医用电子内窥镜光电性能指标测量方法探讨

张沁园，颜青来， 贾晓航，陈德宝浙江省医疗器械检验研究院，杭州市，310018

0 引言

医用电子内窥镜是一种可插入人体体腔和脏器内腔进行直接观察、诊断、治疗的集光、机、电等高精尖技术于一体的医用电子光学仪器。其无创或微创腔内医疗的环境远比开放条件复杂，治疗或手术不慎如造成大出血需要马上转换成开腔手术，后果严重，危险程度高，必须清楚准确观察到体腔内的情况，因此必须控制好电子内窥镜的关键光电性能指标。以往相关内窥镜标准中已有的光学指标，如视场角、视向角、分辨率等已不足以反映电子内窥镜的光电性能。比如由于光电器件的宽容度限制，引起高对比画面中高亮度区饱和或者低亮度区截止，产生信息丢失等现象。信息丢失对于医生在临床应用来说，就产生了一种不清晰的感觉。这是电子内窥镜亮度宽容度限制造成的。由于该类产品具有区别于常规产品的特殊性，无法照搬常规的光学标准，相关检测技术尚未有现成的完全适用的国际国内标准可以参考，这就迫切需要进行研究。本文就亮度响应特性、亮度宽容度这两个性能指标测量方法的研究进行阐述。

1 原理

1.1 亮度响应特性的评估原理

亮度响应特性是指内窥镜的实际光电转换函数与所采用的编码模式函数的符合度。电子内窥镜的亮度输入和信号输出之间的转换关系应符合某种确定的编码模式，这样才能使得采用相同编码模式的监视器输出图像亮度与电子内窥镜的输入亮度成一一对应的关系 。大部分制造商适配的监视器的输出亮度和物面亮度是按照线性设计的，电子内窥镜输出信号按该电光特性计算所得亮度与实际被测试图各灰阶亮度应保持良好的线性度，我们用线性拟合系数R2评估 。

1.2 亮度宽容度的评估原理

亮度宽容度是指电子内窥镜在单次曝光中可分辨的最大临界物面亮度和最小临界物面亮度之比。这是在同一画面存在高对比度亮度的情况下，电子内窥镜呈现亮、暗区域图像信息的能力。因此亮度宽容度越大越好。此外，在暗区的截止判定上还涉及到信噪比的测量[1]。

1.3 医用电子内窥镜的特殊性

医用电子内窥镜与民用摄像机相比，是一个近工作距大视场系统，使用时的光照条件也不同，民用摄像机大多数情况下在一定亮度的日光条件下使用，但医用电子内窥镜是在人体腔内由医用冷光源提供照明。

2 测量方法设计

2.1 概述

使用光谱中性卡在测试光源适中亮度下对电子内窥镜进行白平衡。按图1的位置关系摆放待测电子内窥镜及检测部件，调整电子内窥镜拍摄距离至需要的位置进行取景，连续拍摄8幅灰阶测试图的画面，通过图像采集器将图像数据传输到计算机中。在相同的拍摄距离使用亮度计记录背景照明强度及各灰阶块亮度。提取图像数据中灰阶块对应的RGB数据进行分析统计计算。

图1 测试方法示意图Fig.1 Schematic diagram of the test method

2.2 灰阶测试图设计

2.2.1 伞状灰阶测试图

民用摄像机一般采用灰阶测试图测试亮度的响应性能[2]。其优点在于测试图像获取快速简便，不同灰阶同时显示在一张画面上，比对方便。目前，市面上灰阶测试图种类繁多，有各种密度级差，需要基于医用电子内窥镜的临床应用及产品特征进行排布及密度级差方面的设计选型。

通过调研，常用灰阶测试图，排布分类见图2、图3、图4。 条状灰阶排布（图2）是民用摄像机测试常用的排布，块状灰阶排布（图3）[3]是扫描仪测试常用的排布，如果运用在电子内窥镜的测试上存在以下问题：医用电子内窥镜是一个近工作距大视场系统，不同视场角处的像面亮度会由于余弦效应和畸变等因素的影响相差很大。因此，条状灰阶排布和块状灰阶排布是不合适的。环状灰阶排布[4]（图4）的测试图理论上解决了前两种排布测试图的缺陷，但实际应用中，不同的电子内窥镜其工作距不同，因而放大率不同，其现象为灰阶块在屏幕上的大小会不同，容易产生测量误差。为了解决这些问题，我们设计了伞状排布测试图。

图2 条状灰阶排布测试图Fig.2 Bar grayscale test chart

图3 块状灰阶排布测试图Fig.3 Lump grayscale test chart

图4 环状灰阶排布测试图Fig.4 Ring grayscale test chart

灰阶测试图密度级差既要考虑到亮度响应特性中常用线性段的测量，又要考虑到亮度宽容度中临界暗区和亮区的测量。灰阶块密度级差推荐等差型，满足亮度响应特性中常用线性段的等量输入测量。当人眼在感受亮度为1 000 cd/m2时，识别能力最高，其最小识别密度差为0.8[5]。电子内窥镜识别密度差要等于或优于人眼，因此测试电子内窥镜用的灰阶块密度级差要＜0.8。根据目前电子内窥镜的水平，密度范围尽量选择高对比度（≥1 000:1）以满足亮度宽容度中临界暗区和亮区的测量。

基于目前的灰阶测试图的制作工艺水平以及选型结果，将灰阶块密度符合ISO 21550: 2004的24块灰阶块（密度差为0.1，对比度1 000 000:1）重新整合排布成伞状，见图5。此措施拓宽了测试图的适用面，满足无自动增益电子内窥镜的亮度宽容度快速检测需要。

图5 伞状灰阶排布测试图Fig.5 Umbrella grayscale test chart

2.2.2 可调灰阶测试图

对于具有自动增益功能的电子内窥镜的测试解决方案是拍摄图6所示测试图，利用大面积固定亮度钳制住电子内窥镜摄像的自动增益值，同时可实现小面积范围亮度依次可调。

图6 可调灰阶测试排布示意图Fig.6 Adjustable gray scale test chart

图6 中背景B为光谱中性灰阶板。小灰阶块A为亮度可独立变化的照明体，照明体亮度变化范围应足以覆盖被测电子内窥镜的亮度宽容度，且其最小亮度应远低于被测电子内窥镜的暗区截止临界亮度值。该灰阶块A的面积以及位置设置应能保证在其亮度调节过程中不改变被测电子内窥镜包括电子快门在内的整体增益。

3 试验结果

3.1 试验一

试验一采用三种不同排布灰阶测试图（见图2、图3、图5）对一款无自动增益的电子内窥镜进行光电性能测试。其中块状与伞状排布灰阶测试图的相应灰阶密度值相等，仅仅是排布不同。条状灰阶测试图的灰阶密度范围不够，无法用于亮度宽容度的测试。所以试验一仅对亮度响应特性进行试验。其试验结果见表1所示，伞状灰阶测试图亮度响应曲线线性段的线性拟合度R2优于其他两种排布的灰阶测试图。

表1 不同排布下的试验数据Tab.1 Test data under diあerent layout

3.2 试验二

试验二采用伞状测试图法对一款无自动增益电子内窥镜进行光电性能测试。第一组试验使用450 cd/m2背景照明强度，第二组使用650 cd/m2背景照明强度，第三组使用3 000 cd/m2背景照明强度。其试验结果见表2所示，三种背景照明强度条件下的测试结果基本相同。

表2 不同背景照明强度下的测试数据Tab.2 Test data under diあerent background illumination intensity

3.3 试验三

试验三采用可调灰阶测试图法对一款具有自动增益的电子内窥镜进行光电性能测试。第一组试验使用卤素灯作为照明光源，第二组使用LED光源作为照明光源。试验结果见表3所示，卤素灯照明光源条件下的测试结果优于LED照明光源条件下的测试结果。

表3 不同照明光谱下的测试数据Tab.3 Test data under diあerent illumination spectrum

4 讨论

4.1 灰阶测试图排布影响

通过3.1试验一可以看出，块状和条状灰阶测试图方法是有局限性的，亮度响应特性曲线线性段的拟合度低于伞状灰阶测试图。进一步印证了前文2.2.1中不同视场角处的像面亮度会由于余弦效应和畸变等因素的影响相差很大，影响了亮度响应特性的测量的分析。

4.2 背景照明强度影响

背景照明强度的选择涉及到灰阶测试板与电子内窥镜中光电器件宽容度的测试匹配问题。当背景照明强度不足够时，灰阶测试板上最亮灰阶块未到光电器件的饱和区，或者，背景照明强度过强时，灰阶测试板上最暗灰阶块超过光电器件的截止区，都会导致测出的电子内窥镜的亮度宽容度偏小。为此我们要使用超过光电器件宽容度量程的灰阶测试块组，并选择合适的背景照明强度。由3.2试验二的结果可见，本次试验在这三个背景照明强度下，灰阶测试板与电子内窥镜中光电器件宽容度均在匹配状态。

4.3 照明光谱影响

医用电子内窥镜与民用摄像机相比，使用时的光照条件不同，民用摄像机大多数情况下在一定亮度的日光条件下使用。但医用电子内窥镜的使用状态却大不相同，它是在人体腔内由医用冷光源提供照明。该冷光源的光谱分布和民用摄像系统所适应的日光光谱分布的区别将对电子内窥镜的亮度响应产生影响。通过3.3试验三可以看出，照明光光谱对亮度响应特性有影响，试验用电子内窥镜的光电传感器中RGB三通道光电响应更贴合卤素灯光谱，也印证了其说明书中声称的需要与原厂的一款卤素灯冷光源配合使用的说法。光谱匹配性好的照明，相应的亮度宽容度也较大。因此试验要选用与电子内窥镜匹配的照明光谱进行照明，才能测出最佳光电性能。

5 结论

伞状灰阶测试图测试方法，优点是测试耗时短，缺点是适用范围较窄，只适用于无自动增益电子内窥镜。可调灰阶测试图方法的优点是适用所有电子内窥镜，且可以记录更多亮区和暗区的细节信息，测试精度更高，量程范围更广，缺点是测试耗时长。本文提出的医用电子内窥镜光电性能指标测量方法可行，无论是适用于快速检测的伞状灰阶测试图法还是更精密的可调灰阶测试图法，均为电子内窥镜产品光电部分设计分析、评价及修改提供参考依据。