電子內窺鏡的研究現狀及發展趨勢

張雯雯，周正東，管紹林，余子麗

南京航空航天大學 核科學與工程系，江蘇 南京 210016

電子內窺鏡的研究現狀及發展趨勢

張雯雯，周正東，管紹林，余子麗

南京航空航天大學 核科學與工程系，江蘇 南京 210016

電子內窺鏡相對于光釬內窺鏡在成像方面具有許多優勢，醫生通過電子內窺鏡可以發現光纖內窺鏡不能發現的病變，提高某些疾病尤其是早期腫瘤的檢出率，其在臨床上的應用也越來越廣泛。近年來，電子內窺鏡為了實現高清成像，逐漸發展為高清電子內窺鏡，并分別與超聲技術、共焦顯微鏡技術相結合，發展出了超聲內窺鏡和共焦內窺鏡。本文主要介紹了這3種電子內窺鏡的研究現狀，并對電子內窺鏡未來的發展方向進行了展望。

高清電子內窺鏡；超聲內窺鏡；共焦內窺鏡；編碼激勵技術；胰腺癌

引言

目前，醫學內窺鏡在診所中起著重要的作用，當醫學內窺鏡插入人體，醫生可以直接的觀察人體體腔和內臟器官的組織形態和病變的變化，利用醫學內窺鏡對疾病做出準確診斷[1-2]。與傳統的開放式手術相比，醫學內窺鏡具有損傷小、疼痛輕、恢復快的優勢[3-4]。醫學內窺鏡的診斷和治療優勢，已經成為醫療中的普遍共識。

醫用內窺鏡的發展歷程經歷了硬性內窺鏡、纖維內窺鏡、電子內窺鏡3個階段。硬性內窺鏡和纖維內窺鏡屬于光學內窺鏡。1983年，美國Welch Allyn公司研究和生產了電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD），取代了光纖和硬性內窺鏡圖像傳輸，這宣告了電子內窺鏡的誕生，實現了內窺鏡的歷史性突破。電子內窺鏡的原理是：物體由物鏡成像于圖像傳感器的光敏面，圖像傳感器將光信號轉換成電信號，電信號經電纜傳輸至圖像處理系統，然后利用圖像處理器對電信號進行重建、增強、存儲處理，顯示出高清晰度和逼真的圖像。圖像質量的好壞直接影響內窺鏡的應用，光纖內窺鏡的分辨率一般為2萬像素，而電子內窺鏡的分辨率是光纖內窺鏡的20倍，大大提高了電子內窺鏡的成像質量。與光纖內窺鏡相比，電子內窺鏡圖像更清晰、明亮、生動，具有更高的信噪比，醫生通過電子內窺鏡可以發現纖維內窺鏡不能發現的病變，提高了某些疾病尤其是早期腫瘤的檢出率[5-8]。此外，由于電子內窺鏡的外徑較小，可減輕患者痛苦。因此，電子內窺鏡在臨床醫學的應用越來越廣泛[9]。

近年來，電子內窺鏡為了實現高清成像，逐漸發展為高清電子內窺鏡，并分別與超聲技術、共焦顯微鏡技術相結合，發展出了超聲內窺鏡和共焦內窺鏡。高清電子內窺鏡、超聲內窺鏡和共焦內窺鏡已經成為目前電子內窺鏡領域的研究熱點。本文主要是通過分析這3種電子內窺鏡的研究現狀，介紹了目前電子內窺鏡的國內外研究現狀及其發展趨勢。

1 高清電子內窺鏡

隨著電子內窺鏡的快速發展，高清電子內窺鏡逐漸成為重點研究內容之一。2006年，Olympus推出了1080 i高清電子內窺鏡；2007年，Pentax也推出百萬像素的高清電子內窺鏡。高清電子內窺鏡的關鍵技術是圖像采集（攝像前端和處理后端）和圖像后處理技術[10]。

1.1 圖像采集

1.1.1 攝像前端

圖像傳感器其主要分為CCD和互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS）兩種，他們各有優缺點。在國外，比較高檔的電子內窺鏡一般釆用的是高性能的CCD圖像傳感器[11-12]，如：Olympus的胃鏡、Pentax的結腸鏡。但由于CCD圖像傳感器制造工藝的特殊性，其價格比較昂貴，也很難買到高性能的CCD圖像傳感器。近年來，隨著加工工藝的迅速發展，CMOS圖像傳感器的性能也逐漸提高，CMOS圖像傳感器在內窺鏡的應用研究也逐漸開展[13-15]。與CCD相比，CMOS傳感器具有成本小、集成度高、耗電量較小、硬件開發成本較低等優點，因此工程師對CMOS傳感器的關注越來越多，而CMOS在生物醫學成像上也有了較多應用[16]。葉偉[17]提出了一種基于CMOS圖像傳感器的高清醫用電子內窺鏡系統，該系統選用CMOS圖像傳感器獲取圖像，采用ARM A8為主芯片，實現了90°的視場角，圖像分辨率高達1280×800，各項指標達到國際先進水準，具有一定的臨床應用價值。

1.1.2 處理后端

隨著高清電子內窺鏡的快速發展，視頻數據量也逐漸增多，這勢必導致對高清電子內窺鏡圖像處理系統有更高的要求。目前，圖像處理系統主要分為兩種：PC方式和嵌入式方式。

PC方式主要是利用了USB接口和數據釆集卡，其中USB接口主要用于傳輸視頻信號，而數據采集卡主要用于采集視頻信號，然后在PC機上完成后期的信號處理。姚陳昀[18]提出一種基于USB 2.0接口的高清電子內窺鏡系統，該系統的圖像傳感器為CMOS，以CY7C68013作為USB2.0的接口芯片，微型攝像模組具有140°的視場角，圖像分辨率為1280×800，在高分辨率的條件下，幀率達到15 fps，其性能指標達到了實際的應用需求。

嵌入式方式中比較常用的技術方式采用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）、嵌入式處理器（Advanced RISC Machines，ARM）或是將他們的組合作為核心處理器。李侃等[19]設計了一種基于FPGA和雙DSP的嵌入式高清內窺鏡視頻處理系統，采用FPGA用于視頻圖像的預處理，釆用兩片基于DaVinci-HD技術的DSP進行并行運算，通過PowerPC處理器完成系統管理、視頻存儲與網絡傳輸，該系統的圖像分辨率達到1080/60 i，圖像質量為H.264級別，具有小成本、低功耗等優點，有較高的實用性。宋璐等[20]提出一種基于ARM9芯片和WinCE操作系統的醫用電子內窺鏡系統，采用CMOS作為圖像傳感器，FPGA作為圖像處理芯片，ARM9為主控芯片，該系統實現了內窺鏡的小型化和便攜性。

針對電子內窺鏡視頻處理系統的高實時性要求，何燦等[21]提出一種基于TILE-Gx多核處理器的高清內窺鏡視頻處理系統，該系統使用Tilera多核處理器對1080 p/60 fps高清視頻進行H.264編解碼，編碼性能和解碼性能均能夠達到60 fps以上，圖片質量達到H.264 的High Profile級別。李益慶等[22]提出一種基于TILE-Gx36多核處理器的高清電子內窺鏡系統低時延視頻處理設計方案，利用FPGA進行視頻的采集和顯示，利用多核處理器進行視頻處理和編解碼，通過減少視頻采集時間減少采集延時，并采用優化插值算法作為視頻處理算法，利用多任務負載均衡的并行處理提高視頻處理環節的效率。

1.2 圖像后處理

由于光源的色溫不同，往往會導致圖像傳感器采集到的圖像顏色存在差異，甚至偏離了真實的色彩，這不僅會降低成像質量，甚至影響對病變的診斷結果。

Xu等[23]提出了一種基于無色差表面識別的自動白平衡算法，首先計算像素點的RGB 3通道的和，對圖像中無色差的表面進行識別，利用無色差像素集對光照色度進行估計，然后利用光照色度的估計值進行顏色校正，從而進行了圖像的實時自動白平衡算法，對偏色現象進行修正。該算法有效的修正了由光源導致的顏色失真現象，使高清電子內窺鏡得到的圖像與標準條件下人眼看到的圖像更加接近。Chen等[24]提出一種高清電子內窺鏡的顏色校正算法。基于YUV顏色空間的4鄰域多項式回歸的顏色校正算法不僅提高了圖像校正速度，而且減少了校正后圖像的噪聲，使圖像更加平滑。

1.3 發展趨勢

從目前的研究方向和國際知名高清電子內窺鏡的生產趨勢可以看出，電子內窺鏡的發展趨勢為兩方面：① 高清分辨率。由于圖像質量直接影響電子內窺鏡的應用，因此高分辨率仍是內窺鏡的研究重點，目前內窺鏡雖然已經達到百萬像素，但醫學診斷和治療仍需更高分辨率的內窺鏡；② 微型化。探頭的大小直接影響創傷的嚴重程度，微型探頭化可以減輕患者痛苦和不適度，進而加速術后恢復。

2 超聲內窺鏡

近年來，超聲內鏡在影像診斷以及手術指導中的應用逐漸增加，除了其操作簡單和輻射較少外，由于其距離組織較近，超聲內窺鏡相比傳統超聲設備成像更加精確，對微創手術十分有利。目前，國外超聲內窺鏡技術研究已經比較成熟，Olympus以及Fujinon公司已經生產出了不同類型的超聲內窺鏡，而且被廣泛應用于臨床，但是國內的超聲內鏡成像系統仍然處于研究階段。

超聲內窺鏡是將電子內窺鏡和超聲相結合，將一個超聲探頭送入電子內鏡的活檢通道并導入人體內，換能器放在探頭內，在同步信號控制下換能器發射超聲波，并接受編碼回波，回波信號經放大和濾波后經圖像處理系統進行數據的處理，最后通過PC機進行顯示。通過超聲內窺鏡清晰的觀察到器官的斷層結構剖面，從而精確診斷病變狀態，其在消化道病變的診斷中應用廣泛[25-31]。超聲內窺鏡系統的核心為探頭的設計、圖像的采集和處理。

2.1 超聲探頭

各種類型的超聲診斷儀的探頭將電能轉換為脈沖向外輻射，直到遇到人體組織產生反射脈沖，探頭接收反射脈沖并把聲能再轉換為電能。在超聲設備中，探頭占據重要位置，其性能直接影響超聲內窺鏡性能。超聲探頭的核心是換能器，它的主要功能是發射和接收超聲信號，并能夠完成超聲信號和電信號的互相轉換。

更高頻率換能器的使用可以提高成像分辨率，近年來，高頻換能器在超聲設備研究發展迅速，但超聲設備中換能器的尺寸限制了其在超聲內窺鏡中的應用，因此，換能器的體內應用要控制其尺寸大小的同時保證高頻和高分辨率[32-34]。Andre[35]開發出一種45 MHz相控陣換能器，采用64個元素最大限度的減小換能器的尺寸，該設計有望應用于超聲內窺鏡成像。Zhou等[36]設計了一個64個元素的6.91 MHz徑向陣列換能器，比傳統鋯鈦酸鉛陣列換能器高出30%，這種寬帶陣列換能器有望在超聲內窺鏡的臨床應用中獲得高分辨率圖像。Chen[37]等利用rotate-and-dice方法制造了基于壓電陶瓷管的兩個徑向陣列超聲換能器：50個元素14 MHz的換能器和100個元素3 MHz的換能器，與商業線性陣列換能器相比有顯著的發展前途。耿杰[38]指出換能器性能還取決于制作換能器的材料、結構形式和換能器的安裝方式，并提出了一種換能器，材料選擇陶瓷-聚合物復合壓電復合材料，超聲換能器結構使用球面聚焦形式，最后采用聲反射鏡安裝方式，該超聲內窺鏡系統具有良好的成像性能。

2.2 編碼激勵技術

在傳統的短脈沖超聲成像系統中，圖像的信噪比和分辨力是一組難以調和的矛盾，Newhouse在1974年首次將編碼激勵技術引入到醫學超聲成像中，而編碼激勵和脈沖壓縮技術相結合，可以很好地解決信噪比和分辨力之間的矛盾[39]。編碼激勵就是對發射信號進行編碼，在不提高發射信號的峰值功率的情況下提高平均功率，從而提高系統的信噪比，同時在接收端，對回波信號進行脈沖壓縮，從而恢復軸向分辨力[40]。

國內的一些高校對此進行了有意義的研究。陳曉冬[41]實現了編碼激勵技術在超聲內窺鏡系統中的應用，利用玻璃杯壁進行實驗，采集的回波信號具有編碼特征。趙強等[42]提出了一種基于單個正電源供電的正負電壓激勵脈沖實現方法，利用電機的光電碼盤和復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）控制換能器發射編碼激勵脈沖，利用體模進行實驗，回波信號質量得到提高，信噪比提高了22 dB，與仿真結果基本一致。李亞楠等[43]設計了基于編碼激勵與脈沖壓縮技術的超聲內鏡實時成像系統，相比于匹配濾波和失配濾波，采用尖峰濾波脈沖壓縮方法不僅能有效抑制旁瓣效應，還能夠提高成像的信噪比和分辨力。

2.3 圖像處理

在超聲成像中，計算機輔助診斷已經得到廣泛應用，而超聲內窺鏡完成成像之后的臨床診斷工作則是完全依賴于醫生的經驗，因此基于超聲技術的經驗，開發超聲內窺鏡的計算機輔助診斷系統具有重要意義[44-46]。蔡哲元[47]提出一種基于胰腺超聲內鏡圖像的計算機輔助診斷系統，主要是針對圖像的紋理特征，構建胰腺癌超聲內窺鏡成像的診斷指標，從而提高超聲內窺鏡技術在胰腺癌診斷中的準確性。

2.4 發展趨勢

超聲內窺鏡的發展趨勢是：① 探頭細徑和高頻，為使超聲更適合體內診斷，需要在保證圖像高分辨前提下，開發更加小型的超聲探頭；② 診斷的半自動化，將圖像處理與超聲內窺鏡結合，開發計算機輔助的半自動診斷系統，減少診斷對醫生經驗的依賴性，提高診斷的正確率。

3 共焦內窺鏡

與超聲內鏡相似，共焦內鏡是共焦顯微鏡與內窺鏡的結合。共聚焦的原理是照射光聚焦到組織的一個層面，只接受來自共焦層面組織發射的光束，遮擋非聚焦平面上的光束，探測器接收點像，經后續電子學設備處理可以形成清晰的圖像。與其他內窺鏡相比，共聚焦內窺鏡具有更高的分辨率和對比度，能夠實現三維重建，并進行動態實時非損傷性監測。

近十多年來，共焦內窺鏡發展迅速，激光共焦內窺鏡是激光共焦顯微鏡與內窺鏡的整合，可以實現體內組織的實時高分辨率診斷。如果早期腫瘤患者能夠得到及時準確的診斷，其生存率將會有很大的提高，因此激光共聚焦內窺鏡在醫學上有很好的發展前景，也是目前研究的焦點[48]。2006年，第一臺激光共聚焦顯微內窺鏡產品上市，其使用單根光纖完成激光導入和熒光收集，徑向分辨率為0.7 μm，軸向分辨率為7 μm，鏡管直徑12.8 mm。截至目前，世界上已經有4家企業推出了激光共焦顯微內窺鏡產品，很多研究小組在不同方面進行了研究。Liu等[49]設計了一種長工作距離、高軸向分辨率的共焦內鏡，Fu等[50]研究非線性效應的內窺鏡，獲得10 μm的軸向分辨率。Makhlouf 等[51]將共焦和光學相干斷層掃描形式結合，設計了一種新的成像系統，實現了共聚焦和光學相干斷層技術成像的快速轉變。國內在這個領域的產品和研究還較少，王成等[52]提出基于光纖束的內窺式共焦掃描顯微內窺鏡，馮志鋒[53]提出一種體內成像診斷和光學動力學治療的熒光顯微內窺術，采用反饋算法快速調節不同成像區域的激光強度，有效改善了圖像的信噪比。杜立輝[54]采用望遠式顯微內窺光學系統，研制了一種激光共焦掃描熒光顯微內窺鏡，實現顯微內窺成像功能。張紅明[55]研發了一種基于光纖束的共聚焦熒光內窺成像系統。

目前，大多數共焦系統對沾滿化學熒光素組織的熒光信號比較敏感，也可檢測由生物組織發出的熒光，其它系統則檢測來自組織的反射光。通過檢測反射光和自發熒光系統的好處是不需要應用對比劑，可安全的應用于人體，而應用熒光素的系統可能對人體有害，但具有更高的對比度和信噪比。

3.1 發展趨勢

共聚焦內窺鏡的發展趨勢主要為：① 在保證高分辨率的情況下縮小成像探頭的外形尺寸；② 為防止掃描過程中的運動偽影，需要增加圖像獲得速率；③ 發展多模態系統，使共焦內窺鏡與色素內鏡或者熒光視頻內窺鏡結合在一起，提高檢測和組織分類的準確性。

4 總結

內窺鏡實現了器官的近距離成像，使得醫生可通過內窺鏡直接觀察病變部位進行診斷，提高了診斷尤其是早期診斷的準確率，已經逐漸成為醫療中不可或缺的診斷設備。目前內窺鏡技術正逐漸從診斷階段進入治療和手術階段，而我國市場幾乎被國外的內窺鏡公司壟斷，因此內窺鏡的研究對我國醫療設備的發展有著重要的意義。其中，電子內窺鏡是醫用內窺鏡重要的發展方向之一。電子內窺鏡屬于軟性內窺鏡，具有高分辨率、高清晰度等優點，支持遠距離多人觀察診斷，可完成對感興趣區域圖像的存儲，相比于硬管內窺鏡，其在上下消化道等部位的診斷上都具有巨大優勢，未來具有廣闊的發展及應用空間。

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本文編輯 劉峰

Research Progress and Development Tendency of Electronic Endoscope

ZHANG Wen-wen, ZHOU Zheng-dong, GUAN Shao-lin, YU Zi-li
Department of Nuclear Science and Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China

Electronic endoscope shares many advantages in imaging compared with fiber optic endoscope. With electronic endoscope, doctor can find disease that fiber optic endoscope can not find, thus improve detection rate of certain diseases especially early tumors, and it is extensively used in clinical application. In recent years, electronic endoscopy realizes high-definition imaging, and developed into high-definition electronic endoscope, which was combined with ultrasound technology and confocal microscopy technology respectively to develop ultrasound endoscope and confocal endoscope. This article mainly introduced current research status of these three kinds of electronic endoscope, including high-definition electronic endoscope, ultrasonic endoscope and confocal endoscope, and the future direction of electronic endoscope had been prospected.

high-definition electronic endoscope; ultrasonic endoscope; confocal endoscope; coded excitation; pancreatic cancer

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.01.025

1674-1633(2017)01-0093-06

2016-02-04

2016-12-06

中央高校基本科研業務費專項資金（NP2015101）。

周正東，副教授，碩士生導師，主要研究方向為醫學物理學。

通訊作者郵箱：zzd_msc@nuaa.edu.cn