阶段针头尚未进入皮肤表层，依靠b超探头探测穿刺区域以明确靶血管及其位置；48、第二个阶段为穿刺阶段，该阶段针头开始进入皮肤表层并最终插入靶血管到达指定位置，依靠b超探头反馈的图像以及电机实时反馈的位置信息调整针头的进给方向和深度。在针头逐渐接近靶血管的过程中，由b超探头实时检测血管的位置并将反馈给电气控制单元的主控芯片，同时控针电机和俯仰电机的位置传感器将检测的电机实际运行信息发送给电气控制单元的主控芯片，进而推算穿刺针头的位置，并由电气控制单元的主控芯片对血管位置和穿刺针头的实际位置进行对比分析，确定针头相对靶血管的偏移量；同时将偏移量分解为控制指令分别发送给控针电机、俯仰电机的控制器，使得针头能够准确插入靶血管。49、本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第一方面所述的方法。50、本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第一方面所述的方法。51、本发明提供的方法、系统和电子设备，具有如下有益效果：52、1、操作者对受试者穿刺部位进行消毒处理，并用b超扫描穿刺部位确定穿刺靶血管的位置及穿刺区域，同时将自动静脉穿刺器移至穿刺部位。根据b超主机传输的图像数据，图像处理器根据图像数据确定靶血管的皮下位置、内径等参数，并反馈给控制器，由其自动完成计算并获取穿刺角度、进针距离、进针速度以及加速度等参数。控针电机驱动穿刺针体缓慢穿刺皮肤，同时基于b超检测的图像分析，控制器判断血管当前位置与初始位置是否发生偏离。如果存在偏离现象，控制器将基于反馈的位置信号驱动俯仰电机调整进针角度，即完成穿刺角度的调整。待钢针的针头部分刺入靶血管直径的2/3处后，控针电机停止运动，然后按需求完成其他操作，控针电机驱动针体后退，回到原点停止，完成整个穿刺操作，从而能够更精确的完成静脉穿刺，设备便携，使用方便，成本低。53、2、结合设备高精度、自动化的需求，将优化的大津、形态学算法与改进的canny算法结合，提高检测准确率和适应性。54、3、利用k－近邻均值滤波对原图像的灰度图像平滑，减少噪声干扰，保留图像边缘信息；采用改进scharr算子作为梯度模板代替传统canny算法模板计算图像梯度幅值和梯度方向；非极大值抑制“瘦”边，剔除正负梯度方向上的非极大值点，保留梯度极大值；利用双阈值法检测，保留强边缘以及与强边缘相连接的弱边缘，滤除弱边缘.55、4、方差值σ2计算方式的优化使得改进后的大津法大大减小运算量。56、5、加入抑制因子的otsu算法既解决了梯度幅值分布不均匀带来的问题，又保留了最大类间方差算法的阈值选取思想。