醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

姬 軍 蔣昌松 王云龍 侯純偉 黃增躍

目前，醫(yī)院在用的醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡質(zhì)量檢測裝置，根據(jù)不同的檢測參數(shù)采用不同種類的儀器設(shè)備，工具和設(shè)備多達(dá)20余種。質(zhì)量檢測技術(shù)主要通過人工檢測，其技術(shù)復(fù)雜程度只能定性判斷導(dǎo)致誤差較大，且操作繁瑣，缺乏一體化、自動(dòng)及定量的檢測裝置，不具有實(shí)用性。參照國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一種醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能定量檢測系統(tǒng)。

1 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)

硬性內(nèi)窺鏡由精密機(jī)械裝置和高精度測試標(biāo)靶組成[1-5]其精密的光學(xué)儀器部分，主要由光學(xué)成像和照明傳輸兩大系統(tǒng)組成(如圖1所示)。

圖1 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

光學(xué)成像系統(tǒng)由物鏡、轉(zhuǎn)像和目鏡三大系統(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，將冷光源的光經(jīng)過光導(dǎo)纖維傳輸?shù)絻?nèi)窺鏡前端，照亮被觀察物[6-7]。

2 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡質(zhì)量檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)

醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能檢測系統(tǒng)由8部分構(gòu)成(如圖2所示)。

圖2 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)、支桿、視頻采集裝置的支架依次放置在導(dǎo)軌上，均勻光源固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡放在支桿上，標(biāo)靶設(shè)在均勻光源和醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡之間，視頻采集裝置與計(jì)算機(jī)相連。

硬件系統(tǒng)中的360o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)、光線均勻及無閃爍等特點(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。

3 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡測試標(biāo)靶

測試標(biāo)靶是測試醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能的重要基礎(chǔ)。本研究的測試標(biāo)靶如圖3所示。

圖3 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡測試標(biāo)靶

3.1 視場角標(biāo)靶

視場角標(biāo)靶的外圓直徑為45 mm，線寬為2 mm；內(nèi)圓直徑為20 mm，線寬為1 mm；精度為0.01 mm。醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡整個(gè)視場邊緣應(yīng)圓整，無明顯的亮暗分界線，在視場內(nèi)不得有影響觀察的劃痕、麻點(diǎn)、黑點(diǎn)及附著物等瑕疵。采用視場角標(biāo)靶可測試出醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡所能觀察的視場角度和范圍。

3.2 幾何畸變標(biāo)靶

幾何畸變標(biāo)靶的大圓直徑為45 mm，線寬為1 mm，圓直徑70%處上下左右各一小實(shí)心圓，直徑為3 mm，精度0.01 mm。

畸變是由于內(nèi)窺鏡的鏡軸中心與邊緣放大率不同而引起，光線離鏡軸越遠(yuǎn)，畸變?cè)酱?，若與鏡軸正交并通過鏡軸，則不發(fā)生畸變。放大率隨光線入射角度增加而減小時(shí)負(fù)畸變，亦稱桶形畸變，硬性內(nèi)窺鏡的幾何畸變屬桶形畸變。醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡桶形畸變發(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。對(duì)幾何失真測試標(biāo)靶進(jìn)行拍攝，測量視場中心以及70%視場處4個(gè)圓斑圖像橫向及縱向尺寸，可計(jì)算出畸變率[11-12]。

3.3 分辨率標(biāo)靶

分辨率標(biāo)靶的圓直徑為45 mm，線寬為2～16l p/mm，占空比1∶1，精度5 μm。分辨率是硬性內(nèi)窺鏡空間頻率的響應(yīng)函數(shù)，表征硬性內(nèi)窺鏡對(duì)被攝對(duì)象細(xì)節(jié)的分辨能力[8-10]。分辨率的大小可用視覺分辨率、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)等指標(biāo)表達(dá)。視覺分辨率以1 mm寬度內(nèi)的黑白相間的線對(duì)數(shù)量(1 p/mm)來表示。用高清相機(jī)采集分辨率標(biāo)靶中的線對(duì)數(shù)在計(jì)算機(jī)上顯示，人眼能分辨的最大線對(duì)數(shù)即為視覺分辨率?？衫胢atlab軟件編程計(jì)算黑白相間條紋的調(diào)制傳遞函數(shù)，定量評(píng)價(jià)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的分辨率。

3.4 色彩還原標(biāo)靶

色彩還原標(biāo)靶的圓直徑為45 mm，線寬為1 mm，3個(gè)顏色分別為紅(中下)、綠(左上)、藍(lán)(右上)的均勻?qū)嵭膱A，直徑為4 mm，分布在標(biāo)靶中心周圍等邊三角形的頂點(diǎn)處。色彩還原能力是指醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)對(duì)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。硬性內(nèi)窺鏡的光學(xué)觀察系統(tǒng)應(yīng)顯色性良好，若色彩還原能力差，可能影響醫(yī)生對(duì)病理組織的觀察和操作，造成誤診或手術(shù)失敗。將測試標(biāo)靶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。

3.5 光效標(biāo)靶

光效標(biāo)靶的圓直徑為45 mm，線寬為1 mm，圖直徑70%處上下左右各一個(gè)3 mm×3 mm矩形框，精度為0.01 mm。

如圖4所示，內(nèi)窺鏡視場中心比視場邊緣亮度高，導(dǎo)致相面亮度均勻度并非100%。拍攝空白光效標(biāo)靶，比較畫面中心和畫面邊緣的亮度差異程度[13]。

圖4 視場光效示意圖

3.6 照明標(biāo)靶

圓直徑為45 mm，內(nèi)容空白。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，導(dǎo)致影像不清晰，觀察盲點(diǎn)多，診斷效果差。照度即為內(nèi)窺鏡與冷光源連接后，通過照明光纖反映在人體臟器黏膜表面特定距離的亮度值。內(nèi)窺鏡光學(xué)鏡的光纖照明系統(tǒng)的照明區(qū)域應(yīng)不小于光學(xué)觀察系統(tǒng)的觀察視場區(qū)域，且照明均勻，無眼見明顯差異[14-15]。

4 結(jié)論

本研究所開發(fā)設(shè)計(jì)的檢測裝置相對(duì)于現(xiàn)有裝置能夠一體化、自動(dòng)及定量地檢測醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡各項(xiàng)光學(xué)性能參數(shù)。當(dāng)均勻光源照射標(biāo)靶時(shí)，視頻采集裝置通過醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡采集數(shù)據(jù)，傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，得到該醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能參數(shù)。

本研究創(chuàng)新性地采用機(jī)器視覺技術(shù)，測量醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能，準(zhǔn)確地測量出角度、分辨率、幾何畸變、色彩還原準(zhǔn)確度、光效及照明等6類光學(xué)性能參數(shù)。高清CMOS圖像傳感器和精密機(jī)械裝置是硬件基礎(chǔ)。該檢測裝置可推廣應(yīng)用于各級(jí)醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)及內(nèi)窺鏡生產(chǎn)廠家。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 11244-2005醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡及附件通用要求[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[2]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.SNT 1095-2002進(jìn)口醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡性能檢驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

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