灰階法用于內窺鏡照明用光纜中光能傳遞效率穩定性的測試

【作 者】宓云軿，諸仲夏，韓盟盟

1 上海市寧和投資管理有限公司，上海市，201318

2 上海市醫療器械檢測所，上海市，201318

3 上海交通大學生物醫學工程學院，上海市，200030

灰階法用于內窺鏡照明用光纜中光能傳遞效率穩定性的測試

【作 者】宓云軿1，諸仲夏2，韓盟盟3

1 上海市寧和投資管理有限公司，上海市，201318

2 上海市醫療器械檢測所，上海市，201318

3 上海交通大學生物醫學工程學院，上海市，200030

該文提出了一種醫用內窺鏡照明用光纜的新的測試方法，對灰階測試法與傳統光通量測試法進行了對比試驗，并提出可進一步將灰階法用于內窺鏡其他性能測試中的思路。

照明用光纜；光通量；灰階

0 引言

醫用內窺鏡照明用光纜，是連接冷光源與內窺鏡的光纖導光束，主要用于內窺鏡檢查和手術中光線的傳輸。在內窺鏡檢查和治療手術中，由于需要變換內窺鏡不同的位置，導光束將會被不同程度的彎折，所以導光束在不同狀態下光能傳遞效率的穩定性是一個重要指標。

在YY 0763—2009《醫用內窺鏡 照明用光纜》標準中規定了照明用光能傳遞效率的測試要求，光纜經過扭轉、短暫壓扁、拉伸、彎曲、墜落沖擊試驗后，再次測量光能傳遞效率。在該標準的測試方法中，需要用到激光光源、光通量計等專業光學儀器，對于專業實驗室來講，測試較為簡便易于實施。但是對于醫院里的在用設備而言，在手術室搭建這樣一套光學平臺是相當費時費力的事情。本文提出了一種全新的測試方法：使用攝像鏡頭來測試光纜光能傳遞效率。

1 原理

YY 0763—2009《醫用內窺鏡 照明用光纜》中光纜的光能傳遞效率的測試方法是光通量測試法：使用夾具固定并調節激光光源和被測光纜，使激光光斑垂直入射在光纜入光面的中心位置，測量光纜出光面輸出的光通量(見圖1)。首先使光纜處于原始狀態，測得一個原始光通量，然后對光纜進行彎曲，測得一個彎曲后光通量，兩個光通量的比值反映了光纜光能傳遞效率的穩定性。

圖1 光通量測試法Fig.1 Luminous fux measurement

本文提出灰階值積分法替代光通量法。具體方法如下：使用被測光纜配套的冷光源，調節到該光源的最大輸出亮度，對光纜的出光端面使用攝像鏡頭對焦，在攝像鏡頭圖像未飽和的情況下，拍攝并保存圖像。使用Matlab軟件對圖像進行亮度分析，對圖像有效范圍內每個像素點的灰階值進行積分，灰階值越大說明亮度越亮。同樣地，需要進行光纜原始狀態、彎曲狀態的灰階值測試，從而得到光能傳遞效率的穩定性。

圖2 灰階測試法Fig.2 Gray scale measurement

2 對比試驗

對比試驗分別采用光通量法和灰階法對光纜進行對比測量。理想情況是選擇大樣本不同型號的光纜進行測試來獲得對比結果，但由于獲取不同型號大樣本的光纜有一定的難度，所以本試驗選擇了一些在內窺鏡設備領域知名企業生產的5種型號的光纜進行對比試驗，每根光纜進行2種彎曲度的測試。

2.1 初始測試

2.1.1 光通量法

在暗室中測試，使用激光光源波長為640 nm，能夠產生直徑≤1.5 mm的光斑，發散角≤2o，保持光能不變，穩定度在±2%以內。測試時用夾具固定并調節激光光源和被測光纜的位置，使光纜保持平直狀態，激光光斑垂直入射在光纜入光面的中心位置，用光通量計測量光纜出光面的光通量值，記為原始光通量φ0。

2.1.2 灰階法

在暗室中測試，使用光纜配套的冷光源，并在光纜出光面端換上大視場攝像鏡頭。測試時使光纜保持平直狀態并與冷光源出光面垂直，調節冷光源使其達到最大輸出亮度，拍攝光纜出光面圖像，記為原始圖像Y0。

2.2 彎曲后測試(第一次彎曲)

2.2.1 彎曲試驗

在允許的最小彎曲半徑條件下，對光纜中間部分進行彎折。

2.2.2 彎曲試驗后測試

分別按照2.1.1和2.1.2的測試方法，測得彎曲后光纜出光面的光通量φ1，和光纜出光面圖像Y1。

2.3 重復彎曲后測試(第二次彎曲)

為了獲得更多的比較數據，我們對光纜進行重復彎曲，然后按照2.1.1和2.1.2的測試方法，分別得到光纜出光面的光通量φ2，和光纜出光面圖像Y2。

2.4 計算光能傳遞效率的穩定性

2.4.1 光通量法

該方法光能傳遞效率的穩定性計算見式(1)。

其中，β為光能傳遞效率，φ0為原始光通量，φi為彎曲試驗后得到的光通量。

2.4.2 灰階測試法

對比試驗拍攝的三幅圖像如圖3所示，分別為原始圖像和兩次彎曲試驗后拍攝的圖像。

圖3 拍攝的圖像Fig.3 Original picture

使用Matlab對原始圖像進行灰階處理，同時為了去除背景噪聲的影響，僅選取光纜端面部分作為灰階積分的面積。

計算積分面積內每個圖像像素點的灰階值之和S0、S1和S2，然后根據得到的灰階值和計算光能傳遞效率，計算公式見式(2)：

其中，γ是光能傳遞效率，S0是初始圖像的灰階值和，Si是彎曲試驗后拍攝圖像的灰階值和。

3 結果分析

5根光纜兩種彎曲度測試結果見表1。

表1 光能傳遞效率穩定性測試Tab.1 The effciency stability of the light energy transfer

從表1的數據可以得知，兩種測試方法對穩定性的測試誤差在10%以內。分析原因主要有二：

（1）光纜對每個波長的透過率不一致性

由于光通量法使用640 nm波長的激光作為光源，其局限性是非常明顯的。因為光纜對每個波長的透過率是不一致的(見圖4)，所以其傳遞效率的穩定性只反應單一波長的狀態。而灰階法，由于使用的是光纜配套的冷光源，可以代表所有波長的綜合表現。

圖4 透過率曲線Fig.4 Transmissivity curve

(2) 光纜截面通光效率不均勻

一根光纜是由很多光纖均勻排列組成的，觀察灰階法拍攝到的光纜通光端面(見圖3)，可以發現：有些區域偏亮，說明光能傳遞效率高，而有些區域偏暗，說明光能傳遞效率較低。當使用光通量法時，由于激光光斑直徑小于1.5 mm，而一般光纜通光端面直徑在3 mm至6 mm之間，激光光斑不能有效覆蓋光纜通光端面，所以光通量測試法所反映的傳遞效率只能代表光纜中的部分光纖；而使用灰階法，由于是對整個通光端面計算積分，所以可以代表光纜的真實情況。

4 結論與展望

從上述的結果來看，灰階法對光纜光能傳遞效率較光通量法偏差不大，可以替代光纜標準中的光通量法。灰階法的優點在于可以直觀地反映光纜端面的分布情況，同時簡化測試設備，有利于醫院等在用醫療器械的檢測。另外，針對灰階法直觀測試的特點，我們下一步將探索內窺鏡標準中分辨率、畸變、光照均勻性等指標的測試。

[1] 國家食品藥品監督管理局. YY 0763—2009醫用內窺鏡 照明用光纜[S].

[2] 朱云青. 醫用內窺鏡照明用光纜的應用特征[J]. 中國醫療器械信息, 2015 (10): 8-10.

Testing Efficiency Stability of Light Energy Transfer in Endoscope Lighting Optical Cable Using Gray Scale Measurement

【 Writers 】MI Yunping1, ZHU Zhongxia2, HAN Mengmeng3
1 Shanghai Ninghe Investment Management Co. Ltd., Shanghai, 201318
2 Shanghai Testing and Inspection Institute for Medical Devices, Shanghai, 201318
3 School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

This paper proposes a new testing method used for medical endoscope lighting optical cable. It compares the experiment result from gray scale measurement and the one from the traditional luminous flux measurement. It proposes the idea that we can apply the gray scale measurement to other feature testing of the endoscope as well.

lighting optical cable, luminous fux, gray scale

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.06.015

1671-7104(2016)05-0448-03

2016-05-06

宓云軿，E-mail: yunping044@163.com