Auteurs: Geert Geleijnse (klinisch fysicus), Geertjan de Groot (student Gezondheidszorgtechnologie), Marieke Hakkesteegt (sliklogopedist), Leo Groenendaal (manager Medische Technologie), Jan van Beest (medisch technicus), Cees den Hoedt (medisch technicus), Johan Sweep (medisch technicus), André Stam (medisch technicus) en Mick Metselaar (KNO-arts). Op de afdeling KNO gebruiken we endoscopen om in de neus en keel te kijken. Dit artikel beschrijft welke eigenschappen van beeldkwaliteit we kunnen meten met een testkaart (Rez checker nano target matt) en de eerste resultaten van onze metingen aan drie typen KNO-endoscopen.
Introductie
Op de afdeling KNO gebruiken we chip-on-tip videoscopen om in de neus en keel te kijken. Chip-on-tip endoscopen vervangen geleidelijk de fiberscopen, omdat ze een veel beter beeld geven. Deze beelden zijn al digitaal en daarmee is het makkelijker om beelden op te slaan in een elektronisch patiëntendossier. Hiermee is het mogelijk om het verloop van een ziekte te volgen en beelden te bespreken met andere artsen. Dit laatste is extra waardevol in opleidingscentra en multidisciplinaire samenwerkingsverbanden.
Het objectief en gestandaardiseerd meten van de beeldkwaliteit van chip-on-tip endoscopen is voor zover we hebben kunnen nagaan nog niet gebruikelijk bij ziekenhuizen in Nederland. Navraag bij leveranciers en ziekenhuizen in Nederland leert dat zij semi-objectieve metingen uitvoeren tijdens kwaliteitscontroles. Dat wil zeggen dat een technicus de scoop richt op één van de handen of op een testkaart en vervolgens zelf het beeld beoordeelt. Wel heeft bijvoorbeeld de firma DOVIDEQ medical een tester voor starre optieken, maar die is vooralsnog niet geschikt voor chip-on-tip endoscopen.
Objectieve metingen zijn wel bekend in de fotocamera-industrie en kunnen nuttig zijn voor het vergelijken van producten tijdens een aanschaftraject of voor kwaliteitscontroles tijdens de gebruiksfase. Image Science Associates heeft speciaal voor endoscopen een testkaart ontwikkeld: de Rez checker target nano matte (zie figuur 1 B).
Het doel van dit onderzoek was het nut en bruikbaarheid van de Rez checker target te bepalen. Dit artikel beschrijft welke eigenschappen van beeldkwaliteit we kunnen meten met deze testkaart en de eerste resultaten van onze metingen aan de volgende drie typen KNO-endoscopen: Pentax VNL9-CP, Olympus ENF-V4 en Xion Spectar Video Nasopharyngoscope XN HD.
Methode
De endoscopen zijn gepositioneerd in een meetopstelling (zie figuur 1 A). De videoprocessor van de endoscoop was ingesteld zoals die klinisch ook gebruikt wordt. Vervolgens was de brightness van de scoop aangepast, zodat de wit-grijs-zwart vlakken niet onder- of overbelicht zijn. De testkaart lag in een donkere kamer. De tip van de scope werd in een vaste positie gehouden middels een 3D-geprinte adapter met daarin een tunnel op maat van de scope. De tip werd opgevoerd tot net voorbij het einde van de doorvoer, zodat de afstand van de tip tot aan de testkaart telkens 3,0 cm was.
De digitale foto’s zijn gemaakt met een Epiphan DVI2USB3 frame grabber en Epiphan Capture Tool software. De beelden zijn telkens opgeslagen als BMP-bestand om beeldcompressie te voorkomen. Daarna zijn de beelden geanalyseerd met een op maat geschreven script in Matlab. Het script zoekt de zwarte rondjes op de testkaart en legt een raster over het testbeeld voor de analyse.
Voor het meten van de reproduceerbaarheid zijn de Pentax- en Olympusscopen telkens opnieuw wit gebalanceerd met een RAL9003 testkaartje. Voor de Xion-scopen was dit niet mogelijk, omdat gebruikers deze niet kunnen wit-balansen.
De volgende factoren die invloed hebben op de beeldkwaliteit zijn gemeten:
Scherpte
ISO 12233 is een geaccepteerde manier in de fotocamera industrie die beschrijft hoe je de beeldscherpte kan meten. Hier is deels van afgeweken door de lichtbron van de endoscoop zelf te gebruiken in plaats van de externe belichting zoals is voorgeschreven. De scherpte van het beeld hangt af van de resolutie (pixeldichtheid) en het contrast. Door de schuine overgang (slanted edge) van een lichtgrijs vlak naar een donkergrijs vlak te analyseren, kan je meten tot hoe klein de fijnste details zijn, die een camera kan vastleggen. Om de scherpte van verschillende endoscopen te kunnen vergelijken is de scherpte uitgedrukt in lijnparen per millimeter ter plaatse van de testkaart.
Licht-donker bereik
De grijze vlakjes kun je gebruiken om de overgang van licht naar donker te analyseren. Een kleiner bereik is niet per se slechter, omdat een fabrikant er bijvoorbeeld voor kan kiezen om de endoscoop te ontwerpen met een kleiner licht-donker bereik, ten gunste van meer contrast.
Ruis
De grijze vlakjes zijn bijna egaal. Toch laten de gemeten pixels niet éénzelfde waarde zien, maar een variatie. De afwijking ten opzichte van de gemiddelde grijswaarde binnen één vlakje is evenredig met de ruis. De variatie is berekend met de standaarddeviatie.
Kleurnauwkeurigheid
De gekleurde vlakjes aan de buitenzijde van het testkaartje hebben een bekende kleur. De endoscoop meet een andere kleur. Het kleurverschil kan je berekenen volgens de CIE dE 2000. Dit is een foutwaarde die rekening houdt met de kleurgevoeligheid van het menselijk oog. De waarde 1 is gelijk aan het kleurverschil dat een normaal oog nog net kan waarnemen.
Resultaat
Drie Pentax VNL9-CP endoscopen, drie Olympus ENF-V4 en drie Xion Spectar Video Nasopharyngoscope XN HD zijn elk tien keer gemeten voor het bepalen van de reproduceerbaarheid. Zie figuur 2 ter illustratie.
Resultaat – scherpte
In figuur 3 staat de Modulation Transfer Function (MTF), dit is een maat voor de scherpte van het beeld. De MTF is horizontaal en verticaal gemeten. In de grafiek staan de waardes waar de MTF gelijk is aan 0,71 (-3dB); 0,50 (de helft) en 0,10 (Rayleigh criterium). Een hogere MTF geeft aan dat het beeld scherper is. Xion scoort hier het beste, vervolgens Pentax en tenslotte Olympus. Dit is te verklaren door het verschil in diameter aan de tip. Een kleinere diameter aan de tip betekent dat er minder fysieke ruimte is voor elektronica om een beeld te registreren. Minder ruimte betekent bijvoorbeeld minder of kleinere beeldsensoren.
Resultaat – licht-donker bereik
In figuur 4 staan de afwijkingen van de grijswaarden weergegeven. Hierin is te zien dat Pentax een wat kleiner licht-donker-bereik heeft dan Olympus, maar dat het contrast van Pentax daardoor beter (steiler) is. Xion en Olympus laten over het algemeen een iets donkerder beeld zien.
Resultaat – ruis
In figuur 5 staat de ruis t.o.v. de grijswaarden weergegeven. De ruis bij de hogere grijswaarden is lager doordat de vlakken overbelicht zijn. De grijswaarde zit dan tegen een plafondwaarde, zodat er geen ruis meer te zien is. Olympus en Xion doen het hier beter dan Pentax. Dit verschil weegt niet heel zwaar, omdat de relatieve verschillen niet zo groot zijn. Een standaarddeviatie van bijvoorbeeld 5 i.p.v. 2,5 is bij een grijswaarde van 180 relatief maar 2,8% versus 1,4%.
De ruis is gemeten op vlakken van de Rez checker target matte. Deze heeft als eigenschap dat het oppervlak een reliëf heeft. Dit is goed om de reflecties van de lichtbron te beperken, maar maakt het beeld minder egaal en veroorzaakt daardoor ook ruis.
Resultaat – kleurnauwkeurigheid
In figuur 6 staat de kleurfout. Een lagere waarde betekent dat de kleurnauwkeurigheid beter is. Een kleurverschil met de waarde 1 is nog net waar te nemen voor een gemiddelde kijker die goed kleuren kan zien. Over het algemeen scoort Xion duidelijk het beste en Olympus scoort iets beter dan Pentax. Mensen zijn vrij slecht in het onderscheiden van kleuren op basis van een herinnering aan een kleur, daarom is het belang van kleurnauwkeurigheid vermoedelijk niet zo groot.
Resultaat – kwaliteitscontrole
Vervolgens zijn 38 Pentax VNL9-CP scopen gemeten voor het bepalen van normaalwaarden. Hiervan hadden zes metingen een afwijkende scherpte of kleurnauwkeurigheid. De metingen met afwijkende resultaten zijn twee keer herhaald, waardoor bleek dat twee scopen structureel een minder scherp beeld gaven dan het 95% betrouwbaarheidsinterval. Deze scopen waren niet opgemerkt als afwijkend tijdens de semi objectieve controle. Uiteindelijk zijn er geen scopen gevonden met een afwijkende waarde voor het zwart-wit-bereik, de ruis en kleurnauwkeurigheid.
Discussie
Onze eerste ervaring met deze methode voor het meten van de beeldkwaliteit van chip-on-tip endoscopen is positief. Het geeft nuttige informatie zonder dat er een patiënt of proefpersoon belast hoeft te worden. Daarnaast is het lastig de beeldkwaliteit van een endoscoop te beoordelen op basis van een herinnering aan het beeld van een goed functionerende endoscoop.
Beeldvorming is de kernfunctie van een endoscoop en daarmee is de beeldkwaliteit in ieder geval één van de belangrijkste eigenschappen. Er zijn ook andere eigenschappen die meewegen tijdens het selecteren van een endoscoop, denk hierbij aan: patiëntcomfort, diameter van de endoscoop (pediatrische zorg vraagt om kleinere diameters dan volwassenenzorg), gebruikersgemak, reinigbaarheid, robuustheid, aanschafkosten, eventuele reparatiekosten en dienstverlening van de leverancier.
Voor het regulier meten van de beeldkwaliteit voor kwaliteitscontrole zou de meetopstelling verder uitgewerkt moeten worden, zodat de software de analyse meteen uitvoert na de beeldvorming en direct een meetrapport geeft met grenswaarden. Het weergeven van de meetresultaten in combinatie met normaalwaarden zou het voor technici makkelijk kunnen maken om afwijkingen in beeldkwaliteit te detecteren (zie figuur 7).
De gebruikte methode meet de beeldkwaliteit van de combinatie lichtbron en beeldvormende chip. Hierdoor zal het niet mogelijk zijn om te achterhalen of een verminderde beeldkwaliteit een gevolg is van de lichtbron of de chip. In het geval van Xion en Pentax endoscopen zijn de lichtbron en endoscoop één geheel en zal in beide gevallen de endoscoop ter reparatie opgestuurd moeten worden. In het geval van Olympus is het mogelijk eerst de endoscoop te testen met een andere lichtbron om vast te stellen welk onderdeel defect is.
De metingen van de 38 Pentax endoscopen zouden we periodiek willen herhalen, zodat we trends van de beeldkwaliteit over de levensduur van een endoscoop kunnen analyseren.
De uitgevoerde metingen zijn technische metingen. Om te zien of de technische resultaten overeenkomen met de beleving van KNO-artsen zijn er klinische beelden gemaakt van de keel van één proefpersoon met de drie verschillende typen endoscopen en de twee Pentax endoscopen met een minder scherp beeld. De technische resultaten waren terug te zien op de klinische beelden en kwamen goed met elkaar overeen. Echter, het is nog niet duidelijk hoe belangrijk een arts de scherpte van beeld bijvoorbeeld afweegt tegen de kleurnauwkeurigheid. Onderzocht moet nog worden in hoeverre de objectieve meetresultaten implicaties hebben voor het kunnen stellen van een diagnose.
De verbetering in beeldkwaliteit van fibers naar chip-on-tip endoscopen is duidelijk te zien, maar toch is het moeilijk om aan te tonen dat dit leidt tot een betere diagnostiek. Het is ook nog maar de vraag of een verdere verbetering in beeldkwaliteit naar 4K ook werkelijk de diagnostiek verbetert.
Conclusie
De onderzochte methode voor het meten van de beeldkwaliteit van chip-on-tip scopen is bruikbaar en nuttig voor het vergelijken van verschillende typen scopen. Er zijn nog trendanalyses nodig om vast te stellen of periodieke kwaliteitscontroles nuttig zijn. Ook de relatie tussen de technische meting en de klinische gevolgen willen we verder onderzoeken.
Referenties
- ISO 12233:2017 Fotografie – Camera’s voor elektronische stilstaande beelden – Resolutiemetingen
- NEN-ISO 14524 Photography – Electronic still-picture cameras – Methods for measuring opto-electronic conversion functions (OECFs)
- http://www.imatest.com/
- www.brucelindbloom.com
