ISO8600-5 标准：刚性内窥镜的光学分辨率的测试方法

ISO 8600-5:2020 Optics and photonics — Medical endoscopes and endotherapy devices — Part 5: Determination of optical resolution of rigid endoscopes with optics

• 内容简介: 该标准规定了测定刚性内窥镜光学系统的光学分辨率的方法。光学分辨率是决定内窥镜成像细节解析能力的重要指标，标准中介绍的测试方法确保内窥镜能够在临床使用中提供清晰、精细的图像，从而提高诊断的准确性和治疗效果。

1 范围 (Scope)

• 本文档适用于设计用于医学实践的硬性内窥镜。不包括具有光纤或光电成像系统的内窥镜。它规定了一种测试方法，用于确定内窥镜的光学分辨率。

2 规范性引用 (Normative references)

• 文本中引用了以下文件，这些文件的部分或全部内容构成了本文档的要求。对于有日期的引用，仅适用引用的版本。对于无日期的引用，适用参考文件的最新版本（包括任何修订）。
  • ISO 9334，光学和光子学 – 光学传递函数 – 定义和数学关系
  • ISO 12233:2012，摄影 – 电子静止画面成像 – 分辨率和空间频率响应
  • ISO 15529:2010，光学和光子学 – 光学传递函数 – 采样成像系统的调制传递函数（MTF）测量原理

3 术语和定义 (Terms and definitions)

以下是文档中第3部分的翻译，包括一些关键术语和定义：

角极限分辨力 (angular limiting resolution)：最小的角度，其顶点在内窥镜的入口瞳孔（如果目标距离远大于远端窗口表面和入口瞳孔之间的距离，则可以近似为远端窗口表面）处，在给定的工作距离 dd 下，正常视力刚好能够分辨出每度线对数 (lp) 的角度。计算公式为 ：

其中 r(d)r(d) 是极限制分辨力。

相机 (camera)：在测量中使用的图像探测器，通过耦合光学与被测试的内窥镜连接。相机包括图像探测器（通常是CCD或CMOS图像传感器）、支持电子设备以及用于获取耦合光学成像的数字采样的固件/软件。

对比度 (contrast)：具有方波调制或其图像的条形测试目标最亮和最暗区域强度差的比率除以目标或其图像最亮和最暗区域强度之和，然后乘以100以百分比形式测量。

对比度传递函数 (contrast transfer function, CTF)：对比度传递因子作为空间频率函数的图，表示输出对比度（即图像对比度）与输入对比度（即目标对比度）的比率。

极限分辨力 (limiting resolution)：在给定工作距离 dd 下，内窥镜能够分辨的每毫米线对数 (lp/mm) 的最大值。

最大图像高度 (maximum image height)：围绕图像的圆的半径。如果图像是矩形的，最大图像高度是图像对角线的一半。

最大物高 (maximum object height)：围绕可以被内窥镜成像的物体部分的圆的半径。

调制 (modulation)：正弦波测试目标或其图像最亮和最暗区域强度差的比率除以这些区域强度之和，然后乘以100以百分比形式测量。

调制传递函数 (modulation transfer function, MTF)：调制传递因子作为空间频率的图，表示从物体到图像的调制传递。

空间频率 (spatial frequency)：目标或图像上的结构（例如，正弦波或方波条）每单位距离或角度重复的次数的度量。

工作距离 (working distance)：制造商定义的物体与内窥镜远端之间的设计距离。

4 测试方法 (Test method)

4.1 概述 (General)

本文档提供了三种内窥镜分辨率特性的测试方法。至少应测量一种特性。下表可用于确定适当的特性。见附录A、B和C以了解可接受的测试方法。允许使用其他测量特性的方法；如果使用了替代方法，则应在测试报告中进行描述。

特性	适用情况
A – 极限分辨力	用于快速制造测试、质量保证（例如，在最终装配测试中的内窥镜），或为最终用户提供易于理解的简单指标。见附录A了解测量程序。
B – 对比度传递函数 (CTF)	多值目标指标，用于设备验证和验证。它不如MTF科学复杂，但数学简单，可以被最终用户容易理解，并且可以使用容易生产的方波目标进行测量。需要多个目标图像以获得不同空间频率的CTF测量值。见附录B了解测量程序。
C – 调制传递函数 (MTF)	多值目标指标，可以从单个目标获得所有值；最常用于工程（例如设计验证）、诊断和图像评估目的，并且作为其他指标（例如锐度、清晰度）的伞形函数。在科学领域广泛使用。见附录C了解测量程序。

注：附录E提供了空间频率转换的建议。附录G显示了中继光学的示例。

4.2 设备 (Apparatus)

• 4.2.1 光学工作台/光学导轨，带有内窥镜和分辨率目标的安装装置。
• 4.2.2 耦合光学，用于放大内窥镜视野的一部分并将其成像到相机上。附录F讨论了满足内窥镜分辨率测量要求的耦合光学的设计示例。耦合光学不应显著改变测量的限制分辨率（特性A仅适用）。耦合光学的入口瞳孔直径应大于内窥镜的出口瞳孔；耦合光学不应切断内窥镜的光线。在相同的焦点上进行轴上和离轴测量。
• 4.2.3 相机，带监视器和数字记录每个像素相对强度的手段。如D.4所述，系统响应应在相机的线性操作范围内保持（例如，关闭任何锐化或图像增强，并将伽马设置为1.0）。注：如果相机不能设置在线性操作范围内，则可以根据相机的光电转换函数（OECF）将目标图像的强度转换为线性强度。相机OECF可以根据ISO 14524进行测量。
• 4.2.4 光源，白光，除非内窥镜特别设计用于特定波长，在这种情况下应使用特定的波长。
• 4.2.5 分辨率目标，具有适当分级的黑白测试图案，至少在两个方向上排列，即切线和径向。注意，对于具有非零视向的视向内窥镜，切线和径向是根据视向定义的。分辨率目标专门由轴上和离轴测试图案组成，如图A.1所示。分辨率测试图案由两种透射或反射值组成（图A.2）。或者，如果它垂直于光轴移动以获得离轴测量，则可以使用单个测试图案。必须确保确定的是内窥镜的分辨率而不是目标的分辨率（见D.5）。

5 测试报告 (Test report)

按照第4条款描述的测试方法得出的任何测试报告至少应包含以下详细信息：

• a) 引用本文档，即ISO 8600-5:2020。
• b) 进行测试的实验室或公司。
• c) 测试工程师的姓名。
• d) 测试地点和日期。
• e) 使用的标准（例如ISO 15529, ISO 12233）。
• f) 内窥镜的类型、制造商、型号和序列号。
• g) 使用的测试特性（A、B或C），包括如何计算结果的条款引用。
• h) 如果使用了替代测试方法，或者与程序的偏差。
• i) 观察到的任何不寻常特征。
• j) 使用的测试目标，如果离轴目标方向不符合图A，则使用的目标方向。
• k) 使用的耦合光学。
• l) 目标与内窥镜远端之间的距离。
• m) 使用的光源和光源光谱曲线。
• n) 使用的相机和相机光谱响应。
• o) 轴上限制分辨率和角限制分辨率的值（特性A仅适用）或轴上CTF（特性B仅适用）或MTF（特性C仅适用）。如果报告特性B（CTF），测量应至少包括40 lp/最大物高的空间频率。如果报告特性C（MTF），测量应至少包括40个周期/最大图像高度的空间频率。
• p) 轴上和离轴限制分辨率和角分辨率的单个值和平均值（特性A仅适用）或离轴CTF（特性B仅适用）或MTF（特性C仅适用）。如果报告特性B（CTF），测量应至少包括40 lp/最大物高的空间频率。如果报告特性C（MTF），测量应至少包括40个周期/最大图像高度的空间频率。
• q) 用于评估最佳焦点的标准（例如，最大化轴上值，最大化轴上和离轴值的平均值，最大化最低离轴值等）。
• r) 如果使用了特性C：测试目标、设备和程序的描述。如果使用了基于边缘的目标，则应报告对比度。

附录A（资料性）

测量特性A，极限分辨率的步骤：

a) 安装内窥镜：将内窥镜固定在光学工作台上。光学工作台是一种可以稳定放置和调整内窥镜位置的设备。

b) 放置测试目标：将测试目标附在一块散射板上，并将其放置在工作距离d处的光学工作台上。确保测试目标与内窥镜的观察方向成直角，并调整测试图案以指向要测试的图像点。测试目标应均匀地从背后用白色LED背光或类似的空间均匀的白光源照明。如果目标表面是朗伯特表面，也可以使用前照明。

c) 连接相机和耦合光学：将相机和耦合光学连接到内窥镜上。调整焦距以最大化分辨率。

d) 显示目标图像：在监视器上显示目标图像，或使用打印机打印出来。

e) 确定轴上分辨率：在物体空间中以每毫米线对数(lp/mm)为单位，确定内窥镜的轴上（图像中心点’A’）分辨率。记录刚好能被感知到的最近间距的分辨率目标组。

f) 确定离轴分辨率：在物体空间中以每毫米线对数(lp/mm)为单位，确定内窥镜的离轴分辨率。将图像分成四个相等的象限，每个象限都包含一个要测试的图像点（’B1’到’B4’点）。对于每个离轴图像点，记录所有图案方向中刚好能被感知到的分辨率目标组。将所有离轴图像点的结果平均，并独立报告。如果测试图案是分别排列以分别测量径向和切向分辨率的，那么这些测量结果也应该分别平均并报告。

g) 计算角分辨率：为轴上和离轴图像点计算角限制分辨率。

附录B（资料性）

测量特性B，对比度传递函数的步骤：

a) 连接耦合光学和相机：将耦合光学连接到相机上。将内窥镜安装到光学工作台上的相机/耦合光学装置上。

b) 放置条形测试目标：将用于测试内窥镜的条形测试目标附加到一个散射板上，并将其放置在内窥镜的工作距离上。确保条形测试目标与内窥镜的观察方向成直角。如果目标表面是朗伯特表面，可以均匀地从背后用白色LED背光或类似的空间均匀的白光源照明；如果不是，只能使用背光。

c) 调整焦距：调整焦距以最大化分辨率。

d) 数字捕获相机图像：如果需要使用小目标进行单独测量，将目标移动到正确的视场位置，沿着与内窥镜观察方向垂直的平面移动目标，并为每个离轴视场数字捕获相机图像。

e) 计算轴上对比度：计算并记录内窥镜系统（轴上）的对比度。这是通过比较图像中最亮和最暗区域的强度差异来实现的。

f) 计算离轴对比度：计算并记录内窥镜系统（离轴）的对比度。将图像分成四个相等的象限，每个象限都包含一个要测试的图像区域。对于所有离轴图像点（’B1’到’B4’），计算并记录对比度。所有离轴图像点的结果平均后独立报告。如果测试图案分别排列以测量径向和切向分辨率，那么这些测量结果也应该分别平均并报告。

g) 检查相机和内窥镜组合：确保相机和内窥镜的组合满足文档D.3中描述的内窥镜光学截止频率的要求。

h) 重复以上步骤：对于每个条形目标，测量所需的空间频率下的轴上（Con-axis）和离轴（Coff-axis）的对比度值。

附录C（资料性）

测量特性C，调制传递函数(MTF)的步骤：

a) 连接耦合光学和相机：将耦合光学连接到相机上。将内窥镜安装到光学工作台上的相机/耦合光学装置上。

b) 放置测试目标：将测试目标附在一块散射板上，并将其放置在内窥镜的工作距离上。确保测试目标与内窥镜的观察方向成直角。如果目标表面是朗伯特表面，可以均匀地从背后用白色LED背光或类似的空间均匀的白光源照明；如果不是，只能使用背光。

c) 调整焦距：调整焦距以最大化分辨率。

d) 系统调整和图像捕获：调整系统使得轴上的点（图A.1中的点’A’）位于相机的测量区域内，并数字捕获相机图像。

e) 计算轴上MTF：计算并记录内窥镜的轴上调制传递函数（MTF,on-axis）。

f) 调整系统和捕获离轴图像：调整系统使得每个离轴点（图A.1中的点’B1’至’B4’）都位于相机的测量区域内，并为每个点数字捕获相机图像。

g) 计算离轴MTF：为每个离轴点计算并记录内窥镜的离轴调制传递函数（MTF,off-axis）。所有离轴图像点的MTF,off-axis结果应被计算和记录。

h) 结果平均和独立报告：将所有离轴图像点的结果平均，并独立报告。如果测试图案分别排列以测量径向和切向分辨率，那么这些测量结果也应该分别平均并报告。

i) 检查相机/耦合光学和内窥镜组合：确保相机/耦合光学和被测试的内窥镜组合满足D.4节中描述的要求。

附录D（规范性）

对比度传递函数(CTF)和调制传递函数(MTF)

D.1 CTF及其在内窥镜测量中的应用介绍 CTF可以直接从捕获的图像中测量，并且可以提供关于光学系统性能的定量信息。但是，与MTF不同，在两色调条形图表上测量的对比度是光学系统对许多频率的响应的复杂函数，甚至是基本条形频率的奇次谐波。因此，相机、内窥镜和目标必须满足特定条件，以确保用于补偿相机响应的近似准确，并且测量的CTF能够反映内窥镜的视觉性能。

D.1.1 将CTF应用于内窥镜测量的条件 CTF测量技术可以应用于内窥镜，只要满足以下条件：

• a) 应用了D.4节中描述的相机和耦合光学的条件。
• b) 如D.5节所述，使用的靶标分辨率足够。
• c) 满足D.3节中描述的内窥镜光学截止频率的条件。
• d) 测量的频率和场点包括那些最影响内窥镜常用功能的频率和场点。 在70%视场处选择离轴场点是基于无失真系统，该系统具有70%以内的场面积和70%以外的场面积相等

允许（但不要求）在内窥镜和摄像机之间使用中继光学器件放大内窥镜图像，如附录E所述，以满足摄像机的分辨率要求。

D.2 MTF及其在内窥镜测量中的应用介绍 MTF的基本概念和相关量在ISO 9334中有所描述。本标准描述了任何光学系统必须满足的要求，以便进行MTF测量。其中两个条件是线性和等距性（对图像偏移不变），确保这些条件得到满足对于获得反映内窥镜光学性能的可重复结果非常重要。

D.2.1 ISO 12233 (SFR)的MTF测量方法摘要 ISO 12233规定了两种SFR测量类型，使用两种模式：基于边缘的（e-SFR或“倾斜边缘”）和基于正弦波的（s-SFR）。由于大多数内窥镜存在严重的几何畸变，SFR属性可能在正弦波靶标图像的不同位置显著不同，这使得s-SFR不适合估计内窥镜的局部SFR。因此，推荐使用基于倾斜边缘的e-SFR进行内窥镜SFR测量。但是，应该注意e-SFR对几种常见条件都很敏感，如下所述。e-SFR测量涉及将测试图像呈现给被测试系统，其中被分析的特征故意不对齐到像素采样，以便存在许多采样相位并且可以重建过采样图像。

D.2.2 ISO 15529 (MTF)的MTF测量方法摘要 ISO 15529描述了可以在采样数据系统上进行的多功能测量，并且通常可以应用于内窥镜/相机/显示系统。使用了一个狭缝靶标（通常实现为十字形，以便可以测量MTF的正交分量）。

D.2.3 将ISO 12233或ISO 15529应用于内窥镜 12233（e-SFR）和ISO 15529:2010（MTF）方法通常适用于内窥镜，只要满足以下条件：

• a) 应用了附录F中描述的相机和耦合光学的条件。
• b) 如D.5节所述，使用的靶标分辨率足够。
• c) 满足D.3节中描述的内窥镜光学截止频率的条件。
• d) 对于e-SFR，应用了有限差分的校正因子，使用上述D(uN)的表达式；使用的其他校正（例如，旋转角度或实际像素采样孔径）应在报告中注明。
• e) 测量的频率和视场点包括那些最影响内窥镜通常使用时的实用性的频率和视场点。

D.3 内窥镜光学截止频率限制 为了满足D.1.1和D.2.1以及D.2.3中的条件c)，相机像素尺寸对应的空间频率，Nyquist频率（uN，单位为周期/毫米），乘以耦合光学的放大倍数，应该大于或等于被测量内窥镜的光学截止频率（uc，单位为周期/毫米）： uN×耦合光学放大倍数≥ucuN​×耦合光学放大倍数≥uc​ 其中P是相机像素间距，单位为毫米/像素，M是耦合光学的放大倍数。在这种情况下，系统表现为非采样成像系统，测量的CTF等于组合的内窥镜/相机系统的CTF，测量的SFR等于组合的内窥镜/相机系统的MTF。如果uc高于这个限制，使用ISO 12233测量方法进行CTF测量和MTF测量不适用于该内窥镜，应使用ISO 15529:2010的程序进行测量。

D.4 相机和耦合光学的要求 为了满足MTF和CTF测量的要求，相机应在线性良好和噪声低的情况下记录相机成像平面上的光强度。图像处理算法，包括锐化增强、降噪和颜色处理，在应用于捕获用于处理成CTF或MTF测量的图像时可能会影响结果。

D.5 靶标要求 如果靶标的打印分辨率不够，那么对这三个特性（限制分辨率、CTF和MTF）的任何测量都会受到影响。为了确定靶标是否具有足够的分辨率，以便可以安全地忽略：

• a) 对于特性A，如果通过内窥镜观察到的图像在靶标锋利边缘周围没有可见的结构，那么靶标的分辨率就足够进行视觉评估。
• b) 对于特性B（CTF），如果直接在放大倍数M下观察靶标边缘的图像，在处理后，测量得到的目标CTF在测量频率u除以放大倍数M时接近1.0，则靶标的分辨率足够。如果靶标分辨率不够，CTF的结果无法校正，必须使用更高分辨率的靶标。
• c) 对于特性C（MTF），如果直接在放大倍数M下观察靶标边缘的图像，在处理后，测量得到的目标MTF在测量频率u除以放大倍数M时接近1.0，则靶标的分辨率足够。如果测量得到的目标MTF不符合此要求，则内窥镜的调制传递因子MTF可以按照D.5 c)中的描述进行校正。

其中，MTFtarget（u/M）是在放大率M下的目标的直接图像的调制传递因子，并且M ‘TFendocscope（4）是在空间频率u下的校正的调制传递因子。

对于典型的内窥镜，印刷的测试目标（反射率目标）可能不足够，并且目标例如玻璃上的Chrome（透射率目标）是优选的。 如果使用反射靶，其分辨率应足够高，其表面应为朗伯表面。 所有目标应均匀照明。

综上所述，使用ISO 12233进行CTF测量或SFR测量的目标应满足以下要求：
–当以放大倍数M直接成像时，目标的MTF应在最高测量频率除以M时具有接近1.0的MTe，或应在上述每个频率下校正内窥镜的测量MTF ni D 5. c）.

目标照明应在整个图像上均匀，并且应充分控制测试系统中的反射光和杂散光。对于SFR测量，目标应具有足够低的白色对比度，以确保不超过摄像机的线性动态范围。

附录E（资料性）

空间频率的转换

在内窥镜和测试系统中，用于规定和测量CTF或MTF的空间频率可能涉及以下四个位置之一（见图E.1）：

• 物体（或目标）平面，以每毫米周期数(cycles/mm)指定；
• 真实视场，以每度周期数(cycles/degree)或每场周期数(cycles/field)指定；
• 表观视场，以每度周期数(cycles/degree)或每场周期数(cycles/field)指定；
• 图像平面（相机的传感器），以每毫米周期数(cycles/mm)或每像素周期数(cycles/pixel)指定。

关键点是，通常需要将测试系统中某一点的的空间频率转换为在不同点测量的等效频率。此外，系统内不同位置的空间频率使用不同的单位进行测量，如上所述。由于畸变，图像的比例（或图像尺度）在图像上会有所变化。然而，可以在每个要进行分辨率测量的场点测量图像平面上的图像尺度，单位为每毫米像素数(pixels/mm)或每度像素数(pixels/degree)，通过拍摄已知尺寸的分级目标图像。

三个可能的测量点的图像尺度分别表示为：

• a) Sr = 在目标（物体）平面测量的每毫米像素数；
• b) Ss = 在真实视场测量的每度像素数；
• c) Sa = 在表观视场测量的每度像素数；

大多数MTF算法计算单位为每像素周期数(cycles/pixel)的u，单位可以从每像素周期数转换为每毫米周期数，方法是用像素间距P（单位为毫米/像素）除以每像素周期数（即，ucycles/mm=ucycles/pixelPmm/pixelucycles/mm​=Pmm/pixel​ucycles/pixel​​）。

任何测量点的空间频率都可以通过以下公式转换为相机（图像）平面的测量值，或者从相机平面转换而来：

其中 u_I​, u_A​, u_S和 u_T分别具有单位周期/毫米，周期/度，周期/度和周期/毫米。注意，P.S_T因子实际上是图像平面上该点处的局部放大倍数（即传感器上图像大小与目标平面上目标大小的比率）。

附录F（资料性）

中继镜的例子

使用中继镜的目的是减少系统分辨率的要求，通过放大内窥镜视野的一部分，并将这部分成像到相机上。

• 内窥镜耦合透镜 可以放置在接近内窥镜出口瞳孔的位置，以形成整个内窥镜视野的中间图像。
• 中继透镜 与耦合透镜对齐，以创建中间图像平面的放大图像。相机对准中继透镜光轴的中心。
• 中继透镜相对于中间图像平面的位置应该是可调的，以使目标在相机平面上聚焦。中继透镜被选择为使其MTF不影响测量结果。通过相对于中间图像平面横向移动中继透镜和相机来进行离轴测量。这种方法依赖于将平移轴正确对准内窥镜耦合透镜图像平面。

如果上述条件没有满足，可能会引入测量误差。

附录G（资料性）

测量频率

确定图像清晰度感知的最重要的空间频率通常在6到12个周期/度的范围，其中角度的顶点位于用户的眼睛。对于直接观察的内窥镜，空间频率是在表观视场中测量的，而对于在视频监视器上观察的内窥镜，空间频率由监视器的尺寸和观察距离决定。本附录描述了计算过程，导致基于直接观察内窥镜指定的测量和报告频率为40个周期/最大图像高度，并计算了适用于与视频监视器一起使用的内窥镜的其他空间频率。

对于直接观察的内窥镜，表观视角决定了对象细节到用户观察到的空间频率的缩放。大多数MTF测量生成了整个MTF曲线，这也可以用于CTF。可以在整个曲线中测量，或者从中提取多个空间频率的测量值，以便在报告中包含，但为了得到一个与所有按照本标准测量的内窥镜图像的感知清晰度相关的单一值，使用6+2个周期/度的频率。这个频率接近人眼对比敏感度函数的峰值，并且与用户对图像质量的感知相关。基于被测试内窥镜的名义表观视场，可以选择一个单一的CTF测量目标，以及从MTF曲线中提取和报告的单一频率，该频率近似于6个周期/度。例如，对于具有大约15度表观视场的典型腹腔镜，可以使用包含90个周期/场（6个周期/度 × 15度/场）的目标。对于具有大约10度表观视场的典型关节镜（6个周期/度 × 10度/场），可以使用包含60个周期/场的目标。因此，选择80个周期/场（40个周期/最大物体高度）作为这些内窥镜类型之间的折衷。

对于在监视器上观察的图像，表观视场可能更大。考虑到典型的医疗监视器尺寸和观察距离，可以预期从20°（对于3.0米远的42英寸对角监视器）到39°（在1.0米处观察的28英寸监视器）的范围，并且可能选择更高的空间频率目标（对于CTF）80个周期/最大物体高度，以更好地反映感知到的图像清晰度。对于这些尺寸和距离范围内的显示器，80个周期/最大物体高度对应于20°表观视场的8个周期/度，以及39°时的4.1个周期/度，这在6个周期/度±2个周期/度的范围内。

由于实际的CTF测量中只有离散的目标频率是可行的，允许选择具有略小和略大空间频率的目标，并对测量空间频率的值进行插值。同样，也允许稍微改变物距，以满足指定的每物体高度的线对数。

正印科技提供符合ISO8600-3 标准的内窥镜成像质量测试系统

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