电子内窥镜的研究现状及发展趋势

张雯雯，周正东，管绍林，余子丽

南京航空航天大学 核科学与工程系，江苏 南京 210016

电子内窥镜的研究现状及发展趋势

张雯雯，周正东，管绍林，余子丽

南京航空航天大学 核科学与工程系，江苏 南京 210016

电子内窥镜相对于光钎内窥镜在成像方面具有许多优势，医生通过电子内窥镜可以发现光纤内窥镜不能发现的病变，提高某些疾病尤其是早期肿瘤的检出率，其在临床上的应用也越来越广泛。近年来，电子内窥镜为了实现高清成像，逐渐发展为高清电子内窥镜，并分别与超声技术、共焦显微镜技术相结合，发展出了超声内窥镜和共焦内窥镜。本文主要介绍了这3种电子内窥镜的研究现状，并对电子内窥镜未来的发展方向进行了展望。

高清电子内窥镜；超声内窥镜；共焦内窥镜；编码激励技术；胰腺癌

引言

目前，医学内窥镜在诊所中起着重要的作用，当医学内窥镜插入人体，医生可以直接的观察人体体腔和内脏器官的组织形态和病变的变化，利用医学内窥镜对疾病做出准确诊断[1-2]。与传统的开放式手术相比，医学内窥镜具有损伤小、疼痛轻、恢复快的优势[3-4]。医学内窥镜的诊断和治疗优势，已经成为医疗中的普遍共识。

医用内窥镜的发展历程经历了硬性内窥镜、纤维内窥镜、电子内窥镜3个阶段。硬性内窥镜和纤维内窥镜属于光学内窥镜。1983年，美国Welch Allyn公司研究和生产了电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD），取代了光纤和硬性内窥镜图像传输，这宣告了电子内窥镜的诞生，实现了内窥镜的历史性突破。电子内窥镜的原理是：物体由物镜成像于图像传感器的光敏面，图像传感器将光信号转换成电信号，电信号经电缆传输至图像处理系统，然后利用图像处理器对电信号进行重建、增强、存储处理，显示出高清晰度和逼真的图像。图像质量的好坏直接影响内窥镜的应用，光纤内窥镜的分辨率一般为2万像素，而电子内窥镜的分辨率是光纤内窥镜的20倍，大大提高了电子内窥镜的成像质量。与光纤内窥镜相比，电子内窥镜图像更清晰、明亮、生动，具有更高的信噪比，医生通过电子内窥镜可以发现纤维内窥镜不能发现的病变，提高了某些疾病尤其是早期肿瘤的检出率[5-8]。此外，由于电子内窥镜的外径较小，可减轻患者痛苦。因此，电子内窥镜在临床医学的应用越来越广泛[9]。

近年来，电子内窥镜为了实现高清成像，逐渐发展为高清电子内窥镜，并分别与超声技术、共焦显微镜技术相结合，发展出了超声内窥镜和共焦内窥镜。高清电子内窥镜、超声内窥镜和共焦内窥镜已经成为目前电子内窥镜领域的研究热点。本文主要是通过分析这3种电子内窥镜的研究现状，介绍了目前电子内窥镜的国内外研究现状及其发展趋势。

1 高清电子内窥镜

随着电子内窥镜的快速发展，高清电子内窥镜逐渐成为重点研究内容之一。2006年，Olympus推出了1080 i高清电子内窥镜；2007年，Pentax也推出百万像素的高清电子内窥镜。高清电子内窥镜的关键技术是图像采集（摄像前端和处理后端）和图像后处理技术[10]。

1.1 图像采集

1.1.1 摄像前端

图像传感器其主要分为CCD和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS）两种，他们各有优缺点。在国外，比较高档的电子内窥镜一般釆用的是高性能的CCD图像传感器[11-12]，如：Olympus的胃镜、Pentax的结肠镜。但由于CCD图像传感器制造工艺的特殊性，其价格比较昂贵，也很难买到高性能的CCD图像传感器。近年来，随着加工工艺的迅速发展，CMOS图像传感器的性能也逐渐提高，CMOS图像传感器在内窥镜的应用研究也逐渐开展[13-15]。与CCD相比，CMOS传感器具有成本小、集成度高、耗电量较小、硬件开发成本较低等优点，因此工程师对CMOS传感器的关注越来越多，而CMOS在生物医学成像上也有了较多应用[16]。叶伟[17]提出了一种基于CMOS图像传感器的高清医用电子内窥镜系统，该系统选用CMOS图像传感器获取图像，采用ARM A8为主芯片，实现了90°的视场角，图像分辨率高达1280×800，各项指标达到国际先进水准，具有一定的临床应用价值。

1.1.2 处理后端

随着高清电子内窥镜的快速发展，视频数据量也逐渐增多，这势必导致对高清电子内窥镜图像处理系统有更高的要求。目前，图像处理系统主要分为两种：PC方式和嵌入式方式。

PC方式主要是利用了USB接口和数据釆集卡，其中USB接口主要用于传输视频信号，而数据采集卡主要用于采集视频信号，然后在PC机上完成后期的信号处理。姚陈昀[18]提出一种基于USB 2.0接口的高清电子内窥镜系统，该系统的图像传感器为CMOS，以CY7C68013作为USB2.0的接口芯片，微型摄像模组具有140°的视场角，图像分辨率为1280×800，在高分辨率的条件下，帧率达到15 fps，其性能指标达到了实际的应用需求。

嵌入式方式中比较常用的技术方式采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）、嵌入式处理器（Advanced RISC Machines，ARM）或是将他们的组合作为核心处理器。李侃等[19]设计了一种基于FPGA和双DSP的嵌入式高清内窥镜视频处理系统，采用FPGA用于视频图像的预处理，釆用两片基于DaVinci-HD技术的DSP进行并行运算，通过PowerPC处理器完成系统管理、视频存储与网络传输，该系统的图像分辨率达到1080/60 i，图像质量为H.264级别，具有小成本、低功耗等优点，有较高的实用性。宋璐等[20]提出一种基于ARM9芯片和WinCE操作系统的医用电子内窥镜系统，采用CMOS作为图像传感器，FPGA作为图像处理芯片，ARM9为主控芯片，该系统实现了内窥镜的小型化和便携性。

针对电子内窥镜视频处理系统的高实时性要求，何灿等[21]提出一种基于TILE-Gx多核处理器的高清内窥镜视频处理系统，该系统使用Tilera多核处理器对1080 p/60 fps高清视频进行H.264编解码，编码性能和解码性能均能够达到60 fps以上，图片质量达到H.264 的High Profile级别。李益庆等[22]提出一种基于TILE-Gx36多核处理器的高清电子内窥镜系统低时延视频处理设计方案，利用FPGA进行视频的采集和显示，利用多核处理器进行视频处理和编解码，通过减少视频采集时间减少采集延时，并采用优化插值算法作为视频处理算法，利用多任务负载均衡的并行处理提高视频处理环节的效率。

1.2 图像后处理

由于光源的色温不同，往往会导致图像传感器采集到的图像颜色存在差异，甚至偏离了真实的色彩，这不仅会降低成像质量，甚至影响对病变的诊断结果。

Xu等[23]提出了一种基于无色差表面识别的自动白平衡算法，首先计算像素点的RGB 3通道的和，对图像中无色差的表面进行识别，利用无色差像素集对光照色度进行估计，然后利用光照色度的估计值进行颜色校正，从而进行了图像的实时自动白平衡算法，对偏色现象进行修正。该算法有效的修正了由光源导致的颜色失真现象，使高清电子内窥镜得到的图像与标准条件下人眼看到的图像更加接近。Chen等[24]提出一种高清电子内窥镜的颜色校正算法。基于YUV颜色空间的4邻域多项式回归的颜色校正算法不仅提高了图像校正速度，而且减少了校正后图像的噪声，使图像更加平滑。

1.3 发展趋势

从目前的研究方向和国际知名高清电子内窥镜的生产趋势可以看出，电子内窥镜的发展趋势为两方面：① 高清分辨率。由于图像质量直接影响电子内窥镜的应用，因此高分辨率仍是内窥镜的研究重点，目前内窥镜虽然已经达到百万像素，但医学诊断和治疗仍需更高分辨率的内窥镜；② 微型化。探头的大小直接影响创伤的严重程度，微型探头化可以减轻患者痛苦和不适度，进而加速术后恢复。

2 超声内窥镜

近年来，超声内镜在影像诊断以及手术指导中的应用逐渐增加，除了其操作简单和辐射较少外，由于其距离组织较近，超声内窥镜相比传统超声设备成像更加精确，对微创手术十分有利。目前，国外超声内窥镜技术研究已经比较成熟，Olympus以及Fujinon公司已经生产出了不同类型的超声内窥镜，而且被广泛应用于临床，但是国内的超声内镜成像系统仍然处于研究阶段。

超声内窥镜是将电子内窥镜和超声相结合，将一个超声探头送入电子内镜的活检通道并导入人体内，换能器放在探头内，在同步信号控制下换能器发射超声波，并接受编码回波，回波信号经放大和滤波后经图像处理系统进行数据的处理，最后通过PC机进行显示。通过超声内窥镜清晰的观察到器官的断层结构剖面，从而精确诊断病变状态，其在消化道病变的诊断中应用广泛[25-31]。超声内窥镜系统的核心为探头的设计、图像的采集和处理。

2.1 超声探头

各种类型的超声诊断仪的探头将电能转换为脉冲向外辐射，直到遇到人体组织产生反射脉冲，探头接收反射脉冲并把声能再转换为电能。在超声设备中，探头占据重要位置，其性能直接影响超声内窥镜性能。超声探头的核心是换能器，它的主要功能是发射和接收超声信号，并能够完成超声信号和电信号的互相转换。

更高频率换能器的使用可以提高成像分辨率，近年来，高频换能器在超声设备研究发展迅速，但超声设备中换能器的尺寸限制了其在超声内窥镜中的应用，因此，换能器的体内应用要控制其尺寸大小的同时保证高频和高分辨率[32-34]。Andre[35]开发出一种45 MHz相控阵换能器，采用64个元素最大限度的减小换能器的尺寸，该设计有望应用于超声内窥镜成像。Zhou等[36]设计了一个64个元素的6.91 MHz径向阵列换能器，比传统锆钛酸铅阵列换能器高出30%，这种宽带阵列换能器有望在超声内窥镜的临床应用中获得高分辨率图像。Chen[37]等利用rotate-and-dice方法制造了基于压电陶瓷管的两个径向阵列超声换能器：50个元素14 MHz的换能器和100个元素3 MHz的换能器，与商业线性阵列换能器相比有显著的发展前途。耿杰[38]指出换能器性能还取决于制作换能器的材料、结构形式和换能器的安装方式，并提出了一种换能器，材料选择陶瓷-聚合物复合压电复合材料，超声换能器结构使用球面聚焦形式，最后采用声反射镜安装方式，该超声内窥镜系统具有良好的成像性能。

2.2 编码激励技术

在传统的短脉冲超声成像系统中，图像的信噪比和分辨力是一组难以调和的矛盾，Newhouse在1974年首次将编码激励技术引入到医学超声成像中，而编码激励和脉冲压缩技术相结合，可以很好地解决信噪比和分辨力之间的矛盾[39]。编码激励就是对发射信号进行编码，在不提高发射信号的峰值功率的情况下提高平均功率，从而提高系统的信噪比，同时在接收端，对回波信号进行脉冲压缩，从而恢复轴向分辨力[40]。

国内的一些高校对此进行了有意义的研究。陈晓冬[41]实现了编码激励技术在超声内窥镜系统中的应用，利用玻璃杯壁进行实验，采集的回波信号具有编码特征。赵强等[42]提出了一种基于单个正电源供电的正负电压激励脉冲实现方法，利用电机的光电码盘和复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）控制换能器发射编码激励脉冲，利用体模进行实验，回波信号质量得到提高，信噪比提高了22 dB，与仿真结果基本一致。李亚楠等[43]设计了基于编码激励与脉冲压缩技术的超声内镜实时成像系统，相比于匹配滤波和失配滤波，采用尖峰滤波脉冲压缩方法不仅能有效抑制旁瓣效应，还能够提高成像的信噪比和分辨力。

2.3 图像处理

在超声成像中，计算机辅助诊断已经得到广泛应用，而超声内窥镜完成成像之后的临床诊断工作则是完全依赖于医生的经验，因此基于超声技术的经验，开发超声内窥镜的计算机辅助诊断系统具有重要意义[44-46]。蔡哲元[47]提出一种基于胰腺超声内镜图像的计算机辅助诊断系统，主要是针对图像的纹理特征，构建胰腺癌超声内窥镜成像的诊断指标，从而提高超声内窥镜技术在胰腺癌诊断中的准确性。

2.4 发展趋势

超声内窥镜的发展趋势是：① 探头细径和高频，为使超声更适合体内诊断，需要在保证图像高分辨前提下，开发更加小型的超声探头；② 诊断的半自动化，将图像处理与超声内窥镜结合，开发计算机辅助的半自动诊断系统，减少诊断对医生经验的依赖性，提高诊断的正确率。

3 共焦内窥镜

与超声内镜相似，共焦内镜是共焦显微镜与内窥镜的结合。共聚焦的原理是照射光聚焦到组织的一个层面，只接受来自共焦层面组织发射的光束，遮挡非聚焦平面上的光束，探测器接收点像，经后续电子学设备处理可以形成清晰的图像。与其他内窥镜相比，共聚焦内窥镜具有更高的分辨率和对比度，能够实现三维重建，并进行动态实时非损伤性监测。

近十多年来，共焦内窥镜发展迅速，激光共焦内窥镜是激光共焦显微镜与内窥镜的整合，可以实现体内组织的实时高分辨率诊断。如果早期肿瘤患者能够得到及时准确的诊断，其生存率将会有很大的提高，因此激光共聚焦内窥镜在医学上有很好的发展前景，也是目前研究的焦点[48]。2006年，第一台激光共聚焦显微内窥镜产品上市，其使用单根光纤完成激光导入和荧光收集，径向分辨率为0.7 μm，轴向分辨率为7 μm，镜管直径12.8 mm。截至目前，世界上已经有4家企业推出了激光共焦显微内窥镜产品，很多研究小组在不同方面进行了研究。Liu等[49]设计了一种长工作距离、高轴向分辨率的共焦内镜，Fu等[50]研究非线性效应的内窥镜，获得10 μm的轴向分辨率。Makhlouf 等[51]将共焦和光学相干断层扫描形式结合，设计了一种新的成像系统，实现了共聚焦和光学相干断层技术成像的快速转变。国内在这个领域的产品和研究还较少，王成等[52]提出基于光纤束的内窥式共焦扫描显微内窥镜，冯志锋[53]提出一种体内成像诊断和光学动力学治疗的荧光显微内窥术，采用反馈算法快速调节不同成像区域的激光强度，有效改善了图像的信噪比。杜立辉[54]采用望远式显微内窥光学系统，研制了一种激光共焦扫描荧光显微内窥镜，实现显微内窥成像功能。张红明[55]研发了一种基于光纤束的共聚焦荧光内窥成像系统。

目前，大多数共焦系统对沾满化学荧光素组织的荧光信号比较敏感，也可检测由生物组织发出的荧光，其它系统则检测来自组织的反射光。通过检测反射光和自发荧光系统的好处是不需要应用对比剂，可安全的应用于人体，而应用荧光素的系统可能对人体有害，但具有更高的对比度和信噪比。

3.1 发展趋势

共聚焦内窥镜的发展趋势主要为：① 在保证高分辨率的情况下缩小成像探头的外形尺寸；② 为防止扫描过程中的运动伪影，需要增加图像获得速率；③ 发展多模态系统，使共焦内窥镜与色素内镜或者荧光视频内窥镜结合在一起，提高检测和组织分类的准确性。

4 总结

内窥镜实现了器官的近距离成像，使得医生可通过内窥镜直接观察病变部位进行诊断，提高了诊断尤其是早期诊断的准确率，已经逐渐成为医疗中不可或缺的诊断设备。目前内窥镜技术正逐渐从诊断阶段进入治疗和手术阶段，而我国市场几乎被国外的内窥镜公司垄断，因此内窥镜的研究对我国医疗设备的发展有着重要的意义。其中，电子内窥镜是医用内窥镜重要的发展方向之一。电子内窥镜属于软性内窥镜，具有高分辨率、高清晰度等优点，支持远距离多人观察诊断，可完成对感兴趣区域图像的存储，相比于硬管内窥镜，其在上下消化道等部位的诊断上都具有巨大优势，未来具有广阔的发展及应用空间。

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本文编辑 刘峰

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

中央高校基本科研业务费专项资金（NP2015101）。

周正东，副教授，硕士生导师，主要研究方向为医学物理学。

通讯作者邮箱：zzd_msc@nuaa.edu.cn