光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)色還原性測(cè)試方法研究

孟祥峰，李寧，劉艷珍，王浩，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)色還原性測(cè)試方法研究

孟祥峰，李寧，劉艷珍，王浩，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 醫(yī)療器械檢定所，北京 100050

為了研究?jī)?nèi)窺鏡系統(tǒng)整體色還原性以及各個(gè)部份對(duì)色還原性的相互影響，本文用不同類型和質(zhì)量的光源，采用分段測(cè)試法對(duì)內(nèi)窺鏡透過(guò)率進(jìn)行測(cè)試分析；測(cè)試不同系統(tǒng)搭配下的顯色指數(shù)，對(duì)系統(tǒng)色還原性進(jìn)行分析。試驗(yàn)證明光源類型不會(huì)影響內(nèi)窺鏡透過(guò)率的測(cè)試結(jié)果，而光源質(zhì)量對(duì)內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)試結(jié)果影響較大；光源類型的選擇與系統(tǒng)色還原性不具規(guī)律性。因此，需要單獨(dú)考量光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)色還原性。

顯色指數(shù)；內(nèi)窺鏡；冷光源；色還原性

引言

光學(xué)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的照明光路主要包括冷光源、導(dǎo)光束和內(nèi)窺鏡3個(gè)部分。內(nèi)窺鏡能夠通過(guò)人體的天然孔道，或者是經(jīng)手術(shù)做的小切口進(jìn)入人體內(nèi)的診斷治療設(shè)備。通過(guò)內(nèi)窺鏡，醫(yī)務(wù)人員可直接窺視有關(guān)部位的變化，成像質(zhì)量的好壞直接影響著內(nèi)窺鏡的使用效果。而照明色彩還原性是關(guān)系到成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。目前由于注冊(cè)單元的劃分，內(nèi)窺鏡系統(tǒng)色還原性是通過(guò)冷光源[1]、導(dǎo)光束[2]和內(nèi)窺鏡3部分各自的色還原性分開(kāi)考量，其整體色還原性以及內(nèi)窺鏡系統(tǒng)3大部分間對(duì)色還原性的相互影響尚無(wú)研究。內(nèi)窺鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖1。實(shí)際上，在3部分各自評(píng)價(jià)中，其它部分的選擇對(duì)結(jié)果有很大的影響；另外系統(tǒng)同時(shí)使用時(shí)，3部分的不同的搭配對(duì)于最終的色還原性結(jié)果也存在較大的差異。鑒于此，本文從實(shí)際臨床應(yīng)用的角度出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取最優(yōu)的檢測(cè)方案，對(duì)顯色性進(jìn)行整體分析。

圖1 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1 內(nèi)窺鏡透過(guò)率分段測(cè)試法

內(nèi)窺鏡透過(guò)率的檢測(cè)是通過(guò)光源本身光譜與通過(guò)內(nèi)窺鏡照明光路及成像光路的光譜對(duì)比進(jìn)行檢測(cè)[3]。內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)試示意圖，見(jiàn)圖2。按照現(xiàn)有的方法(YY 0068.1-2008《醫(yī)用內(nèi)窺鏡 硬性內(nèi)窺鏡 第1部分：光學(xué)性能及測(cè)試方法》中附錄C中的方法，本文稱為整體測(cè)量法)，由于內(nèi)窺鏡成像光路的光透過(guò)率較低，光源在經(jīng)過(guò)照明光路后，在物面方發(fā)生反射，反射光進(jìn)入目鏡端，目鏡端的光強(qiáng)度很低（最小可達(dá)10-5lm），對(duì)于普通光譜輻射系統(tǒng)其測(cè)量誤差較大，噪聲對(duì)透過(guò)率結(jié)果影響嚴(yán)重；此外反光板的光譜反射不一致性也可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[4]。總之，整體測(cè)量法對(duì)于環(huán)境及儀器的要求均很高，不易于實(shí)現(xiàn)。

為解決這一問(wèn)題，采用分段測(cè)試法以提高測(cè)試端的光譜強(qiáng)度。內(nèi)窺鏡透過(guò)率分段測(cè)試法示意圖，見(jiàn)圖3。內(nèi)窺鏡照明光路和成像光路為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)，因此可分別測(cè)量照明光路的透過(guò)率和成像光路的透過(guò)率，計(jì)算整體透過(guò)率，本文稱為分段測(cè)試法。該方法明顯降低了儀器及環(huán)境噪聲的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，降低了檢測(cè)成本。

圖2 內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)試示意圖

圖3 內(nèi)窺鏡透過(guò)率分段測(cè)試法示意圖

選取標(biāo)準(zhǔn)光源作為測(cè)試光源，首先按照?qǐng)D3（a），將測(cè)試光源直接連接積分球，進(jìn)行光源的輸出光譜輻射度[φi(λ)]測(cè)試；然后按照?qǐng)D3（b），將測(cè)試光源對(duì)準(zhǔn)內(nèi)窺鏡導(dǎo)光束接口，在內(nèi)窺鏡物鏡端進(jìn)行內(nèi)窺鏡照明光路輸出光譜輻射度[φ1(λ)]測(cè)試；最后按照?qǐng)D3（c），將測(cè)試光源對(duì)準(zhǔn)內(nèi)窺鏡物鏡端，在內(nèi)窺鏡鏡目鏡端進(jìn)行內(nèi)窺鏡成像光路輸出光譜輻射度透過(guò)率[φ2(λ)]測(cè)試。各個(gè)測(cè)試過(guò)程中光強(qiáng)度高于整體測(cè)量法，明顯提高了測(cè)試的精確性和可操作性。用以上測(cè)試結(jié)果分別計(jì)算照明光路和成像光路透過(guò)率，得到內(nèi)窺鏡相對(duì)光譜透過(guò)率：。歸一化后可參照YY 0068.1-2008《醫(yī)用內(nèi)窺鏡硬性內(nèi)窺鏡 第1部分：光學(xué)性能及測(cè)試方法》進(jìn)行內(nèi)窺鏡顯色指數(shù)的計(jì)算[5-8]。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 光源類型對(duì)內(nèi)窺鏡透過(guò)率影響測(cè)試試驗(yàn)

選擇光譜范圍380～780 nm，且強(qiáng)度足夠的特制鹵素?zé)艄庠春碗療艄庠醋鳛闃?biāo)準(zhǔn)光源，按照?qǐng)D3的方法對(duì)3根不同的內(nèi)窺鏡進(jìn)行透過(guò)率測(cè)試。

2.2 同種類型不同質(zhì)量光源對(duì)內(nèi)窺鏡透過(guò)率影響測(cè)試試驗(yàn)

選取5個(gè)不同廠家內(nèi)鏡配套用冷光源作為標(biāo)準(zhǔn)光源，光源類型均為氙燈，按照?qǐng)D3的方法對(duì)同一根內(nèi)窺鏡進(jìn)行透過(guò)率測(cè)試。

2.3 不同系統(tǒng)搭配對(duì)系統(tǒng)顯色指數(shù)測(cè)試結(jié)果的影響

選用標(biāo)準(zhǔn)A和D65光源的相對(duì)光譜分布以及普通氙燈光源、鹵素?zé)艄庠春蚅ED光源光譜輸出作為系統(tǒng)輸入，分別通過(guò)5個(gè)不同透過(guò)率的內(nèi)窺鏡，不考慮導(dǎo)光束影響，對(duì)整體輸出顯色指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3 試驗(yàn)結(jié)果

（1）以鹵素?zé)艉碗療艄庠醋鳛闃?biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行測(cè)試，光源類型對(duì)內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖4。可以得出，兩種光源光譜覆蓋380～780 nm波長(zhǎng)范圍，在經(jīng)過(guò)3根不同內(nèi)窺鏡之后所測(cè)得的透過(guò)率結(jié)果基本一致。

（2）同種類型不同質(zhì)量光源對(duì)內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖5。從結(jié)果我們可以看出，這5個(gè)光源測(cè)得的內(nèi)窺鏡透過(guò)率結(jié)果差距也比較大。

（3）不同系統(tǒng)搭配對(duì)系統(tǒng)顯色指數(shù)的測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表1。從表1可以看出，色還原性好的光源或內(nèi)窺鏡，其組成系統(tǒng)的顯色指數(shù)優(yōu)于色還原性差的光源或內(nèi)窺鏡。

圖4 3根內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)試結(jié)果

圖5 同種類型不同質(zhì)量光源對(duì)內(nèi)窺鏡透過(guò)率結(jié)果

表1 不同系統(tǒng)搭配顯色指數(shù)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4 討論

4.1 光源選擇對(duì)內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)量結(jié)果的影響

從圖4可以看出，如果光源覆蓋380～780 nm范圍光譜、且在光譜范圍內(nèi)強(qiáng)度足夠，用不同類型光源作為標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)試時(shí)，測(cè)量結(jié)果是基本一致的。如用于內(nèi)窺鏡顯色指數(shù)計(jì)算，以上數(shù)據(jù)最大偏差為0.8%，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響不大。

但是，即使光源類型一致，不同質(zhì)量冷光源的選擇，在用于內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)測(cè)試時(shí)，對(duì)測(cè)試結(jié)果還是具有較大影響的。如圖5所示，透過(guò)率在光譜兩端差異較大。其原因主要是考慮為：雖為同種類型光源，但由于燈泡的差異性以及光路中的濾光元件等多種因素，導(dǎo)致光譜的截止波長(zhǎng)存在偏差，在光譜兩端光譜強(qiáng)度有低有高，在較低光譜強(qiáng)度條件下，透過(guò)率測(cè)量結(jié)果容易受到儀器測(cè)量精度的限制及外界環(huán)境的影響，這將會(huì)帶來(lái)較大偏差。圖5結(jié)果用于顯色指數(shù)計(jì)算，最大偏差可達(dá)4.2%，對(duì)結(jié)果真實(shí)性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

選擇普通配合內(nèi)窺鏡用冷光源作為標(biāo)準(zhǔn)光源，進(jìn)行內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)試時(shí)應(yīng)慎重，波譜范圍較窄、或存在明顯光譜缺陷的冷光源不宜作為內(nèi)窺鏡透過(guò)率測(cè)試光源。

4.2 不同系統(tǒng)搭配對(duì)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)顯色指數(shù)的影響

從表1可以看出，色還原性好的光源或內(nèi)窺鏡，其組成系統(tǒng)的顯色指數(shù)優(yōu)于色還原性差的光源或內(nèi)窺鏡。從光源影響程度上分析，不同光源通過(guò)同不同內(nèi)窺鏡后顯色指數(shù)變化量，見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，A光源與D65光源比較，兩種光源分別通過(guò)5根內(nèi)窺鏡之后，D65光源顯色指數(shù)降低率均要高于A光源；與A光源光譜類似的鹵素?zé)艉团cD65光源光譜類似的氙燈光源比較，除內(nèi)窺1和內(nèi)鏡5，鹵素?zé)麸@色指數(shù)降低率要高于氙燈，與標(biāo)準(zhǔn)光源的變化規(guī)律并沒(méi)有形成對(duì)照關(guān)系；A光源與鹵素?zé)粢约癉65光源與氙燈相比較也沒(méi)有什么規(guī)律或者相互比例關(guān)系；幾種光源與LED光源相比更無(wú)規(guī)律可言。目前內(nèi)窺鏡的測(cè)試標(biāo)考慮了A光源和D65光源作為標(biāo)準(zhǔn)光源輸入時(shí)內(nèi)窺鏡的色還原性。通過(guò)以上分析，對(duì)于實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)的光源搭配內(nèi)窺鏡后的情況，也就是臨床應(yīng)用時(shí)，參考價(jià)值不大。

實(shí)際上，雖然同為一種類型的光源，但由于其光路中元器件透過(guò)率的差異，其輸出光譜會(huì)存在一定的差異性，輸入到不同透過(guò)率內(nèi)窺鏡后，對(duì)于顯色指數(shù)的影響程度具有很大的不確定性。因此，最有效的方法確定系統(tǒng)的顯色性就是直接對(duì)系統(tǒng)終端輸出光的顯色指數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

目前由于冷光源、導(dǎo)光束及內(nèi)窺鏡作為單獨(dú)的醫(yī)療器械分開(kāi)注冊(cè)，所以目前顯色性的注冊(cè)檢驗(yàn)僅對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行了考量。各個(gè)部件的測(cè)量結(jié)果對(duì)于整體雖具有一定的參考價(jià)值，但并不能完全體現(xiàn)出系統(tǒng)組合后的色還原特性，且不同的搭配會(huì)有不同的結(jié)果。所以從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，應(yīng)整體上對(duì)顯色性進(jìn)行考量，從而確定整個(gè)系統(tǒng)對(duì)使用要求的滿足性。

圖6 不同光源通過(guò)同不同內(nèi)窺鏡后顯色指數(shù)變化量

5 結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，運(yùn)用透過(guò)率分段測(cè)試法，給出了內(nèi)窺鏡透過(guò)率的檢測(cè)新方案。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)試使用光源類型不會(huì)影響內(nèi)窺鏡的透過(guò)率，但測(cè)試使用光源選擇不當(dāng)，可能會(huì)對(duì)內(nèi)窺鏡透過(guò)率的測(cè)量帶來(lái)很大的誤差。此外，質(zhì)量較差的內(nèi)窺鏡或冷光源其對(duì)整體色還原性的影響也是最大的。但從影響程度上分析，不同類型的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)組合，其色還原性存在明顯的差異。因此結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)綜合顯色性的測(cè)試是很有必要的。系統(tǒng)綜合顯色性的考量對(duì)于系統(tǒng)是否真正滿足使用要求具有很重要的作用。

[1]YY 1081-2011,醫(yī)用內(nèi)窺鏡 內(nèi)窺鏡功能供給裝置冷光源[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

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Study on Testing Methodology of the Color Rendering Index of Optical Endoscope System

In order to study the overall Color Rendering Index (CRI) of optical endoscope systems and the impact of each component on the CRI, the transmission rate of the endoscope was tested by piecewise method using different types of light sources with different quality. The CRI under different system conf guration was tested. The CRI of the system was analyzed. The experiment showed that the type of light sources had minimal impact on the transmission rate of the endoscope. By contrast, the quality of the light sources has stronger impact on the test result of transmission rate. The selection of the type of light sources has no signif cant relevance with the CRI of the system. Thus, it needs to be evaluated independently.

color rendering index; endoscope; cold light sources; color reducibility

MENG Xiang-feng, LI Ning, LIU Yan-zhen, WANG Hao, REN Hai-ping
Institute for Medical Devices Control, National Institutes for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

TH776+.1

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.028

1674-1633(2016)12-0104-03

2015-12-23

2016-04-08

作者郵箱：liuyanzhen@nifdc.org.cn