医用硬性内窥镜光效及检测方法研究
刘艳珍，孟祥峰，王浩，任海萍
中国食品药品检定研究院 光机电室，北京 100050
[摘 要]本文依据YY0068.1-2008行业标准，对硬性光学内窥镜的光效测量和计算方法进行了叙述。同时，还结合标准定义给出各个光效值的公式意义，便于对新概念的理解和检测。最后，本文将30支内窥镜的测量结果进行统计和相关性分析，为各光效值的确定、质控和相关研究提供数据支持。
[关键词]内窥镜；照明镜体光效；成像镜体光效；综合镜体光效；综合边缘光效
0 引言
医用内窥镜是用来观察人的内部体腔的医疗器械，通过它能直接观察内脏器官的组织形态，可提高诊断的准确性，是医疗诊断的可靠工具。按照成像原理，医用内窥镜可分为光学内窥镜、电子内窥镜和纤维内窥镜；按照镜体的可弯折程度，可分为硬性内窥镜和软性内窥镜。本文着重介绍硬性光学内窥镜的光效测量方法。
硬性光学内窥镜含有光学成像系统（物镜、中转系统、目镜）和光导纤维传光照明系统，可用于人体内部腔体类器官的诊断和治疗，如胸腔、直肠、关节等[1]。
本文采用的光效评价方法基于YY0068.1-2008《医用内窥镜 硬性内窥镜 第1部分：光学性能及测试方法》[2]，该标准是中国国内起草的针对硬性内窥镜光学性能的行业标准，与国外标准相比，YY0068.1-2008增加了有效景深、颜色分辨能力和色还原性、照明镜体光效、成像镜体光效、综合光效和单位相对畸变等要求和试验方法[2]。国内浙江省医疗器械检验院等阐述了硬性内窥镜光效的定义和光学原理[3-4]，国外对于硬性内窥镜光效评价无相关资料。再加之光效的计算公式复杂，使得YY0068.1-2008的执行情况不容乐观，各内窥镜生产厂家大多不能完整的实现行业标准中的检测，各家检测水平更是良莠不齐，本文在于详述内窥镜光效的测试方法，结合光效各个参量的公式意义，以期对该参量的测量和质控提供参考。同时，现有行标中对于各光效的限值并未给出，本文给出测量的30支内窥镜的光效值，希望能对光效值的限定和现有情况提供数据支持。
1 光效评价方法
硬性光学内窥镜的光效包含照明镜体光效、成像镜体光效、综合镜体光效和综合边缘光效。在这4个光效参量中，照明镜体光效和成像镜体光效是独立的、互不影响的光学参量，综合镜体光效是照明镜体光效和成像镜体光效的累积效应，综合边缘光效是在余弦漫射体球面Z同视场带位置时，照明镜体光效和成像镜体光效的累积效应。
照明镜体光效（ILeR）是指在余弦辐射体贴面照明条件下，光学镜照明光路对边缘光效的贡献，以照度作为光度量。具体的测量过程为：均匀光束照明条件下，在物镜端一定距离的物面不同位置测量照明效果的差别。在计算过程中，假定照明光束通过内窥镜的中心传导时光能无损失，以物面视场中心处的照度为基准，考量光束到达边缘位置处的损失程度[3-4]。在物面中心和Wp的90%所划圆锥的4个均匀方位的照度，分别为E0、E1、E2、E3、E4，平面的朗伯体光效为LLe-∞，则照明镜体光效为：
。照明镜体光效示意图，见图1。
图1 照明镜体光效示意图
成像镜体光效（OLeR）是指光学镜成像系统对边缘光效的贡献，以光通量透过率之比表示。具体的测量过程为：在物面端放置余弦辐射屏，测量余弦辐射屏不同位置的光在目镜端通过的光通量的差别。在计算过程中假定余弦辐射屏的反射光通过内窥镜的中心传导时光能无损失，以屏中心处反射产生的光通量为基准，考量不同位置的反射光到达目镜端的损失程度[3-4]。在物面上放置余弦辐射屏，设置小孔位置在视场中心和Wp的90%所划圆锥的4个均匀方位上，在目镜端测量光通量，分别为?0、?1、?2、?3、?4，平面的朗伯体光效为LL’e-∞，则成像镜体光效为：
。成像镜体光效示意图，见图2。
图2 成像镜体光效示意图
注：?0、?1、?2、?3、?4表示光源所在的位置，所有测量值均由光通量测量设备测试获得。
综合镜体光效（SLeR）是指光学照明光路和成像系统对边缘光效的贡献总和。综合镜体光效的计算公式为：SLeR=ILeR×OLeR。公式的意义：在不考虑外部形状的影响下，光能从物体表面到目镜端的传递效率在轴上和轴外的差别。
综合边缘光效（SLe-z）是指在余弦漫射体球面Z同视场带位置，光学镜照明光路和成像系统综合的平均边缘光效。综合边缘光效的计算公式为：SLe-z=SLeR×LLe-z×LL'e-z。公式的意义：在考虑外部形状的影响下，光能从物体表面到目镜端的传递效率在轴上和轴外的差别。当内窥镜的视场面为Z球面时，考虑球面的朗伯体光效，光学镜末端向球面Z辐射时，朗伯体光效为LLe-z，球面Z向光学镜入瞳辐射时，朗伯体光效为LL'e-z。
2 测试结果
按照以上测量方法，进行光效测量所需要的设备包括：内窥镜支撑装置、长度测量设备、视场角测量装置、照度测量设备、光通量测量设备、余弦辐射屏及挡板[5]。
采用上述方法，对国内外30支光学内窥镜进行光效检测，检测数据见表1。
表1 光效测量值
3 讨论
由表1中的数据可以看出，目前所测的照明镜体光效的范围是0.513～1.166，成像镜体光效的范围是0.101～1.338，综合镜体光效的范围是0.068～0.990，综合边缘光效的范围是0.039～0.667。
按照照明镜体光效值递增的顺序，30支内窥镜的光效数值分布，见图3～6。
图3 照明镜体光效分布
图4 成像镜体光效分布
图5 综合镜体光效分布
图6 综合边缘光效分布
图3是按照照明镜体光效递增的顺序排列的，由于成像镜体光效与照明镜体光效相对独立，所以其不具有递增的规律，而综合镜体光效和综合边缘光效都是照明和成像的综合效应，因此也不具有递增规律。但是从图3～6可以看出：成像边缘光效与综合镜体光效和综合边缘光效的走势图具有一些相同性，都具有相同的拐点6#、9#、20#、29#。
对于综合镜体光效和综合边缘光效而言，二者的区别在于综合边缘光效是在考虑内窥镜视场球面Z存在的情况下的综合镜体光效。从图5～6可以看出，综合镜体光效和综合边缘光效具有相同的走势图，也就是加入视场球面后并没有影响综合镜体光效的走势图。
分析光效的计算公式，照明镜体光效和成像镜体光效对于综合光效的贡献是等同的，但是在本次试验中成像镜体光效对于综合光效的影响更明显，原因分析见图7。结合实际的测量数据，成像镜体光效值的大小对于综合光效值的影响更大。
图7 光效数值分布
从图7可以看出，对于所测试的30支内窥镜，照明镜体光效的数值较成像镜体光效更集中，而成像镜体光效数值的分散性较大，所以对于不同内窥镜，综合光效受成像镜体光效的影响更大。
综上所述，对于照明镜体光效和成像镜体光效这两个独立的参量，二者无相关性。照明镜体光效的分布较集中，成像镜体光效的分布较分散。基于测量数据，相对于照明镜体光效，成像镜体光效对综合光效的影响更大，原因也在于不同内窥镜之间的成像镜体光效值相差较大。
4 结语
本文叙述了硬性光学内窥镜各光效的原理和检测方法，同时，基于30支内窥镜的测量数据分析了内窥镜光效的现有状况，以助于指导内窥镜的设计和质控[6-7]。
[参考文献]
[1] GB 11244-2005,医用内窥镜及附件通用要求[S].
[2] YY 0068.1-2008,医用内窥镜 硬性内窥镜 第1部分:光学性能及测试方法[S].
[3] 贾晓航,颜青来,马骏,等.医用硬性内窥镜边缘光效评价方法研究[J].光学学报,2008,37(9):1869-1873.
[4] 颜青来,贾晓航,马骏.医用内窥镜光能传递效率的评价方法[J].中国计量学院学报,2008,19(3):256-259.
[5] 孟祥峰,王权,李宁,等.医用硬性内窥镜测试装置的设计与研究[J].中国医疗设备,2013,28(8):1-4.
[6] 禹璐,程德文,周伟,等.硬性内窥镜光学系统的杂散光分析与抑制[J].光学精密工程,2014,22(3):525-532.
[7] 王云龙.医用内窥镜光学性能质量控制定性检测技术研究[D].广州:南方医科大学,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
Abstract：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.
Key words：endoscopes; illumination mirror body light effect; imaging mirror body light effect; comprehensive mirror body light effect; comprehensive edge light effect
[中图分类号]TH776
[文献标志码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2016.06.011
[文章编号]1674-1633(2016)06-0053-03
收稿日期：2016-04-07
基金项目：中检院中青年发展研究基金课题（2015C01）。
通讯作者：任海萍，主任技师，研究方向：医用设备的安全和性能评价。