醫(yī)用硬性?xún)?nèi)窺鏡光效及檢測(cè)方法研究

劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

醫(yī)用硬性?xún)?nèi)窺鏡光效及檢測(cè)方法研究

劉艷珍，孟祥峰，王浩，任海萍

中國(guó)食品藥品檢定研究院 光機(jī)電室，北京 100050

本文依據(jù)YY0068.1-2008行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡的光效測(cè)量和計(jì)算方法進(jìn)行了敘述。同時(shí)，還結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)定義給出各個(gè)光效值的公式意義，便于對(duì)新概念的理解和檢測(cè)。最后，本文將30支內(nèi)窺鏡的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，為各光效值的確定、質(zhì)控和相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持。

內(nèi)窺鏡；照明鏡體光效；成像鏡體光效；綜合鏡體光效；綜合邊緣光效

0 引言

醫(yī)用內(nèi)窺鏡是用來(lái)觀察人的內(nèi)部體腔的醫(yī)療器械，通過(guò)它能直接觀察內(nèi)臟器官的組織形態(tài)，可提高診斷的準(zhǔn)確性，是醫(yī)療診斷的可靠工具。按照成像原理，醫(yī)用內(nèi)窺鏡可分為光學(xué)內(nèi)窺鏡、電子內(nèi)窺鏡和纖維內(nèi)窺鏡；按照鏡體的可彎折程度，可分為硬性?xún)?nèi)窺鏡和軟性?xún)?nèi)窺鏡。本文著重介紹硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡的光效測(cè)量方法。

硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡含有光學(xué)成像系統(tǒng)（物鏡、中轉(zhuǎn)系統(tǒng)、目鏡）和光導(dǎo)纖維傳光照明系統(tǒng)，可用于人體內(nèi)部腔體類(lèi)器官的診斷和治療，如胸腔、直腸、關(guān)節(jié)等[1]。

本文采用的光效評(píng)價(jià)方法基于YY0068.1-2008《醫(yī)用內(nèi)窺鏡 硬性?xún)?nèi)窺鏡 第1部分：光學(xué)性能及測(cè)試方法》[2]，該標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)國(guó)內(nèi)起草的針對(duì)硬性?xún)?nèi)窺鏡光學(xué)性能的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)相比，YY0068.1-2008增加了有效景深、顏色分辨能力和色還原性、照明鏡體光效、成像鏡體光效、綜合光效和單位相對(duì)畸變等要求和試驗(yàn)方法[2]。國(guó)內(nèi)浙江省醫(yī)療器械檢驗(yàn)院等闡述了硬性?xún)?nèi)窺鏡光效的定義和光學(xué)原理[3-4]，國(guó)外對(duì)于硬性?xún)?nèi)窺鏡光效評(píng)價(jià)無(wú)相關(guān)資料。再加之光效的計(jì)算公式復(fù)雜，使得YY0068.1-2008的執(zhí)行情況不容樂(lè)觀，各內(nèi)窺鏡生產(chǎn)廠家大多不能完整的實(shí)現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的檢測(cè)，各家檢測(cè)水平更是良莠不齊，本文在于詳述內(nèi)窺鏡光效的測(cè)試方法，結(jié)合光效各個(gè)參量的公式意義，以期對(duì)該參量的測(cè)量和質(zhì)控提供參考。同時(shí)，現(xiàn)有行標(biāo)中對(duì)于各光效的限值并未給出，本文給出測(cè)量的30支內(nèi)窺鏡的光效值，希望能對(duì)光效值的限定和現(xiàn)有情況提供數(shù)據(jù)支持。

1 光效評(píng)價(jià)方法

硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡的光效包含照明鏡體光效、成像鏡體光效、綜合鏡體光效和綜合邊緣光效。在這4個(gè)光效參量中，照明鏡體光效和成像鏡體光效是獨(dú)立的、互不影響的光學(xué)參量，綜合鏡體光效是照明鏡體光效和成像鏡體光效的累積效應(yīng)，綜合邊緣光效是在余弦漫射體球面Z同視場(chǎng)帶位置時(shí)，照明鏡體光效和成像鏡體光效的累積效應(yīng)。

照明鏡體光效（ILeR）是指在余弦輻射體貼面照明條件下，光學(xué)鏡照明光路對(duì)邊緣光效的貢獻(xiàn)，以照度作為光度量。具體的測(cè)量過(guò)程為：均勻光束照明條件下，在物鏡端一定距離的物面不同位置測(cè)量照明效果的差別。在計(jì)算過(guò)程中，假定照明光束通過(guò)內(nèi)窺鏡的中心傳導(dǎo)時(shí)光能無(wú)損失，以物面視場(chǎng)中心處的照度為基準(zhǔn)，考量光束到達(dá)邊緣位置處的損失程度[3-4]。在物面中心和Wp的90%所劃圓錐的4個(gè)均勻方位的照度，分別為E0、E1、E2、E3、E4，平面的朗伯體光效為L(zhǎng)Le-∞，則照明鏡體光效為：。照明鏡體光效示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 照明鏡體光效示意圖

成像鏡體光效（OLeR）是指光學(xué)鏡成像系統(tǒng)對(duì)邊緣光效的貢獻(xiàn)，以光通量透過(guò)率之比表示。具體的測(cè)量過(guò)程為：在物面端放置余弦輻射屏，測(cè)量余弦輻射屏不同位置的光在目鏡端通過(guò)的光通量的差別。在計(jì)算過(guò)程中假定余弦輻射屏的反射光通過(guò)內(nèi)窺鏡的中心傳導(dǎo)時(shí)光能無(wú)損失，以屏中心處反射產(chǎn)生的光通量為基準(zhǔn)，考量不同位置的反射光到達(dá)目鏡端的損失程度[3-4]。在物面上放置余弦輻射屏，設(shè)置小孔位置在視場(chǎng)中心和Wp的90%所劃圓錐的4個(gè)均勻方位上，在目鏡端測(cè)量光通量，分別為?0、?1、?2、?3、?4，平面的朗伯體光效為L(zhǎng)L’e-∞，則成像鏡體光效為：。成像鏡體光效示意圖，見(jiàn)圖2。

圖2 成像鏡體光效示意圖

綜合鏡體光效（SLeR）是指光學(xué)照明光路和成像系統(tǒng)對(duì)邊緣光效的貢獻(xiàn)總和。綜合鏡體光效的計(jì)算公式為：SLeR=ILeR×OLeR。公式的意義：在不考慮外部形狀的影響下，光能從物體表面到目鏡端的傳遞效率在軸上和軸外的差別。

綜合邊緣光效（SLe-z）是指在余弦漫射體球面Z同視場(chǎng)帶位置，光學(xué)鏡照明光路和成像系統(tǒng)綜合的平均邊緣光效。綜合邊緣光效的計(jì)算公式為：SLe-z=SLeR×LLe-z×LL'e-z。公式的意義：在考慮外部形狀的影響下，光能從物體表面到目鏡端的傳遞效率在軸上和軸外的差別。當(dāng)內(nèi)窺鏡的視場(chǎng)面為Z球面時(shí)，考慮球面的朗伯體光效，光學(xué)鏡末端向球面Z輻射時(shí)，朗伯體光效為L(zhǎng)Le-z，球面Z向光學(xué)鏡入瞳輻射時(shí)，朗伯體光效為L(zhǎng)L'e-z。

2 測(cè)試結(jié)果

按照以上測(cè)量方法，進(jìn)行光效測(cè)量所需要的設(shè)備包括：內(nèi)窺鏡支撐裝置、長(zhǎng)度測(cè)量設(shè)備、視場(chǎng)角測(cè)量裝置、照度測(cè)量設(shè)備、光通量測(cè)量設(shè)備、余弦輻射屏及擋板[5]。

采用上述方法，對(duì)國(guó)內(nèi)外30支光學(xué)內(nèi)窺鏡進(jìn)行光效檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 光效測(cè)量值

3 討論

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，目前所測(cè)的照明鏡體光效的范圍是0.513～1.166，成像鏡體光效的范圍是0.101～1.338，綜合鏡體光效的范圍是0.068～0.990，綜合邊緣光效的范圍是0.039～0.667。

按照照明鏡體光效值遞增的順序，30支內(nèi)窺鏡的光效數(shù)值分布，見(jiàn)圖3～6。

圖3 照明鏡體光效分布

圖4 成像鏡體光效分布

圖5 綜合鏡體光效分布

圖6 綜合邊緣光效分布

圖3是按照照明鏡體光效遞增的順序排列的，由于成像鏡體光效與照明鏡體光效相對(duì)獨(dú)立，所以其不具有遞增的規(guī)律，而綜合鏡體光效和綜合邊緣光效都是照明和成像的綜合效應(yīng)，因此也不具有遞增規(guī)律。但是從圖3～6可以看出：成像邊緣光效與綜合鏡體光效和綜合邊緣光效的走勢(shì)圖具有一些相同性，都具有相同的拐點(diǎn)6#、9#、20#、29#。

對(duì)于綜合鏡體光效和綜合邊緣光效而言，二者的區(qū)別在于綜合邊緣光效是在考慮內(nèi)窺鏡視場(chǎng)球面Z存在的情況下的綜合鏡體光效。從圖5～6可以看出，綜合鏡體光效和綜合邊緣光效具有相同的走勢(shì)圖，也就是加入視場(chǎng)球面后并沒(méi)有影響綜合鏡體光效的走勢(shì)圖。

分析光效的計(jì)算公式，照明鏡體光效和成像鏡體光效對(duì)于綜合光效的貢獻(xiàn)是等同的，但是在本次試驗(yàn)中成像鏡體光效對(duì)于綜合光效的影響更明顯，原因分析見(jiàn)圖7。結(jié)合實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)，成像鏡體光效值的大小對(duì)于綜合光效值的影響更大。

圖7 光效數(shù)值分布

從圖7可以看出，對(duì)于所測(cè)試的30支內(nèi)窺鏡，照明鏡體光效的數(shù)值較成像鏡體光效更集中，而成像鏡體光效數(shù)值的分散性較大，所以對(duì)于不同內(nèi)窺鏡，綜合光效受成像鏡體光效的影響更大。

綜上所述，對(duì)于照明鏡體光效和成像鏡體光效這兩個(gè)獨(dú)立的參量，二者無(wú)相關(guān)性。照明鏡體光效的分布較集中，成像鏡體光效的分布較分散。基于測(cè)量數(shù)據(jù)，相對(duì)于照明鏡體光效，成像鏡體光效對(duì)綜合光效的影響更大，原因也在于不同內(nèi)窺鏡之間的成像鏡體光效值相差較大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文敘述了硬性光學(xué)內(nèi)窺鏡各光效的原理和檢測(cè)方法，同時(shí)，基于30支內(nèi)窺鏡的測(cè)量數(shù)據(jù)分析了內(nèi)窺鏡光效的現(xiàn)有狀況，以助于指導(dǎo)內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)和質(zhì)控[6-7]。

[1] GB 11244-2005,醫(yī)用內(nèi)窺鏡及附件通用要求[S].

[2] YY 0068.1-2008,醫(yī)用內(nèi)窺鏡 硬性?xún)?nèi)窺鏡 第1部分:光學(xué)性能及測(cè)試方法[S].

[3] 賈曉航,顏青來(lái),馬駿,等.醫(yī)用硬性?xún)?nèi)窺鏡邊緣光效評(píng)價(jià)方法研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2008,37(9):1869-1873.

[4] 顏青來(lái),賈曉航,馬駿.醫(yī)用內(nèi)窺鏡光能傳遞效率的評(píng)價(jià)方法[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2008,19(3):256-259.

[5] 孟祥峰,王權(quán),李寧,等.醫(yī)用硬性?xún)?nèi)窺鏡測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2013,28(8):1-4.

[6] 禹璐,程德文,周偉,等.硬性?xún)?nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的雜散光分析與抑制[J].光學(xué)精密工程,2014,22(3):525-532.

[7] 王云龍.醫(yī)用內(nèi)窺鏡光學(xué)性能質(zhì)量控制定性檢測(cè)技術(shù)研究[D].廣州:南方醫(yī)科大學(xué),2015.

Study on the Optical Efficiency and Detection Methods of Medical Rigid Endoscope

LIU Yan-zhen, MENG Xiang-feng, WANG Hao, REN Hai-ping
Department of Opto-Mechatronics, National Institute for Food and Drug Control, Beijing 100050, China

Based on YY0068.1-2008, the optical effciency measurement and calculation method of rigid optical endoscope was described in this paper. At the same time, the formula meaning of each light effect value was given according to the standard defnition, which made it easy to understand and test the new concept. Finally, this paper made statistical and correlation analysis of the measurement results of 30 endoscopes, and provided data support for the determination, quality control and related research of each optical effect value.

endoscopes; illumination mirror body light effect; imaging mirror body light effect; comprehensive mirror body light effect; comprehensive edge light effect

TH776

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.011

1674-1633(2016)06-0053-03

2016-04-07

中檢院中青年發(fā)展研究基金課題（2015C01）。

任海萍，主任技師，研究方向：醫(yī)用設(shè)備的安全和性能評(píng)價(jià)。

通訊作者郵箱：renhaiping@nifdc.org.cn