高清电子内窥镜图像信噪比的检测方法研究

李宁，孟祥峰，叶佳宜，李佳戈

中国食品药品检定研究院 光机电室，北京 100050

引言

电子内窥镜因其成像方式直观、图像数据实时处理、诊断治疗容易结合等优势，已在消化科、呼吸科、泌尿科等多个临床领域中广泛应用。近些年，随着摄像前端（图像传感器）和处理后端（图像处理系统）技术水平的提高，高清分辨率的电子内窥镜逐渐成为发展趋势[1-2]。高清电子内窥镜使医生更容易观察到细微的组织结构，但高像素本身也可能给系统带来较高的图像噪声。过高的图像噪声会直接影响图像质量，给临床使用造成不利影响。

2019年7月，国家药品监督管理局实施的医用行业标准YY/T 1587-2018《医用内窥镜 电子内窥镜》中已经将“图像信噪比”作为一项关键质控要求，凡在国内注册的医用电子内窥镜都要进行“图像信噪比”的检测[3-4]。然而目前国内尚没有针对电子内窥镜进行图像信噪比检测的成熟方案。

目前针对内窥镜检测技术的文献报道多集中在光学特性的研究[5-7]，国内鲜有电子内窥镜信噪比检测方面的文献资料。但是在数码摄像领域，信噪比检测技术已经比较成熟，并形成了通用的方法标准和测试工具[8]。由于电子内窥镜与数码相机的感光器件都是采用CCD/CMOS，因此在图像信噪比检测方法上可以借鉴数码摄像产品的成熟经验。例如美国Imatest LCC公司开发的Imatest数码图像测评软件搭配专用的灰阶测试卡，可以快速完成图像信噪比的分析运算。目前该软件和灰阶测试卡已经在数码成像质量评估领域得到广泛应用。

但是由于高清电子内窥镜具有特殊的运用场景（近工作距、宽视场及医用光源照明等[9]），故不能简单借鉴数码相机的信噪比测试方法。例如：① 内窥镜与数码相机的拍摄环境不同，要求内窥镜在极小的工作距离上获得更大的视场角，测试时需要更精确的光学定位；② 目前市场上采购到的灰阶测试卡仅适用于数码相机的测试，它们的灰阶排布和尺寸都无法满足电子内窥镜的检测需求；③ 数码相机的测试光源与内窥镜的医用冷光源的特性存在明显差异等。

要实现高清电子内窥镜的图像信噪比检测，必须解决几个技术难点：① 解决内窥镜光学定位问题；② 提供内窥镜专用测试光源；③ 解决测试环境的照明均匀性问题；④ 高清数字图像的无损采集；⑤ 数字图像分析运算。

1 检验方法和装置的研究

为了解决上述5个技术难点，设计并搭建了一套高清电子内窥镜的信噪比测试装置。该装置由内窥镜夹持调节机构、冷光源、测试靶标、积分球和图像采集分析系统等部件组成（图1）。只需将高清内窥镜按要求固定在测试装置上，连续调节测试靶标的亮度并完成图像采集，系统对采集到的图像进行特征提取分析，最终得到信噪比的测试结果。

图1 高清电子内窥镜测试装置

1.1 内窥镜的精确定位

电子内窥镜插入部为柔性结构，定位装置采用一根V形导轨和卡扣结构将电子内窥镜头端部固定。V形导轨固定在一个调节云台上，云台可以实现导轨的X、Y、Z三个方向的微动调节，调节精度为0.5 mm。通过调节云台，可以确保电子内窥镜与测试靶标方向垂直，使得测试距离固定在预期位置。为保证定位装置的调节准确性，可使用计量有效期内的精度为0.01 mm游标卡尺对装置的定位距离进行定位校准和验证。

1.2 测试光源的光谱特性

高清内窥镜的信噪比测试需要的光源光谱近似D65光源，色温6500 K±10%。为此我们选择氙灯作为照明光源，通过滤光片去除掉可见光波段中多余的光谱分量，让色温接近6500 K。为了保证亮度时间波动度的要求，实验前需要对光源进行30 min的预热过程[10]。在测试过程中，光源的功率保持稳定，需要降低照明亮度时，借助一套可变光阑调节输出光通量，这种方式保证在亮度调节过程中光源的波动度最小。光源的光谱特征参数可使用计量有效期内的光谱辐射通量测试仪进行标定和溯源。

1.3 测试环境的照明均匀性

测试靶标是一块覆盖电子内窥镜全视场的光谱中性灰阶板，在灰阶板上有一块亮度可独立变化的区域，这块区域即为信噪比测试的感兴趣区，为了保证信噪比测量的准确度，该区域的亮度均匀度在理论上应不超过5%，同时靶标背景的亮度均匀度不超过20%。经过大量测试，我们最终采用双积分球结构设计，积分球内侧均匀喷涂了硫酸钡。其中大积分球确保测试靶标的背景亮度均匀性，小积分球确保感兴趣区域的亮度均匀性。同时我们在小积分球上嵌入了一个亮度探头，它可以实时监测信噪比感兴趣区的亮度变化情况，从而更精准的控制亮度下降过程的变化梯度。亮度探头可拆卸，并定期进行计量校准，保证溯源有效性。

1.4 高清数字图像的无损采集

高清电子内窥镜的图像处理器一般都自带图像导出功能，而通过这种功能导出的图像基本都是经过图像压缩的，图像压缩过程会造成高空间频率信息丢失，引入一定量的噪声。因此，测量信噪比需要从高清内窥镜图像处理器中直接导出全像素无损格式的图像数据。我们调研后选择了兼容性和稳定性兼具的高清图像采集卡，可以直接从图像处理器的视频输出口采集到.tiff格式的无损图像数据[11]。目前大部分的内窥镜图像处理器都支持DVI和HDMI视频输出口，可以通过这种采集卡将图像直接存储在计算机中，方便后期进行信噪比运算分析。

1.5 数字图像分析运算

数字图像的常见噪声有固定噪声和随机噪声。固定噪声一般是由读取电路本身的读取噪声，放大电路引入的额外电子噪声带来，通常出现在较长的曝光中。由于它是可重复的，通常可以借助后期算法移除，因此本文在进行信噪比分析时，固定噪声可以忽略不计[12-13]。随机噪声是由于光子被传感器接收时并不是连续的，光子进入传感器的过程数学上可以用泊松过程进行建模，这种噪声与亮度的平方根成正比。将采集到的数字图像按照不同亮度等级进行分类，在电子内窥镜宽容度范围内至少选取10个均匀分布的不同亮度等级，每个亮度等级连续采集10幅图像。在这些图像的感兴趣区域上分别读取32×32像素的R、G、B通道输出信号，并计算这些32×32像素区域内任意位置坐标上信号输出标准差，得到该区域内随机噪声平均值δtemp[14-16]。最终计算出每个亮度等级下的随机噪声信噪比并绘制出对应的信噪比曲线（纵坐标为信噪比，横坐标为亮度信号，见图2）。在信噪比曲线上找到归一化后亮度信号分量值为0.707的信噪比，即为电子内窥镜的信噪比[16-18]。

图2 图像信噪比分析

2 结果

本研究选用一款已上市的国产电子结肠内窥镜进行验证测试。测试时，按照该产品的设计工作距离，将内窥镜先端固定在距离测试靶标20 mm的位置。测试靶标的背景亮度为45 cd/m2（按照内窥镜制造商的要求设定，该亮度确保电子内窥镜整体增益保持不变）。感兴趣区域的亮度变化阶梯数为43级（医用行业标准YY/T 1587-2018中建议不少于10级，由于信噪比最终是通过归一化后的亮度信号求差值运算得出，因此阶梯数越多，测量结果的精度越高，最终设定为43级可以均匀覆盖该产品的静态图像宽容度区域）。使用我们搭建的测试平台重复测量10次。

信噪比测量重复性误差按公式(1)计算：

式中，δ为重复性误差；s为重复测量数据的标准差；a为重复测量数据的平均值[19]。

最终测量结果显示本检测装置的重复性误差为0.07%（表1）。同时将信噪比测试靶标的感兴趣区域划分为7×7的方格，分别测量这49个区域内的显示亮度，计算亮度均匀度。计算结果为2.64%，满足亮度均匀度不超过5%的要求。光源的实际色温测量结果是6330 K。

表1 图像信噪比测量结果（dB）

为了验证计算结果的准确性，我们使用Matlab软件提取灰阶图像中的RGB像素灰度值，并代入YY/T 1587-2018附录B的公式进行计算，信噪比计算结果为37.97 dB，二者偏差为0.3%。

3 结论

综上所述，该套高清内窥镜信噪比测试装置的各项光学指标均满足YY/T 1587-2018相关要求，且测试结果的重复性误差较小，软件算法与MATLAB脚本程序对比验证，存在0.3%的偏差，这主要是由于软件在提取靶标图像像素值时存在一定随机性，从而引入一定量的随机误差，总体来说，这些误差是可以忽略不计的。由于电子内窥镜信噪比检测作为一项强制要求刚被提出，国内尚无成熟的案例。该套检测装置成功解决了电子内窥镜信噪比检测过程中的光学定位、照明光源均匀性、高清数字图像采集和图像信噪比运算分析等难点问题，填补了行业内空白。

该装置根据电子内窥镜的技术特点设计，适用于不同外径、工作距离和视场角的电子内窥镜检测，操作流程简便，图像数据采集和分析流程通过计算机软件实现，极大提升了检测效率。目前，这套检测装置已经获得两项国家专利授权（专利号：ZL 2020 2 0565968.X和ZL 2020 3 0153137.7）。

但是由于YY/T 1587-2018作为一项新标准刚实施不久，行业内在相关方面的技术积累相对薄弱，国内一般的生产企业尚不具备核心元器件的开发和测试能力，对CCD/COMS等感光元件缺少底层的研究，无法提供准确的信噪比标称值。我们目前的测试装置仅能保证测试要求和算法满足行业标准的规定，测试结果与国内其他实验室的结果对比基本一致。

同时，电子内窥镜的信噪比可能受其他因素的影响，例如环境温度、图像处理器的增益设定、测试靶标的背景亮度等[20]。上述条件的改变可能会得到不同的信噪比检测结果，因此在实际检测之前，应该对测试条件进行限定，本文由于篇幅限制不再展开讨论这些因素与信噪比测试结果之间的关系。目前，这套检测装置和测试方法已经实际运用在高清电子内窥镜的信噪比检测中，在YY/T 1587-2018实施后，为电子内窥镜检测实践迈出了第一步。