張 兵，桂 莉，劉晶晶，顧 申

0 引言

淺靜脈穿刺術(shù)是護(hù)理操作中最基本的技能之一，是臨床給藥、輸液、輸血及搶救的重要途徑。然而，許多情況下，靜脈細(xì)小、脂肪過多、膚色較深、失血脫水嚴(yán)重等原因使肉眼難以直接觀察分辨靜脈，導(dǎo)致穿刺失敗或重復(fù)穿刺，延誤診療或搶救時(shí)機(jī)。為解決疑難淺靜脈穿刺的難題，國內(nèi)外研究者研發(fā)了諸如手背靜脈顯示儀、血管顯示裝置、紅外輔助定位系統(tǒng)等可視化淺靜脈穿刺輔助設(shè)備，其在效果、成本、便攜性和安全性等方面各有優(yōu)劣，現(xiàn)綜述如下，以期為產(chǎn)品的選用及進(jìn)一步研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 相關(guān)原理和技術(shù)概述

可視化淺靜脈穿刺輔助設(shè)備是指利用人體的不同組織對特定波長光的穿透和選擇性吸收能力差異的光學(xué)特性，使靜脈血管和周圍組織區(qū)分開而直接顯示或初步探測靜脈，然后將初步探測到的血管采用攝像機(jī)原理得到清晰的圖像呈現(xiàn)在顯示器上，或?qū)⒊醪教綔y到的血管或清晰的圖像通過投影技術(shù)顯示在皮膚表面，即光源直接顯示或與投影技術(shù)和（或）攝像機(jī)原理相互組合更好地實(shí)現(xiàn)淺靜脈穿刺的可視化[1]。

1.1 光源

光源的選定是可視化淺靜脈穿刺輔助設(shè)備研發(fā)的第一步。利用人體的不同組織對特定波長光的選擇性吸收和穿透能力差異的光學(xué)特性，使靜脈血管和周圍組織區(qū)分開。研究表明，不同組織對不同波段光的吸收和穿透能力有一定差異，當(dāng)波長為800～850 nm時(shí)，靜脈與周圍組織對光能的吸收差異最明顯[2]；近紅外光的穿透能力最強(qiáng)，紅光次之[3-6]?；诖嗽恚壳?，國內(nèi)外研究者選用的光源主要包括半導(dǎo)體激光器光源（近紅外）和半導(dǎo)體發(fā)光二極管光源（light emitting diode，LED）（近紅外、紅、白、橙）。半導(dǎo)體激光器光源（laser disc，LD）即激光，是一種物質(zhì)的原子“受激輻射光的放大”，既有普通光的一切性質(zhì)，又有它們所沒有的一些諸如單色性好、方向性好等重要特性，但也存在對人體有傷害及發(fā)散小而出現(xiàn)光斑的不足之處。半導(dǎo)體發(fā)光二極管光源是一種利用半導(dǎo)體器件直接把電能轉(zhuǎn)化為光能的光源，具有壽命長、響應(yīng)快、顏色多等特點(diǎn)。其不足之處在于單位面積上的發(fā)光率不足，這將直接影響其體積的大小[7-9]。

1.2 攝像

攝像是對利用人體組織的光學(xué)特性顯示或初步探測到的血管進(jìn)一步清晰顯示的重要步驟。攝像機(jī)的原理是:景物通過鏡頭生成的光學(xué)圖像透射到圖像傳感器表面轉(zhuǎn)為電信號，然后經(jīng)過模擬/數(shù)字（analog/digital，A/D）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，再送到圖像處理器加工處理得到清晰的圖像[10]。圖像的品質(zhì)主要取決于圖像傳感器和圖像處理器。目前，主要的圖像傳感器包括電荷耦合元件（charge-couple device，CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）2 種。CCD 以其低信號噪聲、高分辨率、高靈敏度等高畫質(zhì)性能牢固占據(jù)圖像傳感器的高端市場，而CMOS以其高集成度、高速、小體積、低價(jià)格等特點(diǎn)在大眾市場占據(jù)越來越大的份額。隨著集成電路的設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝水平和CMOS在一些新技術(shù)上的突破，CMOS正朝著高分辨率、高靈敏度、低噪聲、智能化等方向發(fā)展，應(yīng)用前景更加廣闊[11-13]。圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，圖像處理算法也越來越多，而每種算法各有優(yōu)劣[14]，其效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一[15]。

1.3 投影

投影是將利用組織的光學(xué)特性和攝像原理得到的清晰的圖像呈現(xiàn)在皮膚表面的關(guān)鍵步驟。目前，研究者多選用液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）和數(shù)字光處理（digital light procession，DLP）投影技術(shù)。LCD投影機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是液晶顯示板，其以體積較小、質(zhì)量較輕、分辨率適中、制造工藝簡單、亮度和對比度較高等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)70%以上的投影市場份額。DLP投影機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字微透鏡裝置（digital micromirror device，DMD），其以清晰度高、畫面均勻、體積更小、質(zhì)量更輕、圖像質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被視為投影市場的后起之秀。當(dāng)然，縮小體積也帶來了視頻顯示效果失真的不足，而且其光學(xué)機(jī)械性決定了它的移動(dòng)防振性要比LCD投影機(jī)差一些[16]。近年來，也有學(xué)者將激光掃描投影技術(shù)應(yīng)用于該設(shè)備的研制，他們憑借激光準(zhǔn)直性和方向性好的特點(diǎn)，利用掃描器件將光束高速掃描到屏幕相應(yīng)的位置，通過人眼的視覺暫留效應(yīng)形成完整的畫面。該技術(shù)不但具有激光投影顯示色域大、效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，而且系統(tǒng)可以集成在很小的模塊中，實(shí)現(xiàn)了便攜設(shè)備的投影顯示。另外，由于準(zhǔn)直的激光束不存在聚焦問題，輸出的圖像能夠準(zhǔn)確投影到曲面上[17]。

2 代表產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)展

國內(nèi)外可視化淺靜脈穿刺輔助設(shè)備的代表產(chǎn)品按可視化方式可分為3類。

2.1 透射式顯影設(shè)備

透射式顯影設(shè)備是利用人體的不同組織對特定波長光的穿透和選擇性吸收能力差異的光學(xué)特性，使靜脈血管和周圍組織區(qū)分開而直接顯示靜脈。該類產(chǎn)品主要是在光源的選擇上不同，如姚秀君等[18]研制的手背靜脈顯示儀選用近紅外光LED，F(xiàn)rank C等[19]研制的Venoscope選用紅光LED和白光LED，其他同類產(chǎn)品如手持式靜脈注射顯影透視器、Veinlite LED等也是通過選擇不同顏色、不同數(shù)量和不同強(qiáng)度的光源使靜脈清晰地顯示[20-22]。此類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、體積小、構(gòu)造簡單、顯影真實(shí)、成本低，缺點(diǎn)是顯影效果不明顯，只適合如手背等靜脈豐富且皮膚較薄處的血管。

2.2 顯示器顯像設(shè)備

顯示器顯像設(shè)備是將組織的光學(xué)特性與攝像機(jī)的原理組合，使靜脈圖像呈現(xiàn)在顯示器上。該類產(chǎn)品主要是在顯示器、圖像傳感器和圖像處理器的選擇上不同，如張軍[23]、張晉陽等[24]研制的靜脈穿刺輔助設(shè)備分別選擇CCD和CMOS傳感器。此類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、體積小、構(gòu)造簡單、顯像清晰、成本適中且使用范圍廣，缺點(diǎn)是圖像觀看不夠直觀。

2.3 投影顯像設(shè)備

投影顯像設(shè)備是將組織的光學(xué)特性與投影技術(shù)和（或）攝像原理相結(jié)合，使靜脈投影到皮膚表面。該類產(chǎn)品主要是在投影技術(shù)的選擇上不同，如美國AccuVein公司研制的AccuVein AV300靜脈定位儀選用LCD投影技術(shù)，美國Lumintex研制的Vein Viewer選用DLP投影技術(shù)。這些產(chǎn)品的缺點(diǎn)是可視化后的血管圖像和實(shí)際圖像的位置有誤差；圖像會(huì)產(chǎn)生焦點(diǎn)偏移和圖像模糊問題；構(gòu)造復(fù)雜、成本高，不利于推廣；只顯示二維圖像，沒有提供血管的深度信息等。張帆等[25]研制的雙色激光掃描式醫(yī)用靜脈顯示裝置及村田昭浩等[26]研制的血管顯示裝置選擇激光掃描投影技術(shù)。選用激光掃描作為探測和顯示的手段，解決了傳統(tǒng)顯示技術(shù)（如LCD）存在的人體體表曲面定位不準(zhǔn)、聚焦困難、設(shè)備龐大難于攜帶、系統(tǒng)集成度不高、成本高等問題，但存在沒有提供血管的深度信息及安全性問題等不足。

2012年12月，北京理工大學(xué)[27]研發(fā)的多光譜三維圖像顯示裝置利用多光譜近紅外光源和2臺攝像機(jī)從不同角度采集靜脈血管的位置和深度信息，再通過投影技術(shù)使其顯示在皮膚表面，既解決了二維圖像沒有血管深度信息的問題，又解決了不同層次的二維圖像上會(huì)產(chǎn)生虛相交的問題，但仍存在其他攝影顯像設(shè)備的其他不足。另外，黃承亮[28]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于人體三維建模中，建立了高精度的人體三維模型。喬鐵等[29]采用紅外線熱成像原理研制出人體表層血管顯示儀，但其受環(huán)境溫度的影響比較大。

3 可視化淺靜脈穿刺輔助設(shè)備的發(fā)展趨勢

綜合以上的研究進(jìn)展可見，國內(nèi)外可視化淺靜脈穿刺輔助設(shè)備的研制采用的多是較為穩(wěn)定和成熟的光源、攝像和投影技術(shù)，已經(jīng)形成了3種技術(shù)相互組合的研發(fā)態(tài)勢?？傮w而言，設(shè)備的可視化效果越來越明顯，但還需要進(jìn)一步解決成本和便攜性等問題。以下2個(gè)方面的研發(fā)趨勢可供研究者參考。

3.1 三維可視化設(shè)備的進(jìn)一步研發(fā)

目前，國內(nèi)外產(chǎn)品在原理和技術(shù)選擇上各有優(yōu)劣，且?guī)缀醵际嵌S圖像，沒有提供靜脈的深度信息。北京理工大學(xué)[27]研制的多光譜三維圖像顯示裝置是一個(gè)很好的開端，但尚存在一些不足之處，所以，需要對現(xiàn)有的原理與技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行組合，進(jìn)一步研發(fā)能夠更好地提供靜脈位置和深度信息的三維可視化設(shè)備。

3.2 按需要分類研發(fā)

由于穿刺場所的復(fù)雜性及個(gè)體的差異性，幾乎不可能研發(fā)出一款適合于任何人任何狀況的淺靜脈穿刺產(chǎn)品。因此，我們可以按科室、年齡、場所等需要分類研制，如院前急救產(chǎn)品的研發(fā)，應(yīng)將研制效果明顯、攜帶方便的產(chǎn)品放在首位，而較少考慮成本，以在最短的時(shí)間內(nèi)建立靜脈通路，最大限度地挽救患者的生命。

[1]王燕青.可視化靜脈穿刺儀:中國，202055551Y[P].2008-05-07.

[2]浙江大學(xué).雙色激光掃描式醫(yī)用靜脈顯示裝置:中國，101156778A[P].2008-04-09.

[3]趙友全，范世福，曹文新.生物組織光學(xué)特性參數(shù)及其描述[J].國外醫(yī)學(xué):生物醫(yī)學(xué)工程分冊，2000，23（2）:76-79.

[4]武漢呵爾醫(yī)療科技發(fā)展有限公司.一種表層血管顯示方法和儀器:中國，102415886A[P].2012-04-18.

[5]Zeman H D，Lovhoiden G，Deshmukh H.Optimization of subcutaneous vein contrast enhancement[C]//Biomedical Diagnostic，Guidance， and Surgical-Assist Systems II， Proceedings of SPIE.California:SPIE，2000:50-57.

[6]姚紅利，謝海明，王成.近紅外光譜氧飽和度測量研究[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2008，5（2）:1-6.

[7]李偉明.激光源在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].安徽科技，2002，3（2）:44-45.

[8]魏學(xué)業(yè)，于冬.LED應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[9]新勢力電光.新光源投影市場[EB/OL].（2011-11-09）[2013-02-01].http://www.newopto.com/13080-819/26377_25470.html.

[10]趙常志，孫偉.化學(xué)與生物傳感器[M].北京:科學(xué)出版社，2012.

[11]石東新，傅新宇，張遠(yuǎn).CMOS與CCD性能及高清應(yīng)用比較[J].通信技術(shù)，2010，43（12）:174-175，179.

[12]王旭東，葉玉堂.CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發(fā)展趨勢[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（11）:178-181.

[13]雷蕾，李紅濤.基于CCD與CMOS圖像傳感新技術(shù)的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（14）:4-5.

[14]劉治群，楊萬挺，朱強(qiáng).幾種圖像增強(qiáng)算法的研究比較[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，28（6）:60-63.

[15]張永良，李中海.圖像處理算法的效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30（2）:332-335.

[16]劉鐵.三大類核心投影技術(shù)探析[J].中國多媒體通信，2012（3）:70-71.

[17]張帆.激光掃描投影顯示的研究與擴(kuò)展應(yīng)用[D].杭州:浙江大學(xué)，2008.

[18]姚秀君.背淺靜脈顯示儀的研制及臨床應(yīng)用[J].實(shí)用醫(yī)技雜志，2002，9（8）:606.

[19]Frank C.Venoscope Apparatus:US，6923762B1[P].2005-08-02.

[20]Ernst D J，MT（ASCP）.Take the guesswork out of venipunctures[J].MLO Med Lab Obs，2009，41（4）:18，20-21.

[21]夏祖怡.手握式靜脈注射顯影透視器:中國，201591545U[P].2010-09-29.

[22]NizarA.TransilluminationHavingOrangeColorLight:US，7874698B2[P].2011-01-25.

[23]張軍.一種靜脈穿刺顯示儀:中國，202010145U[P].2011-10-19.

[24]張晉陽，孫懋珩.紅外靜脈輔助定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2007，30（3）:140-143.

[25]張帆，劉向東.基于雙波長激光掃描的皮下靜脈顯示裝置[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44（2）:294-299.

[26]村田昭浩.血管顯示裝置:中國，102210583A[P].2011-10-12.

[27]北京理工大學(xué).一種多光譜三維靜脈圖像顯示裝置:中國，102813504A[P].2012-12-12.

[28]黃承亮.三維激光掃描技術(shù)在人體三維建模中的應(yīng)用研究[J].測繪，2013（1）:13-15，22.

[29]廣州寶膽醫(yī)療器械科技有限公司.紅外線熱掃描人體表層血管顯示儀:中國，201929946U[P].2011-08-17.