手术显微镜的显色性评价

刘艳珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中国食品药品检定研究院 光机电室，北京 100050

手术显微镜的显色性评价

刘艳珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中国食品药品检定研究院 光机电室，北京 100050

手术显微镜目镜出瞳光的显色指数直接影响显微镜的观察效果，目前标准中未对该指标进行要求。为了研究手术显微镜目镜出瞳光与物面照明光的显色指数差异，本研究测量了两台手术显微镜在分别配合不同光源和不同目镜时，物面照明光和目镜出瞳光的显色指数差异。结果表明目镜出瞳光的显色指数均低于物面照明光，且同一目镜对于不同手术显微镜的影响不同，在实际应用中应合理选择光学系统以提高手术显微镜的观察效果。

手术显微镜；显色指数；复消色差目镜；氙灯；发光二极管

0 引言

随着医学的发展，组织器官损伤修复及重建的要求也不断被提高，手术显微镜对成功地完成高难度手术起到了至关重要的作用。目前手术显微镜已经在神经外科、整形外科、眼科等临床科室得到了广泛应用，开展显微镜手术的范围和比例，已经是衡量上述科室技术水平的主要标准之一[1-2]。

在手术过程中除了利用显微镜的放大功能外，其显色指数也是一个很关键的参数。显色指数的意义在于能够正确表现物质本来的颜色，显色指数越高就越接近物质的本色。在目前的质量控制中存在以下问题：① 在使用手术显微镜进行观察时，人眼是在目镜处进行观察的，目镜出瞳光的显色指数不同于照明光的显色指数，现有的显微镜国家标准GB 11239.1-2005中只考量物面照明光的显色指数，未考量目镜出瞳光的显色指数；② 对于同一品牌的手术显微镜厂家都会有多个型号规格的目镜，这些目镜均可以和对应的手术显微镜型号配合使用。在相同的照明光源下，配用不同的目镜时，目镜出瞳光的显色指数是否有不同；③ 有些手术显微镜为了获得不同的观察效果，在同一台手术显微镜上会有两种光源。在相同的手术显微镜光学系统下，当使用不同的光源时，目镜出瞳光的显色指数变化是否有不同。

1 手术显微镜显色性测试原理

1.1 手术显微镜的原理及光学结构

手术显微镜一般都使用内光源照明，光源从物体的旁边或上面照明物体，产生的像是进入物镜的反射光成像，该像通过手术显微镜的光学系统进入人眼或者进入视频摄像系统，以供观察。

手术显微镜从结构上来讲基本上是由观察系统、照明系统、支架系统[3]、视频图像采集及数据管理系统4大部分组成的。手术显微镜属于体视显微镜的一种。当主物镜对物体成像后，分光棱镜将光束分导入双目镜筒。双目镜筒按体视角放置，所以在双眼观察下就形成了立体图像[4]。

1.2 光学系统的色差影响

色差（Chromatic Aberration，CA）又称色像差，是像差中的一种，它是透镜成像的一个严重缺陷，色差就是指颜色的差别，因透射材料的透射率随波长不同而不同造成的，故只有对多色光才显现出来，单色光不产生色差。可见光的波长范围大约380～780 nm，不同波长的光，颜色各不相同，其通过透镜时的折射率也各不相同，这样物方一个点，在像方则可能形成一个色斑。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观察，都带有色斑或晕环，使像模糊不清，而放大率色差使像带有彩色边缘。光学系统最主要的功能就是消色差 。

目前在手术显微镜中通常使用复消色差透镜[5-6]，复消色差透镜对三种色光校正了色差，其余色光的色差影响就降到了很低的程度。这类透镜不仅校正了二级光谱，而且还校正了色球差，同时在一定程度上还改善了色彗差。所以这类透镜能提供鉴别率较高的清晰像。尽管如此，在显微光学系统中透镜的色差会减小但是不会消失。

2 手术显微镜的显色性测试

为了验证手术显微镜系统对于显色性的影响，对同一台设备进行多个试验，分别测量物面照明光的显色指数和目镜出瞳光的显色指数，通过试验结果的对比，可以获得手术显微镜光学系统对于显色性的影响。

2.1 手术显微镜照明光的显色指数测试

2.1.1 实验设计

控制测试环境，暗照度不大于1 lx；打开手术显微镜的电源，将照明亮度调至最大，按照说明书进行预热；在手术显微镜的物面用光谱辐射计测试显色指数[7-8]。在本研究中采用手术显微镜常用的氙灯和LED光源为照明光源。

2.1.2 实验设备

手术显微镜两台（分别为氙灯和LED光源）、光谱仪。

2.1.3 实验结果

对两台手术显微镜进行测试，测试结果，见图1。氙灯的显色指数为97.5。LED光源的显色指数为83.5。

图1 两种光源的物面照明光的光谱图

2.2 手术显微镜目镜出瞳光的显色指数测试

2.2.1 实验设计

控制测试环境，暗照度不大于1 lx；打开手术显微镜的电源，将照明亮度调至最大，按照说明书进行预热；在手术显微镜的目镜处用光谱辐射计测试显色指数。在手术显微镜中，光学系统对于目镜出瞳的显色指数都是有影响的，一般在手术显微镜中，只有目镜是方便拆卸交换使用的，物镜等其他光源系统一般在使用过程中不进行拆卸和交换使用。因此，在本实验中，配合不同的目镜来改变手术显微镜的光学系统，测试不同目镜下出瞳光的显色指数[8]。

2.2.2 实验设备

手术显微镜两台（分别为氙灯和LED光源，每台手术显微镜分别配合7种目镜）、光谱仪、等光谱漫反射屏，其中等光谱漫反射屏的光谱反射率差在光谱380～780 nm范围应不大于1%。

2.2.3 实验结果

（1）光源为氙灯的手术显微镜目镜出瞳光的实验结果：用光谱仪分别测量光源和安装不同目镜时目镜出瞳光的光谱。将各个光谱进行归一化处理后的结果更能反映出在不同测试条件下光谱的变化情况，见图2。

图2 氙灯光源和目镜出瞳光的光谱图

图中红色为氙灯光源的光谱图，其他颜色分别为安装不同目镜时出瞳光的光谱图。从图中可以看出,安装目镜后出瞳光的光谱图有一些变化，并且安装不同目镜时，光谱图的变化也不同，光谱图的不同必然导致光的显色指数的变化。目镜出瞳光的显色指数较物面照明光的显色指数均有下降，配合不同的目镜，显色指数下降的程度不同，见图3。

（2）光源为LED的手术显微镜目镜出瞳光的实验结果：用光谱仪分别测量光源和安装不同目镜时目镜出瞳光的光谱，见图4。

同样，目镜出瞳处的光谱图与LED光源本身的光谱图有差异，而且配用不同目镜时，目镜出瞳处的光谱也发生了变化。目镜出瞳光的显色指数较物面照明光的显色指数均有下降，配合不同的目镜，显色指数下降的程度不同，见图5。

图3 氙灯光源及目镜出瞳光的显色指数对比

图4 LED光源和目镜出瞳光的光谱图

图5 LED光源及目镜光的显色指数对比

2.3 结果和讨论

从实验结果可以看出无论照明光源是氙灯还是LED，手术显微镜的物面照明光在经过光学系统后,目镜出瞳光的显色指数均出现了不同程度的下降。

同一目镜对于不同光源的手术显微镜显色指数的影响程度也是不同的，只有目镜7对于两种光源的影响比较接近，见图6。换而言之，某个目镜对某台手术显微镜的显色指数影响较小，但是将其配合另一台手术显微镜的时候，对于显色指数的影响未必是较小的。目镜出瞳光的显色指数变化是受照明光源的光谱和显微镜光学系统的光谱特性的匹配性影响。在手术显微镜中，可以将物面照明光视为输入，光学系统是传递函数，目镜出瞳光的光谱是输出。较高的显色指数是指光源在380～780 nm之间的光谱成分丰富，其光谱形状与标准光源越相近则显色指数越高。

图6 不同光源下目镜对于显色指数的影响

3 结论

目前手术显微镜已经在多个临床科室得到广泛应用，其显色指数对手术效果有较大的影响。目前的标准只是考量物面照明光的显色指数，但人眼是在目镜处进行观察的，手术显微镜光学系统对于照明光的显色指数是有影响的。从本文的实验结果可以看出，目镜出瞳光的显色指数均低于物面照明光的显色指数；不同的光学系统对于显色指数的影响程度不同；对于相同的光学系统，当照明光源不同时，光学系统对于显色指数的影响程度也不同。综上所述，建议手术显微镜的质控标准中增加对目镜出瞳光的显色指数的考量，生产厂家在设计过程中也应考虑该项要求。

[1] 刘剑峰,陈斌,倪勇.手术显微镜的研究进展及发展展望[J].医疗卫生装备,2013,34(10):85-87.

[2] 范卫,李从谊,夏鸿慧,等.手术显微镜下斜视矫正手术的临床疗效观察[J].中国医学工程,2014,22(8):39-41.

[3] 王成辉,张鹏,陈文霞.医用光学生物显微镜的修理与调整[J].中国医疗设备,2011,26(7):125,95

[4] 陈惠民,张延武.医用光学显微镜的分类介绍[J].医疗卫生装备, 2004,25(10):39-41.

[5] 杨捷,任晓敏,唐荣高,等.显微镜的配置、评估与维修保养[J].生物医学工程学进展,2015,36(4):56-59.

[6] 杨利华,赵侃,于双双,等.立体手术显微镜连续变焦大物镜设计[J].红外与激光工程,2016,45(1):1-5.

[7] IGB 11239.1-2005,手术显微镜 第1部分:要求和试验方法[S].

[8] GB/T 5702-2003,光源显色性评价方法[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

国家科技支撑计划课题（2015BAI03B00）。

任海萍，中国食品药品检定研究院光机电室主任，主任技师。主要研究方向：生物医学工程，医疗器械检定。

通讯作者邮箱：renhaiping@nifdc.org.cn