手術(shù)顯微鏡的顯色性評(píng)價(jià)

劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

手術(shù)顯微鏡的顯色性評(píng)價(jià)

劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

手術(shù)顯微鏡目鏡出瞳光的顯色指數(shù)直接影響顯微鏡的觀察效果，目前標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行要求。為了研究手術(shù)顯微鏡目鏡出瞳光與物面照明光的顯色指數(shù)差異，本研究測(cè)量了兩臺(tái)手術(shù)顯微鏡在分別配合不同光源和不同目鏡時(shí)，物面照明光和目鏡出瞳光的顯色指數(shù)差異。結(jié)果表明目鏡出瞳光的顯色指數(shù)均低于物面照明光，且同一目鏡對(duì)于不同手術(shù)顯微鏡的影響不同，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)合理選擇光學(xué)系統(tǒng)以提高手術(shù)顯微鏡的觀察效果。

手術(shù)顯微鏡；顯色指數(shù)；復(fù)消色差目鏡；氙燈；發(fā)光二極管

0 引言

隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，組織器官損傷修復(fù)及重建的要求也不斷被提高，手術(shù)顯微鏡對(duì)成功地完成高難度手術(shù)起到了至關(guān)重要的作用。目前手術(shù)顯微鏡已經(jīng)在神經(jīng)外科、整形外科、眼科等臨床科室得到了廣泛應(yīng)用，開(kāi)展顯微鏡手術(shù)的范圍和比例，已經(jīng)是衡量上述科室技術(shù)水平的主要標(biāo)準(zhǔn)之一[1-2]。

在手術(shù)過(guò)程中除了利用顯微鏡的放大功能外，其顯色指數(shù)也是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。顯色指數(shù)的意義在于能夠正確表現(xiàn)物質(zhì)本來(lái)的顏色，顯色指數(shù)越高就越接近物質(zhì)的本色。在目前的質(zhì)量控制中存在以下問(wèn)題：① 在使用手術(shù)顯微鏡進(jìn)行觀察時(shí)，人眼是在目鏡處進(jìn)行觀察的，目鏡出瞳光的顯色指數(shù)不同于照明光的顯色指數(shù)，現(xiàn)有的顯微鏡國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11239.1-2005中只考量物面照明光的顯色指數(shù)，未考量目鏡出瞳光的顯色指數(shù)；② 對(duì)于同一品牌的手術(shù)顯微鏡廠家都會(huì)有多個(gè)型號(hào)規(guī)格的目鏡，這些目鏡均可以和對(duì)應(yīng)的手術(shù)顯微鏡型號(hào)配合使用。在相同的照明光源下，配用不同的目鏡時(shí)，目鏡出瞳光的顯色指數(shù)是否有不同；③ 有些手術(shù)顯微鏡為了獲得不同的觀察效果，在同一臺(tái)手術(shù)顯微鏡上會(huì)有兩種光源。在相同的手術(shù)顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)下，當(dāng)使用不同的光源時(shí)，目鏡出瞳光的顯色指數(shù)變化是否有不同。

1 手術(shù)顯微鏡顯色性測(cè)試原理

1.1 手術(shù)顯微鏡的原理及光學(xué)結(jié)構(gòu)

手術(shù)顯微鏡一般都使用內(nèi)光源照明，光源從物體的旁邊或上面照明物體，產(chǎn)生的像是進(jìn)入物鏡的反射光成像，該像通過(guò)手術(shù)顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入人眼或者進(jìn)入視頻攝像系統(tǒng)，以供觀察。

手術(shù)顯微鏡從結(jié)構(gòu)上來(lái)講基本上是由觀察系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、支架系統(tǒng)[3]、視頻圖像采集及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)4大部分組成的。手術(shù)顯微鏡屬于體視顯微鏡的一種。當(dāng)主物鏡對(duì)物體成像后，分光棱鏡將光束分導(dǎo)入雙目鏡筒。雙目鏡筒按體視角放置，所以在雙眼觀察下就形成了立體圖像[4]。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)的色差影響

色差（Chromatic Aberration，CA）又稱色像差，是像差中的一種，它是透鏡成像的一個(gè)嚴(yán)重缺陷，色差就是指顏色的差別，因透射材料的透射率隨波長(zhǎng)不同而不同造成的，故只有對(duì)多色光才顯現(xiàn)出來(lái)，單色光不產(chǎn)生色差?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)范圍大約380～780 nm，不同波長(zhǎng)的光，顏色各不相同，其通過(guò)透鏡時(shí)的折射率也各不相同，這樣物方一個(gè)點(diǎn)，在像方則可能形成一個(gè)色斑。色差一般有位置色差和放大率色差。位置色差使像在任何位置觀察，都帶有色斑或暈環(huán)，使像模糊不清，而放大率色差使像帶有彩色邊緣。光學(xué)系統(tǒng)最主要的功能就是消色差 。

目前在手術(shù)顯微鏡中通常使用復(fù)消色差透鏡[5-6]，復(fù)消色差透鏡對(duì)三種色光校正了色差，其余色光的色差影響就降到了很低的程度。這類透鏡不僅校正了二級(jí)光譜，而且還校正了色球差，同時(shí)在一定程度上還改善了色彗差。所以這類透鏡能提供鑒別率較高的清晰像。盡管如此，在顯微光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的色差會(huì)減小但是不會(huì)消失。

2 手術(shù)顯微鏡的顯色性測(cè)試

為了驗(yàn)證手術(shù)顯微鏡系統(tǒng)對(duì)于顯色性的影響，對(duì)同一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行多個(gè)試驗(yàn)，分別測(cè)量物面照明光的顯色指數(shù)和目鏡出瞳光的顯色指數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以獲得手術(shù)顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于顯色性的影響。

2.1 手術(shù)顯微鏡照明光的顯色指數(shù)測(cè)試

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

控制測(cè)試環(huán)境，暗照度不大于1 lx；打開(kāi)手術(shù)顯微鏡的電源，將照明亮度調(diào)至最大，按照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行預(yù)熱；在手術(shù)顯微鏡的物面用光譜輻射計(jì)測(cè)試顯色指數(shù)[7-8]。在本研究中采用手術(shù)顯微鏡常用的氙燈和LED光源為照明光源。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

手術(shù)顯微鏡兩臺(tái)（分別為氙燈和LED光源）、光譜儀。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)兩臺(tái)手術(shù)顯微鏡進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖1。氙燈的顯色指數(shù)為97.5。LED光源的顯色指數(shù)為83.5。

圖1 兩種光源的物面照明光的光譜圖

2.2 手術(shù)顯微鏡目鏡出瞳光的顯色指數(shù)測(cè)試

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

控制測(cè)試環(huán)境，暗照度不大于1 lx；打開(kāi)手術(shù)顯微鏡的電源，將照明亮度調(diào)至最大，按照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行預(yù)熱；在手術(shù)顯微鏡的目鏡處用光譜輻射計(jì)測(cè)試顯色指數(shù)。在手術(shù)顯微鏡中，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于目鏡出瞳的顯色指數(shù)都是有影響的，一般在手術(shù)顯微鏡中，只有目鏡是方便拆卸交換使用的，物鏡等其他光源系統(tǒng)一般在使用過(guò)程中不進(jìn)行拆卸和交換使用。因此，在本實(shí)驗(yàn)中，配合不同的目鏡來(lái)改變手術(shù)顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)，測(cè)試不同目鏡下出瞳光的顯色指數(shù)[8]。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

手術(shù)顯微鏡兩臺(tái)（分別為氙燈和LED光源，每臺(tái)手術(shù)顯微鏡分別配合7種目鏡）、光譜儀、等光譜漫反射屏，其中等光譜漫反射屏的光譜反射率差在光譜380～780 nm范圍應(yīng)不大于1%。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）光源為氙燈的手術(shù)顯微鏡目鏡出瞳光的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：用光譜儀分別測(cè)量光源和安裝不同目鏡時(shí)目鏡出瞳光的光譜。將各個(gè)光譜進(jìn)行歸一化處理后的結(jié)果更能反映出在不同測(cè)試條件下光譜的變化情況，見(jiàn)圖2。

圖2 氙燈光源和目鏡出瞳光的光譜圖

圖中紅色為氙燈光源的光譜圖，其他顏色分別為安裝不同目鏡時(shí)出瞳光的光譜圖。從圖中可以看出,安裝目鏡后出瞳光的光譜圖有一些變化，并且安裝不同目鏡時(shí)，光譜圖的變化也不同，光譜圖的不同必然導(dǎo)致光的顯色指數(shù)的變化。目鏡出瞳光的顯色指數(shù)較物面照明光的顯色指數(shù)均有下降，配合不同的目鏡，顯色指數(shù)下降的程度不同，見(jiàn)圖3。

（2）光源為L(zhǎng)ED的手術(shù)顯微鏡目鏡出瞳光的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：用光譜儀分別測(cè)量光源和安裝不同目鏡時(shí)目鏡出瞳光的光譜，見(jiàn)圖4。

同樣，目鏡出瞳處的光譜圖與LED光源本身的光譜圖有差異，而且配用不同目鏡時(shí)，目鏡出瞳處的光譜也發(fā)生了變化。目鏡出瞳光的顯色指數(shù)較物面照明光的顯色指數(shù)均有下降，配合不同的目鏡，顯色指數(shù)下降的程度不同，見(jiàn)圖5。

圖3 氙燈光源及目鏡出瞳光的顯色指數(shù)對(duì)比

圖4 LED光源和目鏡出瞳光的光譜圖

圖5 LED光源及目鏡光的顯色指數(shù)對(duì)比

2.3 結(jié)果和討論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出無(wú)論照明光源是氙燈還是LED，手術(shù)顯微鏡的物面照明光在經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后,目鏡出瞳光的顯色指數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的下降。

同一目鏡對(duì)于不同光源的手術(shù)顯微鏡顯色指數(shù)的影響程度也是不同的，只有目鏡7對(duì)于兩種光源的影響比較接近，見(jiàn)圖6。換而言之，某個(gè)目鏡對(duì)某臺(tái)手術(shù)顯微鏡的顯色指數(shù)影響較小，但是將其配合另一臺(tái)手術(shù)顯微鏡的時(shí)候，對(duì)于顯色指數(shù)的影響未必是較小的。目鏡出瞳光的顯色指數(shù)變化是受照明光源的光譜和顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)的光譜特性的匹配性影響。在手術(shù)顯微鏡中，可以將物面照明光視為輸入，光學(xué)系統(tǒng)是傳遞函數(shù)，目鏡出瞳光的光譜是輸出。較高的顯色指數(shù)是指光源在380～780 nm之間的光譜成分豐富，其光譜形狀與標(biāo)準(zhǔn)光源越相近則顯色指數(shù)越高。

圖6 不同光源下目鏡對(duì)于顯色指數(shù)的影響

3 結(jié)論

目前手術(shù)顯微鏡已經(jīng)在多個(gè)臨床科室得到廣泛應(yīng)用，其顯色指數(shù)對(duì)手術(shù)效果有較大的影響。目前的標(biāo)準(zhǔn)只是考量物面照明光的顯色指數(shù)，但人眼是在目鏡處進(jìn)行觀察的，手術(shù)顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于照明光的顯色指數(shù)是有影響的。從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，目鏡出瞳光的顯色指數(shù)均低于物面照明光的顯色指數(shù)；不同的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于顯色指數(shù)的影響程度不同；對(duì)于相同的光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)照明光源不同時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于顯色指數(shù)的影響程度也不同。綜上所述，建議手術(shù)顯微鏡的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)中增加對(duì)目鏡出瞳光的顯色指數(shù)的考量，生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)過(guò)程中也應(yīng)考慮該項(xiàng)要求。

[1] 劉劍峰,陳斌,倪勇.手術(shù)顯微鏡的研究進(jìn)展及發(fā)展展望[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2013,34(10):85-87.

[2] 范衛(wèi),李從誼,夏鴻慧,等.手術(shù)顯微鏡下斜視矯正手術(shù)的臨床療效觀察[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)工程,2014,22(8):39-41.

[3] 王成輝,張鵬,陳文霞.醫(yī)用光學(xué)生物顯微鏡的修理與調(diào)整[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2011,26(7):125,95

[4] 陳惠民,張延武.醫(yī)用光學(xué)顯微鏡的分類介紹[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2004,25(10):39-41.

[5] 楊捷,任曉敏,唐榮高,等.顯微鏡的配置、評(píng)估與維修保養(yǎng)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展,2015,36(4):56-59.

[6] 楊利華,趙侃,于雙雙,等.立體手術(shù)顯微鏡連續(xù)變焦大物鏡設(shè)計(jì)[J].紅外與激光工程,2016,45(1):1-5.

[7] IGB 11239.1-2005,手術(shù)顯微鏡 第1部分:要求和試驗(yàn)方法[S].

[8] GB/T 5702-2003,光源顯色性評(píng)價(jià)方法[S].

Color Rendering Evaluation of Surgical Microscopes

LIU Yan-zhen, MENG Xiang-feng, WANG Hao, REN Hai-ping
Division of Active Medical Devices and Medical Optics, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

The color rendering index (CRI) of eyepiece exit pupil light in surgical microscope directly affected the observed effect. The current standards had no requirements about the CRI of eyepiece exit pupil light. To study the difference of the CRI between the eyepiece exit pupil light and the object illumination light, the research measured the CRI of the eyepiece exit pupil light and the object illumination light in two surgical microscopes with different light sources and eyepieces. According to the results, the CRI of eyepiece exit pupil light was lower than the object illumination light; the same eyepiece impacted differently in different surgical microscopes. In practice, the optical system should be taken as a reasonable choice to improve the observed effect.

surgical microscope; color rendering index; apochromatic eyepiece; xenon light; lightemitting diode

TH773

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.08.009

1674-1633(2016)08-0037-03

2016-06-22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2015BAI03B00）。

任海萍，中國(guó)食品藥品檢定研究院光機(jī)電室主任，主任技師。主要研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程，醫(yī)療器械檢定。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn