光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)色還原性測試方法研究

孟祥峰，李寧，劉艷珍，王浩，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)色還原性測試方法研究

孟祥峰，李寧，劉艷珍，王浩，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

為了研究內(nèi)窺鏡系統(tǒng)整體色還原性以及各個部份對色還原性的相互影響，本文用不同類型和質(zhì)量的光源，采用分段測試法對內(nèi)窺鏡透過率進(jìn)行測試分析；測試不同系統(tǒng)搭配下的顯色指數(shù)，對系統(tǒng)色還原性進(jìn)行分析。試驗(yàn)證明光源類型不會影響內(nèi)窺鏡透過率的測試結(jié)果，而光源質(zhì)量對內(nèi)窺鏡透過率測試結(jié)果影響較大；光源類型的選擇與系統(tǒng)色還原性不具規(guī)律性。因此，需要單獨(dú)考量光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)色還原性。

顯色指數(shù)；內(nèi)窺鏡；冷光源；色還原性

引言

光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的照明光路主要包括冷光源、導(dǎo)光束和內(nèi)窺鏡3個部分。內(nèi)窺鏡能夠通過人體的天然孔道，或者是經(jīng)手術(shù)做的小切口進(jìn)入人體內(nèi)的診斷治療設(shè)備。通過內(nèi)窺鏡，醫(yī)務(wù)人員可直接窺視有關(guān)部位的變化，成像質(zhì)量的好壞直接影響著內(nèi)窺鏡的使用效果。而照明色彩還原性是關(guān)系到成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。目前由于注冊單元的劃分，內(nèi)窺鏡系統(tǒng)色還原性是通過冷光源[1]、導(dǎo)光束[2]和內(nèi)窺鏡3部分各自的色還原性分開考量，其整體色還原性以及內(nèi)窺鏡系統(tǒng)3大部分間對色還原性的相互影響尚無研究。內(nèi)窺鏡系統(tǒng)簡圖，見圖1。實(shí)際上，在3部分各自評價中，其它部分的選擇對結(jié)果有很大的影響；另外系統(tǒng)同時使用時，3部分的不同的搭配對于最終的色還原性結(jié)果也存在較大的差異。鑒于此，本文從實(shí)際臨床應(yīng)用的角度出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計，選取最優(yōu)的檢測方案，對顯色性進(jìn)行整體分析。

圖1 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)簡圖

1 內(nèi)窺鏡透過率分段測試法

內(nèi)窺鏡透過率的檢測是通過光源本身光譜與通過內(nèi)窺鏡照明光路及成像光路的光譜對比進(jìn)行檢測[3]。內(nèi)窺鏡透過率測試示意圖，見圖2。按照現(xiàn)有的方法(YY 0068.1-2008《醫(yī)用內(nèi)窺鏡 硬性內(nèi)窺鏡 第1部分：光學(xué)性能及測試方法》中附錄C中的方法，本文稱為整體測量法)，由于內(nèi)窺鏡成像光路的光透過率較低，光源在經(jīng)過照明光路后，在物面方發(fā)生反射，反射光進(jìn)入目鏡端，目鏡端的光強(qiáng)度很低（最小可達(dá)10-5lm），對于普通光譜輻射系統(tǒng)其測量誤差較大，噪聲對透過率結(jié)果影響嚴(yán)重；此外反光板的光譜反射不一致性也可能對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[4]?？傊?，整體測量法對于環(huán)境及儀器的要求均很高，不易于實(shí)現(xiàn)。

為解決這一問題，采用分段測試法以提高測試端的光譜強(qiáng)度。內(nèi)窺鏡透過率分段測試法示意圖，見圖3。內(nèi)窺鏡照明光路和成像光路為兩個相對獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)，因此可分別測量照明光路的透過率和成像光路的透過率，計算整體透過率，本文稱為分段測試法。該方法明顯降低了儀器及環(huán)境噪聲的影響，提高了測量的準(zhǔn)確性，降低了檢測成本。

圖2 內(nèi)窺鏡透過率測試示意圖

圖3 內(nèi)窺鏡透過率分段測試法示意圖

選取標(biāo)準(zhǔn)光源作為測試光源，首先按照圖3（a），將測試光源直接連接積分球，進(jìn)行光源的輸出光譜輻射度[φi(λ)]測試；然后按照圖3（b），將測試光源對準(zhǔn)內(nèi)窺鏡導(dǎo)光束接口，在內(nèi)窺鏡物鏡端進(jìn)行內(nèi)窺鏡照明光路輸出光譜輻射度[φ1(λ)]測試；最后按照圖3（c），將測試光源對準(zhǔn)內(nèi)窺鏡物鏡端，在內(nèi)窺鏡鏡目鏡端進(jìn)行內(nèi)窺鏡成像光路輸出光譜輻射度透過率[φ2(λ)]測試。各個測試過程中光強(qiáng)度高于整體測量法，明顯提高了測試的精確性和可操作性。用以上測試結(jié)果分別計算照明光路和成像光路透過率，得到內(nèi)窺鏡相對光譜透過率：。歸一化后可參照YY 0068.1-2008《醫(yī)用內(nèi)窺鏡硬性內(nèi)窺鏡 第1部分：光學(xué)性能及測試方法》進(jìn)行內(nèi)窺鏡顯色指數(shù)的計算[5-8]。

2 試驗(yàn)設(shè)計

2.1 光源類型對內(nèi)窺鏡透過率影響測試試驗(yàn)

選擇光譜范圍380～780 nm，且強(qiáng)度足夠的特制鹵素?zé)艄庠春碗療艄庠醋鳛闃?biāo)準(zhǔn)光源，按照圖3的方法對3根不同的內(nèi)窺鏡進(jìn)行透過率測試。

2.2 同種類型不同質(zhì)量光源對內(nèi)窺鏡透過率影響測試試驗(yàn)

選取5個不同廠家內(nèi)鏡配套用冷光源作為標(biāo)準(zhǔn)光源，光源類型均為氙燈，按照圖3的方法對同一根內(nèi)窺鏡進(jìn)行透過率測試。

2.3 不同系統(tǒng)搭配對系統(tǒng)顯色指數(shù)測試結(jié)果的影響

選用標(biāo)準(zhǔn)A和D65光源的相對光譜分布以及普通氙燈光源、鹵素?zé)艄庠春蚅ED光源光譜輸出作為系統(tǒng)輸入，分別通過5個不同透過率的內(nèi)窺鏡，不考慮導(dǎo)光束影響，對整體輸出顯色指數(shù)進(jìn)行計算。

3 試驗(yàn)結(jié)果

（1）以鹵素?zé)艉碗療艄庠醋鳛闃?biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行測試，光源類型對內(nèi)窺鏡透過率測試結(jié)果，見圖4?？梢缘贸?，兩種光源光譜覆蓋380～780 nm波長范圍，在經(jīng)過3根不同內(nèi)窺鏡之后所測得的透過率結(jié)果基本一致。

（2）同種類型不同質(zhì)量光源對內(nèi)窺鏡透過率測試結(jié)果，見圖5。從結(jié)果我們可以看出，這5個光源測得的內(nèi)窺鏡透過率結(jié)果差距也比較大。

（3）不同系統(tǒng)搭配對系統(tǒng)顯色指數(shù)的測量結(jié)果，見表1。從表1可以看出，色還原性好的光源或內(nèi)窺鏡，其組成系統(tǒng)的顯色指數(shù)優(yōu)于色還原性差的光源或內(nèi)窺鏡。

圖4 3根內(nèi)窺鏡透過率測試結(jié)果

圖5 同種類型不同質(zhì)量光源對內(nèi)窺鏡透過率結(jié)果

表1 不同系統(tǒng)搭配顯色指數(shù)測量結(jié)果對比

4 討論

4.1 光源選擇對內(nèi)窺鏡透過率測量結(jié)果的影響

從圖4可以看出，如果光源覆蓋380～780 nm范圍光譜、且在光譜范圍內(nèi)強(qiáng)度足夠，用不同類型光源作為標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行內(nèi)窺鏡透過率測試時，測量結(jié)果是基本一致的。如用于內(nèi)窺鏡顯色指數(shù)計算，以上數(shù)據(jù)最大偏差為0.8%，對檢測結(jié)果影響不大。

但是，即使光源類型一致，不同質(zhì)量冷光源的選擇，在用于內(nèi)窺鏡透過率測測試時，對測試結(jié)果還是具有較大影響的。如圖5所示，透過率在光譜兩端差異較大。其原因主要是考慮為：雖為同種類型光源，但由于燈泡的差異性以及光路中的濾光元件等多種因素，導(dǎo)致光譜的截止波長存在偏差，在光譜兩端光譜強(qiáng)度有低有高，在較低光譜強(qiáng)度條件下，透過率測量結(jié)果容易受到儀器測量精度的限制及外界環(huán)境的影響，這將會帶來較大偏差。圖5結(jié)果用于顯色指數(shù)計算，最大偏差可達(dá)4.2%，對結(jié)果真實(shí)性會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

選擇普通配合內(nèi)窺鏡用冷光源作為標(biāo)準(zhǔn)光源，進(jìn)行內(nèi)窺鏡透過率測試時應(yīng)慎重，波譜范圍較窄、或存在明顯光譜缺陷的冷光源不宜作為內(nèi)窺鏡透過率測試光源。

4.2 不同系統(tǒng)搭配對內(nèi)窺鏡系統(tǒng)顯色指數(shù)的影響

從表1可以看出，色還原性好的光源或內(nèi)窺鏡，其組成系統(tǒng)的顯色指數(shù)優(yōu)于色還原性差的光源或內(nèi)窺鏡。從光源影響程度上分析，不同光源通過同不同內(nèi)窺鏡后顯色指數(shù)變化量，見圖6。從圖6可以看出，A光源與D65光源比較，兩種光源分別通過5根內(nèi)窺鏡之后，D65光源顯色指數(shù)降低率均要高于A光源；與A光源光譜類似的鹵素?zé)艉团cD65光源光譜類似的氙燈光源比較，除內(nèi)窺1和內(nèi)鏡5，鹵素?zé)麸@色指數(shù)降低率要高于氙燈，與標(biāo)準(zhǔn)光源的變化規(guī)律并沒有形成對照關(guān)系；A光源與鹵素?zé)粢约癉65光源與氙燈相比較也沒有什么規(guī)律或者相互比例關(guān)系；幾種光源與LED光源相比更無規(guī)律可言。目前內(nèi)窺鏡的測試標(biāo)考慮了A光源和D65光源作為標(biāo)準(zhǔn)光源輸入時內(nèi)窺鏡的色還原性。通過以上分析，對于實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)的光源搭配內(nèi)窺鏡后的情況，也就是臨床應(yīng)用時，參考價值不大。

實(shí)際上，雖然同為一種類型的光源，但由于其光路中元器件透過率的差異，其輸出光譜會存在一定的差異性，輸入到不同透過率內(nèi)窺鏡后，對于顯色指數(shù)的影響程度具有很大的不確定性。因此，最有效的方法確定系統(tǒng)的顯色性就是直接對系統(tǒng)終端輸出光的顯色指數(shù)進(jìn)行檢測。

目前由于冷光源、導(dǎo)光束及內(nèi)窺鏡作為單獨(dú)的醫(yī)療器械分開注冊，所以目前顯色性的注冊檢驗(yàn)僅對各個部件進(jìn)行了考量。各個部件的測量結(jié)果對于整體雖具有一定的參考價值，但并不能完全體現(xiàn)出系統(tǒng)組合后的色還原特性，且不同的搭配會有不同的結(jié)果。所以從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，應(yīng)整體上對顯色性進(jìn)行考量，從而確定整個系統(tǒng)對使用要求的滿足性。

圖6 不同光源通過同不同內(nèi)窺鏡后顯色指數(shù)變化量

5 結(jié)語

本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，運(yùn)用透過率分段測試法，給出了內(nèi)窺鏡透過率的檢測新方案。并通過實(shí)驗(yàn)證明，測試使用光源類型不會影響內(nèi)窺鏡的透過率，但測試使用光源選擇不當(dāng)，可能會對內(nèi)窺鏡透過率的測量帶來很大的誤差。此外，質(zhì)量較差的內(nèi)窺鏡或冷光源其對整體色還原性的影響也是最大的。但從影響程度上分析，不同類型的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)組合，其色還原性存在明顯的差異。因此結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)綜合顯色性的測試是很有必要的。系統(tǒng)綜合顯色性的考量對于系統(tǒng)是否真正滿足使用要求具有很重要的作用。

[1]YY 1081-2011,醫(yī)用內(nèi)窺鏡 內(nèi)窺鏡功能供給裝置冷光源[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[2]YY 0763-2009,醫(yī)用內(nèi)窺鏡 照明用光纜[S].北京:中國醫(yī)藥科技出版社,2011.

[3]YY 0068.1-2008,醫(yī)用內(nèi)窺鏡 硬性內(nèi)窺鏡第1部分:光學(xué)性能及測試方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[4]鄒紀(jì)平.基于多光譜成像系統(tǒng)的光譜反射率重建研究[D].昆明:云南師范大學(xué),2015.

[5]GB/T 3978-2008,標(biāo)準(zhǔn)照明體和幾何條件[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[6]GB/T 5702-2003,光源顯色性評價方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[7]GB/T 3977-2008,顏色的表示方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[8]GB/T 3979-2008,物體色的測量方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

Study on Testing Methodology of the Color Rendering Index of Optical Endoscope System

In order to study the overall Color Rendering Index (CRI) of optical endoscope systems and the impact of each component on the CRI, the transmission rate of the endoscope was tested by piecewise method using different types of light sources with different quality. The CRI under different system conf guration was tested. The CRI of the system was analyzed. The experiment showed that the type of light sources had minimal impact on the transmission rate of the endoscope. By contrast, the quality of the light sources has stronger impact on the test result of transmission rate. The selection of the type of light sources has no signif cant relevance with the CRI of the system. Thus, it needs to be evaluated independently.

color rendering index; endoscope; cold light sources; color reducibility

MENG Xiang-feng, LI Ning, LIU Yan-zhen, WANG Hao, REN Hai-ping
Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

TH776+.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.028

1674-1633(2016)12-0104-03

2015-12-23

2016-04-08

作者郵箱：liuyanzhen@nifdc.org.cn