徐澤林 陳 明 張慧連 李成毅

基于靜脈識別技術(shù)的醫(yī)院患者識別管理系統(tǒng)研究*

徐澤林① 陳 明② 張慧連③ 李成毅④*

目的：設(shè)計國內(nèi)領(lǐng)先的基于靜脈識別技術(shù)的醫(yī)院患者識別管理系統(tǒng)，實現(xiàn)醫(yī)院患者識別管理的準(zhǔn)確控制，從而得到良好的臨床治療效果。方法：采用近紅外線照射手掌皮膚的靜脈血管，使用攝像機獲取靜脈生物特征的紅外圖像，通過圖像采集、預(yù)處理、特征提取以及特征值的提取與匹配等過程從而實現(xiàn)患者身份確認。結(jié)果：該系統(tǒng)的正確識別率為98%，識別時間＜0.5 s，其兩個關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均達到業(yè)內(nèi)同等水平。結(jié)論：靜脈識別是所有生物識別技術(shù)中難以偽造的先進技術(shù)，具有很高的安全性。該系統(tǒng)能實現(xiàn)更好的錯誤拒絕率和錯誤接受率、用戶認可度高以及識別速度快的優(yōu)點，可在臨床上推廣應(yīng)用。

紅外線；靜脈識別；圖像處理；醫(yī)院管理系統(tǒng)

[First-author’s address] Zhongshan Hospital of Traditional Chinese Medicine, Zhongshan 528400, China.

目前，醫(yī)護人員在為患者進行各項檢查、手術(shù)及藥物治療等措施前常使用手持移動終端掃描患者腕部識別帶條形碼，獲得患者的身份信息并進行核對，以保證患者接受正確的治療。患者腕部的識別帶一旦脫落丟失、或患者偷換識別帶則會導(dǎo)致錯誤管理和錯誤治療的事故發(fā)生[1]。為了使患者安全管理緊跟國際步伐，減少醫(yī)療不良事件的發(fā)生，保證醫(yī)院患者管理和工作流程的正確良好執(zhí)行，廣東省中山市中醫(yī)院研制出一套基于靜脈識別技術(shù)的醫(yī)院患者識別管理系統(tǒng)[2]。

1 靜脈識別技術(shù)

靜脈識別技術(shù)是生物識別技術(shù)中較新的一種。生物識別技術(shù)是一套基于人體生理特征或行為方式對人體進行自動識別的技術(shù)，其中包括臉型識別、指紋識別、掌形識別、筆跡識別、虹膜識別、角膜識別、聲音識別、DNA識別及靜脈識別等。生物識別技術(shù)正在成為一系列高度安全的身份識別、認證解決方案的核心技術(shù)基礎(chǔ)。利用生物識別進行個人身份認證，比使用密碼或個人識別碼的認證方式更加方便和精確。生物識別技術(shù)直接將數(shù)據(jù)與特定的個人進行關(guān)聯(lián)，無需攜帶或記憶，更加方便，可提供明確的認證而更加精確，并可提供審計索引且性價比高。靜脈識別技術(shù)是比指紋技術(shù)更安全可靠的生物技術(shù)。指紋技術(shù)采用觸摸方式采樣，從衛(wèi)生健康的角度不利于在多用戶環(huán)境下使用[3]。

靜脈識別的工作原理是用近紅外線照射手背或手掌皮膚里的靜脈血管，用攝像機獲取紅外圖像取靜脈的生物特征，從而實現(xiàn)身份確認。靜脈識別是所有生物識別技術(shù)中最難以偽造的方式，具有很高的安全水平[4]。目前，常見的靜脈識別研究有手掌靜脈識別、手背靜脈識別和手指靜脈識別。其中手掌靜脈識別的優(yōu)勢包括[5]：①靜脈位于皮下不易受外部影響而失真，體表外在情況對攝取的靜脈圖像無任何影響，可降低因所采集樣本的損傷而造成的登錄失敗率，靜脈圖案極難復(fù)制，該技術(shù)還可感知靜脈血液的流動情況；②活體檢測，徹底消除偽造的可能性；③該技術(shù)能實現(xiàn)更好的錯誤拒絕率和錯誤接受率；④該技術(shù)可采取非接觸式，無需用戶觸摸感應(yīng)表面，衛(wèi)生、安全，用戶認可度高；⑤該技術(shù)識別速度較快，適用于1∶n模式。

2 靜脈識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

手掌靜脈識別系統(tǒng)主要有靜脈圖像采集硬件裝置和識別算法軟件兩部分組成，其中手掌靜脈圖像采集硬件裝置由通訊接口(0)、計算機(1)、CCD攝像機(2)、光源控制板(3)、近紅外光源(4)、散射片(5)、定位槽(6)以及儀器箱體(7)等部分組成(如圖1所示)。

2.1 靜脈圖像采集硬件裝置

靜脈圖像采集硬件裝置分為CCD攝像機的選取和光源系統(tǒng)設(shè)計兩部分。

(1)選取CCD攝像機，即選取合適參數(shù)的攝像機，其重要參數(shù)是對近紅外光的敏感程度，而對空間分辨率及幀頻率的要求則不高。本研究選用在近紅外區(qū)域內(nèi)感受能力高的CCD攝像機，能獲得滿足要求的手掌靜脈圖像，同時考慮近紅外光源的抗干擾因素，該系統(tǒng)選擇敏感光譜為0.8～1.5 μm的CCD攝像機。

(2)光源系統(tǒng)的設(shè)計同樣是手掌靜脈識別系統(tǒng)中關(guān)鍵部分。良好的光源系統(tǒng)能夠大幅度提高靜脈圖像的質(zhì)量，可增大靜脈血管與背景的對比度，降低靜脈圖像的污染噪音。本研究表明，采用波長范圍為800～940 nm的大功率近紅外發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)陣列作光源，可獲得高質(zhì)量的靜脈圖像。為了使光源均勻地照射在手掌而獲得突顯靜脈血管的圖像，在光源前增加了多層散射片以獲得均勻恒定的光源。同時，散射片均勻分散LED陣列發(fā)射的光，可降低光源強度的要求。

2.2 識別算法軟件

識別算法軟件包括圖像采集、預(yù)處理、特征提取以及特征值的提取與匹配等過程[6-7](如圖2所示)。

圖2 系統(tǒng)識別算法軟件流程

3 靜脈識別系統(tǒng)的工作原理

3.1 靜脈圖像采集

獲取靜脈圖像的原理是根據(jù)人體血液中的血紅素有吸收紅外線光的特質(zhì)。將手指或手掌放在紅外LED光源下，用攝影機可觀察到手指或手掌靜脈的影子。手掌靜脈圖像采集的目的在于提取到高質(zhì)量的手背靜脈圖像，該圖像的質(zhì)量直接影響到下一步程序能否順利進行。

根據(jù)人體骨骼和肌肉組織的特點，當(dāng)近紅外入射光線的波長為0.72～1.10 μm照射手掌時，手掌靜脈血管中的血色素可吸收更多近紅外射線，可更好地呈現(xiàn)出靜脈血管結(jié)構(gòu)，該波長范圍屬于近紅外光線。依據(jù)國家醫(yī)用紅外檢測光源的規(guī)定，紅外光強處于峰值時波長為0.8～1.5 μm。因此，有了符合要求的紅外采集設(shè)備方可拍攝到高質(zhì)量的靜脈圖像。

3.2 靜脈圖像的預(yù)處理

靜脈圖像的預(yù)處理是通過濾波增強與靜脈紋路分割、細化及修復(fù)等過程，為得到清晰的靜脈紋為特征提取與特征匹配做準(zhǔn)備。具體步驟為：①圖像濾波；②靜脈圖像的細化；③圖像的分割。

3.3 特征提取

特征提取通常與采用的匹配算法密切相關(guān)，對不同的匹配算法需要提取相應(yīng)的特征值。目前常用靜脈圖像的特殊點進行特征匹配。

3.4 特征匹配

在上述特征提取的基礎(chǔ)上，可采用各種模式識別的特征匹配方法來對靜脈圖像進行特征匹配。本研究采用的是結(jié)構(gòu)匹配和模板匹配的方法，即相關(guān)系數(shù)法快速進行特征匹配。

4 系統(tǒng)試驗結(jié)果

靜脈識別技術(shù)是通過發(fā)射紅外光照射手部來獲取血管圖像，由于部分紅外光被靜脈血管里失去氧的血色素吸收，靜脈血管在影像中顯現(xiàn)為暗線，而手掌的其余部份則顯現(xiàn)為亮區(qū)(如圖3所示)。

表1 各種生物識別技術(shù)的優(yōu)缺點比較

圖3 手掌靜脈識別實驗

圖3 -1、圖3-2中的影像分別為手掌在可見光，紅外光下的圖像，圖3-3則是從圖3-2中抽取出的靜脈圖像。抽取出的靜脈圖像可與預(yù)先存儲的模板對比，以實現(xiàn)認證和識別。經(jīng)實驗證明，人體靜脈圖案具有個人獨特性，與他人決然不同，其紋路不會隨著時間變化而改變。

本研究數(shù)據(jù)庫中共有200幅手掌靜脈圖，每幅手掌靜脈圖包含10幅樣本圖像，共2000幅圖像。靜脈識別實驗任意選10個手掌，從每個手背的10幅圖像中任選6幅用作訓(xùn)練，剩余的4幅用作識別測試。經(jīng)多次實驗以及算法的優(yōu)化和改進，最后得到的識別率為98%(98/100)，驗證了本系統(tǒng)的有效與可行。手背靜脈識別系統(tǒng)的工作速度主要由采集時間、圖像處理時間、對比時間和識別速度幾項指標(biāo)構(gòu)成。本試驗中該PC的配置為4 GB RAM，2.66 GHz×4 CPU，Nvidia Geforce 9800GT顯卡，平均識別時間為0.48 s。

實驗顯示，若在選取樣本時剔除受噪聲影響嚴重、分割出的靜脈圖嚴重變形的1個樣本，識別率則可達到98.9%(98/99)，因此原始靜脈圖的質(zhì)量以及靜脈紋路分割、骨架細化效果對識別率影響較大，因而改善采集圖像的質(zhì)量、提高靜脈紋路分割和骨架細化算法的效果是提高識別率的有效途徑。各種生物識別技術(shù)的優(yōu)缺點比較見表1。

5 結(jié)語

靜脈識別技術(shù)有著其他生物識別技術(shù)不可比擬的優(yōu)點，是一種新穎且實用價值很高的技術(shù)，有著廣闊的應(yīng)用前景。本研究已有完整的圖像識別算法軟件，并有可作演示的樣機。目前，靜脈識別技術(shù)的工作重點是提升、改進現(xiàn)有軟件，在關(guān)鍵技術(shù)和指標(biāo)上達到或超過業(yè)內(nèi)的最高水平，使正確識別率達到100%，識別時間＜0.1 s。

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Research on the recognition manage system for patient in hospital based on the vein recognition technology/

XU Ze-lin, CHEN Ming, ZHANG Hui-lian, et al// China Medical Equipment,2014,11(2):17-19.

Objective: To design patient recognition management system in hospital based on vein recognition technique to realize the accurate control of patient recognition management for better clinical therapeutic effect. Methods: Irradiating the vein vessel in the palm of the hand or the back with infrared ray, then extracting biological feature from the infrared vein image obtained by camera. To make the identify recognition come true, we did some processing such as image capture and preprocessing, feature extraction and match and so on. Results: Both the two key technical indexes arrived at the industry level. The correct recognition rate achieved 98% and the recognition time was less than 0.5s. Conclusion: The Vein recognition is the most difficult to forge, and has the most high security level among all the biology recognition techniques. This system possesses of many advantages of a very low false rejection rate and false acceptance rate, high recognition, and fast recognition speed. Thus it can be widely applied in clinic.

Infrared ray; Vein recognition; Image processing; Hospital management system

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.02.005

1672-8270(2014)02-00017-03

R197.324

A

2013-12-10

廣東省重大科技專項(2012A080104010)“基于云計算及物聯(lián)網(wǎng)的母嬰云端智能呵護平臺”

①中山市中醫(yī)院設(shè)備科 廣東 中山 528400 ③廣東新華南方軟件外包有限公司 廣東 廣州 510515

②中山市人民醫(yī)院 廣東 中山 528400 ④廣州市第十二人民醫(yī)院 廣東 廣州 510620

*通訊作者：13602796369@139.com

徐澤林,男,(1974- ),本科學(xué)歷，高級工程師。中山市中醫(yī)院設(shè)備科科長，從事醫(yī)療設(shè)備的管理和維修工作。