基于MTF評(píng)價(jià)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的分辨率

姬 軍蔣昌松侯純偉王云龍黃增躍劉薪余肖 宏袁 青

（1.解放軍305醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，北京 100017；2.北京大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，北京 100191；3.第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，陜西 西安 710032；4.南方醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，廣東 廣州 510515）

基于MTF評(píng)價(jià)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的分辨率

姬 軍1，蔣昌松2，侯純偉3，王云龍1，4，黃增躍1，4，劉薪余3，肖 宏1，袁 青1，4

（1.解放軍305醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，北京 100017；2.北京大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，北京 100191；3.第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，陜西 西安 710032；4.南方醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，廣東 廣州 510515）

根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，確定視覺(jué)分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置和標(biāo)靶，編寫Matlab程序?qū)Σ杉降臉?biāo)靶圖像進(jìn)行分析，對(duì)13支不同品牌、種類的硬性內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡分辨率的設(shè)備和方法，13支內(nèi)鏡的視覺(jué)分辨率為5～16LP/mm，MTF閾值集中于0.2～0.3之間。結(jié)果表明：1）硬性內(nèi)窺鏡鏡體、中心、邊緣的MTF值均呈現(xiàn)隨著線對(duì)數(shù)增大而減小的趨勢(shì)；2）每支硬性內(nèi)窺鏡均具有合適的亮度使其分辨率最高；3）硬性內(nèi)窺鏡整體的MTF值偏向由中心決定；4）同一區(qū)域下，不同亮度所對(duì)應(yīng)的MTF值相關(guān)程度較高，說(shuō)明內(nèi)窺鏡的分辨率由自身決定。

醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡；分辨率；調(diào)制傳遞函數(shù)模量

0 引 言

醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡，是一種可插入人體體腔和臟器內(nèi)進(jìn)行直接觀察、診斷、治療的光學(xué)裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)有超過(guò)100萬(wàn)名醫(yī)技人員及90%以上的醫(yī)療機(jī)構(gòu)采用了內(nèi)窺鏡進(jìn)行臨床診療工作。隨著內(nèi)窺鏡日益普及，對(duì)其臨床應(yīng)用的安全性和有效性認(rèn)識(shí)也逐步深化，硬性內(nèi)窺鏡分辨率直接或間接地危及患者的安全。

為避免硬性內(nèi)窺鏡質(zhì)量引起的醫(yī)療事故，該研究針對(duì)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡分辨率質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范、方法以及裝置的現(xiàn)狀，研制自動(dòng)、定量、一體、廉價(jià)的檢測(cè)裝置[1-3]，開(kāi)發(fā)適用于臨床醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的檢測(cè)方法，以滿足臨床醫(yī)療機(jī)構(gòu)醫(yī)學(xué)工程人員的需求。

1 檢測(cè)項(xiàng)目與原理

分辨率表征硬性內(nèi)窺鏡對(duì)被攝對(duì)象細(xì)節(jié)的分辨能力，是最為關(guān)鍵的光學(xué)指標(biāo)。若分辨率不佳，組織特征和病灶區(qū)域的細(xì)節(jié)無(wú)法獲取，失去臨床意義。該研究確定視覺(jué)分辨率、調(diào)制傳遞函數(shù)模量（modulation transfer function，MTF）來(lái)評(píng)價(jià)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的分辨率。視覺(jué)分辨率是人眼通過(guò)硬性內(nèi)窺鏡能觀察到的極限線對(duì)數(shù)。MTF是一種直接、定量、客觀的成像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，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，能同時(shí)反映醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的對(duì)比傳遞能力和細(xì)節(jié)分辨能力，是評(píng)價(jià)分辨率的最好指標(biāo)。

該研究采用對(duì)比度法測(cè)量MTF，選擇一系列不同空間頻率的矩形光柵作為目標(biāo)物，獲得含有灰度信息的位圖，采用式（1）計(jì)算不同空間頻率所對(duì)應(yīng)的MTF值。

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。

2 檢測(cè)裝置與標(biāo)靶

依據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)檢測(cè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[4-6]，設(shè)計(jì)了檢測(cè)裝置，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)臺(tái)（2）、支桿（6）、視頻采集裝置（7）的支架（71）依次放置在導(dǎo)軌（1）上，均勻光源（3）固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)（2）上，醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡（5）放在支桿（6）上，標(biāo)靶（4）設(shè)在均勻光源（3）和醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡（5）之間，視頻采集裝置（7）與計(jì)算機(jī)（8）相連。

矩形標(biāo)靶內(nèi)共有16個(gè)直徑為4mm的圓，填充內(nèi)容為黑白相間的條紋，分別為1～16 LP/mm，占空比1∶1，線寬準(zhǔn)確度1μm。

圖1 檢測(cè)裝置示意圖及實(shí)物圖

表1 視覺(jué)分辨率及MTF閾值統(tǒng)計(jì)表

3 檢測(cè)結(jié)果與討論

3.1 視覺(jué)分辨率及MTF閾值

該研究檢測(cè)了13支硬性內(nèi)窺鏡，視覺(jué)分辨率及MTF閾值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

不同內(nèi)窺鏡的視覺(jué)分辨率差異較大，而MTF閾值集中在0.2～0.3之間。國(guó)產(chǎn)品牌沈大研制的兩款內(nèi)窺鏡MTF閾值均在0.5以上，在分辨率這一關(guān)鍵指標(biāo)上與國(guó)外產(chǎn)品差距較大。

3.2 MTF與亮度、區(qū)域關(guān)系分析

如圖2所示，調(diào)節(jié)光源至亮度10 330 lux，腹腔鏡整體、中心、邊緣的MTF值均隨著線對(duì)數(shù)增大而減小。通常，MTF曲線越高代表系統(tǒng)成像質(zhì)量越好，MTF曲線與XY軸構(gòu)成的面積越大，成像質(zhì)量越好[7-10]。

圖2 30°腹腔鏡，亮度10330lux，整體、中心、邊緣的MTF曲線

圖3 30°腹腔鏡邊緣，不同亮度下的MTF曲線

圖4 30°鼻竇鏡邊緣，不同亮度的MTF曲線

在所采集的圖像90%視場(chǎng)處，分割出一個(gè)60× 60像素點(diǎn)的矩形方塊，計(jì)算MTF值。如圖3所示，腹腔鏡的MTF曲線在亮度9 590 lux下優(yōu)于亮度10 330 lux。如圖4所示，鼻竇鏡的MTF曲線在亮度9590lux下優(yōu)于亮度8170lux。由此得出，每支硬性內(nèi)窺鏡都有一個(gè)最合適的亮度使之分辨率最高。但過(guò)曝之前，同一區(qū)域，亮度越高，MTF值越大。

3.3 不同區(qū)域MTF相關(guān)系數(shù)

將所有內(nèi)窺鏡的MTF值進(jìn)行相關(guān)分析，繪制成曲線，如圖5所示?？傻贸觯?）整體與中心較整體與邊緣相關(guān)度更集中，整體的MTF值偏向由中心決定；2）不同的內(nèi)鏡，中心與邊緣的MTF值相關(guān)程度差距較大。

3.4 不同亮度MTF相關(guān)系數(shù)

以30°腹腔鏡為例，同一區(qū)域不同亮度所對(duì)應(yīng)MTF值的相關(guān)系數(shù)在0.9～0.99區(qū)間內(nèi)，相關(guān)程度高，說(shuō)明內(nèi)窺鏡的分辨率是由自身所決定，亮度對(duì)分辨率只起附加作用。

圖5 不同種類醫(yī)用內(nèi)窺鏡不同區(qū)域MTF值相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用MTF評(píng)價(jià)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的分辨率，研制出定量、一體、廉價(jià)的檢測(cè)裝置及標(biāo)靶，開(kāi)發(fā)出適合臨床醫(yī)療機(jī)構(gòu)的檢測(cè)方法。并對(duì)不同品牌、不同型號(hào)、不同亮度、不同區(qū)域的MTF值進(jìn)行比較和分析，開(kāi)創(chuàng)了評(píng)價(jià)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡分辨率的新方法。但該研究也存在圖像采集次數(shù)多、圖像采集和處理分離的缺點(diǎn)，可考慮采用狹縫法計(jì)算MTF以及調(diào)用工業(yè)相機(jī)函數(shù)包實(shí)現(xiàn)圖像采集和圖像處理同步。

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Research on evaluation of medical rigid endoscope’s resolution based on MTF

JI Jun1，JIANG Chang-song2，HOU Chun-wei3，WANG Yun-long1，4，HUANG Zeng-yue1，4，LIU Xin-yu3，XIAO Hong1，YUAN Qing1，4
（1.Department of Biomedical Engineering，PLA 305 Hospital，Beijing 100017，China；2.Department of Biomedical Engineering，Peking University Third Hospital，Beijing 100191，China；3.Department of Biomedical Engineering，The Fourth Military Medical University，Xi’an 710032，China；4.Graduate School，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China）

In order to evaluate the resolution of medical rigid endoscopes quantitatively，this article confirmed the visual resolution and modulation transfer function modulus-MTF as the evaluation indexes，designed the testing oftarget，device and compile Matlab program for automatic analysis and processing of the collected target image to detect 13 different brands，types of rigid endoscopes according to the relevant domestic and international testing standards. The methodsand detection equipmentbased on machinevision were achieved.Thevisual resolution of 13 endoscopes was ranged from 5 to 16 LP/mm and MTF threshold was between 0.2 and 0.3.The results showed：1）The overall，center，and edge of rigid endoscope’s MTF curve showed a trend that MTF values are reducing with logarithmic increasing；2）Rigid endoscope has a appropriate brightness to make the highest resolution；3）The overall MTF values of rigid endoscope are decided by the center much more；4）in the range of the same region MTF values corresponding to different brightness values have high correlation coefficients.High values of the correlation coefficients reflect the resolution of the endoscope is determined by itself and has little to do with brightness.

medical rigid endoscope；resolution；MTF

TH776+.1；TP212.3；TP274+.2；TM930.114

：A

：1674-5124（2014)06-0014-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.004

2014-01-24；

：2014-03-25

全軍軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專項(xiàng)課題（2011-JL2-027）；解放軍305醫(yī)院科研基金重點(diǎn)項(xiàng)目（12YA2）

姬 軍（1970-），男，北京市人，高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)獒t(yī)療設(shè)備計(jì)量與質(zhì)量控制檢測(cè)技術(shù)。