醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究

南智懿

摘要：隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展以及醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療產(chǎn)業(yè)也得到了大大的提升，對(duì)于治療很多疾病的醫(yī)學(xué)方法也得到了改善，所以，對(duì)于醫(yī)用儀器的研究和應(yīng)用是具有重要意義的?，F(xiàn)階段，醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的使用率是非常高，而且在治療過(guò)程中具有很大的作用。醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡由三部分組成，包括可彎曲部分、光源及一組鏡頭組成，使用時(shí)將內(nèi)窺鏡導(dǎo)入患者預(yù)檢查的器官，可直接窺視有關(guān)部位的變化，從而對(duì)病情做出相關(guān)的判斷。

醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡最早是用在對(duì)患者直腸的檢查中，醫(yī)務(wù)工作者需要在病人的肛門內(nèi)插入一根硬管，然后借助于蠟燭的光亮觀察直腸的病變，這種檢測(cè)方法不但給患者本人造成巨大的痛苦，而且效率低下，容易污染，還可能會(huì)傷及患者本人，而且檢測(cè)結(jié)果不具有一定的準(zhǔn)確性，正是因?yàn)檫@些弊端，醫(yī)用內(nèi)窺鏡的出現(xiàn)就應(yīng)運(yùn)而生了。內(nèi)窺鏡的出現(xiàn)完美的避開(kāi)了這些缺點(diǎn)，而且有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不僅僅是用在肛腸科的檢測(cè)中，在其它科室的檢測(cè)中也會(huì)被用到，現(xiàn)在。醫(yī)用內(nèi)窺鏡的使用是非常廣泛的，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)臨床醫(yī)學(xué)各?？朴谐^(guò)100萬(wàn)名醫(yī)技人員使用內(nèi)窺鏡相關(guān)裝置進(jìn)行臨床診斷和治療工作，隨著內(nèi)窺鏡下微創(chuàng)手術(shù)的日益普及，對(duì)內(nèi)窺鏡產(chǎn)品臨床應(yīng)用的安全性和有效性認(rèn)識(shí)也逐步深化，為了降低臨床使用風(fēng)險(xiǎn)，避免源于硬性內(nèi)窺鏡的醫(yī)療事故，迫切需要供臨床醫(yī)學(xué)工程技術(shù)人員使用的醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡質(zhì)量控制檢測(cè)裝置和技術(shù)。

一、醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡

醫(yī)用內(nèi)窺鏡的種類有很多，現(xiàn)在，在醫(yī)院中應(yīng)用較為廣泛的是電子內(nèi)窺鏡，和其它種類的醫(yī)用內(nèi)窺鏡相比，電子內(nèi)窺鏡表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)點(diǎn)更為明顯，操作方便，影像質(zhì)量好，光亮度強(qiáng)，而且圖像大，可以檢查出更細(xì)小的病變，圖像更加清晰和直觀。圖片為T912實(shí)用型LED電子內(nèi)窺鏡，它由內(nèi)鏡、視頻處理系統(tǒng)、監(jiān)視器及儲(chǔ)存部分組成，并且包含了鏡桿四支，并且其可視向角達(dá)到了0度。此外，它廣泛應(yīng)用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)的任何檢查，并且在檢查同時(shí)能讓患者自己掌握病情。

二、醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡特點(diǎn)

在醫(yī)療方面，醫(yī)用內(nèi)窺鏡則主要是在外科手術(shù)和常規(guī)醫(yī)療檢查中，與傳統(tǒng)的外科手術(shù)相比，醫(yī)用內(nèi)窺鏡的功能性微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)已近得到醫(yī)生和患者的廣泛接受，醫(yī)用內(nèi)窺鏡利用人體天然孔洞或在必要的時(shí)候開(kāi)幾個(gè)小孔，醫(yī)生只要熟練地將內(nèi)窺鏡鏡頭深入身體內(nèi)，通過(guò)其他手術(shù)器械和攝像顯示系統(tǒng)就能在體外進(jìn)行體內(nèi)的密閉手術(shù)操作。

（1）可以借助計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)，所以患者檢測(cè)時(shí)間會(huì)縮短，而且結(jié)果迅速，可以快速抓拍，提高效率;

（2）內(nèi)窺鏡具有錄像、儲(chǔ)存等功能，可以將患者發(fā)生病變部位的圖像儲(chǔ)存起來(lái)，這樣可以方便連續(xù)拍照和日后復(fù)查拍照進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)用型很強(qiáng);

（3）電子內(nèi)窺鏡的圖片色澤逼真，分辨率高，圖像清晰，而且圖像經(jīng)過(guò)特殊處理后可以放大細(xì)節(jié)，這樣利于對(duì)發(fā)生病變的部位進(jìn)行精細(xì)的觀察，進(jìn)一步確定疾病;

（4）采用屏幕顯示圖像，這樣可以充分實(shí)現(xiàn)1人操作多人同時(shí)觀看，在進(jìn)行教學(xué)、會(huì)診、診斷過(guò)程中是非常有效的，多人都可以通過(guò)屏幕進(jìn)行相關(guān)結(jié)果觀察。

（5）醫(yī)療電子內(nèi)窺鏡在臨床應(yīng)用上上也有突出的特點(diǎn)：操作靈活、簡(jiǎn)單、方便，更直接;病人不適感降到了最低程度，新的技術(shù)降低了手術(shù)復(fù)雜度，減少了治療時(shí)間，大大提高了診斷能力，提高工作效率;便于教學(xué)及臨床病例討論，以及遠(yuǎn)程會(huì)診，便于患者的密切配合，讓醫(yī)護(hù)人員和患者更好的溝通，為教學(xué)、科研提供可靠的資料。

三、相關(guān)參數(shù)分析

適用于臨床醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)檢測(cè)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能的項(xiàng)目參數(shù)，主要包括視場(chǎng)角、視向角、視覺(jué)分辨率、MTF、視場(chǎng)亮度差異率、邊緣與中心亮度比、畸變、色彩還原能力。

視場(chǎng)亮度差異率是世界范圍內(nèi)首次提出評(píng)價(jià)醫(yī)用內(nèi)窺鏡光效照明的參數(shù)。視向角表征視軸與鏡軸的角度，旋轉(zhuǎn)360°旋轉(zhuǎn)臺(tái)得到正面圖像，即可獲得視向角。視場(chǎng)角表示硬性內(nèi)窺鏡能觀察的真實(shí)視場(chǎng)范圍，測(cè)量原理是圓錐投影至等腰三角形法。分辨率是空間頻率的響應(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，用1mm寬度以內(nèi)的黑白相間的線對(duì)數(shù)（1p/mm）來(lái)表示，人眼能分辨的最大線對(duì)數(shù)即為視覺(jué)分辨率。

MTF是在國(guó)內(nèi)最早用于評(píng)價(jià)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡成像質(zhì)量的參數(shù)，調(diào)制傳遞函數(shù)模量MTF是像面與物面光強(qiáng)度分布函數(shù)的傅立葉函數(shù)變換之比，它反映了內(nèi)窺鏡的分辨率、反差、銳度等參數(shù)的綜合特性。光效測(cè)試中，邊緣與中心亮度比即為視場(chǎng)邊緣灰度值與視場(chǎng)中心灰度值之比，視場(chǎng)亮度差異率是所采集的視場(chǎng)內(nèi)像面邊緣至像面中心的灰度值之差與邊緣至中心像素點(diǎn)個(gè)數(shù)之比，表征像面灰度值沿邊緣至中心變化的斜率?；兪怯捎趦?nèi)窺鏡的鏡軸中心與邊緣放大率不同而引起的，醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡拍攝的像面為桶形畸變。

利用MATLAB軟件自動(dòng)測(cè)量視場(chǎng)中心圓斑以及70%視場(chǎng)和90%視場(chǎng)處4個(gè)圓斑圖像像橫向及縱向尺寸。假設(shè)視場(chǎng)中心的實(shí)心圓斑（直徑為4mm）無(wú)畸變，以它的尺寸為標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算其它4個(gè)實(shí)心圓斑的畸變率。色彩還原能力測(cè)試中，采用RGB色彩空間，利用MATLAB軟件計(jì)算出紅、綠、藍(lán)三原色色塊區(qū)域像素點(diǎn)的R、G、B值，分別除以測(cè)試標(biāo)靶中色塊的R＼G＼B值，即獲得內(nèi)窺鏡對(duì)紅、綠、藍(lán)三原色的色彩還原能力。該檢測(cè)裝置中采用精密機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)試標(biāo)靶和高清工業(yè)相機(jī)在XYZ三維方向的移動(dòng)，與過(guò)去20多種檢測(cè)工具相對(duì)比取得了較大的改善。

安裝盒可插入均勻光源和測(cè)試標(biāo)靶形成便攜式醫(yī)用內(nèi)窺鏡光學(xué)性能質(zhì)量控制檢測(cè)裝置，形成定性檢測(cè)裝置。設(shè)計(jì)含11p/mm-161p/mm測(cè)試區(qū)域的高精度分辨率測(cè)試標(biāo)靶;將視場(chǎng)角、畸變、色彩還原能力測(cè)試項(xiàng)目創(chuàng)新性的集成于一塊標(biāo)靶，節(jié)約成本，便于推廣應(yīng)用。圖像采集利用高清工業(yè)相機(jī)自帶的圖像采集軟件，基于機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡圖像的自動(dòng)化、連續(xù)性采集，同時(shí)對(duì)感興趣區(qū)域（AOI）單獨(dú)采集保存。利用MATLAB軟件定量的計(jì)算、測(cè)量、評(píng)估醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的各項(xiàng)光學(xué)性能指標(biāo)，創(chuàng)新性的用像素點(diǎn)數(shù)量取代擬合橢圓方法測(cè)算出醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡畸變程度，用視場(chǎng)亮度差異率來(lái)表征視場(chǎng)亮度均勻性。

四、注意事項(xiàng)

（1）相機(jī)未校準(zhǔn)，引入了新的誤差，對(duì)分辨率、色彩還原能力均有影響。檢測(cè)光效中的視場(chǎng)亮度差異率，邊緣與中心亮度比是以過(guò)圓心的一條線上的灰度作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，缺乏對(duì)整個(gè)視場(chǎng)的評(píng)價(jià)。檢測(cè)色彩還原能力是以RGB色彩空間為判定基礎(chǔ)，而非國(guó)際上通行的CIEL*a*b*色彩空間。研究采用對(duì)比度測(cè)量方法測(cè)試MTF，雖然方法簡(jiǎn)單，但一次圖像采集只能得到某一線對(duì)或空間頻率下的MTF值，要想獲得醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的MTF曲線，需要對(duì)1LP/mm-16LP/mm不同空間頻率的矩形標(biāo)靶進(jìn)行多次測(cè)試，然后計(jì)算MTF值，并進(jìn)行曲線擬合，獲取MTF曲線。各項(xiàng)參數(shù)的圖像采集和圖像處理過(guò)程分離，需要將圖像保存下來(lái)然后進(jìn)行后續(xù)的圖像處理和數(shù)據(jù)分析。

（2）內(nèi)窺鏡的使用是需要工作人員進(jìn)行日常維護(hù)的，一般由使用科室和操作人員完成，監(jiān)視器在安裝時(shí)已經(jīng)都是有相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)過(guò)測(cè)試并調(diào)整到了最佳顯示狀態(tài)，所以不建議使用者自行調(diào)試，如果顏色失真可將攝像系統(tǒng)的光學(xué)接口對(duì)準(zhǔn)顏色比較鮮明的物體或圖片，通過(guò)監(jiān)視器上的菜單進(jìn)行對(duì)比度、飽和度、亮度的調(diào)節(jié)。雖說(shuō)很多醫(yī)療內(nèi)窺鏡聲明光學(xué)接口是防水的，但光學(xué)接口和連接線不建議消毒，可用防菌套套上，每次使用時(shí)消毒防菌套，這樣可以大大增加光學(xué)接口的使用壽命，如必須消毒請(qǐng)用低溫熏蒸的方法。插口不能強(qiáng)插拔，要對(duì)準(zhǔn)十二點(diǎn)的位置進(jìn)行直插、直拔輕拿輕放，定期作白平衡校準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. G B 1 1244 - 2005醫(yī)用 .硬性內(nèi)窺鏡及附件通用要求[S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版

[2]葉春芳.光學(xué)系統(tǒng)MTF測(cè)試系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué)，2006.