醫(yī)用電子內窺鏡光電性能指標測量方法探討

張沁園，顏青來， 賈曉航，陳德寶浙江省醫(yī)療器械檢驗研究院，杭州市，310018

0 引言

醫(yī)用電子內窺鏡是一種可插入人體體腔和臟器內腔進行直接觀察、診斷、治療的集光、機、電等高精尖技術于一體的醫(yī)用電子光學儀器。其無創(chuàng)或微創(chuàng)腔內醫(yī)療的環(huán)境遠比開放條件復雜，治療或手術不慎如造成大出血需要馬上轉換成開腔手術，后果嚴重，危險程度高，必須清楚準確觀察到體腔內的情況，因此必須控制好電子內窺鏡的關鍵光電性能指標。以往相關內窺鏡標準中已有的光學指標，如視場角、視向角、分辨率等已不足以反映電子內窺鏡的光電性能。比如由于光電器件的寬容度限制，引起高對比畫面中高亮度區(qū)飽和或者低亮度區(qū)截止，產生信息丟失等現象。信息丟失對于醫(yī)生在臨床應用來說，就產生了一種不清晰的感覺。這是電子內窺鏡亮度寬容度限制造成的。由于該類產品具有區(qū)別于常規(guī)產品的特殊性，無法照搬常規(guī)的光學標準，相關檢測技術尚未有現成的完全適用的國際國內標準可以參考，這就迫切需要進行研究。本文就亮度響應特性、亮度寬容度這兩個性能指標測量方法的研究進行闡述。

1 原理

1.1 亮度響應特性的評估原理

亮度響應特性是指內窺鏡的實際光電轉換函數與所采用的編碼模式函數的符合度。電子內窺鏡的亮度輸入和信號輸出之間的轉換關系應符合某種確定的編碼模式，這樣才能使得采用相同編碼模式的監(jiān)視器輸出圖像亮度與電子內窺鏡的輸入亮度成一一對應的關系 。大部分制造商適配的監(jiān)視器的輸出亮度和物面亮度是按照線性設計的，電子內窺鏡輸出信號按該電光特性計算所得亮度與實際被測試圖各灰階亮度應保持良好的線性度，我們用線性擬合系數R2評估 。

1.2 亮度寬容度的評估原理

亮度寬容度是指電子內窺鏡在單次曝光中可分辨的最大臨界物面亮度和最小臨界物面亮度之比。這是在同一畫面存在高對比度亮度的情況下，電子內窺鏡呈現亮、暗區(qū)域圖像信息的能力。因此亮度寬容度越大越好。此外，在暗區(qū)的截止判定上還涉及到信噪比的測量[1]。

1.3 醫(yī)用電子內窺鏡的特殊性

醫(yī)用電子內窺鏡與民用攝像機相比，是一個近工作距大視場系統，使用時的光照條件也不同，民用攝像機大多數情況下在一定亮度的日光條件下使用，但醫(yī)用電子內窺鏡是在人體腔內由醫(yī)用冷光源提供照明。

2 測量方法設計

2.1 概述

使用光譜中性卡在測試光源適中亮度下對電子內窺鏡進行白平衡。按圖1的位置關系擺放待測電子內窺鏡及檢測部件，調整電子內窺鏡拍攝距離至需要的位置進行取景，連續(xù)拍攝8幅灰階測試圖的畫面，通過圖像采集器將圖像數據傳輸到計算機中。在相同的拍攝距離使用亮度計記錄背景照明強度及各灰階塊亮度。提取圖像數據中灰階塊對應的RGB數據進行分析統計計算。

圖1 測試方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test method

2.2 灰階測試圖設計

2.2.1 傘狀灰階測試圖

民用攝像機一般采用灰階測試圖測試亮度的響應性能[2]。其優(yōu)點在于測試圖像獲取快速簡便，不同灰階同時顯示在一張畫面上，比對方便。目前，市面上灰階測試圖種類繁多，有各種密度級差，需要基于醫(yī)用電子內窺鏡的臨床應用及產品特征進行排布及密度級差方面的設計選型。

通過調研，常用灰階測試圖，排布分類見圖2、圖3、圖4。 條狀灰階排布（圖2）是民用攝像機測試常用的排布，塊狀灰階排布（圖3）[3]是掃描儀測試常用的排布，如果運用在電子內窺鏡的測試上存在以下問題：醫(yī)用電子內窺鏡是一個近工作距大視場系統，不同視場角處的像面亮度會由于余弦效應和畸變等因素的影響相差很大。因此，條狀灰階排布和塊狀灰階排布是不合適的。環(huán)狀灰階排布[4]（圖4）的測試圖理論上解決了前兩種排布測試圖的缺陷，但實際應用中，不同的電子內窺鏡其工作距不同，因而放大率不同，其現象為灰階塊在屏幕上的大小會不同，容易產生測量誤差。為了解決這些問題，我們設計了傘狀排布測試圖。

圖2 條狀灰階排布測試圖Fig.2 Bar grayscale test chart

圖3 塊狀灰階排布測試圖Fig.3 Lump grayscale test chart

圖4 環(huán)狀灰階排布測試圖Fig.4 Ring grayscale test chart

灰階測試圖密度級差既要考慮到亮度響應特性中常用線性段的測量，又要考慮到亮度寬容度中臨界暗區(qū)和亮區(qū)的測量?；译A塊密度級差推薦等差型，滿足亮度響應特性中常用線性段的等量輸入測量。當人眼在感受亮度為1 000 cd/m2時，識別能力最高，其最小識別密度差為0.8[5]。電子內窺鏡識別密度差要等于或優(yōu)于人眼，因此測試電子內窺鏡用的灰階塊密度級差要＜0.8。根據目前電子內窺鏡的水平，密度范圍盡量選擇高對比度（≥1 000:1）以滿足亮度寬容度中臨界暗區(qū)和亮區(qū)的測量。

基于目前的灰階測試圖的制作工藝水平以及選型結果，將灰階塊密度符合ISO 21550: 2004的24塊灰階塊（密度差為0.1，對比度1 000 000:1）重新整合排布成傘狀，見圖5。此措施拓寬了測試圖的適用面，滿足無自動增益電子內窺鏡的亮度寬容度快速檢測需要。

圖5 傘狀灰階排布測試圖Fig.5 Umbrella grayscale test chart

2.2.2 可調灰階測試圖

對于具有自動增益功能的電子內窺鏡的測試解決方案是拍攝圖6所示測試圖，利用大面積固定亮度鉗制住電子內窺鏡攝像的自動增益值，同時可實現小面積范圍亮度依次可調。

圖6 可調灰階測試排布示意圖Fig.6 Adjustable gray scale test chart

圖6 中背景B為光譜中性灰階板。小灰階塊A為亮度可獨立變化的照明體，照明體亮度變化范圍應足以覆蓋被測電子內窺鏡的亮度寬容度，且其最小亮度應遠低于被測電子內窺鏡的暗區(qū)截止臨界亮度值。該灰階塊A的面積以及位置設置應能保證在其亮度調節(jié)過程中不改變被測電子內窺鏡包括電子快門在內的整體增益。

3 試驗結果

3.1 試驗一

試驗一采用三種不同排布灰階測試圖（見圖2、圖3、圖5）對一款無自動增益的電子內窺鏡進行光電性能測試。其中塊狀與傘狀排布灰階測試圖的相應灰階密度值相等，僅僅是排布不同。條狀灰階測試圖的灰階密度范圍不夠，無法用于亮度寬容度的測試。所以試驗一僅對亮度響應特性進行試驗。其試驗結果見表1所示，傘狀灰階測試圖亮度響應曲線線性段的線性擬合度R2優(yōu)于其他兩種排布的灰階測試圖。

表1 不同排布下的試驗數據Tab.1 Test data under diあerent layout

3.2 試驗二

試驗二采用傘狀測試圖法對一款無自動增益電子內窺鏡進行光電性能測試。第一組試驗使用450 cd/m2背景照明強度，第二組使用650 cd/m2背景照明強度，第三組使用3 000 cd/m2背景照明強度。其試驗結果見表2所示，三種背景照明強度條件下的測試結果基本相同。

表2 不同背景照明強度下的測試數據Tab.2 Test data under diあerent background illumination intensity

3.3 試驗三

試驗三采用可調灰階測試圖法對一款具有自動增益的電子內窺鏡進行光電性能測試。第一組試驗使用鹵素燈作為照明光源，第二組使用LED光源作為照明光源。試驗結果見表3所示，鹵素燈照明光源條件下的測試結果優(yōu)于LED照明光源條件下的測試結果。

表3 不同照明光譜下的測試數據Tab.3 Test data under diあerent illumination spectrum

4 討論

4.1 灰階測試圖排布影響

通過3.1試驗一可以看出，塊狀和條狀灰階測試圖方法是有局限性的，亮度響應特性曲線線性段的擬合度低于傘狀灰階測試圖。進一步印證了前文2.2.1中不同視場角處的像面亮度會由于余弦效應和畸變等因素的影響相差很大，影響了亮度響應特性的測量的分析。

4.2 背景照明強度影響

背景照明強度的選擇涉及到灰階測試板與電子內窺鏡中光電器件寬容度的測試匹配問題。當背景照明強度不足夠時，灰階測試板上最亮灰階塊未到光電器件的飽和區(qū)，或者，背景照明強度過強時，灰階測試板上最暗灰階塊超過光電器件的截止區(qū)，都會導致測出的電子內窺鏡的亮度寬容度偏小。為此我們要使用超過光電器件寬容度量程的灰階測試塊組，并選擇合適的背景照明強度。由3.2試驗二的結果可見，本次試驗在這三個背景照明強度下，灰階測試板與電子內窺鏡中光電器件寬容度均在匹配狀態(tài)。

4.3 照明光譜影響

醫(yī)用電子內窺鏡與民用攝像機相比，使用時的光照條件不同，民用攝像機大多數情況下在一定亮度的日光條件下使用。但醫(yī)用電子內窺鏡的使用狀態(tài)卻大不相同，它是在人體腔內由醫(yī)用冷光源提供照明。該冷光源的光譜分布和民用攝像系統所適應的日光光譜分布的區(qū)別將對電子內窺鏡的亮度響應產生影響。通過3.3試驗三可以看出，照明光光譜對亮度響應特性有影響，試驗用電子內窺鏡的光電傳感器中RGB三通道光電響應更貼合鹵素燈光譜，也印證了其說明書中聲稱的需要與原廠的一款鹵素燈冷光源配合使用的說法。光譜匹配性好的照明，相應的亮度寬容度也較大。因此試驗要選用與電子內窺鏡匹配的照明光譜進行照明，才能測出最佳光電性能。

5 結論

傘狀灰階測試圖測試方法，優(yōu)點是測試耗時短，缺點是適用范圍較窄，只適用于無自動增益電子內窺鏡。可調灰階測試圖方法的優(yōu)點是適用所有電子內窺鏡，且可以記錄更多亮區(qū)和暗區(qū)的細節(jié)信息，測試精度更高，量程范圍更廣，缺點是測試耗時長。本文提出的醫(yī)用電子內窺鏡光電性能指標測量方法可行，無論是適用于快速檢測的傘狀灰階測試圖法還是更精密的可調灰階測試圖法，均為電子內窺鏡產品光電部分設計分析、評價及修改提供參考依據。