消化道內鏡技術的現狀與發展趨勢

孫鵬（通信作者），唐永菁

山東威高藥業股份有限公司 （山東威海 264200）

食管癌、胃癌和肝癌等消化系統癌癥又被稱為“窮人癌”，因為這類癌癥的發生與長期不健康的飲食和不衛生環境中細菌、病毒等的感染密切相關[1]。行業內普遍認為：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”的組合治療方案對延長患者生存期至關重要[2]。目前，對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 消化道內鏡的現狀和發展歷程

消化道內鏡可實現器官的近距離成像，借此，醫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，進一步做出準確的診斷，而且可以通過注射針、圈套器等治療工具直接對病變組織采取針對性的治療，這有利于提高早期消化系統癌癥的診斷準確率，延長患者的生存期[3]。內鏡技術的應用正在從診斷階段向手術治療階段轉變，與傳統的開放性手術相比，借助內鏡治療具有作業創口小、術后恢復快的優勢，對消化道內鏡技術的深入研究將有利于患者的治療，進而促進其康復。

1806年，德國人菲利浦·波茲尼發明了最早的內鏡設備，以蠟燭為光源，用于觀察直腸內部[4]。目前，內鏡已有200多年的發展歷史，經歷了硬管式內鏡、半可屈式內鏡、纖維內鏡和電子內鏡4個主要階段，并衍生出膠囊內鏡和超聲內鏡等新技術。我國在1970年引進了纖維內鏡，開始普及消化道內鏡檢查；1973年，上海醫用光學儀器廠生產出國內第一臺XW-1型纖維內鏡，實現了纖維內鏡的國產化。

電子內鏡是當今醫用內鏡最重要的發展方向，具有高分辨力、高清晰度等優點，支持照片、視頻資料的大量存儲，在上、下消化道等部位疾病的診斷中均具有較大優勢，已基本替代纖維內鏡，成為當今消化道內鏡的主流[5]。

2 消化道內鏡的主要技術

內鏡系統包括內鏡主機、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，重點技術包括內鏡結構設計、光電傳感器技術、冷光源技術和圖像處理技術。

2.1 內鏡結構設計

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

2.2 光電傳感器技術

消化道內鏡的光電傳感器主要包括電荷藕合器件（charge-coupled device，CCD）圖像傳感器和互補式氧化金屬半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）圖像傳感器兩大類。CCD 圖像傳感器起源早，技術成熟，采用PN 結或二氧化硅隔離層有效防止噪聲信號的干擾，靈敏度高，成像質量好；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，近幾年隨著技術的發展，終端的成像質量逐漸接近CCD 圖像傳感器，但CMOS 圖像傳感器光電信號傳輸和處理速度更快，功耗更低，顯示的實時性更好[8]。CCD 圖像傳感器硬件結構復雜，加工難度大，制造成本高。CMOS 圖像傳感器可將時鐘發生器、信號放大器等周邊電路共同集成到傳感器芯片上，不僅可節省成本，還可減小體積。目前，除了幾家在CCD 圖像傳感器領域占有絕對技術優勢的日本公司以外，其他企業的內鏡產品主要采用CMOS 圖像傳感器。

2.3 冷光源技術

內鏡主要采用的是外置冷光源，即通過光導纖維導入鏡頭的方式實現照明，光源主要有白熾光源、氙氣光源、LED 光源等。其中，白熾燈是將熱能轉化為光能，發光效率低，使用壽命短；氙氣燈利用的是氣體放電發光的原理，需要較大的啟動電壓才能使氣體放電，目前采用的方法是反復啟動啟輝器點亮光源，存在能耗大、啟動慢、不適用于需要頻繁更換照明狀態的場合[9]；LED 燈在光效、壽命、啟動電壓方面較白熾燈、氙氣燈均更具明顯優勢，LED 燈亦是體積最小的光源，在工業內鏡領域可直接內置于鏡頭內，目前，已有廠家在嘗試將LED 燈植入消化道內鏡以替代冷光源和導光光纖，并通過水冷的方式進行降溫[10]。

2.4 圖像處理技術

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

NBI 利用窄帶濾光器對白光進行篩選，僅留下605、540和415 nm 特定波長的紅、綠、藍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，將黏膜下的血管網絡顯現出來，黏膜表面的血液對藍、綠色的光吸收較強，由此，通過三種光波增加了黏膜表皮和下層血管的對比度，實現染色的效果。

AFI 利用非正常增生組織內膠原蛋白缺失導致該部分組織對綠色熒光吸收減弱、對紅色熒光吸收增強的特點發現胃腸道黏膜的異常[13]。該技術與白光源技術、NBI 共同組成所謂的三聯成像模式，可進一步增強圖像的差異性顯示。

I-Scan 技術的特色在于針對性的色調增強功能，可以通過軟件算法將黏膜內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種不同波長的光構成）呈現出來，該技術最多有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 消化道內鏡的發展趨勢

3.1 高清內鏡

圖像的顯示質量直接影響電子內鏡的應用，因此，高分辨力仍是內鏡的研究重點，盡管目前內鏡攝像鏡頭的清晰度已達百萬像素，顯示器的分辨力也已達1 080P，但醫學診斷和治療仍需更高清晰度的影像[16]；同時，還應避免鏡頭尺寸增大，因為鏡頭的尺寸直接影響內鏡對人體創傷的嚴重程度，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。超高清4K 內鏡攝像顯示系統已由研發階段逐步走向市場，該系統采用體積小、響應快的CMOS 作為攝像系統的核心，由現場可編程門陣列（field programmable gate array，FPGA）芯片結合圖像處理算法進行降噪、銳化、放大和縮短顯示延時等功能，使攝影圖像可達3 840×2 160的分辨力[17]。高清內鏡不僅要求先進的圖像處理技術，也要求高清晰度的圖像顯示技術，搭配4K 超高清顯示器可以滿足高清顯示的需求。4K 超高清顯示技術是通過高色域顯示、實時畫面增強等技術，實現超高清圖像顯示、真實色彩還原、超低延時的圖像傳輸，結合FPGA芯片的數字圖像處理技術，實現內鏡的高清顯示。

3.2 激光共焦顯微內鏡

共聚焦顯微內鏡是在鏡頭上增加激光共聚焦探頭，消化道黏膜組織經過熒光劑的染色后，用共聚焦顯微內鏡的激光探頭進行激發，染色劑經激發后，消化道黏膜組織產生熒光效應[18]。應用熒光素可能會產生過敏反應，但可以使圖像呈現出更高的對比度。共聚焦的放大倍數可達1 000 倍，探查深度可達黏膜下200 μm[19]，不僅可以清晰顯示黏膜組織的微結構，也能顯示黏膜細胞的內部結構，可以滿足病理學要求的對組織結構異型性和細胞形態異型性的全面判斷，該技術又被稱為“無創光學活檢”。該技術還可以在以下方面予以改進：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動偽影，縮短圖像呈現延時時間；發展多模態系統，使共聚焦顯微內鏡與電子染色內鏡技術結合，提高診斷的準確性[20]。

3.3 超聲內鏡

超聲內鏡是將電子內鏡和超聲技術相結合，將超聲探頭植入電子內鏡頭部，換能器集成在探頭內，換能器將電功率轉換為超聲波發射出去，并接受回波，超聲波信號經放大、濾波等圖像處理流程后進行圖像顯示[21]。通過超聲內鏡，可以獲得消化道黏膜各層次的組織學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，判斷消化道惡性腫瘤的侵襲深度和范圍等[22]。該技術還可以在以下方面予以改進：為使超聲更適合體內診斷，需要在保證圖像高分辨的前提下，開發更加小型的超聲探頭；提高系統的信噪比，提高圖像清晰度；開發計算機輔助的半自動診斷系統，提高診斷的準確率[23]。

3.4 膠囊內鏡

目前，內鏡的主體結構是管道式樣，在使用中會對患者帶來痛苦，甚至造成劃傷等傷害，且普通電子內鏡僅可以觀察0.5～1 m 范圍的腸道，無法對近7 m 的腸道進行全面檢查[24]。因此，膠囊內鏡應運而生。膠囊內鏡不僅可減輕患者做檢查時的痛苦，也可避免人體對異物侵入時自主產生的強烈的排斥反應。膠囊內鏡普遍采用功耗較低的內置式LED 光源，供電采用基于電磁感應原理的體外無接觸供電方式。常見的膠囊內鏡主要依靠消化系統的蠕動帶動其行走，不能自主停留在消化道某特定部位進行檢查，或協助對特定病變部位實施手術。體外超聲成像技術可用來監視膠囊內鏡在體內的定位。此外，可通過在膠囊內鏡中嵌入點狀分布的永磁體，利用磁轉矩作用于嵌入的永磁體，實現其在消化道內的可控運動。

4 小結

經過不斷的技術發展，消化道內鏡已經成為臨床醫師做出準確診斷的重要工具，并在診斷的基礎上向治療方向快速發展，具有廣闊的應用前景。隨著相關配套技術的發展，高清內鏡，激光共焦顯微內鏡、膠囊內鏡、超聲內鏡等新型消化道內鏡會有更快的發展速度，從研發走向臨床實踐，更好地為臨床工作服務。