醫(yī)用內(nèi)窺鏡矩形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角的測(cè)試方法研究

錢學(xué)波，高山，陳成，齊麗晶

天津市醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，天津 300384

引言

醫(yī)用內(nèi)窺鏡是指通過人體的自然孔道或者為醫(yī)療目的而創(chuàng)建的手術(shù)切口進(jìn)入人體體腔內(nèi)進(jìn)行診斷治療并擁有觀察手段的醫(yī)療器械[1-2]。按照成像原理，醫(yī)用內(nèi)窺鏡可分為光學(xué)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[3]。本文著重針對(duì)應(yīng)用廣泛的硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡進(jìn)行討論。

通過內(nèi)窺鏡，醫(yī)務(wù)人員可直接觀察人體有關(guān)部位的病變情況。內(nèi)窺鏡的視場(chǎng)角關(guān)系到體腔內(nèi)的觀察范圍，如觀察范圍過小會(huì)造成診斷及手術(shù)困難，特別是手術(shù)器械易超出視野，產(chǎn)生不必要的臨床傷害，因此內(nèi)窺鏡的視場(chǎng)角（確切說，應(yīng)為物方視場(chǎng)角或入瞳視場(chǎng)角），是一個(gè)關(guān)系到內(nèi)窺鏡臨床應(yīng)用的重要指標(biāo)[4]。

硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡的使用場(chǎng)合和加工工藝決定了內(nèi)窺鏡的視場(chǎng)為圓形，矩形視場(chǎng)是通過外接攝像系統(tǒng)對(duì)內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)所成的像進(jìn)行光學(xué)放大或數(shù)字放大后得到的[5-7]。典型的圓形視場(chǎng)和矩形視場(chǎng)示意圖，見圖1。可以看到，矩形視場(chǎng)下會(huì)有部分圖像無(wú)法顯示而產(chǎn)生視野損失[1]（見圖1b中的4）。正因?yàn)槿绱?，硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡僅設(shè)計(jì)成矩形視場(chǎng)的應(yīng)用較少，通常作為輔助功能存在，必要時(shí)犧牲部分視野對(duì)圖像進(jìn)行局部放大，以獲取更清晰的細(xì)節(jié)信息。

圖1 典型圓形視場(chǎng)和矩形視場(chǎng)示意圖

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(cè)試方法》是硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]，非等效采用ISO 8600系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[1,9-12]。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于視場(chǎng)角、角分辨力等測(cè)試方法受視場(chǎng)形狀影響的指標(biāo)進(jìn)行了有針對(duì)性的測(cè)試說明（表1），唯獨(dú)缺少了矩形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的測(cè)試方法。入瞳視場(chǎng)角（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）對(duì)其他參數(shù)的影響，見表2。從表2可以看到，入瞳視場(chǎng)角（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的測(cè)試結(jié)果直接影響了其他相關(guān)光學(xué)參數(shù)的測(cè)試準(zhǔn)確性，重要性不言而喻?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)以及ISO 8600系列標(biāo)準(zhǔn)中尚無(wú)該內(nèi)容。鑒于此，本文從幾何光學(xué)原理出發(fā)，推導(dǎo)出了矩形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角Wp（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的測(cè)量方法和通用計(jì)算公式。

1 測(cè)試方法

1.1 光闌

進(jìn)行入瞳視場(chǎng)角（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的公式推導(dǎo)之前，有必要介紹一下光闌的概念。光學(xué)系統(tǒng)中用一些中心開孔的薄金屬片來合理地限制成像光束的寬度、位置和成像范圍。這些限制成像光束和成像范圍的薄金屬片稱為光闌[13]。根據(jù)光闌在光學(xué)系統(tǒng)中的作用，分為孔徑光闌和視場(chǎng)光闌。

具體來說，孔徑光闌限制了成像光束的孔徑，決定像面的照度?？讖焦怅@經(jīng)其前面光學(xué)系統(tǒng)所成的像稱為入射光瞳，孔徑光闌經(jīng)其后面光學(xué)系統(tǒng)所成的像稱為出射光瞳?？讖焦怅@、入射光瞳、出射光瞳三者互為物象關(guān)系。

視場(chǎng)光闌決定視場(chǎng)，即物體被成像的范圍。視場(chǎng)光闌經(jīng)其前面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像稱為入射窗，視場(chǎng)光闌經(jīng)其后面的光學(xué)系統(tǒng)所成的像稱為出射窗。入射窗、視場(chǎng)光闌、出射窗三者互為物象關(guān)系。一般情況下，視場(chǎng)光闌多設(shè)在像面（如照相機(jī)的底片框）或物面（如攝像系統(tǒng)的圖片框）。此時(shí)視場(chǎng)光闌以外的部分不能成像，系統(tǒng)成像范圍有著清晰的邊界。

1.2 圓形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的測(cè)試方法

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]中給出了圓形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角Wp（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的測(cè)量步驟和計(jì)算公式，通過同心圓環(huán)測(cè)標(biāo)（兩同心圓環(huán)直徑分別為25和50 mm）來測(cè)得。測(cè)量步驟如下：① 內(nèi)窺鏡安裝在夾具中,并使內(nèi)窺鏡視軸對(duì)向測(cè)標(biāo)；② 通過測(cè)標(biāo)沿視軸方向的移動(dòng)，測(cè)出視場(chǎng)與大圓環(huán)重合時(shí)內(nèi)窺鏡末端頂點(diǎn)與測(cè)標(biāo)圓環(huán)中心垂線位置距離d2；③ 繼續(xù)移動(dòng)測(cè)標(biāo)，測(cè)出視場(chǎng)與小圓環(huán)重合時(shí)內(nèi)窺鏡末端頂點(diǎn)與測(cè)標(biāo)圓環(huán)中心垂線位置距離d1。

對(duì)于圓形視場(chǎng)，視場(chǎng)光闌一般位于鏡體內(nèi)部，連接攝像系統(tǒng)后。由于CCD尺寸大于內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的出射窗，因此外接的攝像系統(tǒng)并不改變?cè)瓋?nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)和入射光瞳位置。根據(jù)數(shù)學(xué)三角關(guān)系（圖2），有

即：

公式(2)、(3)即為標(biāo)準(zhǔn)中直接給出的圓形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角Wp（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的計(jì)算公式。我們以此為基礎(chǔ)，將視場(chǎng)擴(kuò)展到矩形視場(chǎng)。

表1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法

表2 入瞳視場(chǎng)角（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）對(duì)其他參數(shù)的影響

1.3 矩形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的測(cè)試方法

對(duì)于矩形視場(chǎng)而言，攝像系統(tǒng)的CCD或顯示屏的尺寸成為限制視場(chǎng)的器件，取代了原內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌成為新的視場(chǎng)光闌。此時(shí)，相當(dāng)于將視場(chǎng)光闌安放在像面上，入射窗和物平面重合，出射窗就是視場(chǎng)光闌本身。此外，視場(chǎng)光闌的改變并不影響入射光瞳的位置。

矩形視場(chǎng)下，為了測(cè)試的方便，我們?nèi)匀徊捎猛瑯拥耐膱A環(huán)測(cè)標(biāo)。具體測(cè)量步驟為：① 內(nèi)窺鏡安裝在夾具中并使內(nèi)窺鏡視軸對(duì)向測(cè)標(biāo)；② 通過測(cè)標(biāo)沿視軸方向的移動(dòng)，測(cè)出矩形視場(chǎng)長(zhǎng)對(duì)邊（計(jì)為a）與大圓環(huán)相切時(shí)內(nèi)窺鏡末端頂點(diǎn)與測(cè)標(biāo)圓環(huán)中心垂線位置距離da2，以及矩形視場(chǎng)長(zhǎng)對(duì)邊與小圓環(huán)相切時(shí)內(nèi)窺鏡末端頂點(diǎn)與測(cè)標(biāo)圓環(huán)中心垂線位置距離da1（圖3）；③ 通過測(cè)標(biāo)沿視軸方向的移動(dòng)，測(cè)出矩形視場(chǎng)短對(duì)邊（計(jì)為b）與大圓環(huán)相切時(shí)內(nèi)窺鏡末端頂點(diǎn)與測(cè)標(biāo)圓環(huán)中心垂線位置距離db2，以及矩形視場(chǎng)短對(duì)邊與小圓環(huán)相切時(shí)內(nèi)窺鏡末端頂點(diǎn)與測(cè)標(biāo)圓環(huán)中心垂線位置距離db1（圖4）。

根據(jù)數(shù)學(xué)三角關(guān)系，有

同理，有

同時(shí)，對(duì)于矩形視場(chǎng)，在任意工作距離d（圖5），將矩形視場(chǎng)的對(duì)角線計(jì)為c，應(yīng)有

故有

由此，我們得到了矩形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的測(cè)試方法，見公式(5)、(8)、(14)。

圖2 圓形視場(chǎng)與測(cè)標(biāo)圓環(huán)重合

圖3 矩形視場(chǎng)長(zhǎng)對(duì)邊與測(cè)標(biāo)圓環(huán)相切

圖4 矩形視場(chǎng)短對(duì)邊與測(cè)標(biāo)圓環(huán)相切

圖5 矩形視場(chǎng)任意位置

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述測(cè)試方法的可操作性，選取現(xiàn)有的3根不同規(guī)格的硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡進(jìn)行了測(cè)試。由于上述產(chǎn)品的設(shè)計(jì)入瞳視場(chǎng)角Wp（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）難以獲得（內(nèi)窺鏡產(chǎn)品通常僅要求公布頂點(diǎn)視場(chǎng)角，入瞳視場(chǎng)角用作中間計(jì)算可不公布），為了便于比較，我們通過對(duì)顯示器屏幕進(jìn)行部分遮擋（通過改變現(xiàn)實(shí)尺寸間接改變CCD尺寸，也即視場(chǎng)光闌的尺寸）構(gòu)建了滿足圖1b要求的特殊矩形視場(chǎng)（矩形視場(chǎng)與圓形視場(chǎng)內(nèi)接），根據(jù)入瞳視場(chǎng)角的定義，我們知道此時(shí)圓形視場(chǎng)和矩形視場(chǎng)下的入瞳視場(chǎng)角在數(shù)值上應(yīng)相等。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果，見表3，Wp的相對(duì)偏差在±5%以內(nèi)，α的絕對(duì)偏差在±0.3 mm以內(nèi)，測(cè)試結(jié)果與理論分析符合。引起結(jié)果偏差的原因主要有兩個(gè)：一是由手動(dòng)構(gòu)建的矩形視場(chǎng)并不規(guī)范，矩形視場(chǎng)的對(duì)角線與圓形視場(chǎng)的直徑不完全重合，與圖1b的要求有偏離；另外一個(gè)原因是構(gòu)建的矩形視場(chǎng)邊界位于顯示器外層保護(hù)屏幕上，與內(nèi)層顯示單元存在視差，進(jìn)而在進(jìn)行測(cè)標(biāo)圓環(huán)與矩形視場(chǎng)對(duì)邊相切判定時(shí)引入測(cè)量誤差。對(duì)實(shí)際的矩形視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，上述兩個(gè)引起結(jié)果偏差的原因?qū)⒉粡?fù)存在。

表3 測(cè)試結(jié)果

4 討論

本文從幾何光學(xué)原理出發(fā)構(gòu)造了入瞳視場(chǎng)角的簡(jiǎn)化幾何模型，創(chuàng)造性地提出了醫(yī)用內(nèi)窺鏡矩形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角的測(cè)試方法，并且采用試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

經(jīng)查閱以往研究[1,8-12,14]可知，現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均未提及矩形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角的測(cè)試方法，使我們對(duì)表2中所述技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估時(shí)陷入了無(wú)方法可依的狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品無(wú)法對(duì)放大后的矩形視場(chǎng)性能進(jìn)行客觀地評(píng)估。

本測(cè)試方法成功將內(nèi)窺鏡入瞳視場(chǎng)角這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)由原有的圓形視場(chǎng)擴(kuò)展到矩形視場(chǎng)，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]中描述的圓形視場(chǎng)下入瞳視場(chǎng)角的測(cè)試方法一脈相承、互相補(bǔ)充，在原有測(cè)試設(shè)備基礎(chǔ)上即可完成測(cè)試。

采用同心圓環(huán)測(cè)標(biāo)來測(cè)量入瞳視場(chǎng)角（及入瞳與頂點(diǎn)間距α）的方法簡(jiǎn)便易行，但仍存在一定的局限性。由于構(gòu)成同心圓環(huán)的邊界線會(huì)有一定的粗細(xì)，測(cè)量過程中需要對(duì)同心圓環(huán)在不同的工作距離處進(jìn)行讀數(shù)，不同的工作距離必然導(dǎo)致同心圓環(huán)的邊界線在觀察視場(chǎng)下產(chǎn)生較大的粗細(xì)變化，在不同的放大倍率下如何準(zhǔn)確定位到50 mm和25 mm的理想邊界成為影響本測(cè)試方法測(cè)試精度的關(guān)鍵因素。這就需要操作者準(zhǔn)確的操作手法和豐富的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)來最大限度降低測(cè)量誤差，提高測(cè)試準(zhǔn)確性[15-16]。

5 結(jié)論

本測(cè)試方法可行有效，便于操作，可被標(biāo)準(zhǔn)采用，也可用于設(shè)計(jì)分析和結(jié)果驗(yàn)證以及制造商的質(zhì)量控制。完善了醫(yī)用內(nèi)窺鏡的測(cè)試體系，也為矩形視場(chǎng)下內(nèi)窺鏡入瞳視場(chǎng)角的客觀測(cè)量和評(píng)價(jià)提供了必要的參考。