醫用硬性內窺鏡光學性能質控檢測技術研究

蔣昌松 ， 姬 軍 ， 黃增躍 ， 肖 宏 ， 王云龍

（1.南方醫科大學研究生學院，廣東 廣州 510515；2.解放軍第305醫院醫學工程科，北京 100017）

0 引 言

自1806年德國外科醫生Philipp Bozzini發明硬性內窺鏡以來已有200年歷史。腹腔鏡、鼻竇鏡、宮腔鏡、關節鏡等硬性內窺鏡廣泛應用于臨床診斷和治療。但國內外廠家、品牌、種類繁多，產品性能參差不齊，各級醫學工程部門迫切需要用于醫用硬性內窺鏡安裝驗收、年度計量質控、預防性維修、維修后性能評估的檢測設備、方法及技術。本文基于機器視覺開發并實現了檢測醫用硬性內窺鏡角度、分辨率、幾何畸變、色彩還原能力、光效、照明等光學性能的設備和方法。

1 醫用硬性內窺鏡結構

醫用硬性內窺鏡屬于精密的光學儀器，主要由光學成像系統和照明傳輸系統兩大部分組成。光學成像系統由物鏡系統、轉像系統、目鏡系統3大系統組成。被觀察物經物鏡所成的倒像，通過轉像系統將倒像轉為正像，并傳輸到目鏡，再由目鏡放大后，為人眼所觀察。為構成不同的視向角，需加入不同的棱鏡。照明傳輸系統由光導纖維組成，冷光源的光傳輸到內窺鏡前端，照亮被觀察物。

2 檢測設備

2.1 硬件系統

依據國內外相關檢測檢驗標準[1-4]，設計了醫用硬性內窺鏡光學性能質量控制檢測系統[5-6]，如圖1所示。其主要由精密導軌、精密型360°旋轉臺、調高支桿、均勻光源、測試標靶、高清工業攝相機、通用計算機等組成。

圖1 醫用硬性內窺鏡光學性能質量控制檢測系統硬件結構示意圖

硬件系統中的360°旋轉臺微調分辨率為±10′，導軌上具有可移動的滑塊，支桿可調整高度，構建出在XYZ方向上均可精確調整的機械裝置。均勻光源具有亮度可調、光線均勻、無閃爍等特點。高清相機選擇工業CMOS型攝像機，配備SDK開發包，含RGB彩色圖像傳感器。

2.2 測試標靶

系統中的測試標靶為目標檢測物。根據國內外相關檢測標準，該研究設計了如圖2所示測試標靶，外圓直徑均為45mm：（1）視場角標靶：內圓直徑20mm；（2）分辨率標靶：線寬 2～20 lp/mm，占空比 1∶1，準確度5μm；（3）幾何畸變標靶：圓直徑70%處上下左右各一個小實心圓，直徑3mm，準確度0.01mm；（4）色彩還原能力標靶：采用標準的馬克貝斯色彩檢驗圖；（5）光效標靶：圖直徑70%處上下左右各一個3mm×3mm的矩形；（6）照明標靶：內容空白。

圖2 測試標靶示意圖

3 測量原理與方法

3.1 角度

視向角表征視軸與鏡軸的角度。旋轉360°旋轉臺得到正面圖像，此角度ξ即為內窺鏡視向角，如圖3所示。

圖3 視向角和視場角測量原理示意圖

視場角表示硬性內窺鏡能觀察的真實視場范圍，測量原理如圖3所示。移動相機使測量標靶中半徑為R2的外圓和半徑為R1的內圓分別占滿視場，計算相機在導軌上移動的距離D。則視場角的大小為

3.2 分辨率

分辨率是空間頻率的響應函數，表征硬性內窺鏡對被攝對象細節的分辨能力。分辨率的量度可用視覺分辨率、調制傳遞函數（MTF）[7-8]等指標表達。

視覺分辨率用1mm寬度以內的黑白相間的線對數（lp/mm）來表示，人眼能分辨的最大線對數即為視覺分辨率。MTF是像面與物面光強度分布函數的傅里葉函數變換之比，它反映了內窺鏡的分辨率和反差的綜合特性，是評價分辨率的最好指標。該研究采用對比度法測量硬性內窺鏡的MTF，選擇一系列不同空間頻率的矩形光柵作為目標物，獲得含有灰度圖信息的位圖，通過像的歸一化直方圖計算不同空間頻率對比傳遞函數值（CTF）。

式中：f——目標物的頻率；

M——調制度；

Imax、Imin——輸出圖像亮度的最大值和最小值；

Jmax、Jmin——輸入圖像亮度的最大值和最小值。

標準的MTF值測量應該選擇正弦條紋標靶作為目標物。根據矩形函數的傅里葉級數及MTF理論，CTF與MTF之間存在如下關系：

實際測量中，省略高頻部分，MTF與CTF的關系簡單的表示為

計算不同空間頻率矩形光柵目標物的MTF值，以空間頻率為橫坐標，MTF值為縱坐標，可構造MTF曲線圖。

3.3 幾何畸變

畸變是由內窺鏡的鏡軸中心與邊緣放大率不同而引起的。光線離鏡軸越遠，畸變越大，與鏡軸正交并通過鏡軸，則無畸變。放大率隨光線入射角增大而減小的為桶形畸變，硬性內窺鏡的畸變屬于典型的桶形畸變[9-10]。硬性內窺鏡桶形畸變如圖4所示，發生在視場邊緣，會導致醫生感覺錯誤、方位混淆、視心理改變，容易導致操作失誤，帶來臨床危害。

拍攝幾何畸變測試標靶，利用Matlab軟件中regionprops函數自動測量視場中心圓斑以及70%視場處4個圓斑圖像橫向及縱向尺寸。設視場中心的實心圓斑無畸變，以它的尺寸為標準值，計算其他4個實心圓斑的畸變率。

圖4 桶形畸變示意圖

圖5 視場光效示意圖

3.4 色彩還原能力

色彩還原能力是指醫用硬性內窺鏡光學系統對顏色的分辨能力，色彩還原準確度指用數值的方法表示某種顏色給人色彩感覺上的準確度。若硬性內窺鏡色彩還原能力差，可能影響醫生對病理組織的觀察和操作，造成誤診或手術失敗。

對色彩還原準確度的測試采用馬克貝斯色彩檢驗圖（GretagMacbeth ColorChecker），將測試圖卡和所拍攝圖像的色彩空間轉換成CIE L*a*b*色彩空間以測定兩者之差異，即色彩還原誤差。

式中：L1*——測試圖卡的明度的標準值；

a1*——測試圖卡的色度的標準值；

b1*——測試圖卡的色度的標準值；

L2*——所拍圖像的明度的測定值；

a2*——所拍圖像的色度的測定值；

b2*——所拍圖像的色度的測定值；

ΔL*——明度差；

Δa*——色度差；

Δb*——色度差。

利用式（5）得出色彩還原誤差，其值越大，色彩還原準確度越低，色彩還原能力越弱。

3.5 光效（像面亮度均勻度）

如圖5所示，內窺鏡視場中心比視場邊緣亮度高，導致像面亮度均勻度并非100%。拍攝光效標靶，比較畫面中心和邊緣的亮度差異程度[11-12]，將圖像輸入計算機，測量圖像三原色R、G、B值，用式（6）計算亮度值Y：

表1 醫用硬性內窺鏡光學性能測試結果

在標靶的垂直和水平70%半徑處設小矩形top、down、left、right，并在中心處設矩形 center，截取像素采樣框，計算各采樣框的平均亮度值 Itop、Idown、Ileft、Iright、Icenter，則像面亮度均勻度Ki為

3.6 照明

如果人體臟器黏膜反射的光線經過內窺鏡光學系統照明亮度低，則會導致影像不清晰，觀察盲點多。照度即為反映人體臟器黏膜表面特定距離的亮度值。要求測量值大于廠家標稱值，如olympus WA53000A 0°型腹腔鏡的照度要求大于1500lx。用照度計測量照明光路通過空白標靶的單位面積內輸出光通量，要求其變化率應不大于20%。

4 結果分析

以德國蛇牌PE 610 A型腹腔鏡為例，測試結果如表1所示。

該研究測試結果中角度、分辨率參數與廠家標稱值符合良好，誤差小于3.4%。幾何畸變和照明參數與國家食品藥品監督管理局測試結果符合良好，誤差小于4.0%。色彩還原度和光效為該研究創新參數，無溯源初值，但與實際應用中效果一致。

5 結束語

該研究的創新性是采用機器視覺技術測量醫用硬性內窺鏡光學性能，能準確測量出角度、分辨率、幾何畸變、色彩還原準確度、光效、照明等6類參數。高清CMOS圖像傳感器、精密機械裝置是硬件基礎。利用Matlab軟件對采集到的標靶圖像進行初始處理并自動測量上述參數，取得了良好的結果。該研究誤差主要來源于高清圖像傳感器的無照電流，下一步的工作重點是對高清圖像傳感器進行無照電流校準。實驗結果表明該研究準確可靠，具有良好的操作性，檢測設備和方法可推廣應用于各級醫療衛生機構及內窺鏡生產廠家。

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