醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光效及檢測方法研究

劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機電室，北京 100050

醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光效及檢測方法研究

劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國食品藥品檢定研究院 光機電室，北京 100050

本文依據(jù)YY0068.1-2008行業(yè)標準，對硬性光學內(nèi)窺鏡的光效測量和計算方法進行了敘述。同時，還結(jié)合標準定義給出各個光效值的公式意義，便于對新概念的理解和檢測。最后，本文將30支內(nèi)窺鏡的測量結(jié)果進行統(tǒng)計和相關(guān)性分析，為各光效值的確定、質(zhì)控和相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持。

內(nèi)窺鏡；照明鏡體光效；成像鏡體光效；綜合鏡體光效；綜合邊緣光效

0 引言

醫(yī)用內(nèi)窺鏡是用來觀察人的內(nèi)部體腔的醫(yī)療器械，通過它能直接觀察內(nèi)臟器官的組織形態(tài)，可提高診斷的準確性，是醫(yī)療診斷的可靠工具。按照成像原理，醫(yī)用內(nèi)窺鏡可分為光學內(nèi)窺鏡、電子內(nèi)窺鏡和纖維內(nèi)窺鏡；按照鏡體的可彎折程度，可分為硬性內(nèi)窺鏡和軟性內(nèi)窺鏡。本文著重介紹硬性光學內(nèi)窺鏡的光效測量方法。

硬性光學內(nèi)窺鏡含有光學成像系統(tǒng)（物鏡、中轉(zhuǎn)系統(tǒng)、目鏡）和光導纖維傳光照明系統(tǒng)，可用于人體內(nèi)部腔體類器官的診斷和治療，如胸腔、直腸、關(guān)節(jié)等[1]。

本文采用的光效評價方法基于YY0068.1-2008《醫(yī)用內(nèi)窺鏡 硬性內(nèi)窺鏡 第1部分：光學性能及測試方法》[2]，該標準是中國國內(nèi)起草的針對硬性內(nèi)窺鏡光學性能的行業(yè)標準，與國外標準相比，YY0068.1-2008增加了有效景深、顏色分辨能力和色還原性、照明鏡體光效、成像鏡體光效、綜合光效和單位相對畸變等要求和試驗方法[2]。國內(nèi)浙江省醫(yī)療器械檢驗院等闡述了硬性內(nèi)窺鏡光效的定義和光學原理[3-4]，國外對于硬性內(nèi)窺鏡光效評價無相關(guān)資料。再加之光效的計算公式復雜，使得YY0068.1-2008的執(zhí)行情況不容樂觀，各內(nèi)窺鏡生產(chǎn)廠家大多不能完整的實現(xiàn)行業(yè)標準中的檢測，各家檢測水平更是良莠不齊，本文在于詳述內(nèi)窺鏡光效的測試方法，結(jié)合光效各個參量的公式意義，以期對該參量的測量和質(zhì)控提供參考。同時，現(xiàn)有行標中對于各光效的限值并未給出，本文給出測量的30支內(nèi)窺鏡的光效值，希望能對光效值的限定和現(xiàn)有情況提供數(shù)據(jù)支持。

1 光效評價方法

硬性光學內(nèi)窺鏡的光效包含照明鏡體光效、成像鏡體光效、綜合鏡體光效和綜合邊緣光效。在這4個光效參量中，照明鏡體光效和成像鏡體光效是獨立的、互不影響的光學參量，綜合鏡體光效是照明鏡體光效和成像鏡體光效的累積效應(yīng)，綜合邊緣光效是在余弦漫射體球面Z同視場帶位置時，照明鏡體光效和成像鏡體光效的累積效應(yīng)。

照明鏡體光效（ILeR）是指在余弦輻射體貼面照明條件下，光學鏡照明光路對邊緣光效的貢獻，以照度作為光度量。具體的測量過程為：均勻光束照明條件下，在物鏡端一定距離的物面不同位置測量照明效果的差別。在計算過程中，假定照明光束通過內(nèi)窺鏡的中心傳導時光能無損失，以物面視場中心處的照度為基準，考量光束到達邊緣位置處的損失程度[3-4]。在物面中心和Wp的90%所劃圓錐的4個均勻方位的照度，分別為E0、E1、E2、E3、E4，平面的朗伯體光效為LLe-∞，則照明鏡體光效為：。照明鏡體光效示意圖，見圖1。

圖1 照明鏡體光效示意圖

成像鏡體光效（OLeR）是指光學鏡成像系統(tǒng)對邊緣光效的貢獻，以光通量透過率之比表示。具體的測量過程為：在物面端放置余弦輻射屏，測量余弦輻射屏不同位置的光在目鏡端通過的光通量的差別。在計算過程中假定余弦輻射屏的反射光通過內(nèi)窺鏡的中心傳導時光能無損失，以屏中心處反射產(chǎn)生的光通量為基準，考量不同位置的反射光到達目鏡端的損失程度[3-4]。在物面上放置余弦輻射屏，設(shè)置小孔位置在視場中心和Wp的90%所劃圓錐的4個均勻方位上，在目鏡端測量光通量，分別為?0、?1、?2、?3、?4，平面的朗伯體光效為LL’e-∞，則成像鏡體光效為：。成像鏡體光效示意圖，見圖2。

圖2 成像鏡體光效示意圖

綜合鏡體光效（SLeR）是指光學照明光路和成像系統(tǒng)對邊緣光效的貢獻總和。綜合鏡體光效的計算公式為：SLeR=ILeR×OLeR。公式的意義：在不考慮外部形狀的影響下，光能從物體表面到目鏡端的傳遞效率在軸上和軸外的差別。

綜合邊緣光效（SLe-z）是指在余弦漫射體球面Z同視場帶位置，光學鏡照明光路和成像系統(tǒng)綜合的平均邊緣光效。綜合邊緣光效的計算公式為：SLe-z=SLeR×LLe-z×LL'e-z。公式的意義：在考慮外部形狀的影響下，光能從物體表面到目鏡端的傳遞效率在軸上和軸外的差別。當內(nèi)窺鏡的視場面為Z球面時，考慮球面的朗伯體光效，光學鏡末端向球面Z輻射時，朗伯體光效為LLe-z，球面Z向光學鏡入瞳輻射時，朗伯體光效為LL'e-z。

2 測試結(jié)果

按照以上測量方法，進行光效測量所需要的設(shè)備包括：內(nèi)窺鏡支撐裝置、長度測量設(shè)備、視場角測量裝置、照度測量設(shè)備、光通量測量設(shè)備、余弦輻射屏及擋板[5]。

采用上述方法，對國內(nèi)外30支光學內(nèi)窺鏡進行光效檢測，檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 光效測量值

3 討論

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，目前所測的照明鏡體光效的范圍是0.513～1.166，成像鏡體光效的范圍是0.101～1.338，綜合鏡體光效的范圍是0.068～0.990，綜合邊緣光效的范圍是0.039～0.667。

按照照明鏡體光效值遞增的順序，30支內(nèi)窺鏡的光效數(shù)值分布，見圖3～6。

圖3 照明鏡體光效分布

圖4 成像鏡體光效分布

圖5 綜合鏡體光效分布

圖6 綜合邊緣光效分布

圖3是按照照明鏡體光效遞增的順序排列的，由于成像鏡體光效與照明鏡體光效相對獨立，所以其不具有遞增的規(guī)律，而綜合鏡體光效和綜合邊緣光效都是照明和成像的綜合效應(yīng)，因此也不具有遞增規(guī)律。但是從圖3～6可以看出：成像邊緣光效與綜合鏡體光效和綜合邊緣光效的走勢圖具有一些相同性，都具有相同的拐點6#、9#、20#、29#。

對于綜合鏡體光效和綜合邊緣光效而言，二者的區(qū)別在于綜合邊緣光效是在考慮內(nèi)窺鏡視場球面Z存在的情況下的綜合鏡體光效。從圖5～6可以看出，綜合鏡體光效和綜合邊緣光效具有相同的走勢圖，也就是加入視場球面后并沒有影響綜合鏡體光效的走勢圖。

分析光效的計算公式，照明鏡體光效和成像鏡體光效對于綜合光效的貢獻是等同的，但是在本次試驗中成像鏡體光效對于綜合光效的影響更明顯，原因分析見圖7。結(jié)合實際的測量數(shù)據(jù)，成像鏡體光效值的大小對于綜合光效值的影響更大。

圖7 光效數(shù)值分布

從圖7可以看出，對于所測試的30支內(nèi)窺鏡，照明鏡體光效的數(shù)值較成像鏡體光效更集中，而成像鏡體光效數(shù)值的分散性較大，所以對于不同內(nèi)窺鏡，綜合光效受成像鏡體光效的影響更大。

綜上所述，對于照明鏡體光效和成像鏡體光效這兩個獨立的參量，二者無相關(guān)性。照明鏡體光效的分布較集中，成像鏡體光效的分布較分散?；跍y量數(shù)據(jù)，相對于照明鏡體光效，成像鏡體光效對綜合光效的影響更大，原因也在于不同內(nèi)窺鏡之間的成像鏡體光效值相差較大。

4 結(jié)語

本文敘述了硬性光學內(nèi)窺鏡各光效的原理和檢測方法，同時，基于30支內(nèi)窺鏡的測量數(shù)據(jù)分析了內(nèi)窺鏡光效的現(xiàn)有狀況，以助于指導內(nèi)窺鏡的設(shè)計和質(zhì)控[6-7]。

[1] GB 11244-2005,醫(yī)用內(nèi)窺鏡及附件通用要求[S].

[2] YY 0068.1-2008,醫(yī)用內(nèi)窺鏡 硬性內(nèi)窺鏡 第1部分:光學性能及測試方法[S].

[3] 賈曉航,顏青來,馬駿,等.醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡邊緣光效評價方法研究[J].光學學報,2008,37(9):1869-1873.

[4] 顏青來,賈曉航,馬駿.醫(yī)用內(nèi)窺鏡光能傳遞效率的評價方法[J].中國計量學院學報,2008,19(3):256-259.

[5] 孟祥峰,王權(quán),李寧,等.醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡測試裝置的設(shè)計與研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2013,28(8):1-4.

[6] 禹璐,程德文,周偉,等.硬性內(nèi)窺鏡光學系統(tǒng)的雜散光分析與抑制[J].光學精密工程,2014,22(3):525-532.

[7] 王云龍.醫(yī)用內(nèi)窺鏡光學性能質(zhì)量控制定性檢測技術(shù)研究[D].廣州:南方醫(yī)科大學,2015.

Study on the Optical Efficiency and Detection Methods of Medical Rigid Endoscope

LIU Yan-zhen, MENG Xiang-feng, WANG Hao, REN Hai-ping
Department of Opto-Mechatronics, National Institute for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Based on YY0068.1-2008, the optical effciency measurement and calculation method of rigid optical endoscope was described in this paper. At the same time, the formula meaning of each light effect value was given according to the standard defnition, which made it easy to understand and test the new concept. Finally, this paper made statistical and correlation analysis of the measurement results of 30 endoscopes, and provided data support for the determination, quality control and related research of each optical effect value.

endoscopes; illumination mirror body light effect; imaging mirror body light effect; comprehensive mirror body light effect; comprehensive edge light effect

TH776

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.011

1674-1633(2016)06-0053-03

2016-04-07

中檢院中青年發(fā)展研究基金課題（2015C01）。

任海萍，主任技師，研究方向：醫(yī)用設(shè)備的安全和性能評價。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn