医用硬性内窥镜光学性能质量检测技术研究

南智懿

摘要：随着现代技术的发展以及医疗技术的发展，医疗产业也得到了大大的提升，对于治疗很多疾病的医学方法也得到了改善，所以，对于医用仪器的研究和应用是具有重要意义的。现阶段，医用硬性内窥镜的使用率是非常高，而且在治疗过程中具有很大的作用。医用硬性内窥镜由三部分组成，包括可弯曲部分、光源及一组镜头组成，使用时将内窥镜导入患者预检查的器官，可直接窥视有关部位的变化，从而对病情做出相关的判断。

医学内窥镜最早是用在对患者直肠的检查中，医务工作者需要在病人的肛门内插入一根硬管，然后借助于蜡烛的光亮观察直肠的病变，这种检测方法不但给患者本人造成巨大的痛苦，而且效率低下，容易污染，还可能会伤及患者本人，而且检测结果不具有一定的准确性，正是因为这些弊端，医用内窥镜的出现就应运而生了。内窥镜的出现完美的避开了这些缺点，而且有自己独特的优势，不仅仅是用在肛肠科的检测中，在其它科室的检测中也会被用到，现在。医用内窥镜的使用是非常广泛的，据统计，全国临床医学各专科有超过100万名医技人员使用内窥镜相关装置进行临床诊断和治疗工作，随着内窥镜下微创手术的日益普及，对内窥镜产品临床应用的安全性和有效性认识也逐步深化，为了降低临床使用风险，避免源于硬性内窥镜的医疗事故，迫切需要供临床医学工程技术人员使用的医用硬性内窥镜质量控制检测装置和技术。

一、医用电子内窥镜

医用内窥镜的种类有很多，现在，在医院中应用较为广泛的是电子内窥镜，和其它种类的医用内窥镜相比，电子内窥镜表现出来的优点更为明显，操作方便，影像质量好，光亮度强，而且图像大，可以检查出更细小的病变，图像更加清晰和直观。图片为T912实用型LED电子内窥镜，它由内镜、视频处理系统、监视器及储存部分组成，并且包含了镜杆四支，并且其可视向角达到了0度。此外，它广泛应用于医疗机构的任何检查，并且在检查同时能让患者自己掌握病情。

二、医用硬性内窥镜特点

在医疗方面，医用内窥镜则主要是在外科手术和常规医疗检查中，与传统的外科手术相比，医用内窥镜的功能性微创手术技术已近得到医生和患者的广泛接受，医用内窥镜利用人体天然孔洞或在必要的时候开几个小孔，医生只要熟练地将内窥镜镜头深入身体内，通过其他手术器械和摄像显示系统就能在体外进行体内的密闭手术操作。

（1）可以借助计算机成像系统，所以患者检测时间会缩短，而且结果迅速，可以快速抓拍，提高效率;

（2）内窥镜具有录像、储存等功能，可以将患者发生病变部位的图像储存起来，这样可以方便连续拍照和日后复查拍照进行对比，应用型很强;

（3）电子内窥镜的图片色泽逼真，分辨率高，图像清晰，而且图像经过特殊处理后可以放大细节，这样利于对发生病变的部位进行精细的观察，进一步确定疾病;

（4）采用屏幕显示图像，这样可以充分实现1人操作多人同时观看，在进行教学、会诊、诊断过程中是非常有效的，多人都可以通过屏幕进行相关结果观察。

（5）医疗电子内窥镜在临床应用上上也有突出的特点：操作灵活、简单、方便，更直接;病人不适感降到了最低程度，新的技术降低了手术复杂度，减少了治疗时间，大大提高了诊断能力，提高工作效率;便于教学及临床病例讨论，以及远程会诊，便于患者的密切配合，让医护人员和患者更好的沟通，为教学、科研提供可靠的资料。

三、相关参数分析

适用于临床医疗卫生机构检测医用硬性内窥镜光学性能的项目参数，主要包括视场角、视向角、视觉分辨率、MTF、视场亮度差异率、边缘与中心亮度比、畸变、色彩还原能力。

视场亮度差异率是世界范围内首次提出评价医用内窥镜光效照明的参数。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，即可获得视向角。视场角表示硬性内窥镜能观察的真实视场范围，测量原理是圆锥投影至等腰三角形法。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，用1mm宽度以内的黑白相间的线对数（1p/mm）来表示，人眼能分辨的最大线对数即为视觉分辨率。

MTF是在国内最早用于评价医用硬性内窥镜成像质量的参数，调制传递函数模量MTF是像面与物面光强度分布函数的傅立叶函数变换之比，它反映了内窥镜的分辨率、反差、锐度等参数的综合特性。光效测试中，边缘与中心亮度比即为视场边缘灰度值与视场中心灰度值之比，视场亮度差异率是所采集的视场内像面边缘至像面中心的灰度值之差与边缘至中心像素点个数之比，表征像面灰度值沿边缘至中心变化的斜率。畸变是由于内窥镜的镜轴中心与边缘放大率不同而引起的，医用硬性内窥镜拍摄的像面为桶形畸变。

利用MATLAB软件自动测量视场中心圆斑以及70%视场和90%视场处4个圆斑图像像横向及纵向尺寸。假设视场中心的实心圆斑（直径为4mm）无畸变，以它的尺寸为标准值，计算其它4个实心圆斑的畸变率。色彩还原能力测试中，采用RGB色彩空间，利用MATLAB软件计算出红、绿、蓝三原色色块区域像素点的R、G、B值，分别除以测试标靶中色块的R＼G＼B值，即获得内窥镜对红、绿、蓝三原色的色彩还原能力。该检测装置中采用精密机械装置实现测试标靶和高清工业相机在XYZ三维方向的移动，与过去20多种检测工具相对比取得了较大的改善。

安装盒可插入均匀光源和测试标靶形成便携式医用内窥镜光学性能质量控制检测装置，形成定性检测装置。设计含11p/mm-161p/mm测试区域的高精度分辨率测试标靶;将视场角、畸变、色彩还原能力测试项目创新性的集成于一块标靶，节约成本，便于推广应用。图像采集利用高清工业相机自带的图像采集软件，基于机器视觉实现内窥镜图像的自动化、连续性采集，同时对感兴趣区域（AOI）单独采集保存。利用MATLAB软件定量的计算、测量、评估医用硬性内窥镜的各项光学性能指标，创新性的用像素点数量取代拟合椭圆方法测算出医用硬性内窥镜畸变程度，用视场亮度差异率来表征视场亮度均匀性。

四、注意事项

（1）相机未校准，引入了新的误差，对分辨率、色彩还原能力均有影响。检测光效中的视场亮度差异率，边缘与中心亮度比是以过圆心的一条线上的灰度作为数据基础，缺乏对整个视场的评价。检测色彩还原能力是以RGB色彩空间为判定基础，而非国际上通行的CIEL*a*b*色彩空间。研究采用对比度测量方法测试MTF，虽然方法简单，但一次图像采集只能得到某一线对或空间频率下的MTF值，要想获得医用硬性内窥镜的MTF曲线，需要对1LP/mm-16LP/mm不同空间频率的矩形标靶进行多次测试，然后计算MTF值，并进行曲线拟合，获取MTF曲线。各项参数的图像采集和图像处理过程分离，需要将图像保存下来然后进行后续的图像处理和数据分析。

（2）内窥镜的使用是需要工作人员进行日常维护的，一般由使用科室和操作人员完成，监视器在安装时已经都是有相关技术人员进过测试并调整到了最佳显示状态，所以不建议使用者自行调试，如果颜色失真可将摄像系统的光学接口对准颜色比较鲜明的物体或图片，通过监视器上的菜单进行对比度、饱和度、亮度的调节。虽说很多医疗内窥镜声明光学接口是防水的，但光学接口和连接线不建议消毒，可用防菌套套上，每次使用时消毒防菌套，这样可以大大增加光学接口的使用寿命，如必须消毒请用低温熏蒸的方法。插口不能强插拔，要对准十二点的位置进行直插、直拔轻拿轻放，定期作白平衡校准。

参考文献

[1] 国家质量監督检验检疫总局. G B 1 1244 - 2005医用 .硬性内窥镜及附件通用要求[S]. 北京： 中国标准出版

[2]叶春芳.光学系统MTF测试系统研究[D].浙江大学，2006.