基于MTF評價醫用硬性內窺鏡的分辨率

姬 軍蔣昌松侯純偉王云龍黃增躍劉薪余肖 宏袁 青

（1.解放軍305醫院醫學工程科，北京 100017；2.北京大學第三醫院醫學工程處，北京 100191；3.第四軍醫大學生物醫學工程系，陜西 西安 710032；4.南方醫科大學研究生學院，廣東 廣州 510515）

基于MTF評價醫用硬性內窺鏡的分辨率

姬 軍1，蔣昌松2，侯純偉3，王云龍1，4，黃增躍1，4，劉薪余3，肖 宏1，袁 青1，4

（1.解放軍305醫院醫學工程科，北京 100017；2.北京大學第三醫院醫學工程處，北京 100191；3.第四軍醫大學生物醫學工程系，陜西 西安 710032；4.南方醫科大學研究生學院，廣東 廣州 510515）

根據國內外相關檢測標準，確定視覺分辨率和調制傳遞函數模量作為評價指標，設計檢測裝置和標靶，編寫Matlab程序對采集到的標靶圖像進行分析，對13支不同品牌、種類的硬性內窺鏡進行檢測。實現基于機器視覺檢測醫用硬性內窺鏡分辨率的設備和方法，13支內鏡的視覺分辨率為5～16LP/mm，MTF閾值集中于0.2～0.3之間。結果表明：1）硬性內窺鏡鏡體、中心、邊緣的MTF值均呈現隨著線對數增大而減小的趨勢；2）每支硬性內窺鏡均具有合適的亮度使其分辨率最高；3）硬性內窺鏡整體的MTF值偏向由中心決定；4）同一區域下，不同亮度所對應的MTF值相關程度較高，說明內窺鏡的分辨率由自身決定。

醫用硬性內窺鏡；分辨率；調制傳遞函數模量

0 引 言

醫用硬性內窺鏡，是一種可插入人體體腔和臟器內進行直接觀察、診斷、治療的光學裝置。據統計，全國有超過100萬名醫技人員及90%以上的醫療機構采用了內窺鏡進行臨床診療工作。隨著內窺鏡日益普及，對其臨床應用的安全性和有效性認識也逐步深化，硬性內窺鏡分辨率直接或間接地危及患者的安全。

為避免硬性內窺鏡質量引起的醫療事故，該研究針對醫用硬性內窺鏡分辨率質量控制檢測規范、方法以及裝置的現狀，研制自動、定量、一體、廉價的檢測裝置[1-3]，開發適用于臨床醫療衛生機構的檢測方法，以滿足臨床醫療機構醫學工程人員的需求。

1 檢測項目與原理

分辨率表征硬性內窺鏡對被攝對象細節的分辨能力，是最為關鍵的光學指標。若分辨率不佳，組織特征和病灶區域的細節無法獲取，失去臨床意義。該研究確定視覺分辨率、調制傳遞函數模量（modulation transfer function，MTF）來評價醫用硬性內窺鏡的分辨率。視覺分辨率是人眼通過硬性內窺鏡能觀察到的極限線對數。MTF是一種直接、定量、客觀的成像質量評價指標，是像面與物面光強度分布函數的傅里葉函數變換之比，能同時反映醫用硬性內窺鏡的對比傳遞能力和細節分辨能力，是評價分辨率的最好指標。

該研究采用對比度法測量MTF，選擇一系列不同空間頻率的矩形光柵作為目標物，獲得含有灰度信息的位圖，采用式（1）計算不同空間頻率所對應的MTF值。

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。

2 檢測裝置與標靶

依據國內外相關檢測檢驗標準[4-6]，設計了檢測裝置，如圖1所示。旋轉臺（2）、支桿（6）、視頻采集裝置（7）的支架（71）依次放置在導軌（1）上，均勻光源（3）固定在旋轉臺（2）上，醫用硬性內窺鏡（5）放在支桿（6）上，標靶（4）設在均勻光源（3）和醫用硬性內窺鏡（5）之間，視頻采集裝置（7）與計算機（8）相連。

矩形標靶內共有16個直徑為4mm的圓，填充內容為黑白相間的條紋，分別為1～16 LP/mm，占空比1∶1，線寬準確度1μm。

圖1 檢測裝置示意圖及實物圖

表1 視覺分辨率及MTF閾值統計表

3 檢測結果與討論

3.1 視覺分辨率及MTF閾值

該研究檢測了13支硬性內窺鏡，視覺分辨率及MTF閾值統計見表1。

不同內窺鏡的視覺分辨率差異較大，而MTF閾值集中在0.2～0.3之間。國產品牌沈大研制的兩款內窺鏡MTF閾值均在0.5以上，在分辨率這一關鍵指標上與國外產品差距較大。

3.2 MTF與亮度、區域關系分析

如圖2所示，調節光源至亮度10 330 lux，腹腔鏡整體、中心、邊緣的MTF值均隨著線對數增大而減小。通常，MTF曲線越高代表系統成像質量越好，MTF曲線與XY軸構成的面積越大，成像質量越好[7-10]。

圖2 30°腹腔鏡，亮度10330lux，整體、中心、邊緣的MTF曲線

圖3 30°腹腔鏡邊緣，不同亮度下的MTF曲線

圖4 30°鼻竇鏡邊緣，不同亮度的MTF曲線

在所采集的圖像90%視場處，分割出一個60× 60像素點的矩形方塊，計算MTF值。如圖3所示，腹腔鏡的MTF曲線在亮度9 590 lux下優于亮度10 330 lux。如圖4所示，鼻竇鏡的MTF曲線在亮度9590lux下優于亮度8170lux。由此得出，每支硬性內窺鏡都有一個最合適的亮度使之分辨率最高。但過曝之前，同一區域，亮度越高，MTF值越大。

3.3 不同區域MTF相關系數

將所有內窺鏡的MTF值進行相關分析，繪制成曲線，如圖5所示。可得出：1）整體與中心較整體與邊緣相關度更集中，整體的MTF值偏向由中心決定；2）不同的內鏡，中心與邊緣的MTF值相關程度差距較大。

3.4 不同亮度MTF相關系數

以30°腹腔鏡為例，同一區域不同亮度所對應MTF值的相關系數在0.9～0.99區間內，相關程度高，說明內窺鏡的分辨率是由自身所決定，亮度對分辨率只起附加作用。

圖5 不同種類醫用內窺鏡不同區域MTF值相關系數

4 結束語

本文采用MTF評價醫用硬性內窺鏡的分辨率，研制出定量、一體、廉價的檢測裝置及標靶，開發出適合臨床醫療機構的檢測方法。并對不同品牌、不同型號、不同亮度、不同區域的MTF值進行比較和分析，開創了評價醫用硬性內窺鏡分辨率的新方法。但該研究也存在圖像采集次數多、圖像采集和處理分離的缺點，可考慮采用狹縫法計算MTF以及調用工業相機函數包實現圖像采集和圖像處理同步。

[1]蔣昌松，姬軍，黃增躍，等.醫用硬性內窺鏡光學性能質控檢測技術研究[J].中國測試，2013（2）：24-26.

[2]Aabakken L，Enochsson L.Mechanics of auality assurance-now and in the future[J].Best Practice&Research Clinical Gastroenterology，2011（25）：419-425.

[3]呂慶友，官麗梅.醫用內窺鏡使用與維修技術[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2006：52-150.

[4]GB 11244—2005醫用內窺鏡及附件通用要求[S].北京：中國標準出版社，2005.

[5]SNT 1095—2002進口醫用內窺鏡性能檢驗規程[S].北京：中國標準出版社，2002.

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[7]李林，林家明，王平，等.工程光學[M].北京：北京理工大學出版社，2007：1-23.

[8]葉春芳.光學系統MTF快速測量儀的研究[D].杭州：浙江大學，2009.

[9]郭曉兵.基于圖像處理的MTF測試系統研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[10]徐善財.測量鏡頭MTF的系統設計及軟件開發[D].杭州：浙江大學，2010.

Research on evaluation of medical rigid endoscope’s resolution based on MTF

JI Jun1，JIANG Chang-song2，HOU Chun-wei3，WANG Yun-long1，4，HUANG Zeng-yue1，4，LIU Xin-yu3，XIAO Hong1，YUAN Qing1，4
（1.Department of Biomedical Engineering，PLA 305 Hospital，Beijing 100017，China；2.Department of Biomedical Engineering，Peking University Third Hospital，Beijing 100191，China；3.Department of Biomedical Engineering，The Fourth Military Medical University，Xi’an 710032，China；4.Graduate School，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China）

In order to evaluate the resolution of medical rigid endoscopes quantitatively，this article confirmed the visual resolution and modulation transfer function modulus-MTF as the evaluation indexes，designed the testing oftarget，device and compile Matlab program for automatic analysis and processing of the collected target image to detect 13 different brands，types of rigid endoscopes according to the relevant domestic and international testing standards. The methodsand detection equipmentbased on machinevision were achieved.Thevisual resolution of 13 endoscopes was ranged from 5 to 16 LP/mm and MTF threshold was between 0.2 and 0.3.The results showed：1）The overall，center，and edge of rigid endoscope’s MTF curve showed a trend that MTF values are reducing with logarithmic increasing；2）Rigid endoscope has a appropriate brightness to make the highest resolution；3）The overall MTF values of rigid endoscope are decided by the center much more；4）in the range of the same region MTF values corresponding to different brightness values have high correlation coefficients.High values of the correlation coefficients reflect the resolution of the endoscope is determined by itself and has little to do with brightness.

medical rigid endoscope；resolution；MTF

TH776+.1；TP212.3；TP274+.2；TM930.114

：A

：1674-5124（2014)06-0014-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.004

2014-01-24；

：2014-03-25

全軍軍事醫學計量科研專項課題（2011-JL2-027）；解放軍305醫院科研基金重點項目（12YA2）

姬 軍（1970-），男，北京市人，高級工程師，碩士生導師，研究方向為醫療設備計量與質量控制檢測技術。