醫用硬性內窺鏡光學性能質量檢測技術研究

南智懿

摘要：隨著現代技術的發展以及醫療技術的發展，醫療產業也得到了大大的提升，對于治療很多疾病的醫學方法也得到了改善，所以，對于醫用儀器的研究和應用是具有重要意義的。現階段，醫用硬性內窺鏡的使用率是非常高，而且在治療過程中具有很大的作用。醫用硬性內窺鏡由三部分組成，包括可彎曲部分、光源及一組鏡頭組成，使用時將內窺鏡導入患者預檢查的器官，可直接窺視有關部位的變化，從而對病情做出相關的判斷。

醫學內窺鏡最早是用在對患者直腸的檢查中，醫務工作者需要在病人的肛門內插入一根硬管，然后借助于蠟燭的光亮觀察直腸的病變，這種檢測方法不但給患者本人造成巨大的痛苦，而且效率低下，容易污染，還可能會傷及患者本人，而且檢測結果不具有一定的準確性，正是因為這些弊端，醫用內窺鏡的出現就應運而生了。內窺鏡的出現完美的避開了這些缺點，而且有自己獨特的優勢，不僅僅是用在肛腸科的檢測中，在其它科室的檢測中也會被用到，現在。醫用內窺鏡的使用是非常廣泛的，據統計，全國臨床醫學各專科有超過100萬名醫技人員使用內窺鏡相關裝置進行臨床診斷和治療工作，隨著內窺鏡下微創手術的日益普及，對內窺鏡產品臨床應用的安全性和有效性認識也逐步深化，為了降低臨床使用風險，避免源于硬性內窺鏡的醫療事故，迫切需要供臨床醫學工程技術人員使用的醫用硬性內窺鏡質量控制檢測裝置和技術。

一、醫用電子內窺鏡

醫用內窺鏡的種類有很多，現在，在醫院中應用較為廣泛的是電子內窺鏡，和其它種類的醫用內窺鏡相比，電子內窺鏡表現出來的優點更為明顯，操作方便，影像質量好，光亮度強，而且圖像大，可以檢查出更細小的病變，圖像更加清晰和直觀。圖片為T912實用型LED電子內窺鏡，它由內鏡、視頻處理系統、監視器及儲存部分組成，并且包含了鏡桿四支，并且其可視向角達到了0度。此外，它廣泛應用于醫療機構的任何檢查，并且在檢查同時能讓患者自己掌握病情。

二、醫用硬性內窺鏡特點

在醫療方面，醫用內窺鏡則主要是在外科手術和常規醫療檢查中，與傳統的外科手術相比，醫用內窺鏡的功能性微創手術技術已近得到醫生和患者的廣泛接受，醫用內窺鏡利用人體天然孔洞或在必要的時候開幾個小孔，醫生只要熟練地將內窺鏡鏡頭深入身體內，通過其他手術器械和攝像顯示系統就能在體外進行體內的密閉手術操作。

（1）可以借助計算機成像系統，所以患者檢測時間會縮短，而且結果迅速，可以快速抓拍，提高效率;

（2）內窺鏡具有錄像、儲存等功能，可以將患者發生病變部位的圖像儲存起來，這樣可以方便連續拍照和日后復查拍照進行對比，應用型很強;

（3）電子內窺鏡的圖片色澤逼真，分辨率高，圖像清晰，而且圖像經過特殊處理后可以放大細節，這樣利于對發生病變的部位進行精細的觀察，進一步確定疾病;

（4）采用屏幕顯示圖像，這樣可以充分實現1人操作多人同時觀看，在進行教學、會診、診斷過程中是非常有效的，多人都可以通過屏幕進行相關結果觀察。

（5）醫療電子內窺鏡在臨床應用上上也有突出的特點：操作靈活、簡單、方便，更直接;病人不適感降到了最低程度，新的技術降低了手術復雜度，減少了治療時間，大大提高了診斷能力，提高工作效率;便于教學及臨床病例討論，以及遠程會診，便于患者的密切配合，讓醫護人員和患者更好的溝通，為教學、科研提供可靠的資料。

三、相關參數分析

適用于臨床醫療衛生機構檢測醫用硬性內窺鏡光學性能的項目參數，主要包括視場角、視向角、視覺分辨率、MTF、視場亮度差異率、邊緣與中心亮度比、畸變、色彩還原能力。

視場亮度差異率是世界范圍內首次提出評價醫用內窺鏡光效照明的參數。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，即可獲得視向角。視場角表示硬性內窺鏡能觀察的真實視場范圍，測量原理是圓錐投影至等腰三角形法。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，用1mm寬度以內的黑白相間的線對數（1p/mm）來表示，人眼能分辨的最大線對數即為視覺分辨率。

MTF是在國內最早用于評價醫用硬性內窺鏡成像質量的參數，調制傳遞函數模量MTF是像面與物面光強度分布函數的傅立葉函數變換之比，它反映了內窺鏡的分辨率、反差、銳度等參數的綜合特性。光效測試中，邊緣與中心亮度比即為視場邊緣灰度值與視場中心灰度值之比，視場亮度差異率是所采集的視場內像面邊緣至像面中心的灰度值之差與邊緣至中心像素點個數之比，表征像面灰度值沿邊緣至中心變化的斜率。畸變是由于內窺鏡的鏡軸中心與邊緣放大率不同而引起的，醫用硬性內窺鏡拍攝的像面為桶形畸變。

利用MATLAB軟件自動測量視場中心圓斑以及70%視場和90%視場處4個圓斑圖像像橫向及縱向尺寸。假設視場中心的實心圓斑（直徑為4mm）無畸變，以它的尺寸為標準值，計算其它4個實心圓斑的畸變率。色彩還原能力測試中，采用RGB色彩空間，利用MATLAB軟件計算出紅、綠、藍三原色色塊區域像素點的R、G、B值，分別除以測試標靶中色塊的R＼G＼B值，即獲得內窺鏡對紅、綠、藍三原色的色彩還原能力。該檢測裝置中采用精密機械裝置實現測試標靶和高清工業相機在XYZ三維方向的移動，與過去20多種檢測工具相對比取得了較大的改善。

安裝盒可插入均勻光源和測試標靶形成便攜式醫用內窺鏡光學性能質量控制檢測裝置，形成定性檢測裝置。設計含11p/mm-161p/mm測試區域的高精度分辨率測試標靶;將視場角、畸變、色彩還原能力測試項目創新性的集成于一塊標靶，節約成本，便于推廣應用。圖像采集利用高清工業相機自帶的圖像采集軟件，基于機器視覺實現內窺鏡圖像的自動化、連續性采集，同時對感興趣區域（AOI）單獨采集保存。利用MATLAB軟件定量的計算、測量、評估醫用硬性內窺鏡的各項光學性能指標，創新性的用像素點數量取代擬合橢圓方法測算出醫用硬性內窺鏡畸變程度，用視場亮度差異率來表征視場亮度均勻性。

四、注意事項

（1）相機未校準，引入了新的誤差，對分辨率、色彩還原能力均有影響。檢測光效中的視場亮度差異率，邊緣與中心亮度比是以過圓心的一條線上的灰度作為數據基礎，缺乏對整個視場的評價。檢測色彩還原能力是以RGB色彩空間為判定基礎，而非國際上通行的CIEL*a*b*色彩空間。研究采用對比度測量方法測試MTF，雖然方法簡單，但一次圖像采集只能得到某一線對或空間頻率下的MTF值，要想獲得醫用硬性內窺鏡的MTF曲線，需要對1LP/mm-16LP/mm不同空間頻率的矩形標靶進行多次測試，然后計算MTF值，并進行曲線擬合，獲取MTF曲線。各項參數的圖像采集和圖像處理過程分離，需要將圖像保存下來然后進行后續的圖像處理和數據分析。

（2）內窺鏡的使用是需要工作人員進行日常維護的，一般由使用科室和操作人員完成，監視器在安裝時已經都是有相關技術人員進過測試并調整到了最佳顯示狀態，所以不建議使用者自行調試，如果顏色失真可將攝像系統的光學接口對準顏色比較鮮明的物體或圖片，通過監視器上的菜單進行對比度、飽和度、亮度的調節。雖說很多醫療內窺鏡聲明光學接口是防水的，但光學接口和連接線不建議消毒，可用防菌套套上，每次使用時消毒防菌套，這樣可以大大增加光學接口的使用壽命，如必須消毒請用低溫熏蒸的方法。插口不能強插拔，要對準十二點的位置進行直插、直拔輕拿輕放，定期作白平衡校準。

參考文獻

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