醫用內窺鏡顏色還原性校準方法

趙越 張鵬舉 吳辰飛 陳萌 管西娟 / 上海市計量測試技術研究院

0 引言

醫用內窺鏡（以下簡稱內窺鏡）是一種光學儀器設備，主要用于臨床疾病的檢查、輔助治療和非開放性腔內手術，是醫院進行準確診斷和治療不可缺少的醫療儀器設備[1-2]。使用內窺鏡的突出特點是：傳統需要較大切口的開放性手術，在內窺鏡、顯示系統和相關醫療儀器的聯合輔助下，只需微創手術即可完成。內窺鏡使用過程中，往往需要借助顯示系統來觀察患者腔體的內部情況，因此，顯示系統成像圖片質量的優劣是由顯示系統和內窺鏡共同決定的。目前，醫用顯示器常見尺寸為18 英寸（1 英寸=2.54 cm）、20 英寸、21 英寸，其尺寸基本與X 射線膠片相仿[3-4]。

在視頻和圖像顯示領域，顯示系統顏色還原性通常通過色彩三要素的表現程度來評判，色彩三要素分別是：色調、飽和度和亮度。色調是由進入人眼的入射光的波長決定的，不同的波長會產生不同的顏色；飽和度表示顏色的深淺程度，即彩色的純度；亮度是指色彩的明暗程度，也稱為灰度。色調和飽和度需要依賴一定的亮度才能顯現出來[5-6]。實際使用過程中，色彩三要素具有一定的局限性。為了定量描述顏色，2018年公布了計算機科學技術名詞色坐標。常用的顏色坐標，橫軸為x，縱軸為y。通過顏色坐標，可以在色度圖上確定一個點。由于顏色坐標可以定量地描述顏色，因此，本文提出內窺鏡顏色還原性概念，即將內窺鏡顯示器顯示圖形的顏色坐標與該圖形的溯源顏色坐標進行比較。

內窺鏡的國際統一標準為ISO-8600，各國行業標準都是在它的基礎上拓展而來的。國際標準涉及參數較多，主要側重于內窺鏡的出廠檢驗和生產指導。但內窺鏡在使用過程中，需要借助顯示系統來觀察患者腔體的內部情況。內窺鏡顯示系統需要能準確、真實地顯示內窺鏡拍攝結果。當顯示系統顏色還原性不高則會出現病灶和人體組織黏連現象，影響醫生對病灶尺寸大小的判斷，甚至在極端情況下醫生無法識別病灶的存在。因此，內窺鏡顯示系統的優劣，直接影響醫生對病灶大小和位置的判斷。國際標準中，并未對顯示系統的還原性給出技術依據。國家標準GB 11244—2005《醫用內窺鏡及附件通用要求》僅包含視場角、視向角、分辨力等幾個參數，沒有涉及內窺鏡顏色還原性參數，且現已廢止。由于內窺鏡的顏色還原性在臨床使用中具有較為重要的意義，因此，本文提出一種校準內窺鏡顏色還原性的方法，同時簡要介紹相應的校準裝置。最后使用該校準方法和校準裝置，測試了一套醫院在用的內窺鏡，并對還原性進行了評價。

1 內窺鏡的結構以及工作原理

醫用內窺鏡按其發展及成像構造分類，大體可以分為三類：硬管式內窺鏡、光學纖維（軟管式）內窺鏡和電子內窺鏡。

硬管式內窺鏡包括傳像、照明、工作通道三大部分。傳像部分由物鏡、中繼系統、目鏡組成。照明部分采用冷光源用光導纖維穿入境內的方法。工作通道作用為送氣、送水、通活檢鉗[7-8]，外觀見圖1。

圖1 硬管式內窺鏡

用纖維光束傳像和導光或用CCD 傳導圖像的內窺鏡稱為光學纖維內窺鏡。由于它具有良好的柔軟性和便捷的操作性能，在醫學上得到了廣泛的應用。光學纖維內窺鏡一般由目鏡、手輪（軟性或半硬性）、鉗道口、導光束接口、導像束、導光束組成，有些產品還包括送水（氣）孔、閉孔器等[9]，外觀見圖2。

圖2 光學纖維內窺鏡

電子內窺鏡系統一般包括內窺鏡、圖像處理裝置、內窺鏡冷光源、顯示器和其他輔助設備。內窺鏡冷光源發出的光通過光導接頭導入內窺鏡內，經過照明光纖和照明透鏡，照射到黏膜上。頭端部的圖像傳感器（CCD 或CMOS）將接收到的黏膜反射光信號轉換為電信號，通過電纜線傳輸到圖像處理裝置，圖像處理裝置接收來自內窺鏡的圖像信號并轉換成影像信號，最終呈現在顯示器的屏幕上[10]，外觀見圖3。

圖3 電子內窺鏡

2 醫用內窺鏡顏色還原性校準裝置及其工作原理

參照YY/T 0910.1—2013《醫用電氣設備 醫學影像顯示系統第1 部分：評價方法》，設計出一套內窺鏡顏色還原性校準裝置，如圖4 所示。該校準裝置主要包括：測試暗箱、XYZ 高精度滑軌、6 500 K 標準光源、灰階范圍在0 ～255 的標準色板（圖5）和高度可調的三角支架。

圖4 醫用內窺鏡顏色還原性校準裝置

圖5 0 ～255 灰階范圍的標準色塊

在0 ～255 灰階范圍內的標準色板中，選取灰階為0、15、135、240 和255 的五個色塊，在色溫為6 500 K 照明條件下溯源其xy值，高精度滑軌可以穩固搭載標準色板，進行三維移動，幫助內窺鏡探頭實現對焦。測試暗箱可以提供一個“全黑”的測試環境，屏蔽外界光來減少測量誤差。6 500 K 的標準光源可以很好地復原標準色板的溯源條件，確保其使用的真實性和有效性?？烧{節高度的三角支架在搭建一個穩固的測試平臺的同時，也可以根據現場檢測環境調節校準裝置的高度，便于檢測人員測試和采集數據。

通過調整內窺鏡探頭和標準色塊完成對焦后，內窺鏡配套的顯示器會顯示拍攝到的標準色塊圖形，此時使用色度計測出屏幕顯示的標準色塊的xy值，將該值與標準色塊的xy溯源值進行比對，來評價內窺鏡顏色還原性的好壞。測試過程如圖6 所示。

圖6 測試過程

3 顏色還原性校準結果及分析

選取的五個標準色塊，在6 500 K 色溫條件下的溯源值如表1 所示。

表1 標準色塊溯源值

選取某醫院在用，生產廠家為TianSong、型號為T5007.6 的硬管式內窺鏡，使用經溯源確認的色度計，測試內窺鏡顏色還原性，測試時在內窺鏡顯示器屏幕上選取5 個測量點，將5 個測量點測得值的平均值作為測試結果。對比標準色塊的溯源值與測試結果，分析內窺鏡顏色還原性。測試結果如表2 至表6所示。

表2 灰階為0 的標準色塊測得值

根據表2 對色塊0 階求得x和y在不同屏幕位置測量值的平均值、標準偏差（采用貝塞爾公式）

x平均值：

x標準偏差：

y平均值：

y標準偏差：

根據表3 對色塊15 階求得x和y在不同屏幕位置測量值的平均值、標準偏差（采用貝塞爾公式）

表3 灰階為15 的標準色塊測得值

x平均值：

x標準偏差：

y平均值：

y標準偏差：

根據表4 對色塊135 階求得x和y在不同屏幕位置測量值的平均值、標準偏差（采用貝塞爾公式）

表4 灰階為135 的標準色塊測得值

x平均值：

x標準偏差：

y平均值：

y標準偏差：

根據表5 對色塊240 階求得x和y在不同屏幕位置測量值的平均值、標準偏差（采用貝塞爾公式）

表5 灰階為240 的標準色塊測得值

x平均值：

x標準偏差

y平均值：

y標準偏差

根據表6 對色塊255 階求得x和y在不同屏幕位置測量值的平均值、標準偏差（采用貝塞爾公式）

表6 灰階為255 的標準色塊測得值

x平均值：

x標準偏差：

y平均值：

y標準偏差：

統計不同灰階測得值的平均值，作為測試結果，如表7 所示。

表7 不同灰階的標準色塊測得值的平均值

不同灰階標準色塊的標準值、測得值和相對誤差的統計值如表8 所示；不同灰階標準色塊的相對誤差折線圖如圖7 所示。

表8 不同灰階標準色塊的標準值、測得值和相對誤差

圖7 不同灰階的標準色塊的相對誤差

統計不同灰階測得值的標準偏差，作為測試結果，如表9 所示。

表9 不同灰階的xy 測得值的標準偏差

依據表9 得到圖8 不同灰階的xy標準偏差折線圖。

圖8 不同灰階的xy 值標準偏差

4 結語

通過實驗數據，對測試結果進行了總結和分析：由圖7 可知，x的相對誤差相對較小，0 灰階時相對誤差最大，達到-1.52%；y的相對誤差隨著灰階增長，逐漸變大，255 灰階時達到5.16%；由圖8 分析可知，不同灰階的x和y測得值，其標準偏差均小于0.1，測得值具有一定的可靠性。本文所選取的被測內窺鏡，其顏色還原性較好。

未來的研究方向：1）本文僅測試了一套內窺鏡，因此，沒有定量給出內窺鏡顏色還原性的計量特性，今后可以選取不同廠家、不同型號的內窺鏡，為顏色還原性計量特性量值的確定，提供數據支持。2）本文中用到的研究方法，在256 個灰階中，僅選取了5 個代表性灰階進行測量，在后續研究時，可以擴大灰階的選取范圍，增加樣本數，提高取樣的覆蓋率，提升測試結果的可靠性。3）本文中用到的研究方法，僅分析了在6 500 K 色溫、不同灰階的標準色塊條件下，內窺鏡顏色的還原性，在后續研究時，可以研究相同標準色塊、在不同色溫條件下，內窺鏡顏色的還原性。4）使用色度計測量，標準色塊在內窺鏡顯示器呈相的xy色坐標時，通過肉眼觀察選取5 個測量點的方式具有一定的局限性，在后續研究時，可以改進測量點的選取方法，提升測試結果的可靠性。