基于MTF评价医用硬性内窥镜的分辨率

姬 军蒋昌松侯纯伟王云龙黄增跃刘薪余肖 宏袁 青

（1.解放军305医院医学工程科，北京 100017；2.北京大学第三医院医学工程处，北京 100191；3.第四军医大学生物医学工程系，陕西 西安 710032；4.南方医科大学研究生学院，广东 广州 510515）

基于MTF评价医用硬性内窥镜的分辨率

姬 军1，蒋昌松2，侯纯伟3，王云龙1，4，黄增跃1，4，刘薪余3，肖 宏1，袁 青1，4

（1.解放军305医院医学工程科，北京 100017；2.北京大学第三医院医学工程处，北京 100191；3.第四军医大学生物医学工程系，陕西 西安 710032；4.南方医科大学研究生学院，广东 广州 510515）

根据国内外相关检测标准，确定视觉分辨率和调制传递函数模量作为评价指标，设计检测装置和标靶，编写Matlab程序对采集到的标靶图像进行分析，对13支不同品牌、种类的硬性内窥镜进行检测。实现基于机器视觉检测医用硬性内窥镜分辨率的设备和方法，13支内镜的视觉分辨率为5～16LP/mm，MTF阈值集中于0.2～0.3之间。结果表明：1）硬性内窥镜镜体、中心、边缘的MTF值均呈现随着线对数增大而减小的趋势；2）每支硬性内窥镜均具有合适的亮度使其分辨率最高；3）硬性内窥镜整体的MTF值偏向由中心决定；4）同一区域下，不同亮度所对应的MTF值相关程度较高，说明内窥镜的分辨率由自身决定。

医用硬性内窥镜；分辨率；调制传递函数模量

0 引 言

医用硬性内窥镜，是一种可插入人体体腔和脏器内进行直接观察、诊断、治疗的光学装置。据统计，全国有超过100万名医技人员及90%以上的医疗机构采用了内窥镜进行临床诊疗工作。随着内窥镜日益普及，对其临床应用的安全性和有效性认识也逐步深化，硬性内窥镜分辨率直接或间接地危及患者的安全。

为避免硬性内窥镜质量引起的医疗事故，该研究针对医用硬性内窥镜分辨率质量控制检测规范、方法以及装置的现状，研制自动、定量、一体、廉价的检测装置[1-3]，开发适用于临床医疗卫生机构的检测方法，以满足临床医疗机构医学工程人员的需求。

1 检测项目与原理

分辨率表征硬性内窥镜对被摄对象细节的分辨能力，是最为关键的光学指标。若分辨率不佳，组织特征和病灶区域的细节无法获取，失去临床意义。该研究确定视觉分辨率、调制传递函数模量（modulation transfer function，MTF）来评价医用硬性内窥镜的分辨率。视觉分辨率是人眼通过硬性内窥镜能观察到的极限线对数。MTF是一种直接、定量、客观的成像质量评价指标，是像面与物面光强度分布函数的傅里叶函数变换之比，能同时反映医用硬性内窥镜的对比传递能力和细节分辨能力，是评价分辨率的最好指标。

该研究采用对比度法测量MTF，选择一系列不同空间频率的矩形光栅作为目标物，获得含有灰度信息的位图，采用式（1）计算不同空间频率所对应的MTF值。

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。

2 检测装置与标靶

依据国内外相关检测检验标准[4-6]，设计了检测装置，如图1所示。旋转台（2）、支杆（6）、视频采集装置（7）的支架（71）依次放置在导轨（1）上，均匀光源（3）固定在旋转台（2）上，医用硬性内窥镜（5）放在支杆（6）上，标靶（4）设在均匀光源（3）和医用硬性内窥镜（5）之间，视频采集装置（7）与计算机（8）相连。

矩形标靶内共有16个直径为4mm的圆，填充内容为黑白相间的条纹，分别为1～16 LP/mm，占空比1∶1，线宽准确度1μm。

图1 检测装置示意图及实物图

表1 视觉分辨率及MTF阈值统计表

3 检测结果与讨论

3.1 视觉分辨率及MTF阈值

该研究检测了13支硬性内窥镜，视觉分辨率及MTF阈值统计见表1。

不同内窥镜的视觉分辨率差异较大，而MTF阈值集中在0.2～0.3之间。国产品牌沈大研制的两款内窥镜MTF阈值均在0.5以上，在分辨率这一关键指标上与国外产品差距较大。

3.2 MTF与亮度、区域关系分析

如图2所示，调节光源至亮度10 330 lux，腹腔镜整体、中心、边缘的MTF值均随着线对数增大而减小。通常，MTF曲线越高代表系统成像质量越好，MTF曲线与XY轴构成的面积越大，成像质量越好[7-10]。

图2 30°腹腔镜，亮度10330lux，整体、中心、边缘的MTF曲线

图3 30°腹腔镜边缘，不同亮度下的MTF曲线

图4 30°鼻窦镜边缘，不同亮度的MTF曲线

在所采集的图像90%视场处，分割出一个60× 60像素点的矩形方块，计算MTF值。如图3所示，腹腔镜的MTF曲线在亮度9 590 lux下优于亮度10 330 lux。如图4所示，鼻窦镜的MTF曲线在亮度9590lux下优于亮度8170lux。由此得出，每支硬性内窥镜都有一个最合适的亮度使之分辨率最高。但过曝之前，同一区域，亮度越高，MTF值越大。

3.3 不同区域MTF相关系数

将所有内窥镜的MTF值进行相关分析，绘制成曲线，如图5所示。可得出：1）整体与中心较整体与边缘相关度更集中，整体的MTF值偏向由中心决定；2）不同的内镜，中心与边缘的MTF值相关程度差距较大。

3.4 不同亮度MTF相关系数

以30°腹腔镜为例，同一区域不同亮度所对应MTF值的相关系数在0.9～0.99区间内，相关程度高，说明内窥镜的分辨率是由自身所决定，亮度对分辨率只起附加作用。

图5 不同种类医用内窥镜不同区域MTF值相关系数

4 结束语

本文采用MTF评价医用硬性内窥镜的分辨率，研制出定量、一体、廉价的检测装置及标靶，开发出适合临床医疗机构的检测方法。并对不同品牌、不同型号、不同亮度、不同区域的MTF值进行比较和分析，开创了评价医用硬性内窥镜分辨率的新方法。但该研究也存在图像采集次数多、图像采集和处理分离的缺点，可考虑采用狭缝法计算MTF以及调用工业相机函数包实现图像采集和图像处理同步。

[1]蒋昌松，姬军，黄增跃，等.医用硬性内窥镜光学性能质控检测技术研究[J].中国测试，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]吕庆友，官丽梅.医用内窥镜使用与维修技术[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2006：52-150.

[4]GB 11244—2005医用内窥镜及附件通用要求[S].北京：中国标准出版社，2005.

[5]SNT 1095—2002进口医用内窥镜性能检验规程[S].北京：中国标准出版社，2002.

[6]YY 0068.1—2008医用内窥镜硬性内窥镜 第1部分：光学性能及测试方法[S].北京：中国标准出版社，2008.

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

[8]叶春芳.光学系统MTF快速测量仪的研究[D].杭州：浙江大学，2009.

[9]郭晓兵.基于图像处理的MTF测试系统研究[D].南京：南京理工大学，2009.

[10]徐善财.测量镜头MTF的系统设计及软件开发[D].杭州：浙江大学，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

全军军事医学计量科研专项课题（2011-JL2-027）；解放军305医院科研基金重点项目（12YA2）

姬 军（1970-），男，北京市人，高级工程师，硕士生导师，研究方向为医疗设备计量与质量控制检测技术。