本文關(guān)鍵詞：醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能質(zhì)量控制檢測(cè)技術(shù)研究

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【摘要】：研究背景與目的 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡,是一種可插入人體體腔和臟器內(nèi)進(jìn)行直接觀察、診斷、治療的醫(yī)用光學(xué)裝置,主要有腹腔鏡、宮腔鏡、關(guān)節(jié)鏡、膀胱鏡等。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)臨床醫(yī)學(xué)各�？朴谐^(guò)100萬(wàn)名醫(yī)技人員使用內(nèi)窺鏡相關(guān)裝置進(jìn)行臨床診斷和治療工作,國(guó)內(nèi)90%以上的醫(yī)療機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展了內(nèi)窺鏡下臨床診療項(xiàng)目。 隨著內(nèi)窺鏡下微創(chuàng)手術(shù)的日益普及,對(duì)內(nèi)窺鏡產(chǎn)品臨床應(yīng)用的安全性和有效性認(rèn)識(shí)也逐步深化,硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能直接或間接地涉及患者的安全。為了降低臨床使用風(fēng)險(xiǎn),避免源于硬性內(nèi)窺鏡的醫(yī)療事故,迫切需要供臨床醫(yī)學(xué)工程技術(shù)人員使用的醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡質(zhì)量控制檢測(cè)裝置和技術(shù)。 現(xiàn)有的ISO標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)步過(guò)慢,還未提出適用于醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)評(píng)判醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn),不適于臨床醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)用于驗(yàn)收、維修、周期檢定、報(bào)廢等工作。 國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局杭州醫(yī)療器械檢驗(yàn)中心使用的醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡質(zhì)量檢測(cè)裝置根據(jù)不同的檢測(cè)參數(shù)采用20多種工具和設(shè)備,主要通過(guò)人工檢測(cè),操作繁瑣、技術(shù)復(fù)雜、誤差較大,缺乏一體化、自動(dòng)化的檢測(cè)設(shè)備,以及定量的評(píng)價(jià)方法。沈陽(yáng)軍區(qū)官麗梅等人提出了簡(jiǎn)單的內(nèi)窺鏡計(jì)量檢定裝置研制設(shè)想,但沒(méi)有形成可操作的儀器設(shè)備和檢測(cè)技術(shù)方法。美國(guó)lighthouse公司近年推出了世界上唯一專門(mén)用于醫(yī)用內(nèi)窺鏡光學(xué)性能檢測(cè)的專用設(shè)備,但8萬(wàn)美元的價(jià)格使得該設(shè)備在國(guó)內(nèi)、軍內(nèi)無(wú)法普及,同時(shí)也存在檢測(cè)項(xiàng)目與國(guó)家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不匹配的缺點(diǎn)。杭州遠(yuǎn)方光電公司研發(fā)的內(nèi)窺鏡光色測(cè)試系統(tǒng)主要檢測(cè)色譜等基礎(chǔ)光學(xué)參數(shù),不適合臨床醫(yī)療機(jī)構(gòu)用于對(duì)內(nèi)窺鏡光學(xué)性能做整體評(píng)價(jià)。 該研究針對(duì)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范、方法、裝置的現(xiàn)狀,研制能夠自動(dòng)、定量、一體化、廉價(jià)的檢測(cè)裝置,開(kāi)發(fā)適用于臨床醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的檢測(cè)方法、步驟,以滿足臨床醫(yī)療機(jī)構(gòu)醫(yī)學(xué)工程人員的需求。 檢測(cè)方法與裝置 該研究綜合分析國(guó)內(nèi)外醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在具有多年臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生指導(dǎo)下,選用適用于臨床醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)檢測(cè)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能的項(xiàng)目參數(shù),主要包括視場(chǎng)角、視向角、視覺(jué)分辨率、MTF、視場(chǎng)亮度差異率、邊緣與中心亮度比、畸變、色彩還原能力。其中,MTF是在國(guó)內(nèi)最早用于評(píng)價(jià)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡成像質(zhì)量的參數(shù)。視場(chǎng)亮度差異率是世界范圍內(nèi)首次提出評(píng)價(jià)醫(yī)用內(nèi)窺鏡光效照明的參數(shù)。 視向角表征視軸與鏡軸的角度,旋轉(zhuǎn)360°旋轉(zhuǎn)臺(tái)得到正面圖像,即可獲得視向角。視場(chǎng)角表示硬性內(nèi)窺鏡能觀察的真實(shí)視場(chǎng)范圍,測(cè)量原理是圓錐投影至等腰三角形法。 分辨率是空間頻率的響應(yīng)函數(shù),表征硬性內(nèi)窺鏡對(duì)被攝對(duì)象細(xì)節(jié)的分辨能力,用1mm寬度以內(nèi)的黑白相間的線對(duì)數(shù)(1p/mm)來(lái)表示,人眼能分辨的最大線對(duì)數(shù)即為視覺(jué)分辨率。調(diào)制傳遞函數(shù)模量MTF是像面與物面光強(qiáng)度分布函數(shù)的傅立葉函數(shù)變換之比,它反映了內(nèi)窺鏡的分辨率、反差、銳度等參數(shù)的綜合特性。 光效測(cè)試中,邊緣與中心亮度比即為視場(chǎng)邊緣灰度值與視場(chǎng)中心灰度值之比,視場(chǎng)亮度差異率是所采集的視場(chǎng)內(nèi)像面邊緣至像面中心的灰度值之差與邊緣至中心像素點(diǎn)個(gè)數(shù)之比,表征像面灰度值沿邊緣至中心變化的斜率。 畸變是由于內(nèi)窺鏡的鏡軸中心與邊緣放大率不同而引起的,醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡拍攝的像面為桶形畸變。利用MATLAB軟件自動(dòng)測(cè)量視場(chǎng)中心圓斑以及70%視場(chǎng)和90%視場(chǎng)處4個(gè)圓斑圖像像橫向及縱向尺寸。假設(shè)視場(chǎng)中心的實(shí)心圓斑(直徑為4mm)無(wú)畸變,以它的尺寸為標(biāo)準(zhǔn)值,計(jì)算其它4個(gè)實(shí)心圓斑的畸變率。 色彩還原能力測(cè)試中,采用RGB色彩空間,利用MATLAB軟件計(jì)算出紅、綠、藍(lán)三原色色塊區(qū)域像素點(diǎn)的R、G、B值,分別除以測(cè)試標(biāo)靶中色塊的R\G\B值,即獲得內(nèi)窺鏡對(duì)紅、綠、藍(lán)三原色的色彩還原能力。 該檢測(cè)裝置中采用精密機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)試標(biāo)靶和高清工業(yè)相機(jī)在XYZ三維方向的移動(dòng),整套檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)一體化、自動(dòng)化、定量化,與過(guò)去20多種檢測(cè)工具相對(duì)比取得了較大的改善。安裝盒可插入均勻光源和測(cè)試標(biāo)靶形成便攜式醫(yī)用內(nèi)窺鏡光學(xué)性能質(zhì)量控制檢測(cè)裝置,形成定性檢測(cè)裝置。 該研究自主設(shè)計(jì)含1lp/mm-16lp/mm測(cè)試區(qū)域的高精度分辨率測(cè)試標(biāo)靶；將視場(chǎng)角、畸變、色彩還原能力測(cè)試項(xiàng)目創(chuàng)新性的集成于一塊標(biāo)靶,節(jié)約成本,便于推廣應(yīng)用。 圖像采集利用高清工業(yè)相機(jī)自帶的圖像采集軟件,基于機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡圖像的自動(dòng)化、連續(xù)性采集,同時(shí)對(duì)感興趣區(qū)域(AOI)單獨(dú)采集保存。 利用MATLAB軟件定量的計(jì)算、測(cè)量、評(píng)估醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的各項(xiàng)光學(xué)性能指標(biāo),創(chuàng)新性的用像素點(diǎn)數(shù)量取代擬合橢圓方法測(cè)算出醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡畸變程度,用視場(chǎng)亮度差異率來(lái)表征視場(chǎng)亮度均勻性。 測(cè)試結(jié)果與討論 (1)角度 ①視場(chǎng)角,允許誤差范圍-10%。 ②視向角,允許誤差范圍±30。 該課題測(cè)試了0°宮腔鏡,30°關(guān)節(jié)鏡,0°腹腔鏡3支醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的視場(chǎng)角,視向角,結(jié)果全部合格。 (2)成像質(zhì)量 ①視覺(jué)分辨率 測(cè)試13支內(nèi)窺鏡,每支內(nèi)窺鏡差異性較大,視覺(jué)分辨率最差的為5lp/mm,最好的為161p/mm。 ②MTF a、每支內(nèi)窺鏡的視覺(jué)分辨率差異性巨大,而MTF閾值集中在0.2-0.3之間,其中2號(hào),5號(hào),9號(hào),10號(hào)內(nèi)鏡MTF閾值為0.4-0.5是因?yàn)樵谙乱粋�(gè)線對(duì)所對(duì)應(yīng)的MTF值立即衰減至0.2以下,程序無(wú)法準(zhǔn)確的計(jì)算出其MTF值。 b、以13號(hào)30°腹腔鏡為例,調(diào)節(jié)均勻背光源至亮度8,腹腔鏡整體、中心、邊緣的MTF曲線均呈現(xiàn)隨著線對(duì)數(shù)增大,MTF值越小的趨勢(shì)。整體MTF曲線與邊緣MTF曲線更加一致,并優(yōu)于中心MTF值。但不同的內(nèi)窺鏡個(gè)體差異性較大,并不能得出所有硬性內(nèi)窺鏡整體都有這樣的特征,如30°鼻竇鏡。 c、在所采集的圖像90%視場(chǎng)處,分割出一個(gè)60*60像素點(diǎn)的矩形方塊,進(jìn)行MTF計(jì)算。腹腔鏡中,在亮度7下,MTF曲線明顯優(yōu)于亮度8下MTF曲線。鼻竇鏡在亮度7下MTF曲線優(yōu)于亮度6下MTF曲線。由此得出,每一支硬性內(nèi)窺鏡都有一個(gè)最合適的亮度使之分辨率最高,但并不能統(tǒng)一而論。但可以得出過(guò)曝之前,同一位置,亮度越高,MTF值越大。 d、通過(guò)對(duì)比70°鼻竇鏡不同亮度下,整體、中心、邊緣MTF對(duì)比圖,可得出以下兩個(gè)結(jié)論,1、整體與中心隨亮度變化較邊緣隨亮度變化趨勢(shì)稍緩,2、亮度越低,第1線對(duì)的MTF值越低。同樣,每一支內(nèi)窺鏡個(gè)體差異下較大,并不適合得出統(tǒng)一的結(jié)論。 e、將所有內(nèi)窺鏡[除去11號(hào)內(nèi)鏡(有故障,視場(chǎng)邊緣有明顯的暗光)]的MTF數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析,繪制成曲線,可得出：1、整體與中心較整體與邊緣相關(guān)度更集中；2、中心與邊緣的相關(guān)程度隨著不同的內(nèi)鏡差距較大。 f、30°腹腔鏡在同一位置下,不同亮度所對(duì)應(yīng)的MTF值的相關(guān)系數(shù)在[0.9-0.99]區(qū)間內(nèi),相關(guān)度較高,說(shuō)明內(nèi)窺鏡的分辨率是由自身所決定,亮度只是其中的一個(gè)外來(lái)因素,對(duì)硬性內(nèi)窺鏡的MTF值和分辨率沒(méi)有起決定作用,而是作為附加因素間接影響。 (3)光效 ①邊緣與中心亮度比 邊緣與中心亮度比與亮度的高低沒(méi)有明顯的關(guān)系,邊緣與中心亮度比對(duì)應(yīng)的點(diǎn)在圖中呈現(xiàn)一種不規(guī)則的狀態(tài)。觀察縱坐標(biāo)可以得到邊緣與中心亮度比的范圍為0.765至0.795之間,變化范圍區(qū)域僅為0.03。從以上可以得出,對(duì)于同一個(gè)內(nèi)窺鏡而言,邊緣與中心亮度比與亮度大小沒(méi)有關(guān)系,而且值的大小基本保持穩(wěn)定。 ②視場(chǎng)亮度差異率 選取宮腔電切鏡的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制,以亮度值為橫坐標(biāo)軸,以視場(chǎng)亮度差異率作為縱坐標(biāo)軸繪制曲線,說(shuō)明亮度越高,視場(chǎng)亮度差異率越大,亮度均勻性越差。 (4)畸變 ①內(nèi)窺鏡的不同區(qū)域的畸變程度差異巨大。 ②70%視場(chǎng)處的畸變程度明顯小于90%視場(chǎng)處的畸變。 (5)色彩還原能力 ①每支內(nèi)窺鏡的綠色還原能力、藍(lán)色還原能力、紅色還原能力均呈遞減趨勢(shì)。 ②色彩還原能力普遍較低,主要有兩方面的因素：a、硬性內(nèi)窺鏡本身對(duì)色彩還原能力較低；b、測(cè)試標(biāo)靶中的紅綠藍(lán)純色塊的加工水平未達(dá)到預(yù)期。 研究總結(jié)與展望 該研究在檢測(cè)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能方面取得了較為穩(wěn)定和可靠的結(jié)果,但仍然有很多需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方： 1、相機(jī)未校準(zhǔn),引入了新的誤差,對(duì)分辨率、色彩還原能力均有影響。 2、檢測(cè)光效中的視場(chǎng)亮度差異率,邊緣與中心亮度比是以過(guò)圓心的一條線上的灰度作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),缺乏對(duì)整個(gè)視場(chǎng)的評(píng)價(jià)。 3、檢測(cè)色彩還原能力是以RGB色彩空間為判定基礎(chǔ),而非國(guó)際上通行的CIEL*a*b*色彩空間。 4、研究采用對(duì)比度測(cè)量方法測(cè)試MTF,雖然方法簡(jiǎn)單,但一次圖像采集只能得到某一線對(duì)或空間頻率下的MTF值,要想獲得醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的MTF曲線,需要對(duì)1LP/mm-16LP/mm不同空間頻率的矩形標(biāo)靶進(jìn)行多次測(cè)試,然后計(jì)算MTF值,并進(jìn)行曲線擬合,獲取MTF曲線。 5、目前測(cè)試醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能各項(xiàng)參數(shù)時(shí),都采用手動(dòng)調(diào)距,xyz方向距離均需人為定性控制和判斷,不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)測(cè)試標(biāo)靶與醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡之間的位置。 6、各項(xiàng)參數(shù)的圖像采集和圖像處理過(guò)程分離,需要將圖像保存下來(lái)然后進(jìn)行后續(xù)的圖像處理和數(shù)據(jù)分析。 7、整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)處于一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境中,雖然已經(jīng)采用了暗箱等物理方法減少外界環(huán)境的干擾,以及采用了一定的算法消除了測(cè)試標(biāo)靶和CCD噪聲的部分影響。但是檢測(cè)結(jié)果中仍然不可避免的存在CCD分辨率、畸變、暗電流等因素的影響。 下一步研究工作中,可考慮重點(diǎn)以下兩個(gè)方向： 1、推廣應(yīng)用該研究的檢測(cè)裝置、檢測(cè)方法,并進(jìn)入中試階段 2、采用綜合測(cè)試標(biāo)靶定性地測(cè)試包括光源系統(tǒng)、顯示器等整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)性能。并將應(yīng)用領(lǐng)域可擴(kuò)展至纖維鏡、電子鏡、三維內(nèi)窺鏡手術(shù)系統(tǒng)。
【關(guān)鍵詞】：醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡 光學(xué)性能 質(zhì)量控制 檢測(cè)
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R443.8
【目錄】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-19
• 第一章 緒論19-23
• 1.1 課題的研究意義19-20
• 1.2 課題的研究背景20-21
• 1.3 課題的主要特色21-22
• 1.4 論文的結(jié)構(gòu)安排22-23
• 第二章 檢測(cè)項(xiàng)目23-40
• 2.1 醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡介紹23-33
• 2.1.1 典型結(jié)構(gòu)23-26
• 2.1.2 組成原理26-27
• 2.1.3 構(gòu)成材料27
• 2.1.4 配套器械27-28
• 2.1.5 國(guó)內(nèi)外差異28-29
• 2.1.6 成像原理29-30
• 2.1.7 技術(shù)參數(shù)30-31
• 2.1.8 常見(jiàn)故障31-32
• 2.1.9 硬鏡分類32-33
• 2.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)項(xiàng)目33-37
• 2.2.1 ISO標(biāo)準(zhǔn)33
• 2.2.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)33
• 2.2.3 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)33-37
• 2.3 國(guó)內(nèi)外檢測(cè)裝置檢測(cè)項(xiàng)目37-38
• 2.3.1 Endobench裝置37
• 2.3.2 遠(yuǎn)方內(nèi)鏡光色測(cè)試系統(tǒng)37-38
• 2.4 課題采用的檢測(cè)項(xiàng)目38-40
• 第三章 檢測(cè)裝置40-52
• 3.1 硬件裝置40-46
• 3.1.1 高清工業(yè)相機(jī)43-45
• 3.1.2 標(biāo)靶、光源安裝盒45-46
• 3.2 測(cè)試標(biāo)靶46-52
• 3.2.1 分辨率測(cè)試標(biāo)靶46-48
• 3.2.2 綜合測(cè)試標(biāo)靶48-52
• 第四章 檢測(cè)方法52-65
• 4.1 角度測(cè)試方法52-53
• 4.1.1 視向角52
• 4.1.2 視場(chǎng)角52-53
• 4.2 成像質(zhì)量測(cè)試方法53-55
• 4.2.1 視覺(jué)分辨率53-54
• 4.2.2 MTF54-55
• 4.3 光效測(cè)試方法55-59
• 4.3.1 邊緣與中心亮度比58
• 4.3.2 視場(chǎng)亮度差異率58-59
• 4.4 畸變測(cè)試方法59-62
• 4.5 色彩還原能力測(cè)試方法62-65
• 第五章 檢測(cè)結(jié)果與討論65-85
• 5.1 角度65
• 5.2 成像質(zhì)量65-75
• 5.2.1 視覺(jué)分辨率及MTF閾值65-66
• 5.2.2 MTF與亮度、區(qū)域關(guān)系分析66-71
• 5.2.3 不同區(qū)域下MTF相關(guān)系數(shù)71-73
• 5.2.4 不同亮度下MTF相關(guān)系數(shù)73-75
• 5.3 光效75-77
• 5.4 畸變77-82
• 5.5 色彩還原能力82-85
• 第六章 總結(jié)與展望85-88
• 6.1 研究工作總結(jié)85-86
• 6.2 研究工作缺點(diǎn)86-87
• 6.3 研究工作展望87-88
• 參考文獻(xiàn)88-91
• 攻讀碩士學(xué)位期間學(xué)術(shù)成果情況91-94
• 致謝94-95

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前8條

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本文編號(hào)：864261