灰阶法用于内窥镜照明用光缆中光能传递效率稳定性的测试

【作 者】宓云軿，诸仲夏，韩盟盟

1 上海市宁和投资管理有限公司，上海市，201318

2 上海市医疗器械检测所，上海市，201318

3 上海交通大学生物医学工程学院，上海市，200030

灰阶法用于内窥镜照明用光缆中光能传递效率稳定性的测试

【作 者】宓云軿1，诸仲夏2，韩盟盟3

1 上海市宁和投资管理有限公司，上海市，201318

2 上海市医疗器械检测所，上海市，201318

3 上海交通大学生物医学工程学院，上海市，200030

该文提出了一种医用内窥镜照明用光缆的新的测试方法，对灰阶测试法与传统光通量测试法进行了对比试验，并提出可进一步将灰阶法用于内窥镜其他性能测试中的思路。

照明用光缆；光通量；灰阶

0 引言

医用内窥镜照明用光缆，是连接冷光源与内窥镜的光纤导光束，主要用于内窥镜检查和手术中光线的传输。在内窥镜检查和治疗手术中，由于需要变换内窥镜不同的位置，导光束将会被不同程度的弯折，所以导光束在不同状态下光能传递效率的稳定性是一个重要指标。

在YY 0763—2009《医用内窥镜 照明用光缆》标准中规定了照明用光能传递效率的测试要求，光缆经过扭转、短暂压扁、拉伸、弯曲、坠落冲击试验后，再次测量光能传递效率。在该标准的测试方法中，需要用到激光光源、光通量计等专业光学仪器，对于专业实验室来讲，测试较为简便易于实施。但是对于医院里的在用设备而言，在手术室搭建这样一套光学平台是相当费时费力的事情。本文提出了一种全新的测试方法：使用摄像镜头来测试光缆光能传递效率。

1 原理

YY 0763—2009《医用内窥镜 照明用光缆》中光缆的光能传递效率的测试方法是光通量测试法：使用夹具固定并调节激光光源和被测光缆，使激光光斑垂直入射在光缆入光面的中心位置，测量光缆出光面输出的光通量(见图1)。首先使光缆处于原始状态，测得一个原始光通量，然后对光缆进行弯曲，测得一个弯曲后光通量，两个光通量的比值反映了光缆光能传递效率的稳定性。

图1 光通量测试法Fig.1 Luminous fux measurement

本文提出灰阶值积分法替代光通量法。具体方法如下：使用被测光缆配套的冷光源，调节到该光源的最大输出亮度，对光缆的出光端面使用摄像镜头对焦，在摄像镜头图像未饱和的情况下，拍摄并保存图像。使用Matlab软件对图像进行亮度分析，对图像有效范围内每个像素点的灰阶值进行积分，灰阶值越大说明亮度越亮。同样地，需要进行光缆原始状态、弯曲状态的灰阶值测试，从而得到光能传递效率的稳定性。

图2 灰阶测试法Fig.2 Gray scale measurement

2 对比试验

对比试验分别采用光通量法和灰阶法对光缆进行对比测量。理想情况是选择大样本不同型号的光缆进行测试来获得对比结果，但由于获取不同型号大样本的光缆有一定的难度，所以本试验选择了一些在内窥镜设备领域知名企业生产的5种型号的光缆进行对比试验，每根光缆进行2种弯曲度的测试。

2.1 初始测试

2.1.1 光通量法

在暗室中测试，使用激光光源波长为640 nm，能够产生直径≤1.5 mm的光斑，发散角≤2o，保持光能不变，稳定度在±2%以内。测试时用夹具固定并调节激光光源和被测光缆的位置，使光缆保持平直状态，激光光斑垂直入射在光缆入光面的中心位置，用光通量计测量光缆出光面的光通量值，记为原始光通量φ0。

2.1.2 灰阶法

在暗室中测试，使用光缆配套的冷光源，并在光缆出光面端换上大视场摄像镜头。测试时使光缆保持平直状态并与冷光源出光面垂直，调节冷光源使其达到最大输出亮度，拍摄光缆出光面图像，记为原始图像Y0。

2.2 弯曲后测试(第一次弯曲)

2.2.1 弯曲试验

在允许的最小弯曲半径条件下，对光缆中间部分进行弯折。

2.2.2 弯曲试验后测试

分别按照2.1.1和2.1.2的测试方法，测得弯曲后光缆出光面的光通量φ1，和光缆出光面图像Y1。

2.3 重复弯曲后测试(第二次弯曲)

为了获得更多的比较数据，我们对光缆进行重复弯曲，然后按照2.1.1和2.1.2的测试方法，分别得到光缆出光面的光通量φ2，和光缆出光面图像Y2。

2.4 计算光能传递效率的稳定性

2.4.1 光通量法

该方法光能传递效率的稳定性计算见式(1)。

其中，β为光能传递效率，φ0为原始光通量，φi为弯曲试验后得到的光通量。

2.4.2 灰阶测试法

对比试验拍摄的三幅图像如图3所示，分别为原始图像和两次弯曲试验后拍摄的图像。

图3 拍摄的图像Fig.3 Original picture

使用Matlab对原始图像进行灰阶处理，同时为了去除背景噪声的影响，仅选取光缆端面部分作为灰阶积分的面积。

计算积分面积内每个图像像素点的灰阶值之和S0、S1和S2，然后根据得到的灰阶值和计算光能传递效率，计算公式见式(2)：

其中，γ是光能传递效率，S0是初始图像的灰阶值和，Si是弯曲试验后拍摄图像的灰阶值和。

3 结果分析

5根光缆两种弯曲度测试结果见表1。

表1 光能传递效率稳定性测试Tab.1 The effciency stability of the light energy transfer

从表1的数据可以得知，两种测试方法对稳定性的测试误差在10%以内。分析原因主要有二：

（1）光缆对每个波长的透过率不一致性

由于光通量法使用640 nm波长的激光作为光源，其局限性是非常明显的。因为光缆对每个波长的透过率是不一致的(见图4)，所以其传递效率的稳定性只反应单一波长的状态。而灰阶法，由于使用的是光缆配套的冷光源，可以代表所有波长的综合表现。

图4 透过率曲线Fig.4 Transmissivity curve

(2) 光缆截面通光效率不均匀

一根光缆是由很多光纤均匀排列组成的，观察灰阶法拍摄到的光缆通光端面(见图3)，可以发现：有些区域偏亮，说明光能传递效率高，而有些区域偏暗，说明光能传递效率较低。当使用光通量法时，由于激光光斑直径小于1.5 mm，而一般光缆通光端面直径在3 mm至6 mm之间，激光光斑不能有效覆盖光缆通光端面，所以光通量测试法所反映的传递效率只能代表光缆中的部分光纤；而使用灰阶法，由于是对整个通光端面计算积分，所以可以代表光缆的真实情况。

4 结论与展望

从上述的结果来看，灰阶法对光缆光能传递效率较光通量法偏差不大，可以替代光缆标准中的光通量法。灰阶法的优点在于可以直观地反映光缆端面的分布情况，同时简化测试设备，有利于医院等在用医疗器械的检测。另外，针对灰阶法直观测试的特点，我们下一步将探索内窥镜标准中分辨率、畸变、光照均匀性等指标的测试。

[1] 国家食品药品监督管理局. YY 0763—2009医用内窥镜 照明用光缆[S].

[2] 朱云青. 医用内窥镜照明用光缆的应用特征[J]. 中国医疗器械信息, 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