医用硬性内窥镜光学性能检测系统的设计与研究*

姬 军 蒋昌松 王云龙 侯纯伟 黄增跃

目前，医院在用的医用硬性内窥镜质量检测装置，根据不同的检测参数采用不同种类的仪器设备，工具和设备多达20余种。质量检测技术主要通过人工检测，其技术复杂程度只能定性判断导致误差较大，且操作繁琐，缺乏一体化、自动及定量的检测装置，不具有实用性。参照国家及行业相关标准，设计一种医用硬性内窥镜光学性能定量检测系统。

1 医用硬性内窥镜结构

硬性内窥镜由精密机械装置和高精度测试标靶组成[1-5]其精密的光学仪器部分，主要由光学成像和照明传输两大系统组成(如图1所示)。

图1 医用硬性内窥镜内部结构示意图

光学成像系统由物镜、转像和目镜三大系统组成。被观察物经物镜所成的倒像，通过转像系统将倒像转为正像并传输到目镜，再由目镜放大后为人眼所观察。为构成不同的视向角，需加入不同的棱镜。照明传输系统由光导纤维组成，将冷光源的光经过光导纤维传输到内窥镜前端，照亮被观察物[6-7]。

2 医用硬性内窥镜质量检测装置硬件结构

医用硬性内窥镜光学性能检测系统由8部分构成(如图2所示)。

图2 医用硬性内窥镜光学性能检测装置结构示意图

该系统的旋转台、支杆、视频采集装置的支架依次放置在导轨上，均匀光源固定在旋转台上，医用硬性内窥镜放在支杆上，标靶设在均匀光源和医用硬性内窥镜之间，视频采集装置与计算机相连。

硬件系统中的360o旋转台微调分辨率为±10'。导轨上具有可移动的滑块，支杆可调整高度，构建出在XYZ方向上均可精确调整的机械装置。均匀光源具有亮度可调、光线均匀及无闪烁等特点。高清相机选择工业CMOS型摄像机，配备SDK开发包，含RGB彩色图像传感器。

3 医用硬性内窥镜测试标靶

测试标靶是测试医用硬性内窥镜光学性能的重要基础。本研究的测试标靶如图3所示。

图3 医用硬性内窥镜测试标靶

3.1 视场角标靶

视场角标靶的外圆直径为45 mm，线宽为2 mm；内圆直径为20 mm，线宽为1 mm；精度为0.01 mm。医用硬性内窥镜整个视场边缘应圆整，无明显的亮暗分界线，在视场内不得有影响观察的划痕、麻点、黑点及附着物等瑕疵。采用视场角标靶可测试出医用硬性内窥镜所能观察的视场角度和范围。

3.2 几何畸变标靶

几何畸变标靶的大圆直径为45 mm，线宽为1 mm，圆直径70%处上下左右各一小实心圆，直径为3 mm，精度0.01 mm。

畸变是由于内窥镜的镜轴中心与边缘放大率不同而引起，光线离镜轴越远，畸变越大，若与镜轴正交并通过镜轴，则不发生畸变。放大率随光线入射角度增加而减小时负畸变，亦称桶形畸变，硬性内窥镜的几何畸变属桶形畸变。医用硬性内窥镜桶形畸变发生在视场边缘，会导致医生感觉错误、方位混淆、视心理改变，容易导致操作失误，带来临床危害。对几何失真测试标靶进行拍摄，测量视场中心以及70%视场处4个圆斑图像横向及纵向尺寸，可计算出畸变率[11-12]。

3.3 分辨率标靶

分辨率标靶的圆直径为45 mm，线宽为2～16l p/mm，占空比1∶1，精度5 μm。分辨率是硬性内窥镜空间频率的响应函数，表征硬性内窥镜对被摄对象细节的分辨能力[8-10]。分辨率的大小可用视觉分辨率、调制传递函数(MTF)等指标表达。视觉分辨率以1 mm宽度内的黑白相间的线对数量(1 p/mm)来表示。用高清相机采集分辨率标靶中的线对数在计算机上显示，人眼能分辨的最大线对数即为视觉分辨率。可利用matlab软件编程计算黑白相间条纹的调制传递函数，定量评价医用硬性内窥镜的分辨率。

3.4 色彩还原标靶

色彩还原标靶的圆直径为45 mm，线宽为1 mm，3个颜色分别为红(中下)、绿(左上)、蓝(右上)的均匀实心圆，直径为4 mm，分布在标靶中心周围等边三角形的顶点处。色彩还原能力是指医用硬性内窥镜光学系统对颜色的分辨能力。色彩还原准确度指用数值的方法表示某种颜色给人色彩感觉上的准确度。硬性内窥镜的光学观察系统应显色性良好，若色彩还原能力差，可能影响医生对病理组织的观察和操作，造成误诊或手术失败。将测试标靶和所拍摄图像的色彩空间转换成CIE L*a*b*色彩空间以测定两者之差异，即色彩还原误差。

3.5 光效标靶

光效标靶的圆直径为45 mm，线宽为1 mm，图直径70%处上下左右各一个3 mm×3 mm矩形框，精度为0.01 mm。

如图4所示，内窥镜视场中心比视场边缘亮度高，导致相面亮度均匀度并非100%。拍摄空白光效标靶，比较画面中心和画面边缘的亮度差异程度[13]。

图4 视场光效示意图

3.6 照明标靶

圆直径为45 mm，内容空白。如果人体脏器黏膜反射的光线经过内窥镜光学系统照明亮度低，导致影像不清晰，观察盲点多，诊断效果差。照度即为内窥镜与冷光源连接后，通过照明光纤反映在人体脏器黏膜表面特定距离的亮度值。内窥镜光学镜的光纤照明系统的照明区域应不小于光学观察系统的观察视场区域，且照明均匀，无眼见明显差异[14-15]。

4 结论

本研究所开发设计的检测装置相对于现有装置能够一体化、自动及定量地检测医用硬性内窥镜各项光学性能参数。当均匀光源照射标靶时，视频采集装置通过医用硬性内窥镜采集数据，传送至计算机进行处理，得到该医用硬性内窥镜光学性能参数。

本研究创新性地采用机器视觉技术，测量医用硬性内窥镜光学性能，准确地测量出角度、分辨率、几何畸变、色彩还原准确度、光效及照明等6类光学性能参数。高清CMOS图像传感器和精密机械装置是硬件基础。该检测装置可推广应用于各级医疗卫生机构及内窥镜生产厂家。

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[5]国家质量监督检验检疫总局.YY 1082-2007硬性关节内窥镜[S].北京:中国标准出版社,2007.

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