胶囊内窥镜分辨率的评价方法


        胶囊内窥镜进入消化系统就像《西游记》中孙悟空钻到铁扇公主的肚子里一样,可以把肠胃看得一目了然。现代的胶囊内窥镜诊断术是诊断消化道疾病非常热门的研究方向,具有检查方便、无创无痛、无导线、无交叉感染、不影响患者正常工作等优点,扩展了消化道检查的视野,克服了传统的插入式内窥镜耐受性差、不适用于年老体弱和病情危重群体等缺陷,可作为消化道尤其是小肠疾病诊断的首选方法。受检者通过口服内置摄像与信号传输装置的胶囊,借助消化道蠕动使之在消化道内运动并拍摄图像,医生利用体外的图像记录仪和影像工作站,了解受检者的整个消化道情况,从而诊断病情。

        像素数是光学成像面传感器类产品的一个重要性能参数,表示产品成像分辨性能的水平。对于光学系统集成于一体且不可拆卸的胶囊式内窥镜,像素数可以体现产品光学分辨性能的优劣。与校正了像差的光学系统可用数值孔径来表示光学分辨率一样,在理想的像素单元与光学分辨单元尺度一一匹配的设计中,像素数可以表征产品光学分辨性能。但是,为防止产生莫尔效应,以视场中心为基点的光学分辨率大部分都低于奈奎斯特频率。

        由于目前缺乏测试评价方法以及对全视场匹配水平的了解,常常会由于局部视场过匹配带来的莫尔条纹现象而不得不进一步降低视场中心的匹配水平,导致像素数的分辨作用明显下降,造成实际像素数的有效率极低。

        目前,市场上标称相同像素数的产品,其分辨率差异较大。因此,关注像素数与光学分辨率全视场的匹配设计水平,评价像素数的分辨有效性很有意义。


        贾晓航研究团队从胶囊式内窥镜着手,致力于像素数全视场的匹配水平和分辨有效性评价方法研究。该方法通过选择过面阵传感器行或列扫描水平的光轴截面为分析用子午面,采用光学分辨角延续排列的分析方法,导出表征线有效像素数的线分辨元数的算法,从而获得线像素数有效率;以像素元投射角和光学分辨角为分析单元,设立同视场位置像素元投射角和光学分辨角之比值为线匹配率概念,进一步延伸出分辨角密度函数、线匹配率相对函数和像素元投射角密度特征函数三个分析用基础函数。

        利用球面视场上的线段尺寸与夹角简单转换关系导出简易测量方法,再通过拟合获得分辨角密度函数、线匹配率相对函数和像素元投射角密度特征函数三个分析用基础函数,可得各位置像素单元、分辨单元的情况、两者间的匹配细节和全视场范围的匹配状况。

        所导出的线分辨元数、线像素数有效率、视场中心匹配率、全视场最大匹配率及其位置等参数构成了胶囊式内窥镜像素数的匹配率和分辨有效性的评价依据,可为产品设计分析、评价及修改提供参考依据。


 

A厂家产品函数曲线

 
研究人员简介
        贾晓航研究团队长期致力于医用光学产品的光学性能测试、评价方法和标准的研究。针对具有大视场、大景深的内窥镜产品,该团队结合临床应用场景的光学性能,在光电面阵传感器成像的光电性能方面做了大量研究工作。

        该团队首创的可模拟各类非管道型临床视场的Z球面数学模型以及以主光线追迹解析所得的视场换算方法,解决了内窥镜临床应用视场下的单位相对畸变,包含内窥镜自体照明、成像光效和视场光效的边缘光效测试评价难题。开发了基于虚拟光源显色性的色还原测试评价方法、面照度传递概念的光能传递效率测试方法,结合景深等研究内容,建立了内窥镜光学技术系统评价理论。

        成果转化应用于“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行业标准”,该标准获得 2014 年度“中国标准创新贡献奖”。近年来该团队完成了内窥镜光电性能方面有关亮度响应、信噪比、成像SFR (MTF)和宽容度的测试方法,成果已转化应用于YY/T 1603-2018摄像系统行业标准和YY/T 1587-2018电子内窥镜行业标准。


相关论文
贾晓航, 张沁园, 颜青来, 等. 胶囊内窥镜像素数的匹配率和分辨有效性评价法研究[J]. 光电工程, 2019, 46(1): 180112.
DOI: 10.12086/oee.2019.180112