医用内窥镜颜色还原性校准方法

赵越 张鹏举 吴辰飞 陈萌 管西娟 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

医用内窥镜（以下简称内窥镜）是一种光学仪器设备，主要用于临床疾病的检查、辅助治疗和非开放性腔内手术，是医院进行准确诊断和治疗不可缺少的医疗仪器设备[1-2]。使用内窥镜的突出特点是：传统需要较大切口的开放性手术，在内窥镜、显示系统和相关医疗仪器的联合辅助下，只需微创手术即可完成。内窥镜使用过程中，往往需要借助显示系统来观察患者腔体的内部情况，因此，显示系统成像图片质量的优劣是由显示系统和内窥镜共同决定的。目前，医用显示器常见尺寸为18 英寸（1 英寸=2.54 cm）、20 英寸、21 英寸，其尺寸基本与X 射线胶片相仿[3-4]。

在视频和图像显示领域，显示系统颜色还原性通常通过色彩三要素的表现程度来评判，色彩三要素分别是：色调、饱和度和亮度。色调是由进入人眼的入射光的波长决定的，不同的波长会产生不同的颜色；饱和度表示颜色的深浅程度，即彩色的纯度；亮度是指色彩的明暗程度，也称为灰度。色调和饱和度需要依赖一定的亮度才能显现出来[5-6]。实际使用过程中，色彩三要素具有一定的局限性。为了定量描述颜色，2018年公布了计算机科学技术名词色坐标。常用的颜色坐标，横轴为x，纵轴为y。通过颜色坐标，可以在色度图上确定一个点。由于颜色坐标可以定量地描述颜色，因此，本文提出内窥镜颜色还原性概念，即将内窥镜显示器显示图形的颜色坐标与该图形的溯源颜色坐标进行比较。

内窥镜的国际统一标准为ISO-8600，各国行业标准都是在它的基础上拓展而来的。国际标准涉及参数较多，主要侧重于内窥镜的出厂检验和生产指导。但内窥镜在使用过程中，需要借助显示系统来观察患者腔体的内部情况。内窥镜显示系统需要能准确、真实地显示内窥镜拍摄结果。当显示系统颜色还原性不高则会出现病灶和人体组织黏连现象，影响医生对病灶尺寸大小的判断，甚至在极端情况下医生无法识别病灶的存在。因此，内窥镜显示系统的优劣，直接影响医生对病灶大小和位置的判断。国际标准中，并未对显示系统的还原性给出技术依据。国家标准GB 11244—2005《医用内窥镜及附件通用要求》仅包含视场角、视向角、分辨力等几个参数，没有涉及内窥镜颜色还原性参数，且现已废止。由于内窥镜的颜色还原性在临床使用中具有较为重要的意义，因此，本文提出一种校准内窥镜颜色还原性的方法，同时简要介绍相应的校准装置。最后使用该校准方法和校准装置，测试了一套医院在用的内窥镜，并对还原性进行了评价。

1 内窥镜的结构以及工作原理

医用内窥镜按其发展及成像构造分类，大体可以分为三类：硬管式内窥镜、光学纤维（软管式）内窥镜和电子内窥镜。

硬管式内窥镜包括传像、照明、工作通道三大部分。传像部分由物镜、中继系统、目镜组成。照明部分采用冷光源用光导纤维穿入境内的方法。工作通道作用为送气、送水、通活检钳[7-8]，外观见图1。

图1 硬管式内窥镜

用纤维光束传像和导光或用CCD 传导图像的内窥镜称为光学纤维内窥镜。由于它具有良好的柔软性和便捷的操作性能，在医学上得到了广泛的应用。光学纤维内窥镜一般由目镜、手轮（软性或半硬性）、钳道口、导光束接口、导像束、导光束组成，有些产品还包括送水（气）孔、闭孔器等[9]，外观见图2。

图2 光学纤维内窥镜

电子内窥镜系统一般包括内窥镜、图像处理装置、内窥镜冷光源、显示器和其他辅助设备。内窥镜冷光源发出的光通过光导接头导入内窥镜内，经过照明光纤和照明透镜，照射到黏膜上。头端部的图像传感器（CCD 或CMOS）将接收到的黏膜反射光信号转换为电信号，通过电缆线传输到图像处理装置，图像处理装置接收来自内窥镜的图像信号并转换成影像信号，最终呈现在显示器的屏幕上[10]，外观见图3。

图3 电子内窥镜

2 医用内窥镜颜色还原性校准装置及其工作原理

参照YY/T 0910.1—2013《医用电气设备 医学影像显示系统第1 部分：评价方法》，设计出一套内窥镜颜色还原性校准装置，如图4 所示。该校准装置主要包括：测试暗箱、XYZ 高精度滑轨、6 500 K 标准光源、灰阶范围在0 ～255 的标准色板（图5）和高度可调的三角支架。

图4 医用内窥镜颜色还原性校准装置

图5 0 ～255 灰阶范围的标准色块

在0 ～255 灰阶范围内的标准色板中，选取灰阶为0、15、135、240 和255 的五个色块，在色温为6 500 K 照明条件下溯源其xy值，高精度滑轨可以稳固搭载标准色板，进行三维移动，帮助内窥镜探头实现对焦。测试暗箱可以提供一个“全黑”的测试环境，屏蔽外界光来减少测量误差。6 500 K 的标准光源可以很好地复原标准色板的溯源条件，确保其使用的真实性和有效性。可调节高度的三角支架在搭建一个稳固的测试平台的同时，也可以根据现场检测环境调节校准装置的高度，便于检测人员测试和采集数据。

通过调整内窥镜探头和标准色块完成对焦后，内窥镜配套的显示器会显示拍摄到的标准色块图形，此时使用色度计测出屏幕显示的标准色块的xy值，将该值与标准色块的xy溯源值进行比对，来评价内窥镜颜色还原性的好坏。测试过程如图6 所示。

图6 测试过程

3 颜色还原性校准结果及分析

选取的五个标准色块，在6 500 K 色温条件下的溯源值如表1 所示。

表1 标准色块溯源值

选取某医院在用，生产厂家为TianSong、型号为T5007.6 的硬管式内窥镜，使用经溯源确认的色度计，测试内窥镜颜色还原性，测试时在内窥镜显示器屏幕上选取5 个测量点，将5 个测量点测得值的平均值作为测试结果。对比标准色块的溯源值与测试结果，分析内窥镜颜色还原性。测试结果如表2 至表6所示。

表2 灰阶为0 的标准色块测得值

根据表2 对色块0 阶求得x和y在不同屏幕位置测量值的平均值、标准偏差（采用贝塞尔公式）

x平均值：

x标准偏差：

y平均值：

y标准偏差：

根据表3 对色块15 阶求得x和y在不同屏幕位置测量值的平均值、标准偏差（采用贝塞尔公式）

表3 灰阶为15 的标准色块测得值

x平均值：

x标准偏差：

y平均值：

y标准偏差：

根据表4 对色块135 阶求得x和y在不同屏幕位置测量值的平均值、标准偏差（采用贝塞尔公式）

表4 灰阶为135 的标准色块测得值

x平均值：

x标准偏差：

y平均值：

y标准偏差：

根据表5 对色块240 阶求得x和y在不同屏幕位置测量值的平均值、标准偏差（采用贝塞尔公式）

表5 灰阶为240 的标准色块测得值

x平均值：

x标准偏差

y平均值：

y标准偏差

根据表6 对色块255 阶求得x和y在不同屏幕位置测量值的平均值、标准偏差（采用贝塞尔公式）

表6 灰阶为255 的标准色块测得值

x平均值：

x标准偏差：

y平均值：

y标准偏差：

统计不同灰阶测得值的平均值，作为测试结果，如表7 所示。

表7 不同灰阶的标准色块测得值的平均值

不同灰阶标准色块的标准值、测得值和相对误差的统计值如表8 所示；不同灰阶标准色块的相对误差折线图如图7 所示。

表8 不同灰阶标准色块的标准值、测得值和相对误差

图7 不同灰阶的标准色块的相对误差

统计不同灰阶测得值的标准偏差，作为测试结果，如表9 所示。

表9 不同灰阶的xy 测得值的标准偏差

依据表9 得到图8 不同灰阶的xy标准偏差折线图。

图8 不同灰阶的xy 值标准偏差

4 结语

通过实验数据，对测试结果进行了总结和分析：由图7 可知，x的相对误差相对较小，0 灰阶时相对误差最大，达到-1.52%；y的相对误差随着灰阶增长，逐渐变大，255 灰阶时达到5.16%；由图8 分析可知，不同灰阶的x和y测得值，其标准偏差均小于0.1，测得值具有一定的可靠性。本文所选取的被测内窥镜，其颜色还原性较好。

未来的研究方向：1）本文仅测试了一套内窥镜，因此，没有定量给出内窥镜颜色还原性的计量特性，今后可以选取不同厂家、不同型号的内窥镜，为颜色还原性计量特性量值的确定，提供数据支持。2）本文中用到的研究方法，在256 个灰阶中，仅选取了5 个代表性灰阶进行测量，在后续研究时，可以扩大灰阶的选取范围，增加样本数，提高取样的覆盖率，提升测试结果的可靠性。3）本文中用到的研究方法，仅分析了在6 500 K 色温、不同灰阶的标准色块条件下，内窥镜颜色的还原性，在后续研究时，可以研究相同标准色块、在不同色温条件下，内窥镜颜色的还原性。4）使用色度计测量，标准色块在内窥镜显示器呈相的xy色坐标时，通过肉眼观察选取5 个测量点的方式具有一定的局限性，在后续研究时，可以改进测量点的选取方法，提升测试结果的可靠性。