灰階法用于內(nèi)窺鏡照明用光纜中光能傳遞效率穩(wěn)定性的測(cè)試

【作 者】宓云軿，諸仲夏，韓盟盟

1 上海市寧和投資管理有限公司，上海市，201318

2 上海市醫(yī)療器械檢測(cè)所，上海市，201318

3 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海市，200030

灰階法用于內(nèi)窺鏡照明用光纜中光能傳遞效率穩(wěn)定性的測(cè)試

【作 者】宓云軿1，諸仲夏2，韓盟盟3

1 上海市寧和投資管理有限公司，上海市，201318

2 上海市醫(yī)療器械檢測(cè)所，上海市，201318

3 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海市，200030

該文提出了一種醫(yī)用內(nèi)窺鏡照明用光纜的新的測(cè)試方法，對(duì)灰階測(cè)試法與傳統(tǒng)光通量測(cè)試法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，并提出可進(jìn)一步將灰階法用于內(nèi)窺鏡其他性能測(cè)試中的思路。

照明用光纜；光通量；灰階

0 引言

醫(yī)用內(nèi)窺鏡照明用光纜，是連接冷光源與內(nèi)窺鏡的光纖導(dǎo)光束，主要用于內(nèi)窺鏡檢查和手術(shù)中光線的傳輸。在內(nèi)窺鏡檢查和治療手術(shù)中，由于需要變換內(nèi)窺鏡不同的位置，導(dǎo)光束將會(huì)被不同程度的彎折，所以導(dǎo)光束在不同狀態(tài)下光能傳遞效率的穩(wěn)定性是一個(gè)重要指標(biāo)。

在YY 0763—2009《醫(yī)用內(nèi)窺鏡 照明用光纜》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了照明用光能傳遞效率的測(cè)試要求，光纜經(jīng)過(guò)扭轉(zhuǎn)、短暫壓扁、拉伸、彎曲、墜落沖擊試驗(yàn)后，再次測(cè)量光能傳遞效率。在該標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法中，需要用到激光光源、光通量計(jì)等專(zhuān)業(yè)光學(xué)儀器，對(duì)于專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室來(lái)講，測(cè)試較為簡(jiǎn)便易于實(shí)施。但是對(duì)于醫(yī)院里的在用設(shè)備而言，在手術(shù)室搭建這樣一套光學(xué)平臺(tái)是相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情。本文提出了一種全新的測(cè)試方法：使用攝像鏡頭來(lái)測(cè)試光纜光能傳遞效率。

1 原理

YY 0763—2009《醫(yī)用內(nèi)窺鏡 照明用光纜》中光纜的光能傳遞效率的測(cè)試方法是光通量測(cè)試法：使用夾具固定并調(diào)節(jié)激光光源和被測(cè)光纜，使激光光斑垂直入射在光纜入光面的中心位置，測(cè)量光纜出光面輸出的光通量(見(jiàn)圖1)。首先使光纜處于原始狀態(tài)，測(cè)得一個(gè)原始光通量，然后對(duì)光纜進(jìn)行彎曲，測(cè)得一個(gè)彎曲后光通量，兩個(gè)光通量的比值反映了光纜光能傳遞效率的穩(wěn)定性。

圖1 光通量測(cè)試法Fig.1 Luminous fux measurement

本文提出灰階值積分法替代光通量法。具體方法如下：使用被測(cè)光纜配套的冷光源，調(diào)節(jié)到該光源的最大輸出亮度，對(duì)光纜的出光端面使用攝像鏡頭對(duì)焦，在攝像鏡頭圖像未飽和的情況下，拍攝并保存圖像。使用Matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行亮度分析，對(duì)圖像有效范圍內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)的灰階值進(jìn)行積分，灰階值越大說(shuō)明亮度越亮。同樣地，需要進(jìn)行光纜原始狀態(tài)、彎曲狀態(tài)的灰階值測(cè)試，從而得到光能傳遞效率的穩(wěn)定性。

圖2 灰階測(cè)試法Fig.2 Gray scale measurement

2 對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)比試驗(yàn)分別采用光通量法和灰階法對(duì)光纜進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。理想情況是選擇大樣本不同型號(hào)的光纜進(jìn)行測(cè)試來(lái)獲得對(duì)比結(jié)果，但由于獲取不同型號(hào)大樣本的光纜有一定的難度，所以本試驗(yàn)選擇了一些在內(nèi)窺鏡設(shè)備領(lǐng)域知名企業(yè)生產(chǎn)的5種型號(hào)的光纜進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，每根光纜進(jìn)行2種彎曲度的測(cè)試。

2.1 初始測(cè)試

2.1.1 光通量法

在暗室中測(cè)試，使用激光光源波長(zhǎng)為640 nm，能夠產(chǎn)生直徑≤1.5 mm的光斑，發(fā)散角≤2o，保持光能不變，穩(wěn)定度在±2%以內(nèi)。測(cè)試時(shí)用夾具固定并調(diào)節(jié)激光光源和被測(cè)光纜的位置，使光纜保持平直狀態(tài)，激光光斑垂直入射在光纜入光面的中心位置，用光通量計(jì)測(cè)量光纜出光面的光通量值，記為原始光通量φ0。

2.1.2 灰階法

在暗室中測(cè)試，使用光纜配套的冷光源，并在光纜出光面端換上大視場(chǎng)攝像鏡頭。測(cè)試時(shí)使光纜保持平直狀態(tài)并與冷光源出光面垂直，調(diào)節(jié)冷光源使其達(dá)到最大輸出亮度，拍攝光纜出光面圖像，記為原始圖像Y0。

2.2 彎曲后測(cè)試(第一次彎曲)

2.2.1 彎曲試驗(yàn)

在允許的最小彎曲半徑條件下，對(duì)光纜中間部分進(jìn)行彎折。

2.2.2 彎曲試驗(yàn)后測(cè)試

分別按照2.1.1和2.1.2的測(cè)試方法，測(cè)得彎曲后光纜出光面的光通量φ1，和光纜出光面圖像Y1。

2.3 重復(fù)彎曲后測(cè)試(第二次彎曲)

為了獲得更多的比較數(shù)據(jù)，我們對(duì)光纜進(jìn)行重復(fù)彎曲，然后按照2.1.1和2.1.2的測(cè)試方法，分別得到光纜出光面的光通量φ2，和光纜出光面圖像Y2。

2.4 計(jì)算光能傳遞效率的穩(wěn)定性

2.4.1 光通量法

該方法光能傳遞效率的穩(wěn)定性計(jì)算見(jiàn)式(1)。

其中，β為光能傳遞效率，φ0為原始光通量，φi為彎曲試驗(yàn)后得到的光通量。

2.4.2 灰階測(cè)試法

對(duì)比試驗(yàn)拍攝的三幅圖像如圖3所示，分別為原始圖像和兩次彎曲試驗(yàn)后拍攝的圖像。

圖3 拍攝的圖像Fig.3 Original picture

使用Matlab對(duì)原始圖像進(jìn)行灰階處理，同時(shí)為了去除背景噪聲的影響，僅選取光纜端面部分作為灰階積分的面積。

計(jì)算積分面積內(nèi)每個(gè)圖像像素點(diǎn)的灰階值之和S0、S1和S2，然后根據(jù)得到的灰階值和計(jì)算光能傳遞效率，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

其中，γ是光能傳遞效率，S0是初始圖像的灰階值和，Si是彎曲試驗(yàn)后拍攝圖像的灰階值和。

3 結(jié)果分析

5根光纜兩種彎曲度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 光能傳遞效率穩(wěn)定性測(cè)試Tab.1 The effciency stability of the light energy transfer

從表1的數(shù)據(jù)可以得知，兩種測(cè)試方法對(duì)穩(wěn)定性的測(cè)試誤差在10%以內(nèi)。分析原因主要有二：

（1）光纜對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)的透過(guò)率不一致性

由于光通量法使用640 nm波長(zhǎng)的激光作為光源，其局限性是非常明顯的。因?yàn)楣饫|對(duì)每個(gè)波長(zhǎng)的透過(guò)率是不一致的(見(jiàn)圖4)，所以其傳遞效率的穩(wěn)定性只反應(yīng)單一波長(zhǎng)的狀態(tài)。而灰階法，由于使用的是光纜配套的冷光源，可以代表所有波長(zhǎng)的綜合表現(xiàn)。

圖4 透過(guò)率曲線Fig.4 Transmissivity curve

(2) 光纜截面通光效率不均勻

一根光纜是由很多光纖均勻排列組成的，觀察灰階法拍攝到的光纜通光端面(見(jiàn)圖3)，可以發(fā)現(xiàn)：有些區(qū)域偏亮，說(shuō)明光能傳遞效率高，而有些區(qū)域偏暗，說(shuō)明光能傳遞效率較低。當(dāng)使用光通量法時(shí)，由于激光光斑直徑小于1.5 mm，而一般光纜通光端面直徑在3 mm至6 mm之間，激光光斑不能有效覆蓋光纜通光端面，所以光通量測(cè)試法所反映的傳遞效率只能代表光纜中的部分光纖；而使用灰階法，由于是對(duì)整個(gè)通光端面計(jì)算積分，所以可以代表光纜的真實(shí)情況。

4 結(jié)論與展望

從上述的結(jié)果來(lái)看，灰階法對(duì)光纜光能傳遞效率較光通量法偏差不大，可以替代光纜標(biāo)準(zhǔn)中的光通量法?；译A法的優(yōu)點(diǎn)在于可以直觀地反映光纜端面的分布情況，同時(shí)簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)備，有利于醫(yī)院等在用醫(yī)療器械的檢測(cè)。另外，針對(duì)灰階法直觀測(cè)試的特點(diǎn)，我們下一步將探索內(nèi)窺鏡標(biāo)準(zhǔn)中分辨率、畸變、光照均勻性等指標(biāo)的測(cè)試。

[1] 國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局. YY 0763—2009醫(yī)用內(nèi)窺鏡 照明用光纜[S].

[2] 朱云青. 醫(yī)用內(nèi)窺鏡照明用光纜的應(yīng)用特征[J]. 中國(guó)醫(yī)療器械信息, 2015 (10): 8-10.

Testing Efficiency Stability of Light Energy Transfer in Endoscope Lighting Optical Cable Using Gray Scale Measurement

【 Writers 】MI Yunping1, ZHU Zhongxia2, HAN Mengmeng3
1 Shanghai Ninghe Investment Management Co. Ltd., Shanghai, 201318
2 Shanghai Testing and Inspection Institute for Medical Devices, Shanghai, 201318
3 School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

This paper proposes a new testing method used for medical endoscope lighting optical cable. It compares the experiment result from gray scale measurement and the one from the traditional luminous flux measurement. It proposes the idea that we can apply the gray scale measurement to other feature testing of the endoscope as well.

lighting optical cable, luminous fux, gray scale

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.06.015

1671-7104(2016)05-0448-03

2016-05-06

宓云軿，E-mail: yunping044@163.com