李寧，孟祥峰，葉佳宜，李佳戈

中國(guó)食品藥品檢定研究院 光機(jī)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(shí)時(shí)處理、診斷治療容易結(jié)合等優(yōu)勢(shì)，已在消化科、呼吸科、泌尿科等多個(gè)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(shì)[1-2]。高清電子內(nèi)窺鏡使醫(yī)生更容易觀察到細(xì)微的組織結(jié)構(gòu)，但高像素本身也可能給系統(tǒng)帶來(lái)較高的圖像噪聲。過(guò)高的圖像噪聲會(huì)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(guó)家藥品監(jiān)督管理局實(shí)施的醫(yī)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)關(guān)鍵質(zhì)控要求，凡在國(guó)內(nèi)注冊(cè)的醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡都要進(jìn)行“圖像信噪比”的檢測(cè)[3-4]。然而目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有針對(duì)電子內(nèi)窺鏡進(jìn)行圖像信噪比檢測(cè)的成熟方案。

目前針對(duì)內(nèi)窺鏡檢測(cè)技術(shù)的文獻(xiàn)報(bào)道多集中在光學(xué)特性的研究[5-7]，國(guó)內(nèi)鮮有電子內(nèi)窺鏡信噪比檢測(cè)方面的文獻(xiàn)資料。但是在數(shù)碼攝像領(lǐng)域，信噪比檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并形成了通用的方法標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試工具[8]。由于電子內(nèi)窺鏡與數(shù)碼相機(jī)的感光器件都是采用CCD/CMOS，因此在圖像信噪比檢測(cè)方法上可以借鑒數(shù)碼攝像產(chǎn)品的成熟經(jīng)驗(yàn)。例如美國(guó)Imatest LCC公司開發(fā)的Imatest數(shù)碼圖像測(cè)評(píng)軟件搭配專用的灰階測(cè)試卡，可以快速完成圖像信噪比的分析運(yùn)算。目前該軟件和灰階測(cè)試卡已經(jīng)在數(shù)碼成像質(zhì)量評(píng)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(yùn)用場(chǎng)景（近工作距、寬視場(chǎng)及醫(yī)用光源照明等[9]），故不能簡(jiǎn)單借鑒數(shù)碼相機(jī)的信噪比測(cè)試方法。例如：① 內(nèi)窺鏡與數(shù)碼相機(jī)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(chǎng)角，測(cè)試時(shí)需要更精確的光學(xué)定位；② 目前市場(chǎng)上采購(gòu)到的灰階測(cè)試卡僅適用于數(shù)碼相機(jī)的測(cè)試，它們的灰階排布和尺寸都無(wú)法滿足電子內(nèi)窺鏡的檢測(cè)需求；③ 數(shù)碼相機(jī)的測(cè)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(shí)現(xiàn)高清電子內(nèi)窺鏡的圖像信噪比檢測(cè)，必須解決幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：① 解決內(nèi)窺鏡光學(xué)定位問(wèn)題；② 提供內(nèi)窺鏡專用測(cè)試光源；③ 解決測(cè)試環(huán)境的照明均勻性問(wèn)題；④ 高清數(shù)字圖像的無(wú)損采集；⑤ 數(shù)字圖像分析運(yùn)算。

1 檢驗(yàn)方法和裝置的研究

為了解決上述5個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)并搭建了一套高清電子內(nèi)窺鏡的信噪比測(cè)試裝置。該裝置由內(nèi)窺鏡夾持調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、冷光源、測(cè)試靶標(biāo)、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(cè)試裝置上，連續(xù)調(diào)節(jié)測(cè)試靶標(biāo)的亮度并完成圖像采集，系統(tǒng)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行特征提取分析，最終得到信噪比的測(cè)試結(jié)果。

圖1 高清電子內(nèi)窺鏡測(cè)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(gè)調(diào)節(jié)云臺(tái)上，云臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌的X、Y、Z三個(gè)方向的微動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.5 mm。通過(guò)調(diào)節(jié)云臺(tái)，可以確保電子內(nèi)窺鏡與測(cè)試靶標(biāo)方向垂直，使得測(cè)試距離固定在預(yù)期位置。為保證定位裝置的調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性，可使用計(jì)量有效期內(nèi)的精度為0.01 mm游標(biāo)卡尺對(duì)裝置的定位距離進(jìn)行定位校準(zhǔn)和驗(yàn)證。

1.2 測(cè)試光源的光譜特性

高清內(nèi)窺鏡的信噪比測(cè)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(guò)濾光片去除掉可見(jiàn)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(shí)間波動(dòng)度的要求，實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)光源進(jìn)行30 min的預(yù)熱過(guò)程[10]。在測(cè)試過(guò)程中，光源的功率保持穩(wěn)定，需要降低照明亮度時(shí)，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(guò)程中光源的波動(dòng)度最小。光源的光譜特征參數(shù)可使用計(jì)量有效期內(nèi)的光譜輻射通量測(cè)試儀進(jìn)行標(biāo)定和溯源。

1.3 測(cè)試環(huán)境的照明均勻性

測(cè)試靶標(biāo)是一塊覆蓋電子內(nèi)窺鏡全視場(chǎng)的光譜中性灰階板，在灰階板上有一塊亮度可獨(dú)立變化的區(qū)域，這塊區(qū)域即為信噪比測(cè)試的感興趣區(qū)，為了保證信噪比測(cè)量的準(zhǔn)確度，該區(qū)域的亮度均勻度在理論上應(yīng)不超過(guò)5%，同時(shí)靶標(biāo)背景的亮度均勻度不超過(guò)20%。經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，我們最終采用雙積分球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，積分球內(nèi)側(cè)均勻噴涂了硫酸鋇。其中大積分球確保測(cè)試靶標(biāo)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(shí)我們?cè)谛》e分球上嵌入了一個(gè)亮度探頭，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信噪比感興趣區(qū)的亮度變化情況，從而更精準(zhǔn)的控制亮度下降過(guò)程的變化梯度。亮度探頭可拆卸，并定期進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，保證溯源有效性。

1.4 高清數(shù)字圖像的無(wú)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(guò)這種功能導(dǎo)出的圖像基本都是經(jīng)過(guò)圖像壓縮的，圖像壓縮過(guò)程會(huì)造成高空間頻率信息丟失，引入一定量的噪聲。因此，測(cè)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(wú)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(guò)這種采集卡將圖像直接存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，方便后期進(jìn)行信噪比運(yùn)算分析。

1.5 數(shù)字圖像分析運(yùn)算

數(shù)字圖像的常見(jiàn)噪聲有固定噪聲和隨機(jī)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(lái)，通常出現(xiàn)在較長(zhǎng)的曝光中。由于它是可重復(fù)的，通?？梢越柚笃谒惴ㄒ瞥?，因此本文在進(jìn)行信噪比分析時(shí)，固定噪聲可以忽略不計(jì)[12-13]。隨機(jī)噪聲是由于光子被傳感器接收時(shí)并不是連續(xù)的，光子進(jìn)入傳感器的過(guò)程數(shù)學(xué)上可以用泊松過(guò)程進(jìn)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(jí)進(jìn)行分類，在電子內(nèi)窺鏡寬容度范圍內(nèi)至少選取10個(gè)均勻分布的不同亮度等級(jí)，每個(gè)亮度等級(jí)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(hào)，并計(jì)算這些32×32像素區(qū)域內(nèi)任意位置坐標(biāo)上信號(hào)輸出標(biāo)準(zhǔn)差，得到該區(qū)域內(nèi)隨機(jī)噪聲平均值δtemp[14-16]。最終計(jì)算出每個(gè)亮度等級(jí)下的隨機(jī)噪聲信噪比并繪制出對(duì)應(yīng)的信噪比曲線（縱坐標(biāo)為信噪比，橫坐標(biāo)為亮度信號(hào)，見(jiàn)圖2）。在信噪比曲線上找到歸一化后亮度信號(hào)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(guó)產(chǎn)電子結(jié)腸內(nèi)窺鏡進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。測(cè)試時(shí)，按照該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作距離，將內(nèi)窺鏡先端固定在距離測(cè)試靶標(biāo)20 mm的位置。測(cè)試靶標(biāo)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(jí)（醫(yī)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 1587-2018中建議不少于10級(jí)，由于信噪比最終是通過(guò)歸一化后的亮度信號(hào)求差值運(yùn)算得出，因此階梯數(shù)越多，測(cè)量結(jié)果的精度越高，最終設(shè)定為43級(jí)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(cè)試平臺(tái)重復(fù)測(cè)量10次。

信噪比測(cè)量重復(fù)性誤差按公式(1)計(jì)算：

式中，δ為重復(fù)性誤差；s為重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；a為重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值[19]。

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

表1 圖像信噪比測(cè)量結(jié)果（dB）

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(jìn)行計(jì)算，信噪比計(jì)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(cè)試裝置的各項(xiàng)光學(xué)指標(biāo)均滿足YY/T 1587-2018相關(guān)要求，且測(cè)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?yàn)證，存在0.3%的偏差，這主要是由于軟件在提取靶標(biāo)圖像像素值時(shí)存在一定隨機(jī)性，從而引入一定量的隨機(jī)誤差，總體來(lái)說(shuō)，這些誤差是可以忽略不計(jì)的。由于電子內(nèi)窺鏡信噪比檢測(cè)作為一項(xiàng)強(qiáng)制要求剛被提出，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的案例。該套檢測(cè)裝置成功解決了電子內(nèi)窺鏡信噪比檢測(cè)過(guò)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(yùn)算分析等難點(diǎn)問(wèn)題，填補(bǔ)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(diǎn)設(shè)計(jì)，適用于不同外徑、工作距離和視場(chǎng)角的電子內(nèi)窺鏡檢測(cè)，操作流程簡(jiǎn)便，圖像數(shù)據(jù)采集和分析流程通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，極大提升了檢測(cè)效率。目前，這套檢測(cè)裝置已經(jīng)獲得兩項(xiàng)國(guó)家專利授權(quán)（專利號(hào)：ZL 2020 2 0565968.X和ZL 2020 3 0153137.7）。

但是由于YY/T 1587-2018作為一項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)剛實(shí)施不久，行業(yè)內(nèi)在相關(guān)方面的技術(shù)積累相對(duì)薄弱，國(guó)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(cè)試能力，對(duì)CCD/COMS等感光元件缺少底層的研究，無(wú)法提供準(zhǔn)確的信噪比標(biāo)稱值。我們目前的測(cè)試裝置僅能保證測(cè)試要求和算法滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，測(cè)試結(jié)果與國(guó)內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果對(duì)比基本一致。

同時(shí)，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(cè)試靶標(biāo)的背景亮度等[20]。上述條件的改變可能會(huì)得到不同的信噪比檢測(cè)結(jié)果，因此在實(shí)際檢測(cè)之前，應(yīng)該對(duì)測(cè)試條件進(jìn)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(cè)試結(jié)果之間的關(guān)系。目前，這套檢測(cè)裝置和測(cè)試方法已經(jīng)實(shí)際運(yùn)用在高清電子內(nèi)窺鏡的信噪比檢測(cè)中，在YY/T 1587-2018實(shí)施后，為電子內(nèi)窺鏡檢測(cè)實(shí)踐邁出了第一步。