便携式医用内窥镜光学性能定性质量控制检测装置的设计*

姬 军 蒋昌松 侯纯伟

现有医用内窥镜质量控制检测装置主要应用于生产厂家、质量监督单位，根据不同的检测参数采用不同种类的工具、仪器和设备，其检测装置体积笨重、结构复杂、操作繁琐，不便于携带，且不可进行快速检测，主要目的在于定量、精确的检测医用内窥镜的性能[1-8]。针对现有检测装置的上述缺点，本研究设计出一种便携式、快速、定性和低标准定量的医用内窥镜质量控制检测装置，用于临床工作中常规的检测，而非周期性、高标准的定量检测或安装验收。

1 便携式医用内窥镜光学性能检测装置

为了使临床常规检测的方便进行，将光学性能检测范围确定为视觉分辨率、几何畸变、色彩还原能力、动态范围及像面亮度等数个不同的光学性能参数，涵盖医用内窥镜光学性能检测的要点和主要范围。

1.1 检测装置硬件结构

便携式医用内窥镜光学性能定性质量控制检测装置硬件结构包括：①安装架；②均匀光源；③测试标靶；④弹性挡板；⑤挡条；⑥螺钉(如图1所示)。

(1)安装架。安装架为容纳整体结构的框架，有两个长宽、深度不一的插槽，一个为均匀光源槽，另一个为靶槽，为容纳均匀光源和测试标靶而设计。

(2)均匀光源。均匀光源的光源区域范围内发光强度相同，方向平行。均匀光源具有一圈外围轮廓，此部分不发光，在使用中必须使有效发光面积与测试标靶相对应。

(3)测试标靶。将视觉分辨率、几何畸变、色彩还原能力、动态范围测及像面亮度等医用内窥镜主要光学性能参数测试模块集成于一张测试标靶上。

(4)弹性挡板。将其安装于槽内的两侧，位于均匀光源、测试标靶和安装架之间，其目的在于减少均匀光源和测试标靶插入安装架过程中的摩擦，同时可固定光源和测试标靶。

(5)挡条、螺钉。为了固定均匀光源和标靶，通过螺钉将档条固定在安装架的下端，可防止均匀光源和测试标靶的滑落。档条充分弥补了均匀光源外围轮廓不发光的不足，可使均匀光完全覆盖于测试标靶上。

图1 硬件结构分解图

图2 硬件结构组合图

均匀光源具有亮度可调、光线均匀，能够满足该系统在无冷光源情况下的光线要求。当均匀光源和测试标靶插入安装架，组合为一体化的装置，该硬件装置体积小、重量轻，便于携带[9-11]。该装置组合后的实际效果如图2所示。

1.2 测试标靶的结构

图3 测试标靶

测试标靶由视觉分辨率测试模块、几何畸变测试模块、色彩还原能力测试模块和动态范围测试模块组成(如图3所示)。

(1)测试标靶的规格。测试标靶的外圆直径为50 mm，线宽为2 mm。

(2)视觉分辨率测试模块。视觉分辨率用每毫米宽度以内的黑白相间的线对数量表示(1 p/mm）。视觉分辨率测试模块位于圆心的135o、225o、45o和315o方向是4个5 mm×5 mm的矩形，其相间分别有4 lp/mm、8 lp/mm、12 lp/mm和16 lp/mm的黑白条纹，其中4 lp/mm、16 lp/mm为纵向，8 lp/mm、12 lp/mm为横向，占空比为1∶1，精度为5 μm。

(3)几何畸变测试模块。位于几何畸变测试模块的外圆直径90%处，上、下、左、右分别是一个直径为4 mm的圆形斑块。

(4)色彩还原能力测试模块。色彩还原能力测试模块中距离圆心17.5 mm 0o处为蓝色正方形块，90o处为红色正方形块，180o处为绿色正方形块、270o处为黄色正方形块，面积为5 mm×5 mm。

(5)动态范围测试模块。动态范围测试模块为测试标靶中心的圆，其直径为4 mm，且由外及里黑白渐变的圆斑。

通过测试模块集成在一张测试标靶上，简化了测试流程、方法和步骤，实现一次性检测医用内窥镜的主要光学性能参数。

2 测试标靶光学性能参数检测

插入高精度测试标靶，在有配套冷光源的情况下采用冷光源照射测试标靶的方式测量医用内窥镜光学性能；在无配套冷光源的情况下调节均匀光源的亮度，定性测试视觉分辨率、几何畸变、色彩还原能力、动态范围及像面亮度等光学性能参数。

(1)视觉分辨率。分辨率是医用内窥镜空间频率的响应函数，表征医用内窥镜对被摄对象细节的分辨能力。视觉分辨率用每毫米有多少线对数量表示(1 p/mm)。医用内窥镜采集分辨率测试模块中的线对数在显示器上显示，人眼能分辨的最大线对数即为视觉分辨率[12]。

(2)几何畸变。畸变是由于内窥镜的镜轴中心与边缘视场放大率不同而引起的。测试标靶视场中心的圆斑以及70%视场处4个圆斑图像作为测试几何畸变的模块。设视场中心的实心圆斑无畸变，以其尺寸为标准值，观察70%视场处4个圆斑图像的横向或纵向尺寸的变化，得到4个实心圆斑的变形程度，估算医用内窥镜几何畸变程度[13](如图3所示)。

(3)色彩还原能力。指医用硬性内窥镜光学系统对颜色的分辨能力。用医用内窥镜采集色彩还原能力测试模块中的红、绿、蓝、黄4个彩色正方块在显示器上显示。人眼能分辨的红、绿、蓝、黄4个彩色正方块与测试标靶上的红、绿、蓝、黄4个彩色正方块对比，观察两者之差异，即可得到色彩还原误差。误差越小，医用内窥镜色彩还原能力越好(如图3所示)。

(4)动态范围。测试标靶的中心小圆由里及外，颜色由白色逐渐变为黑色，观察采集到的图像能否区分黑白渐变。

(5)像面亮度。对整个测试标靶进行图像采集，对标靶的空白区域进行观察，比较采集的画面中心和画面边缘的亮度差异程度，差异越小像面亮度越平均。

3 结论

原有医用内窥镜质量控制检测装置主要用于定量、精确的检测医用内窥镜的分辨率、畸变及色彩还原能力等光学性能。而本便携式医用内窥镜光学性能定性质量控制检测装置通过一体化的设计，将各项光学性能参数检测模块集成在一张测试标靶上，通过均匀光源，有冷光源和无冷光源情况下均能实现内窥镜的质量性能检测，解决了原有内窥镜操作繁琐、技术复杂、体积笨重、不便携带及不能快速检测的问题，实现了检测装置一体化，降低了设备的复杂程度，操作更简单，测试更方便，简化了测试方法和步骤。

作为医用内窥镜质量控制检测技术研究的重点和难点，本便携式医用内窥镜光学性能定性的质量控制检测装置很好地完善了医疗卫生部门和机构对于医用内窥镜质量控制检测技术的研究，使内窥镜质量控制检测技术在临床上的推广与应用成为现实，使临床医务工作者能够参与医用内窥镜的质量控制检测。

[1] 国家质量监督检验检疫总局.GB 9706.1-2007医用电气设备第1部分:安全通用要求[S].北京:中国标准出版社,2008.

[2]国家食品药品监督管理局.GB 9706.19-2000医用电气设备第2部分:内窥镜设备安全要求[S].北京:中国标准出版社,2000.

[3]国家质量监督检验检疫总局.GB 11244-2005医用内窥镜及附件通用要求[S].北京:中国标准出版社,2005.

[4]国家质量监督检验检疫总局.SNT 1095-2002进口医用内窥镜性能检验规程[S].北京:中国标准出版社,2002.

[5]国家食品药品监督管理局.YY 0068.1-2008医用内窥镜硬性内窥镜第1部分:光学性能及测试方法[S].北京:中国标准出版社,2008.

[6]国家食品药品监督管理局.YY 0068.2-2008医用内窥镜硬性内窥镜第2部分:机械性能及测试方法[S].北京:中国标准出版社,2008.

[7]国家质量监督检验检疫总局.YY 1075-2007硬性宫腔内窥镜[S].北京:中国标准出版社,2007.

[8]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.

[9]李景艳,刘德森,刘刚,等.医用硬性内窥镜光学系统的应用及发展趋势[J].中国医疗设备,2005,18(7):10-12.

[10]吕庆友,官丽梅.医用内窥镜使用与维修技术[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2006:52-150.

[11]官丽梅,王维明,周洪军,等.内窥镜及相应配套设备计量检定装置的初步研制[J].医疗卫生装备,2005,11(26):74.

[12]Boreman GD.Modulation transfer function in optical and electro-optical system[M].SPIE PRESS,2001:20-27,79-84.

[13]Baxter D,Goma SR,Aleksic M.Applying image quality in cell phone cameras lens distortion[J].Image Quality and System Performance,2002,7242(1):24-25.