医用硬性内窥镜光学性能质控检测技术研究

蒋昌松 ， 姬 军 ， 黄增跃 ， 肖 宏 ， 王云龙

（1.南方医科大学研究生学院，广东 广州 510515；2.解放军第305医院医学工程科，北京 100017）

0 引 言

自1806年德国外科医生Philipp Bozzini发明硬性内窥镜以来已有200年历史。腹腔镜、鼻窦镜、宫腔镜、关节镜等硬性内窥镜广泛应用于临床诊断和治疗。但国内外厂家、品牌、种类繁多，产品性能参差不齐，各级医学工程部门迫切需要用于医用硬性内窥镜安装验收、年度计量质控、预防性维修、维修后性能评估的检测设备、方法及技术。本文基于机器视觉开发并实现了检测医用硬性内窥镜角度、分辨率、几何畸变、色彩还原能力、光效、照明等光学性能的设备和方法。

1 医用硬性内窥镜结构

医用硬性内窥镜属于精密的光学仪器，主要由光学成像系统和照明传输系统两大部分组成。光学成像系统由物镜系统、转像系统、目镜系统3大系统组成。被观察物经物镜所成的倒像，通过转像系统将倒像转为正像，并传输到目镜，再由目镜放大后，为人眼所观察。为构成不同的视向角，需加入不同的棱镜。照明传输系统由光导纤维组成，冷光源的光传输到内窥镜前端，照亮被观察物。

2 检测设备

2.1 硬件系统

依据国内外相关检测检验标准[1-4]，设计了医用硬性内窥镜光学性能质量控制检测系统[5-6]，如图1所示。其主要由精密导轨、精密型360°旋转台、调高支杆、均匀光源、测试标靶、高清工业摄相机、通用计算机等组成。

图1 医用硬性内窥镜光学性能质量控制检测系统硬件结构示意图

硬件系统中的360°旋转台微调分辨率为±10′，导轨上具有可移动的滑块，支杆可调整高度，构建出在XYZ方向上均可精确调整的机械装置。均匀光源具有亮度可调、光线均匀、无闪烁等特点。高清相机选择工业CMOS型摄像机，配备SDK开发包，含RGB彩色图像传感器。

2.2 测试标靶

系统中的测试标靶为目标检测物。根据国内外相关检测标准，该研究设计了如图2所示测试标靶，外圆直径均为45mm：（1）视场角标靶：内圆直径20mm；（2）分辨率标靶：线宽 2～20 lp/mm，占空比 1∶1，准确度5μm；（3）几何畸变标靶：圆直径70%处上下左右各一个小实心圆，直径3mm，准确度0.01mm；（4）色彩还原能力标靶：采用标准的马克贝斯色彩检验图；（5）光效标靶：图直径70%处上下左右各一个3mm×3mm的矩形；（6）照明标靶：内容空白。

图2 测试标靶示意图

3 测量原理与方法

3.1 角度

视向角表征视轴与镜轴的角度。旋转360°旋转台得到正面图像，此角度ξ即为内窥镜视向角，如图3所示。

图3 视向角和视场角测量原理示意图

视场角表示硬性内窥镜能观察的真实视场范围，测量原理如图3所示。移动相机使测量标靶中半径为R2的外圆和半径为R1的内圆分别占满视场，计算相机在导轨上移动的距离D。则视场角的大小为

3.2 分辨率

分辨率是空间频率的响应函数，表征硬性内窥镜对被摄对象细节的分辨能力。分辨率的量度可用视觉分辨率、调制传递函数（MTF）[7-8]等指标表达。

视觉分辨率用1mm宽度以内的黑白相间的线对数（lp/mm）来表示，人眼能分辨的最大线对数即为视觉分辨率。MTF是像面与物面光强度分布函数的傅里叶函数变换之比，它反映了内窥镜的分辨率和反差的综合特性，是评价分辨率的最好指标。该研究采用对比度法测量硬性内窥镜的MTF，选择一系列不同空间频率的矩形光栅作为目标物，获得含有灰度图信息的位图，通过像的归一化直方图计算不同空间频率对比传递函数值（CTF）。

式中：f——目标物的频率；

M——调制度；

Imax、Imin——输出图像亮度的最大值和最小值；

Jmax、Jmin——输入图像亮度的最大值和最小值。

标准的MTF值测量应该选择正弦条纹标靶作为目标物。根据矩形函数的傅里叶级数及MTF理论，CTF与MTF之间存在如下关系：

实际测量中，省略高频部分，MTF与CTF的关系简单的表示为

计算不同空间频率矩形光栅目标物的MTF值，以空间频率为横坐标，MTF值为纵坐标，可构造MTF曲线图。

3.3 几何畸变

畸变是由内窥镜的镜轴中心与边缘放大率不同而引起的。光线离镜轴越远，畸变越大，与镜轴正交并通过镜轴，则无畸变。放大率随光线入射角增大而减小的为桶形畸变，硬性内窥镜的畸变属于典型的桶形畸变[9-10]。硬性内窥镜桶形畸变如图4所示，发生在视场边缘，会导致医生感觉错误、方位混淆、视心理改变，容易导致操作失误，带来临床危害。

拍摄几何畸变测试标靶，利用Matlab软件中regionprops函数自动测量视场中心圆斑以及70%视场处4个圆斑图像横向及纵向尺寸。设视场中心的实心圆斑无畸变，以它的尺寸为标准值，计算其他4个实心圆斑的畸变率。

图4 桶形畸变示意图

图5 视场光效示意图

3.4 色彩还原能力

色彩还原能力是指医用硬性内窥镜光学系统对颜色的分辨能力，色彩还原准确度指用数值的方法表示某种颜色给人色彩感觉上的准确度。若硬性内窥镜色彩还原能力差，可能影响医生对病理组织的观察和操作，造成误诊或手术失败。

对色彩还原准确度的测试采用马克贝斯色彩检验图（GretagMacbeth ColorChecker），将测试图卡和所拍摄图像的色彩空间转换成CIE L*a*b*色彩空间以测定两者之差异，即色彩还原误差。

式中：L1*——测试图卡的明度的标准值；

a1*——测试图卡的色度的标准值；

b1*——测试图卡的色度的标准值；

L2*——所拍图像的明度的测定值；

a2*——所拍图像的色度的测定值；

b2*——所拍图像的色度的测定值；

ΔL*——明度差；

Δa*——色度差；

Δb*——色度差。

利用式（5）得出色彩还原误差，其值越大，色彩还原准确度越低，色彩还原能力越弱。

3.5 光效（像面亮度均匀度）

如图5所示，内窥镜视场中心比视场边缘亮度高，导致像面亮度均匀度并非100%。拍摄光效标靶，比较画面中心和边缘的亮度差异程度[11-12]，将图像输入计算机，测量图像三原色R、G、B值，用式（6）计算亮度值Y：

表1 医用硬性内窥镜光学性能测试结果

在标靶的垂直和水平70%半径处设小矩形top、down、left、right，并在中心处设矩形 center，截取像素采样框，计算各采样框的平均亮度值 Itop、Idown、Ileft、Iright、Icenter，则像面亮度均匀度Ki为

3.6 照明

如果人体脏器黏膜反射的光线经过内窥镜光学系统照明亮度低，则会导致影像不清晰，观察盲点多。照度即为反映人体脏器黏膜表面特定距离的亮度值。要求测量值大于厂家标称值，如olympus WA53000A 0°型腹腔镜的照度要求大于1500lx。用照度计测量照明光路通过空白标靶的单位面积内输出光通量，要求其变化率应不大于20%。

4 结果分析

以德国蛇牌PE 610 A型腹腔镜为例，测试结果如表1所示。

该研究测试结果中角度、分辨率参数与厂家标称值符合良好，误差小于3.4%。几何畸变和照明参数与国家食品药品监督管理局测试结果符合良好，误差小于4.0%。色彩还原度和光效为该研究创新参数，无溯源初值，但与实际应用中效果一致。

5 结束语

该研究的创新性是采用机器视觉技术测量医用硬性内窥镜光学性能，能准确测量出角度、分辨率、几何畸变、色彩还原准确度、光效、照明等6类参数。高清CMOS图像传感器、精密机械装置是硬件基础。利用Matlab软件对采集到的标靶图像进行初始处理并自动测量上述参数，取得了良好的结果。该研究误差主要来源于高清图像传感器的无照电流，下一步的工作重点是对高清图像传感器进行无照电流校准。实验结果表明该研究准确可靠，具有良好的操作性，检测设备和方法可推广应用于各级医疗卫生机构及内窥镜生产厂家。

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