姬 軍王 丹王云龍蔣昌松袁 青

（1.解放軍第三○五醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，北京 100017；2.解放軍第三○五醫(yī)院物資采購管理辦公室，北京 100017；3.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；4.北京大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，北京 100191）

CIELAB色空間內(nèi)窺鏡色彩還原能力對比分析

姬 軍1，王 丹2，王云龍1，3，蔣昌松4，袁 青1，3

（1.解放軍第三○五醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，北京 100017；2.解放軍第三○五醫(yī)院物資采購管理辦公室，北京 100017；3.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；4.北京大學(xué)第三醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，北京 100191）

基于CIELAB色空間評價(jià)硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力，并進(jìn)行4支硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力對比分析。通過與內(nèi)窺鏡連接的工業(yè)相機(jī)拍攝內(nèi)窺鏡觀測到的色彩標(biāo)靶圖像，拍攝圖像發(fā)送至計(jì)算機(jī)保存并處理。處理后得到圖像中紅綠藍(lán)色塊的RGB值，將RGB值轉(zhuǎn)換至CIELAB色空間進(jìn)而求得圖像的L*、a*、b*值，最后利用已知標(biāo)靶色塊的L*、a*、b*值和求得的圖像L*、a*、b*值計(jì)算CIELAB色差ΔE*ab，即色彩還原誤差值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：4支內(nèi)窺鏡的色彩還原誤差值都在47.9以上；4號腹腔鏡對紅、綠、藍(lán)三色塊的色彩還原誤差值最小，色彩還原能力最好；2號宮腔檢查鏡對三色塊色彩還原誤差值比較大，色彩還原能力最差；1號鼻竇鏡和3號關(guān)節(jié)鏡的色彩還原能力處于中間水平。CIELAB色空間作為國際通用的測色標(biāo)準(zhǔn)，可以用于評價(jià)硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力。

CIELAB色空間；色彩還原能力；色彩還原誤差；測色標(biāo)準(zhǔn)

0 引 言

醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡可作用于人體體表、淺層或者體腔部位，實(shí)現(xiàn)對病變組織或器官的治療和診斷。醫(yī)生通過內(nèi)窺鏡不僅能直接觀察到人體內(nèi)臟器官的組織形態(tài)、體內(nèi)病變情況，方便進(jìn)行診斷；而且可以對采集到的圖像進(jìn)行輸出和存儲并進(jìn)一步診療和處理，其診療優(yōu)勢已為醫(yī)學(xué)界共識[1-2]。

醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)對顏色分辨能力和色彩還原準(zhǔn)確程度是通過數(shù)值的方法表示某種顏色給人色彩感覺上的準(zhǔn)確度。光學(xué)觀察鏡應(yīng)有良好的顏色分辨能力和色彩還原能力。當(dāng)采用ISO 10526：1999/ CIE S005規(guī)定的A和D65標(biāo)準(zhǔn)照明體的光譜，經(jīng)照明光路和成像系統(tǒng)傳輸后輸出，其輸出光譜應(yīng)仍能保持良好的顯色性[3]。

硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力與正確區(qū)分正常組織和病理組織密切相關(guān)，對臨床治療的影響至關(guān)重要。如果硬性內(nèi)窺鏡的色彩還原誤差較大，可能影響醫(yī)生對視場內(nèi)人體組織的觀察和操作，造成誤診甚至手術(shù)失敗[4]。國外近幾年已經(jīng)出現(xiàn)了用于檢測醫(yī)用內(nèi)窺鏡的專用設(shè)備，但檢測項(xiàng)目局限，沒有形成一種有效的內(nèi)窺鏡色彩還原能力檢測方法，同時檢測設(shè)備價(jià)格昂貴，不利于推廣。

醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，硬性內(nèi)窺鏡色彩分辨能力和色彩還原性的檢測技術(shù)手段和裝置過于專業(yè)，方法相對復(fù)雜，不適于臨床使用。因此，為方便臨床使用及維護(hù)人員對醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力的評價(jià)，本文提出了一種新的關(guān)于醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力評價(jià)方法，并且利用該方法對4支硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力做出對比分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)原理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1.1 測試對象

實(shí)驗(yàn)所用硬性內(nèi)窺鏡有鼻竇鏡LUT HD scope，宮腔檢查鏡SHENDA J0122，關(guān)節(jié)鏡Rudolf RU 0151-14 Germany Stainless，腹腔鏡Rudolf RU 0360-12/30 Germany Stainless，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡介紹

1.1.2 光 源

照射冷光源采用機(jī)器視覺光源控制器AFT-BL50W，實(shí)驗(yàn)所用到的亮度檔位對應(yīng)的照度為10330lux（勒克斯，光照強(qiáng)度單位），偏差為±740lux，光照強(qiáng)度誤差在可接受范圍之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)所用光源為均勻面的冷光源。

1.1.3 色彩測試圖卡

色彩測試圖卡是由紅、綠、藍(lán)3種顏色色塊組成的薄塑料質(zhì)彩色標(biāo)靶，如圖1所示。測試圖卡中的各個色塊的標(biāo)準(zhǔn)RGB值如表2所示。

圖1 色彩還原能力測試標(biāo)靶

1.2 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法

CIE1976LAB（或CIELAB）系統(tǒng)是國際通用的測色標(biāo)準(zhǔn)，適用于一切光源色或物體色的表示與計(jì)算。

CIELAB色空間轉(zhuǎn)換步驟為：

1）RGB色彩空間轉(zhuǎn)換成CIEXYZ色彩空間，轉(zhuǎn)換式：

2）CIEXYZ色彩空間轉(zhuǎn)換成CIELAB色空間，轉(zhuǎn)換式：

式中：X、Y、Z——物體的3刺激值；

X0、Y0、Z0——CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體（光源）的3刺激值[5-7]。

由X、Y、Z變換為L*、a*、b*時包含有立方根的函數(shù)變換，經(jīng)過這種非線性變換后，原來的馬蹄形光譜軌跡不再保持。轉(zhuǎn)換后的空間用笛卡爾直角坐標(biāo)體系來表示，如圖2所示。

圖2 LAB色彩空間示意圖

L*值表示顏色的亮度，范圍0～100；a*值表示顏色由綠到紅的色彩變化，-128（純綠）至+128（純紅），分256級；b*值表示顏色由黃到藍(lán)的顏色變化，-128（純藍(lán)）至+128（純黃），分256級。

實(shí)驗(yàn)過程中所用到的均勻冷光源的照度為10 330 lux，偏差為±740 lux。冷光源發(fā)出的均勻光透射測試圖卡，用上述4支內(nèi)窺鏡分別對色彩還原測試圖卡進(jìn)行圖像觀察采集，觀察采集過程中確保測試圖卡占到內(nèi)窺鏡整個視場中心區(qū)域45%～55%的位置。通過與內(nèi)窺鏡目鏡相連的DH-HV1351UC工業(yè)攝像機(jī)拍攝內(nèi)窺鏡采集圖像并將所拍攝圖像輸入計(jì)算機(jī)。

然后利用Matlab軟件對所得圖像進(jìn)行處理，處理過程中首先截取不同內(nèi)窺鏡拍攝的紅綠藍(lán)色塊（每個色塊中截取面積≥30%），測出每個所截取圖像色塊的R、G、B值，并利用色彩空間轉(zhuǎn)換式（1）換算到CIELAB色空間求出各截取色塊對應(yīng)的L2*、a2*、b2*值，已知紅綠藍(lán)三原色的RGB值和相對應(yīng)的L1*、a1*、b1*值（如表2所示），將截取色塊對應(yīng)的L、a、b值（L2*、a2*、b2*）和三原色對應(yīng)的L、a、b值（L1*、a1*、b1*）代入下式計(jì)算各項(xiàng)色彩還原誤差，即為CIELAB色差ΔE*ab：

式中：L1*——標(biāo)靶明度的標(biāo)準(zhǔn)值；

a1*——標(biāo)靶彩度的標(biāo)準(zhǔn)值；

b1*——標(biāo)靶彩度的標(biāo)準(zhǔn)值；

L2*——所拍圖像明度的測定值；

a2*——所拍圖像彩度的測定值；

b2*——所拍圖像彩度的測定值；

ΔL*——明度差，+表示偏白，-表示偏黑；

Δa*——彩度差，+表示偏紅，-表示偏綠；

Δb*——彩度差，+表示偏黃，-表示偏藍(lán)；

ΔE*ab——總色差的大小[8]。

表2 彩色標(biāo)靶中色塊RGB值與L*a*b*值對應(yīng)表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)拍攝所得到的以及處理后的部分色塊圖像分別如圖3～圖6所示。

圖3 1號鏡實(shí)驗(yàn)中紅色色塊圖像

圖4 2號鏡實(shí)驗(yàn)中綠色色塊圖像

圖5 3號鏡實(shí)驗(yàn)藍(lán)色色塊圖像

圖6 4號鏡實(shí)驗(yàn)紅色色塊圖像

處理后的圖像可以由Photoshop或者M(jìn)atlab軟件獲得彩色圖像色塊的RGB值，然后將色彩空間由RGB空間轉(zhuǎn)換到L*a*b*空間，并且得到圖像的L*、a*、b*值以及總色彩還原誤差。所得4支硬性內(nèi)窺鏡的紅綠藍(lán)三色塊的L*a*b*值以及色彩還原誤差值如表3所示。

表3 4支硬性內(nèi)窺鏡拍攝所得圖像數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

表3可以看出，4支內(nèi)窺鏡均有較大的色彩還原誤差值，其誤差值均在47.9以上；4支內(nèi)窺鏡中4號腹腔鏡Rudolf RU 0360-12/30 Germany Stainless對紅、綠、藍(lán)三色塊的色彩還原誤差值最小；2號宮腔檢查鏡SHENDA J0122對三色塊色彩還原誤差值比較大。通過比較得知，4號腹腔鏡Rudolf RU 0360-12/30 Germany Stainless色彩還原能力比較好，其次是3號關(guān)節(jié)鏡Rudolf RU 0151-14 Germany Stainless和1號鼻竇鏡LUT HD scope，最后是2號宮腔檢查鏡SHENDA J0122。

經(jīng)查閱相關(guān)資料得知，與其他3支內(nèi)窺鏡相比，2號國產(chǎn)宮腔檢查鏡SHENDA J0122具有較低的色彩還原能力，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值一致?；贑IELAB色空間評價(jià)硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力的方法相對簡單客觀，可以為內(nèi)窺鏡廠家及工程人員提供可靠的硬性內(nèi)窺鏡色彩還原檢測手段，可以作為醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)中色彩還原檢測方法。

3 結(jié)束語

基于CIELAB色空間評價(jià)硬性內(nèi)窺鏡色彩還原能力，與醫(yī)療儀器行業(yè)注冊檢驗(yàn)檢測相比具有操作相對簡便、檢測成本較低、更加適合臨床應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

CIELAB色空間是國際照明委員會推薦的均勻顏色空間，較之前的顏色空間，顏色的均勻性有了較大的改善，但是對于人眼的色彩感覺來說CIELAB空間還是不均勻的。利用CIELAB空間進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換和校正時，會因?yàn)轭伾臻g的不均勻性產(chǎn)生色偏從而帶來誤差[9]。工業(yè)攝像機(jī)的引入可能給實(shí)驗(yàn)帶來較大誤差，另外光源均勻度、圖像色塊RGB值測量重復(fù)性以及圖像處理過程帶來的誤差等因素也可能會給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來一定的影響。

拍攝保存的圖像為1 248×1 024格式的彩色圖像，并且直接保存所得到的色塊圖像包含多余的黑色以及白色區(qū)域，選取Matlab處理所得圖像截取色塊并且色塊區(qū)域大于總色塊的80%，最大程度避免了圖像色塊外其它區(qū)域的影響和截取過程帶來的影響。

另外，光源均勻度與圖像色塊測量重復(fù)性的不斷完善，避免人為因素的影響以及尋找標(biāo)準(zhǔn)的色彩測試圖卡標(biāo)靶都是本實(shí)驗(yàn)需要解決的問題。目前僅證實(shí)CIELAB色彩空間用于評價(jià)醫(yī)用硬性內(nèi)窺鏡的色彩還原能力，而能否利用CIELAB色空間評價(jià)應(yīng)用比較廣泛的電子內(nèi)窺鏡的色彩還原性依然是今后工作的研究方向。

[1]陳曉冬，郁道銀，宋玲玲，等.醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26（10）：1047-1051.

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Comparative analysis of color reproduction capability between different medical rigid endoscopes based on the CIELAB color space

JI Jun1，WANG Dan2，WANG Yunlong1，3，JIANG Changsong4，YUAN Qing1，3
（1.Medical Engineering Department of 305 Hospital of PLA，Beijing 100017，China；2.Material Purchase Management Office of 305 Hospital of PLA，Beijing 100017，China；3.College of Biomedical Engineering，Southern Medial University，Guangzhou 510515，China；4.Medical Engineering Department of Peking University Third Hospital，Beijing 100191，China）

To evaluate rigid endoscope color reproduction capability based on the CIELAB color space and conduct color reproduction capability comparative analysis between four rigid endoscopes.Industrial camera which connected with the endoscope shoot the color target image observed by endoscope，then images shot by the industrial camera are sent to the computer for storage and processing.Red，green and blue blockRGBvalues in the image will be achieved after image process，thenRGBvalues are converted to CIELAB color space to get theL*，a*，b*value.Finally，combine the knownL*，a*，b*value of the target color with theL*，a*，b*value of shot images，we will calculate CIELAB color difference ΔE*ab，namely the color reproduction error.Experiment data shows that four endoscopes’color reproduction error value is all above 47.9；4th laparoscope has the smallest error value of color reproduction for red，green，and blue color lumps，so 4th endoscope has the best color reproduction capability；The 2nd hysteroscope has relatively large error value on the three color lump color reproduction，so 2nd endoscope has the worst color reproduction capability；The other two including 1st sinoscope and 3nd arthroscope both have an intermediate level color reproduction capability.CIELAB color space as a common international color measurement standard can be used as a method to evaluate the rigid endoscope color reproduction capability.

CIELAB color space；color reproduction capability；color reproduction error；color measurement standard

A

：1674-5124（2015）05-0013-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.004

2014-10-17；

：2014-12-12

軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專項(xiàng)（2011-JL2-027）解放軍第305醫(yī)院科研基金項(xiàng)目（12YA2）

姬 軍（1970-），男，山東青島市人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事醫(yī)療器械維修與質(zhì)控。