消化道內(nèi)鏡技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

孫鵬（通信作者），唐永菁

山東威高藥業(yè)股份有限公司 （山東威海 264200）

食管癌、胃癌和肝癌等消化系統(tǒng)癌癥又被稱為“窮人癌”，因?yàn)檫@類癌癥的發(fā)生與長(zhǎng)期不健康的飲食和不衛(wèi)生環(huán)境中細(xì)菌、病毒等的感染密切相關(guān)[1]。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為：消化道癌癥患者越早診斷和治療，其生存率越高；“早篩+早期介入手術(shù)”的組合治療方案對(duì)延長(zhǎng)患者生存期至關(guān)重要[2]。目前，對(duì)消化道癌癥的初步診斷通常采用“胃/腸鏡+活檢”的組合方案。

1 消化道內(nèi)鏡的現(xiàn)狀和發(fā)展歷程

消化道內(nèi)鏡可實(shí)現(xiàn)器官的近距離成像，借此，醫(yī)師不僅可以直接觀察到病變部位的情況，采用活檢鉗等工具采集組織樣本，進(jìn)一步做出準(zhǔn)確的診斷，而且可以通過注射針、圈套器等治療工具直接對(duì)病變組織采取針對(duì)性的治療，這有利于提高早期消化系統(tǒng)癌癥的診斷準(zhǔn)確率，延長(zhǎng)患者的生存期[3]。內(nèi)鏡技術(shù)的應(yīng)用正在從診斷階段向手術(shù)治療階段轉(zhuǎn)變，與傳統(tǒng)的開放性手術(shù)相比，借助內(nèi)鏡治療具有作業(yè)創(chuàng)口小、術(shù)后恢復(fù)快的優(yōu)勢(shì)，對(duì)消化道內(nèi)鏡技術(shù)的深入研究將有利于患者的治療，進(jìn)而促進(jìn)其康復(fù)。

1806年，德國人菲利浦·波茲尼發(fā)明了最早的內(nèi)鏡設(shè)備，以蠟燭為光源，用于觀察直腸內(nèi)部[4]。目前，內(nèi)鏡已有200多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了硬管式內(nèi)鏡、半可屈式內(nèi)鏡、纖維內(nèi)鏡和電子內(nèi)鏡4個(gè)主要階段，并衍生出膠囊內(nèi)鏡和超聲內(nèi)鏡等新技術(shù)。我國在1970年引進(jìn)了纖維內(nèi)鏡，開始普及消化道內(nèi)鏡檢查；1973年，上海醫(yī)用光學(xué)儀器廠生產(chǎn)出國內(nèi)第一臺(tái)XW-1型纖維內(nèi)鏡，實(shí)現(xiàn)了纖維內(nèi)鏡的國產(chǎn)化。

電子內(nèi)鏡是當(dāng)今醫(yī)用內(nèi)鏡最重要的發(fā)展方向，具有高分辨力、高清晰度等優(yōu)點(diǎn)，支持照片、視頻資料的大量存儲(chǔ)，在上、下消化道等部位疾病的診斷中均具有較大優(yōu)勢(shì)，已基本替代纖維內(nèi)鏡，成為當(dāng)今消化道內(nèi)鏡的主流[5]。

2 消化道內(nèi)鏡的主要技術(shù)

內(nèi)鏡系統(tǒng)包括內(nèi)鏡主機(jī)、顯示屏、圖像處理器、冷光源以及各種用途的附件和診療工具，其中，重點(diǎn)技術(shù)包括內(nèi)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光電傳感器技術(shù)、冷光源技術(shù)和圖像處理技術(shù)。

2.1 內(nèi)鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

消化道內(nèi)鏡屬于軟式內(nèi)鏡，使用時(shí)需通過人體的自然腔道進(jìn)入消化器官，故其插入部的尺寸和鏡身軟硬度是內(nèi)鏡鏡體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[4]。對(duì)鏡頭內(nèi)光學(xué)鏡片的數(shù)量和排列組合方式進(jìn)行優(yōu)化以及對(duì)鏡頭內(nèi)光電傳感器的體積做小型化設(shè)計(jì)均可縮小插入部的尺寸。常見內(nèi)鏡的剛度是恒定的，這不僅增加了醫(yī)師的操作難度，也加重了患者的疼痛感。調(diào)節(jié)內(nèi)鏡剛度的方式包括：（1）在插入部?jī)?nèi)安裝撓性管和螺旋彈簧，通過對(duì)螺旋彈簧加壓或減壓使彈簧被壓緊或恢復(fù)，從而增大或減小鏡身的剛度[5]；（2）在插入部軟管內(nèi)植入微型電磁鐵片，通過電流的磁效應(yīng)來控制微型鐵片相互之間靠攏或分散，以此實(shí)現(xiàn)鏡身剛度可調(diào)[6]。因消化道內(nèi)鏡屬于介入型醫(yī)療器械，每次使用后必須進(jìn)行清洗消毒，這導(dǎo)致其運(yùn)轉(zhuǎn)率較低。為降低內(nèi)鏡的清洗消毒成本，縮短清洗消毒的時(shí)間，提高運(yùn)轉(zhuǎn)率，保護(hù)精密、昂貴的鏡體操作部，可將內(nèi)鏡的插入部和操作部做分離設(shè)計(jì)，使這兩部分可拆裝，每次使用后只需對(duì)插入部進(jìn)行清洗消毒即可[7]。

2.2 光電傳感器技術(shù)

消化道內(nèi)鏡的光電傳感器主要包括電荷藕合器件（charge-coupled device，CCD）圖像傳感器和互補(bǔ)式氧化金屬半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）圖像傳感器兩大類。CCD 圖像傳感器起源早，技術(shù)成熟，采用PN 結(jié)或二氧化硅隔離層有效防止噪聲信號(hào)的干擾，靈敏度高，成像質(zhì)量好；CMOS 圖像傳感器各元件和電路距離較近，相互之間電磁干擾較大，近幾年隨著技術(shù)的發(fā)展，終端的成像質(zhì)量逐漸接近CCD 圖像傳感器，但CMOS 圖像傳感器光電信號(hào)傳輸和處理速度更快，功耗更低，顯示的實(shí)時(shí)性更好[8]。CCD 圖像傳感器硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，制造成本高。CMOS 圖像傳感器可將時(shí)鐘發(fā)生器、信號(hào)放大器等周邊電路共同集成到傳感器芯片上，不僅可節(jié)省成本，還可減小體積。目前，除了幾家在CCD 圖像傳感器領(lǐng)域占有絕對(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的日本公司以外，其他企業(yè)的內(nèi)鏡產(chǎn)品主要采用CMOS 圖像傳感器。

2.3 冷光源技術(shù)

內(nèi)鏡主要采用的是外置冷光源，即通過光導(dǎo)纖維導(dǎo)入鏡頭的方式實(shí)現(xiàn)照明，光源主要有白熾光源、氙氣光源、LED 光源等。其中，白熾燈是將熱能轉(zhuǎn)化為光能，發(fā)光效率低，使用壽命短；氙氣燈利用的是氣體放電發(fā)光的原理，需要較大的啟動(dòng)電壓才能使氣體放電，目前采用的方法是反復(fù)啟動(dòng)啟輝器點(diǎn)亮光源，存在能耗大、啟動(dòng)慢、不適用于需要頻繁更換照明狀態(tài)的場(chǎng)合[9]；LED 燈在光效、壽命、啟動(dòng)電壓方面較白熾燈、氙氣燈均更具明顯優(yōu)勢(shì)，LED 燈亦是體積最小的光源，在工業(yè)內(nèi)鏡領(lǐng)域可直接內(nèi)置于鏡頭內(nèi)，目前，已有廠家在嘗試將LED 燈植入消化道內(nèi)鏡以替代冷光源和導(dǎo)光光纖，并通過水冷的方式進(jìn)行降溫[10]。

2.4 圖像處理技術(shù)

傳統(tǒng)的內(nèi)鏡染色技術(shù)是將盧戈氏液碘、靚胭脂或亞甲藍(lán)（美藍(lán)）染料噴灑在黏膜表面，因正常和異常黏膜對(duì)染色劑的吸收情況不同而呈現(xiàn)出不同顏色，從而觀察病變區(qū)域和病變情況[11]。近年來興起的虛擬染色技術(shù)，可以通過對(duì)光線和圖像的處理達(dá)到同樣的效果，在使用中可以隨時(shí)切換普通的白光場(chǎng)景和染色場(chǎng)景，使用方式更為靈活。虛擬染色技術(shù)結(jié)合了篩選特定波長(zhǎng)光和圖像對(duì)比處理技術(shù)，主要有奧林巴斯公司的窄帶成像技術(shù)（narrow band imaging，NBI）和自體熒光成像技術(shù)（auto fluorescence imaging，AFI），賓得公司的I-Scan 技術(shù)，富士公司的智能分光比色技術(shù)（Fuji intelligent chromo endoscopy，F(xiàn)ICE）等。

NBI 利用窄帶濾光器對(duì)白光進(jìn)行篩選，僅留下605、540和415 nm 特定波長(zhǎng)的紅、綠、藍(lán)色窄帶光波照射至消化道和器官的黏膜表面[12]。紅光可深入黏膜表層之下，將黏膜下的血管網(wǎng)絡(luò)顯現(xiàn)出來，黏膜表面的血液對(duì)藍(lán)、綠色的光吸收較強(qiáng)，由此，通過三種光波增加了黏膜表皮和下層血管的對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)染色的效果。

AFI 利用非正常增生組織內(nèi)膠原蛋白缺失導(dǎo)致該部分組織對(duì)綠色熒光吸收減弱、對(duì)紅色熒光吸收增強(qiáng)的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)胃腸道黏膜的異常[13]。該技術(shù)與白光源技術(shù)、NBI 共同組成所謂的三聯(lián)成像模式，可進(jìn)一步增強(qiáng)圖像的差異性顯示。

I-Scan 技術(shù)的特色在于針對(duì)性的色調(diào)增強(qiáng)功能，可以通過軟件算法將黏膜內(nèi)血管的走向突顯出來，并清晰顯示病變黏膜與正常黏膜之間的界限，異常黏膜不變色，正常黏膜呈暗青色[14]。

FICE 是通過軟件算法，可將白光下拍攝到的圖像通過組合光（由任意3種不同波長(zhǎng)的光構(gòu)成）呈現(xiàn)出來，該技術(shù)最多有50種不同的組合光，豐富了圖像的顯示效果，從而可以獲得不同黏膜病變的最佳圖像[15]。

3 消化道內(nèi)鏡的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 高清內(nèi)鏡

圖像的顯示質(zhì)量直接影響電子內(nèi)鏡的應(yīng)用，因此，高分辨力仍是內(nèi)鏡的研究重點(diǎn)，盡管目前內(nèi)鏡攝像鏡頭的清晰度已達(dá)百萬像素，顯示器的分辨力也已達(dá)1 080P，但醫(yī)學(xué)診斷和治療仍需更高清晰度的影像[16]；同時(shí)，還應(yīng)避免鏡頭尺寸增大，因?yàn)殓R頭的尺寸直接影響內(nèi)鏡對(duì)人體創(chuàng)傷的嚴(yán)重程度，微型探頭化可以減輕患者痛苦和不適度，進(jìn)而加速術(shù)后恢復(fù)。超高清4K 內(nèi)鏡攝像顯示系統(tǒng)已由研發(fā)階段逐步走向市場(chǎng)，該系統(tǒng)采用體積小、響應(yīng)快的CMOS 作為攝像系統(tǒng)的核心，由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）芯片結(jié)合圖像處理算法進(jìn)行降噪、銳化、放大和縮短顯示延時(shí)等功能，使攝影圖像可達(dá)3 840×2 160的分辨力[17]。高清內(nèi)鏡不僅要求先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，也要求高清晰度的圖像顯示技術(shù)，搭配4K 超高清顯示器可以滿足高清顯示的需求。4K 超高清顯示技術(shù)是通過高色域顯示、實(shí)時(shí)畫面增強(qiáng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超高清圖像顯示、真實(shí)色彩還原、超低延時(shí)的圖像傳輸，結(jié)合FPGA芯片的數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)鏡的高清顯示。

3.2 激光共焦顯微內(nèi)鏡

共聚焦顯微內(nèi)鏡是在鏡頭上增加激光共聚焦探頭，消化道黏膜組織經(jīng)過熒光劑的染色后，用共聚焦顯微內(nèi)鏡的激光探頭進(jìn)行激發(fā)，染色劑經(jīng)激發(fā)后，消化道黏膜組織產(chǎn)生熒光效應(yīng)[18]。應(yīng)用熒光素可能會(huì)產(chǎn)生過敏反應(yīng)，但可以使圖像呈現(xiàn)出更高的對(duì)比度。共聚焦的放大倍數(shù)可達(dá)1 000 倍，探查深度可達(dá)黏膜下200 μm[19]，不僅可以清晰顯示黏膜組織的微結(jié)構(gòu)，也能顯示黏膜細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以滿足病理學(xué)要求的對(duì)組織結(jié)構(gòu)異型性和細(xì)胞形態(tài)異型性的全面判斷，該技術(shù)又被稱為“無創(chuàng)光學(xué)活檢”。該技術(shù)還可以在以下方面予以改進(jìn)：在保證高分辨力的情況下縮小成像探頭的外形尺寸；減少掃描過程中的運(yùn)動(dòng)偽影，縮短圖像呈現(xiàn)延時(shí)時(shí)間；發(fā)展多模態(tài)系統(tǒng)，使共聚焦顯微內(nèi)鏡與電子染色內(nèi)鏡技術(shù)結(jié)合，提高診斷的準(zhǔn)確性[20]。

3.3 超聲內(nèi)鏡

超聲內(nèi)鏡是將電子內(nèi)鏡和超聲技術(shù)相結(jié)合，將超聲探頭植入電子內(nèi)鏡頭部，換能器集成在探頭內(nèi)，換能器將電功率轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射出去，并接受回波，超聲波信號(hào)經(jīng)放大、濾波等圖像處理流程后進(jìn)行圖像顯示[21]。通過超聲內(nèi)鏡，可以獲得消化道黏膜各層次的組織學(xué)特征及周圍鄰近臟器的超聲圖像，用于診斷黏膜病變的性質(zhì)，判斷消化道惡性腫瘤的侵襲深度和范圍等[22]。該技術(shù)還可以在以下方面予以改進(jìn)：為使超聲更適合體內(nèi)診斷，需要在保證圖像高分辨的前提下，開發(fā)更加小型的超聲探頭；提高系統(tǒng)的信噪比，提高圖像清晰度；開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助的半自動(dòng)診斷系統(tǒng)，提高診斷的準(zhǔn)確率[23]。

3.4 膠囊內(nèi)鏡

目前，內(nèi)鏡的主體結(jié)構(gòu)是管道式樣，在使用中會(huì)對(duì)患者帶來痛苦，甚至造成劃傷等傷害，且普通電子內(nèi)鏡僅可以觀察0.5～1 m 范圍的腸道，無法對(duì)近7 m 的腸道進(jìn)行全面檢查[24]。因此，膠囊內(nèi)鏡應(yīng)運(yùn)而生。膠囊內(nèi)鏡不僅可減輕患者做檢查時(shí)的痛苦，也可避免人體對(duì)異物侵入時(shí)自主產(chǎn)生的強(qiáng)烈的排斥反應(yīng)。膠囊內(nèi)鏡普遍采用功耗較低的內(nèi)置式LED 光源，供電采用基于電磁感應(yīng)原理的體外無接觸供電方式。常見的膠囊內(nèi)鏡主要依靠消化系統(tǒng)的蠕動(dòng)帶動(dòng)其行走，不能自主停留在消化道某特定部位進(jìn)行檢查，或協(xié)助對(duì)特定病變部位實(shí)施手術(shù)。體外超聲成像技術(shù)可用來監(jiān)視膠囊內(nèi)鏡在體內(nèi)的定位。此外，可通過在膠囊內(nèi)鏡中嵌入點(diǎn)狀分布的永磁體，利用磁轉(zhuǎn)矩作用于嵌入的永磁體，實(shí)現(xiàn)其在消化道內(nèi)的可控運(yùn)動(dòng)。

4 小結(jié)

經(jīng)過不斷的技術(shù)發(fā)展，消化道內(nèi)鏡已經(jīng)成為臨床醫(yī)師做出準(zhǔn)確診斷的重要工具，并在診斷的基礎(chǔ)上向治療方向快速發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展，高清內(nèi)鏡，激光共焦顯微內(nèi)鏡、膠囊內(nèi)鏡、超聲內(nèi)鏡等新型消化道內(nèi)鏡會(huì)有更快的發(fā)展速度，從研發(fā)走向臨床實(shí)踐，更好地為臨床工作服務(wù)。