李寧，孟祥峰，葉佳宜，李佳戈

中國食品藥品檢定研究院 光機電室，北京 100050

引言

電子內(nèi)窺鏡因其成像方式直觀、圖像數(shù)據(jù)實時處理、診斷治療容易結(jié)合等優(yōu)勢，已在消化科、呼吸科、泌尿科等多個臨床領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。近些年，隨著攝像前端（圖像傳感器）和處理后端（圖像處理系統(tǒng)）技術(shù)水平的提高，高清分辨率的電子內(nèi)窺鏡逐漸成為發(fā)展趨勢[1-2]。高清電子內(nèi)窺鏡使醫(yī)生更容易觀察到細微的組織結(jié)構(gòu)，但高像素本身也可能給系統(tǒng)帶來較高的圖像噪聲。過高的圖像噪聲會直接影響圖像質(zhì)量，給臨床使用造成不利影響。

2019年7月，國家藥品監(jiān)督管理局實施的醫(yī)用行業(yè)標準YY/T 1587-2018《醫(yī)用內(nèi)窺鏡 電子內(nèi)窺鏡》中已經(jīng)將“圖像信噪比”作為一項關(guān)鍵質(zhì)控要求，凡在國內(nèi)注冊的醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡都要進行“圖像信噪比”的檢測[3-4]。然而目前國內(nèi)尚沒有針對電子內(nèi)窺鏡進行圖像信噪比檢測的成熟方案。

目前針對內(nèi)窺鏡檢測技術(shù)的文獻報道多集中在光學(xué)特性的研究[5-7]，國內(nèi)鮮有電子內(nèi)窺鏡信噪比檢測方面的文獻資料。但是在數(shù)碼攝像領(lǐng)域，信噪比檢測技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并形成了通用的方法標準和測試工具[8]。由于電子內(nèi)窺鏡與數(shù)碼相機的感光器件都是采用CCD/CMOS，因此在圖像信噪比檢測方法上可以借鑒數(shù)碼攝像產(chǎn)品的成熟經(jīng)驗。例如美國Imatest LCC公司開發(fā)的Imatest數(shù)碼圖像測評軟件搭配專用的灰階測試卡，可以快速完成圖像信噪比的分析運算。目前該軟件和灰階測試卡已經(jīng)在數(shù)碼成像質(zhì)量評估領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

但是由于高清電子內(nèi)窺鏡具有特殊的運用場景（近工作距、寬視場及醫(yī)用光源照明等[9]），故不能簡單借鑒數(shù)碼相機的信噪比測試方法。例如：① 內(nèi)窺鏡與數(shù)碼相機的拍攝環(huán)境不同，要求內(nèi)窺鏡在極小的工作距離上獲得更大的視場角，測試時需要更精確的光學(xué)定位；② 目前市場上采購到的灰階測試卡僅適用于數(shù)碼相機的測試，它們的灰階排布和尺寸都無法滿足電子內(nèi)窺鏡的檢測需求；③ 數(shù)碼相機的測試光源與內(nèi)窺鏡的醫(yī)用冷光源的特性存在明顯差異等。

要實現(xiàn)高清電子內(nèi)窺鏡的圖像信噪比檢測，必須解決幾個技術(shù)難點：① 解決內(nèi)窺鏡光學(xué)定位問題；② 提供內(nèi)窺鏡專用測試光源；③ 解決測試環(huán)境的照明均勻性問題；④ 高清數(shù)字圖像的無損采集；⑤ 數(shù)字圖像分析運算。

1 檢驗方法和裝置的研究

為了解決上述5個技術(shù)難點，設(shè)計并搭建了一套高清電子內(nèi)窺鏡的信噪比測試裝置。該裝置由內(nèi)窺鏡夾持調(diào)節(jié)機構(gòu)、冷光源、測試靶標、積分球和圖像采集分析系統(tǒng)等部件組成（圖1）。只需將高清內(nèi)窺鏡按要求固定在測試裝置上，連續(xù)調(diào)節(jié)測試靶標的亮度并完成圖像采集，系統(tǒng)對采集到的圖像進行特征提取分析，最終得到信噪比的測試結(jié)果。

圖1 高清電子內(nèi)窺鏡測試裝置

1.1 內(nèi)窺鏡的精確定位

電子內(nèi)窺鏡插入部為柔性結(jié)構(gòu)，定位裝置采用一根V形導(dǎo)軌和卡扣結(jié)構(gòu)將電子內(nèi)窺鏡頭端部固定。V形導(dǎo)軌固定在一個調(diào)節(jié)云臺上，云臺可以實現(xiàn)導(dǎo)軌的X、Y、Z三個方向的微動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.5 mm。通過調(diào)節(jié)云臺，可以確保電子內(nèi)窺鏡與測試靶標方向垂直，使得測試距離固定在預(yù)期位置。為保證定位裝置的調(diào)節(jié)準確性，可使用計量有效期內(nèi)的精度為0.01 mm游標卡尺對裝置的定位距離進行定位校準和驗證。

1.2 測試光源的光譜特性

高清內(nèi)窺鏡的信噪比測試需要的光源光譜近似D65光源，色溫6500 K±10%。為此我們選擇氙燈作為照明光源，通過濾光片去除掉可見光波段中多余的光譜分量，讓色溫接近6500 K。為了保證亮度時間波動度的要求，實驗前需要對光源進行30 min的預(yù)熱過程[10]。在測試過程中，光源的功率保持穩(wěn)定，需要降低照明亮度時，借助一套可變光闌調(diào)節(jié)輸出光通量，這種方式保證在亮度調(diào)節(jié)過程中光源的波動度最小。光源的光譜特征參數(shù)可使用計量有效期內(nèi)的光譜輻射通量測試儀進行標定和溯源。

1.3 測試環(huán)境的照明均勻性

測試靶標是一塊覆蓋電子內(nèi)窺鏡全視場的光譜中性灰階板，在灰階板上有一塊亮度可獨立變化的區(qū)域，這塊區(qū)域即為信噪比測試的感興趣區(qū)，為了保證信噪比測量的準確度，該區(qū)域的亮度均勻度在理論上應(yīng)不超過5%，同時靶標背景的亮度均勻度不超過20%。經(jīng)過大量測試，我們最終采用雙積分球結(jié)構(gòu)設(shè)計，積分球內(nèi)側(cè)均勻噴涂了硫酸鋇。其中大積分球確保測試靶標的背景亮度均勻性，小積分球確保感興趣區(qū)域的亮度均勻性。同時我們在小積分球上嵌入了一個亮度探頭，它可以實時監(jiān)測信噪比感興趣區(qū)的亮度變化情況，從而更精準的控制亮度下降過程的變化梯度。亮度探頭可拆卸，并定期進行計量校準，保證溯源有效性。

1.4 高清數(shù)字圖像的無損采集

高清電子內(nèi)窺鏡的圖像處理器一般都自帶圖像導(dǎo)出功能，而通過這種功能導(dǎo)出的圖像基本都是經(jīng)過圖像壓縮的，圖像壓縮過程會造成高空間頻率信息丟失，引入一定量的噪聲。因此，測量信噪比需要從高清內(nèi)窺鏡圖像處理器中直接導(dǎo)出全像素?zé)o損格式的圖像數(shù)據(jù)。我們調(diào)研后選擇了兼容性和穩(wěn)定性兼具的高清圖像采集卡，可以直接從圖像處理器的視頻輸出口采集到.tiff格式的無損圖像數(shù)據(jù)[11]。目前大部分的內(nèi)窺鏡圖像處理器都支持DVI和HDMI視頻輸出口，可以通過這種采集卡將圖像直接存儲在計算機中，方便后期進行信噪比運算分析。

1.5 數(shù)字圖像分析運算

數(shù)字圖像的常見噪聲有固定噪聲和隨機噪聲。固定噪聲一般是由讀取電路本身的讀取噪聲，放大電路引入的額外電子噪聲帶來，通常出現(xiàn)在較長的曝光中。由于它是可重復(fù)的，通常可以借助后期算法移除，因此本文在進行信噪比分析時，固定噪聲可以忽略不計[12-13]。隨機噪聲是由于光子被傳感器接收時并不是連續(xù)的，光子進入傳感器的過程數(shù)學(xué)上可以用泊松過程進行建模，這種噪聲與亮度的平方根成正比。將采集到的數(shù)字圖像按照不同亮度等級進行分類，在電子內(nèi)窺鏡寬容度范圍內(nèi)至少選取10個均勻分布的不同亮度等級，每個亮度等級連續(xù)采集10幅圖像。在這些圖像的感興趣區(qū)域上分別讀取32×32像素的R、G、B通道輸出信號，并計算這些32×32像素區(qū)域內(nèi)任意位置坐標上信號輸出標準差，得到該區(qū)域內(nèi)隨機噪聲平均值δtemp[14-16]。最終計算出每個亮度等級下的隨機噪聲信噪比并繪制出對應(yīng)的信噪比曲線（縱坐標為信噪比，橫坐標為亮度信號，見圖2）。在信噪比曲線上找到歸一化后亮度信號分量值為0.707的信噪比，即為電子內(nèi)窺鏡的信噪比[16-18]。

圖2 圖像信噪比分析

2 結(jié)果

本研究選用一款已上市的國產(chǎn)電子結(jié)腸內(nèi)窺鏡進行驗證測試。測試時，按照該產(chǎn)品的設(shè)計工作距離，將內(nèi)窺鏡先端固定在距離測試靶標20 mm的位置。測試靶標的背景亮度為45 cd/m2（按照內(nèi)窺鏡制造商的要求設(shè)定，該亮度確保電子內(nèi)窺鏡整體增益保持不變）。感興趣區(qū)域的亮度變化階梯數(shù)為43級（醫(yī)用行業(yè)標準YY/T 1587-2018中建議不少于10級，由于信噪比最終是通過歸一化后的亮度信號求差值運算得出，因此階梯數(shù)越多，測量結(jié)果的精度越高，最終設(shè)定為43級可以均勻覆蓋該產(chǎn)品的靜態(tài)圖像寬容度區(qū)域）。使用我們搭建的測試平臺重復(fù)測量10次。

信噪比測量重復(fù)性誤差按公式(1)計算：

式中，δ為重復(fù)性誤差；s為重復(fù)測量數(shù)據(jù)的標準差；a為重復(fù)測量數(shù)據(jù)的平均值[19]。

最終測量結(jié)果顯示本檢測裝置的重復(fù)性誤差為0.07%（表1）。同時將信噪比測試靶標的感興趣區(qū)域劃分為7×7的方格，分別測量這49個區(qū)域內(nèi)的顯示亮度，計算亮度均勻度。計算結(jié)果為2.64%，滿足亮度均勻度不超過5%的要求。光源的實際色溫測量結(jié)果是6330 K。

表1 圖像信噪比測量結(jié)果（dB）

為了驗證計算結(jié)果的準確性，我們使用Matlab軟件提取灰階圖像中的RGB像素灰度值，并代入YY/T 1587-2018附錄B的公式進行計算，信噪比計算結(jié)果為37.97 dB，二者偏差為0.3%。

3 結(jié)論

綜上所述，該套高清內(nèi)窺鏡信噪比測試裝置的各項光學(xué)指標均滿足YY/T 1587-2018相關(guān)要求，且測試結(jié)果的重復(fù)性誤差較小，軟件算法與MATLAB腳本程序?qū)Ρ闰炞C，存在0.3%的偏差，這主要是由于軟件在提取靶標圖像像素值時存在一定隨機性，從而引入一定量的隨機誤差，總體來說，這些誤差是可以忽略不計的。由于電子內(nèi)窺鏡信噪比檢測作為一項強制要求剛被提出，國內(nèi)尚無成熟的案例。該套檢測裝置成功解決了電子內(nèi)窺鏡信噪比檢測過程中的光學(xué)定位、照明光源均勻性、高清數(shù)字圖像采集和圖像信噪比運算分析等難點問題，填補了行業(yè)內(nèi)空白。

該裝置根據(jù)電子內(nèi)窺鏡的技術(shù)特點設(shè)計，適用于不同外徑、工作距離和視場角的電子內(nèi)窺鏡檢測，操作流程簡便，圖像數(shù)據(jù)采集和分析流程通過計算機軟件實現(xiàn)，極大提升了檢測效率。目前，這套檢測裝置已經(jīng)獲得兩項國家專利授權(quán)（專利號：ZL 2020 2 0565968.X和ZL 2020 3 0153137.7）。

但是由于YY/T 1587-2018作為一項新標準剛實施不久，行業(yè)內(nèi)在相關(guān)方面的技術(shù)積累相對薄弱，國內(nèi)一般的生產(chǎn)企業(yè)尚不具備核心元器件的開發(fā)和測試能力，對CCD/COMS等感光元件缺少底層的研究，無法提供準確的信噪比標稱值。我們目前的測試裝置僅能保證測試要求和算法滿足行業(yè)標準的規(guī)定，測試結(jié)果與國內(nèi)其他實驗室的結(jié)果對比基本一致。

同時，電子內(nèi)窺鏡的信噪比可能受其他因素的影響，例如環(huán)境溫度、圖像處理器的增益設(shè)定、測試靶標的背景亮度等[20]。上述條件的改變可能會得到不同的信噪比檢測結(jié)果，因此在實際檢測之前，應(yīng)該對測試條件進行限定，本文由于篇幅限制不再展開討論這些因素與信噪比測試結(jié)果之間的關(guān)系。目前，這套檢測裝置和測試方法已經(jīng)實際運用在高清電子內(nèi)窺鏡的信噪比檢測中，在YY/T 1587-2018實施后，為電子內(nèi)窺鏡檢測實踐邁出了第一步。