醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能質(zhì)控檢測技術(shù)研究

蔣昌松 ， 姬 軍 ， 黃增躍 ， 肖 宏 ， 王云龍

（1.南方醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.解放軍第305醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，北京 100017）

0 引 言

自1806年德國外科醫(yī)生Philipp Bozzini發(fā)明硬性內(nèi)窺鏡以來已有200年歷史。腹腔鏡、鼻竇鏡、宮腔鏡、關(guān)節(jié)鏡等硬性內(nèi)窺鏡廣泛應(yīng)用于臨床診斷和治療。但國內(nèi)外廠家、品牌、種類繁多，產(chǎn)品性能參差不齊，各級醫(yī)學(xué)工程部門迫切需要用于醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡安裝驗(yàn)收、年度計(jì)量質(zhì)控、預(yù)防性維修、維修后性能評估的檢測設(shè)備、方法及技術(shù)。本文基于機(jī)器視覺開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了檢測醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡角度、分辨率、幾何畸變、色彩還原能力、光效、照明等光學(xué)性能的設(shè)備和方法。

1 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)

醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡屬于精密的光學(xué)儀器，主要由光學(xué)成像系統(tǒng)和照明傳輸系統(tǒng)兩大部分組成。光學(xué)成像系統(tǒng)由物鏡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)像系統(tǒng)、目鏡系統(tǒng)3大系統(tǒng)組成。被觀察物經(jīng)物鏡所成的倒像，通過轉(zhuǎn)像系統(tǒng)將倒像轉(zhuǎn)為正像，并傳輸?shù)侥跨R，再由目鏡放大后，為人眼所觀察。為構(gòu)成不同的視向角，需加入不同的棱鏡。照明傳輸系統(tǒng)由光導(dǎo)纖維組成，冷光源的光傳輸?shù)絻?nèi)窺鏡前端，照亮被觀察物。

2 檢測設(shè)備

2.1 硬件系統(tǒng)

依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)檢測檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1-4]，設(shè)計(jì)了醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能質(zhì)量控制檢測系統(tǒng)[5-6]，如圖1所示。其主要由精密導(dǎo)軌、精密型360°旋轉(zhuǎn)臺(tái)、調(diào)高支桿、均勻光源、測試標(biāo)靶、高清工業(yè)攝相機(jī)、通用計(jì)算機(jī)等組成。

圖1 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能質(zhì)量控制檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

硬件系統(tǒng)中的360°旋轉(zhuǎn)臺(tái)微調(diào)分辨率為±10′，導(dǎo)軌上具有可移動(dòng)的滑塊，支桿可調(diào)整高度，構(gòu)建出在XYZ方向上均可精確調(diào)整的機(jī)械裝置。均勻光源具有亮度可調(diào)、光線均勻、無閃爍等特點(diǎn)。高清相機(jī)選擇工業(yè)CMOS型攝像機(jī)，配備SDK開發(fā)包，含RGB彩色圖像傳感器。

2.2 測試標(biāo)靶

系統(tǒng)中的測試標(biāo)靶為目標(biāo)檢測物。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)，該研究設(shè)計(jì)了如圖2所示測試標(biāo)靶，外圓直徑均為45mm：（1）視場角標(biāo)靶：內(nèi)圓直徑20mm；（2）分辨率標(biāo)靶：線寬 2～20 lp/mm，占空比 1∶1，準(zhǔn)確度5μm；（3）幾何畸變標(biāo)靶：圓直徑70%處上下左右各一個(gè)小實(shí)心圓，直徑3mm，準(zhǔn)確度0.01mm；（4）色彩還原能力標(biāo)靶：采用標(biāo)準(zhǔn)的馬克貝斯色彩檢驗(yàn)圖；（5）光效標(biāo)靶：圖直徑70%處上下左右各一個(gè)3mm×3mm的矩形；（6）照明標(biāo)靶：內(nèi)容空白。

圖2 測試標(biāo)靶示意圖

3 測量原理與方法

3.1 角度

視向角表征視軸與鏡軸的角度。旋轉(zhuǎn)360°旋轉(zhuǎn)臺(tái)得到正面圖像，此角度ξ即為內(nèi)窺鏡視向角，如圖3所示。

圖3 視向角和視場角測量原理示意圖

視場角表示硬性內(nèi)窺鏡能觀察的真實(shí)視場范圍，測量原理如圖3所示。移動(dòng)相機(jī)使測量標(biāo)靶中半徑為R2的外圓和半徑為R1的內(nèi)圓分別占滿視場，計(jì)算相機(jī)在導(dǎo)軌上移動(dòng)的距離D。則視場角的大小為

3.2 分辨率

分辨率是空間頻率的響應(yīng)函數(shù)，表征硬性內(nèi)窺鏡對被攝對象細(xì)節(jié)的分辨能力。分辨率的量度可用視覺分辨率、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）[7-8]等指標(biāo)表達(dá)。

視覺分辨率用1mm寬度以內(nèi)的黑白相間的線對數(shù)（lp/mm）來表示，人眼能分辨的最大線對數(shù)即為視覺分辨率。MTF是像面與物面光強(qiáng)度分布函數(shù)的傅里葉函數(shù)變換之比，它反映了內(nèi)窺鏡的分辨率和反差的綜合特性，是評價(jià)分辨率的最好指標(biāo)。該研究采用對比度法測量硬性內(nèi)窺鏡的MTF，選擇一系列不同空間頻率的矩形光柵作為目標(biāo)物，獲得含有灰度圖信息的位圖，通過像的歸一化直方圖計(jì)算不同空間頻率對比傳遞函數(shù)值（CTF）。

式中：f——目標(biāo)物的頻率；

M——調(diào)制度；

Imax、Imin——輸出圖像亮度的最大值和最小值；

Jmax、Jmin——輸入圖像亮度的最大值和最小值。

標(biāo)準(zhǔn)的MTF值測量應(yīng)該選擇正弦條紋標(biāo)靶作為目標(biāo)物。根據(jù)矩形函數(shù)的傅里葉級數(shù)及MTF理論，CTF與MTF之間存在如下關(guān)系：

實(shí)際測量中，省略高頻部分，MTF與CTF的關(guān)系簡單的表示為

計(jì)算不同空間頻率矩形光柵目標(biāo)物的MTF值，以空間頻率為橫坐標(biāo)，MTF值為縱坐標(biāo)，可構(gòu)造MTF曲線圖。

3.3 幾何畸變

畸變是由內(nèi)窺鏡的鏡軸中心與邊緣放大率不同而引起的。光線離鏡軸越遠(yuǎn)，畸變越大，與鏡軸正交并通過鏡軸，則無畸變。放大率隨光線入射角增大而減小的為桶形畸變，硬性內(nèi)窺鏡的畸變屬于典型的桶形畸變[9-10]。硬性內(nèi)窺鏡桶形畸變?nèi)鐖D4所示，發(fā)生在視場邊緣，會(huì)導(dǎo)致醫(yī)生感覺錯(cuò)誤、方位混淆、視心理改變，容易導(dǎo)致操作失誤，帶來臨床危害。

拍攝幾何畸變測試標(biāo)靶，利用Matlab軟件中regionprops函數(shù)自動(dòng)測量視場中心圓斑以及70%視場處4個(gè)圓斑圖像橫向及縱向尺寸。設(shè)視場中心的實(shí)心圓斑無畸變，以它的尺寸為標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算其他4個(gè)實(shí)心圓斑的畸變率。

圖4 桶形畸變示意圖

圖5 視場光效示意圖

3.4 色彩還原能力

色彩還原能力是指醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)對顏色的分辨能力，色彩還原準(zhǔn)確度指用數(shù)值的方法表示某種顏色給人色彩感覺上的準(zhǔn)確度。若硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力差，可能影響醫(yī)生對病理組織的觀察和操作，造成誤診或手術(shù)失敗。

對色彩還原準(zhǔn)確度的測試采用馬克貝斯色彩檢驗(yàn)圖（GretagMacbeth ColorChecker），將測試圖卡和所拍攝圖像的色彩空間轉(zhuǎn)換成CIE L*a*b*色彩空間以測定兩者之差異，即色彩還原誤差。

式中：L1*——測試圖卡的明度的標(biāo)準(zhǔn)值；

a1*——測試圖卡的色度的標(biāo)準(zhǔn)值；

b1*——測試圖卡的色度的標(biāo)準(zhǔn)值；

L2*——所拍圖像的明度的測定值；

a2*——所拍圖像的色度的測定值；

b2*——所拍圖像的色度的測定值；

ΔL*——明度差；

Δa*——色度差；

Δb*——色度差。

利用式（5）得出色彩還原誤差，其值越大，色彩還原準(zhǔn)確度越低，色彩還原能力越弱。

3.5 光效（像面亮度均勻度）

如圖5所示，內(nèi)窺鏡視場中心比視場邊緣亮度高，導(dǎo)致像面亮度均勻度并非100%。拍攝光效標(biāo)靶，比較畫面中心和邊緣的亮度差異程度[11-12]，將圖像輸入計(jì)算機(jī)，測量圖像三原色R、G、B值，用式（6）計(jì)算亮度值Y：

表1 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能測試結(jié)果

在標(biāo)靶的垂直和水平70%半徑處設(shè)小矩形top、down、left、right，并在中心處設(shè)矩形 center，截取像素采樣框，計(jì)算各采樣框的平均亮度值 Itop、Idown、Ileft、Iright、Icenter，則像面亮度均勻度Ki為

3.6 照明

如果人體臟器黏膜反射的光線經(jīng)過內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)照明亮度低，則會(huì)導(dǎo)致影像不清晰，觀察盲點(diǎn)多。照度即為反映人體臟器黏膜表面特定距離的亮度值。要求測量值大于廠家標(biāo)稱值，如olympus WA53000A 0°型腹腔鏡的照度要求大于1500lx。用照度計(jì)測量照明光路通過空白標(biāo)靶的單位面積內(nèi)輸出光通量，要求其變化率應(yīng)不大于20%。

4 結(jié)果分析

以德國蛇牌PE 610 A型腹腔鏡為例，測試結(jié)果如表1所示。

該研究測試結(jié)果中角度、分辨率參數(shù)與廠家標(biāo)稱值符合良好，誤差小于3.4%。幾何畸變和照明參數(shù)與國家食品藥品監(jiān)督管理局測試結(jié)果符合良好，誤差小于4.0%。色彩還原度和光效為該研究創(chuàng)新參數(shù)，無溯源初值，但與實(shí)際應(yīng)用中效果一致。

5 結(jié)束語

該研究的創(chuàng)新性是采用機(jī)器視覺技術(shù)測量醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能，能準(zhǔn)確測量出角度、分辨率、幾何畸變、色彩還原準(zhǔn)確度、光效、照明等6類參數(shù)。高清CMOS圖像傳感器、精密機(jī)械裝置是硬件基礎(chǔ)。利用Matlab軟件對采集到的標(biāo)靶圖像進(jìn)行初始處理并自動(dòng)測量上述參數(shù)，取得了良好的結(jié)果。該研究誤差主要來源于高清圖像傳感器的無照電流，下一步的工作重點(diǎn)是對高清圖像傳感器進(jìn)行無照電流校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該研究準(zhǔn)確可靠，具有良好的操作性，檢測設(shè)備和方法可推廣應(yīng)用于各級醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)及內(nèi)窺鏡生產(chǎn)廠家。

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