醫用內窺鏡矩形視場下入瞳視場角的測試方法研究

錢學波，高山，陳成，齊麗晶

天津市醫療器械質量監督檢驗中心，天津 300384

引言

醫用內窺鏡是指通過人體的自然孔道或者為醫療目的而創建的手術切口進入人體體腔內進行診斷治療并擁有觀察手段的醫療器械[1-2]。按照成像原理，醫用內窺鏡可分為光學內窺鏡、電子內窺鏡和纖維內窺鏡；按照鏡體的可彎折程度，可分為硬性內窺鏡和軟性內窺鏡[3]。本文著重針對應用廣泛的硬性光學內窺鏡進行討論。

通過內窺鏡，醫務人員可直接觀察人體有關部位的病變情況。內窺鏡的視場角關系到體腔內的觀察范圍，如觀察范圍過小會造成診斷及手術困難，特別是手術器械易超出視野，產生不必要的臨床傷害，因此內窺鏡的視場角（確切說，應為物方視場角或入瞳視場角），是一個關系到內窺鏡臨床應用的重要指標[4]。

硬性光學內窺鏡的使用場合和加工工藝決定了內窺鏡的視場為圓形，矩形視場是通過外接攝像系統對內窺鏡光學系統所成的像進行光學放大或數字放大后得到的[5-7]。典型的圓形視場和矩形視場示意圖，見圖1。可以看到，矩形視場下會有部分圖像無法顯示而產生視野損失[1]（見圖1b中的4）。正因為如此，硬性光學內窺鏡僅設計成矩形視場的應用較少，通常作為輔助功能存在，必要時犧牲部分視野對圖像進行局部放大，以獲取更清晰的細節信息。

圖1 典型圓形視場和矩形視場示意圖

YY 0068.1-2008《醫用內窺鏡 硬性內窺鏡 第1部分：光學性能及測試方法》是硬性光學內窺鏡的行業標準[8]，非等效采用ISO 8600系列國際標準[1,9-12]。標準中對于視場角、角分辨力等測試方法受視場形狀影響的指標進行了有針對性的測試說明（表1），唯獨缺少了矩形視場下入瞳視場角（及入瞳與頂點間距α）的測試方法。入瞳視場角（及入瞳與頂點間距α）對其他參數的影響，見表2。從表2可以看到，入瞳視場角（及入瞳與頂點間距α）的測試結果直接影響了其他相關光學參數的測試準確性，重要性不言而喻。現有國內標準以及ISO 8600系列標準中尚無該內容。鑒于此，本文從幾何光學原理出發，推導出了矩形視場下入瞳視場角Wp（及入瞳與頂點間距α）的測量方法和通用計算公式。

1 測試方法

1.1 光闌

進行入瞳視場角（及入瞳與頂點間距α）的公式推導之前，有必要介紹一下光闌的概念。光學系統中用一些中心開孔的薄金屬片來合理地限制成像光束的寬度、位置和成像范圍。這些限制成像光束和成像范圍的薄金屬片稱為光闌[13]。根據光闌在光學系統中的作用，分為孔徑光闌和視場光闌。

具體來說，孔徑光闌限制了成像光束的孔徑，決定像面的照度。孔徑光闌經其前面光學系統所成的像稱為入射光瞳，孔徑光闌經其后面光學系統所成的像稱為出射光瞳。孔徑光闌、入射光瞳、出射光瞳三者互為物象關系。

視場光闌決定視場，即物體被成像的范圍。視場光闌經其前面的光學系統所成的像稱為入射窗，視場光闌經其后面的光學系統所成的像稱為出射窗。入射窗、視場光闌、出射窗三者互為物象關系。一般情況下，視場光闌多設在像面（如照相機的底片框）或物面（如攝像系統的圖片框）。此時視場光闌以外的部分不能成像，系統成像范圍有著清晰的邊界。

1.2 圓形視場下入瞳視場角（及入瞳與頂點間距α）的測試方法

行業標準[8]中給出了圓形視場下入瞳視場角Wp（及入瞳與頂點間距α）的測量步驟和計算公式，通過同心圓環測標（兩同心圓環直徑分別為25和50 mm）來測得。測量步驟如下：① 內窺鏡安裝在夾具中,并使內窺鏡視軸對向測標；② 通過測標沿視軸方向的移動，測出視場與大圓環重合時內窺鏡末端頂點與測標圓環中心垂線位置距離d2；③ 繼續移動測標，測出視場與小圓環重合時內窺鏡末端頂點與測標圓環中心垂線位置距離d1。

對于圓形視場，視場光闌一般位于鏡體內部，連接攝像系統后。由于CCD尺寸大于內窺鏡光學系統的出射窗，因此外接的攝像系統并不改變原內窺鏡光學系統的視場和入射光瞳位置。根據數學三角關系（圖2），有

即：

公式(2)、(3)即為標準中直接給出的圓形視場下入瞳視場角Wp（及入瞳與頂點間距α）的計算公式。我們以此為基礎，將視場擴展到矩形視場。

表1 行業標準中的測試方法

表2 入瞳視場角（及入瞳與頂點間距α）對其他參數的影響

1.3 矩形視場下入瞳視場角（及入瞳與頂點間距α）的測試方法

對于矩形視場而言，攝像系統的CCD或顯示屏的尺寸成為限制視場的器件，取代了原內窺鏡光學系統的視場光闌成為新的視場光闌。此時，相當于將視場光闌安放在像面上，入射窗和物平面重合，出射窗就是視場光闌本身。此外，視場光闌的改變并不影響入射光瞳的位置。

矩形視場下，為了測試的方便，我們仍然采用同樣的同心圓環測標。具體測量步驟為：① 內窺鏡安裝在夾具中并使內窺鏡視軸對向測標；② 通過測標沿視軸方向的移動，測出矩形視場長對邊（計為a）與大圓環相切時內窺鏡末端頂點與測標圓環中心垂線位置距離da2，以及矩形視場長對邊與小圓環相切時內窺鏡末端頂點與測標圓環中心垂線位置距離da1（圖3）；③ 通過測標沿視軸方向的移動，測出矩形視場短對邊（計為b）與大圓環相切時內窺鏡末端頂點與測標圓環中心垂線位置距離db2，以及矩形視場短對邊與小圓環相切時內窺鏡末端頂點與測標圓環中心垂線位置距離db1（圖4）。

根據數學三角關系，有

同理，有

同時，對于矩形視場，在任意工作距離d（圖5），將矩形視場的對角線計為c，應有

故有

由此，我們得到了矩形視場下入瞳視場角（及入瞳與頂點間距α）的測試方法，見公式(5)、(8)、(14)。

圖2 圓形視場與測標圓環重合

圖3 矩形視場長對邊與測標圓環相切

圖4 矩形視場短對邊與測標圓環相切

圖5 矩形視場任意位置

2 試驗驗證

為了驗證上述測試方法的可操作性，選取現有的3根不同規格的硬性光學內窺鏡進行了測試。由于上述產品的設計入瞳視場角Wp（及入瞳與頂點間距α）難以獲得（內窺鏡產品通常僅要求公布頂點視場角，入瞳視場角用作中間計算可不公布），為了便于比較，我們通過對顯示器屏幕進行部分遮擋（通過改變現實尺寸間接改變CCD尺寸，也即視場光闌的尺寸）構建了滿足圖1b要求的特殊矩形視場（矩形視場與圓形視場內接），根據入瞳視場角的定義，我們知道此時圓形視場和矩形視場下的入瞳視場角在數值上應相等。

3 試驗結果

試驗結果，見表3，Wp的相對偏差在±5%以內，α的絕對偏差在±0.3 mm以內，測試結果與理論分析符合。引起結果偏差的原因主要有兩個：一是由手動構建的矩形視場并不規范，矩形視場的對角線與圓形視場的直徑不完全重合，與圖1b的要求有偏離；另外一個原因是構建的矩形視場邊界位于顯示器外層保護屏幕上，與內層顯示單元存在視差，進而在進行測標圓環與矩形視場對邊相切判定時引入測量誤差。對實際的矩形視場進行測試時，上述兩個引起結果偏差的原因將不復存在。

表3 測試結果

4 討論

本文從幾何光學原理出發構造了入瞳視場角的簡化幾何模型，創造性地提出了醫用內窺鏡矩形視場下入瞳視場角的測試方法，并且采用試驗進行了驗證。

經查閱以往研究[1,8-12,14]可知，現有相關標準均未提及矩形視場下入瞳視場角的測試方法，使我們對表2中所述技術指標進行測試評估時陷入了無方法可依的狀態，進而導致相關產品無法對放大后的矩形視場性能進行客觀地評估。

本測試方法成功將內窺鏡入瞳視場角這個關鍵技術指標由原有的圓形視場擴展到矩形視場，與行業標準[8]中描述的圓形視場下入瞳視場角的測試方法一脈相承、互相補充，在原有測試設備基礎上即可完成測試。

采用同心圓環測標來測量入瞳視場角（及入瞳與頂點間距α）的方法簡便易行，但仍存在一定的局限性。由于構成同心圓環的邊界線會有一定的粗細，測量過程中需要對同心圓環在不同的工作距離處進行讀數，不同的工作距離必然導致同心圓環的邊界線在觀察視場下產生較大的粗細變化，在不同的放大倍率下如何準確定位到50 mm和25 mm的理想邊界成為影響本測試方法測試精度的關鍵因素。這就需要操作者準確的操作手法和豐富的測試經驗來最大限度降低測量誤差，提高測試準確性[15-16]。

5 結論

本測試方法可行有效，便于操作，可被標準采用，也可用于設計分析和結果驗證以及制造商的質量控制。完善了醫用內窺鏡的測試體系，也為矩形視場下內窺鏡入瞳視場角的客觀測量和評價提供了必要的參考。