消化道内镜技术的现状与发展趋势

孙鹏（通信作者），唐永菁

山东威高药业股份有限公司 （山东威海 264200）

食管癌、胃癌和肝癌等消化系统癌症又被称为“穷人癌”，因为这类癌症的发生与长期不健康的饮食和不卫生环境中细菌、病毒等的感染密切相关[1]。行业内普遍认为：消化道癌症患者越早诊断和治疗，其生存率越高；“早筛+早期介入手术”的组合治疗方案对延长患者生存期至关重要[2]。目前，对消化道癌症的初步诊断通常采用“胃/肠镜+活检”的组合方案。

1 消化道内镜的现状和发展历程

消化道内镜可实现器官的近距离成像，借此，医师不仅可以直接观察到病变部位的情况，采用活检钳等工具采集组织样本，进一步做出准确的诊断，而且可以通过注射针、圈套器等治疗工具直接对病变组织采取针对性的治疗，这有利于提高早期消化系统癌症的诊断准确率，延长患者的生存期[3]。内镜技术的应用正在从诊断阶段向手术治疗阶段转变，与传统的开放性手术相比，借助内镜治疗具有作业创口小、术后恢复快的优势，对消化道内镜技术的深入研究将有利于患者的治疗，进而促进其康复。

1806年，德国人菲利浦·波兹尼发明了最早的内镜设备，以蜡烛为光源，用于观察直肠内部[4]。目前，内镜已有200多年的发展历史，经历了硬管式内镜、半可屈式内镜、纤维内镜和电子内镜4个主要阶段，并衍生出胶囊内镜和超声内镜等新技术。我国在1970年引进了纤维内镜，开始普及消化道内镜检查；1973年，上海医用光学仪器厂生产出国内第一台XW-1型纤维内镜，实现了纤维内镜的国产化。

电子内镜是当今医用内镜最重要的发展方向，具有高分辨力、高清晰度等优点，支持照片、视频资料的大量存储，在上、下消化道等部位疾病的诊断中均具有较大优势，已基本替代纤维内镜，成为当今消化道内镜的主流[5]。

2 消化道内镜的主要技术

内镜系统包括内镜主机、显示屏、图像处理器、冷光源以及各种用途的附件和诊疗工具，其中，重点技术包括内镜结构设计、光电传感器技术、冷光源技术和图像处理技术。

2.1 内镜结构设计

消化道内镜属于软式内镜，使用时需通过人体的自然腔道进入消化器官，故其插入部的尺寸和镜身软硬度是内镜镜体设计的重点[4]。对镜头内光学镜片的数量和排列组合方式进行优化以及对镜头内光电传感器的体积做小型化设计均可缩小插入部的尺寸。常见内镜的刚度是恒定的，这不仅增加了医师的操作难度，也加重了患者的疼痛感。调节内镜刚度的方式包括：（1）在插入部内安装挠性管和螺旋弹簧，通过对螺旋弹簧加压或减压使弹簧被压紧或恢复，从而增大或减小镜身的刚度[5]；（2）在插入部软管内植入微型电磁铁片，通过电流的磁效应来控制微型铁片相互之间靠拢或分散，以此实现镜身刚度可调[6]。因消化道内镜属于介入型医疗器械，每次使用后必须进行清洗消毒，这导致其运转率较低。为降低内镜的清洗消毒成本，缩短清洗消毒的时间，提高运转率，保护精密、昂贵的镜体操作部，可将内镜的插入部和操作部做分离设计，使这两部分可拆装，每次使用后只需对插入部进行清洗消毒即可[7]。

2.2 光电传感器技术

消化道内镜的光电传感器主要包括电荷藕合器件（charge-coupled device，CCD）图像传感器和互补式氧化金属半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）图像传感器两大类。CCD 图像传感器起源早，技术成熟，采用PN 结或二氧化硅隔离层有效防止噪声信号的干扰，灵敏度高，成像质量好；CMOS 图像传感器各元件和电路距离较近，相互之间电磁干扰较大，近几年随着技术的发展，终端的成像质量逐渐接近CCD 图像传感器，但CMOS 图像传感器光电信号传输和处理速度更快，功耗更低，显示的实时性更好[8]。CCD 图像传感器硬件结构复杂，加工难度大，制造成本高。CMOS 图像传感器可将时钟发生器、信号放大器等周边电路共同集成到传感器芯片上，不仅可节省成本，还可减小体积。目前，除了几家在CCD 图像传感器领域占有绝对技术优势的日本公司以外，其他企业的内镜产品主要采用CMOS 图像传感器。

2.3 冷光源技术

内镜主要采用的是外置冷光源，即通过光导纤维导入镜头的方式实现照明，光源主要有白炽光源、氙气光源、LED 光源等。其中，白炽灯是将热能转化为光能，发光效率低，使用寿命短；氙气灯利用的是气体放电发光的原理，需要较大的启动电压才能使气体放电，目前采用的方法是反复启动启辉器点亮光源，存在能耗大、启动慢、不适用于需要频繁更换照明状态的场合[9]；LED 灯在光效、寿命、启动电压方面较白炽灯、氙气灯均更具明显优势，LED 灯亦是体积最小的光源，在工业内镜领域可直接内置于镜头内，目前，已有厂家在尝试将LED 灯植入消化道内镜以替代冷光源和导光光纤，并通过水冷的方式进行降温[10]。

2.4 图像处理技术

传统的内镜染色技术是将卢戈氏液碘、靓胭脂或亚甲蓝（美蓝）染料喷洒在黏膜表面，因正常和异常黏膜对染色剂的吸收情况不同而呈现出不同颜色，从而观察病变区域和病变情况[11]。近年来兴起的虚拟染色技术，可以通过对光线和图像的处理达到同样的效果，在使用中可以随时切换普通的白光场景和染色场景，使用方式更为灵活。虚拟染色技术结合了筛选特定波长光和图像对比处理技术，主要有奥林巴斯公司的窄带成像技术（narrow band imaging，NBI）和自体荧光成像技术（auto fluorescence imaging，AFI），宾得公司的I-Scan 技术，富士公司的智能分光比色技术（Fuji intelligent chromo endoscopy，FICE）等。

NBI 利用窄带滤光器对白光进行筛选，仅留下605、540和415 nm 特定波长的红、绿、蓝色窄带光波照射至消化道和器官的黏膜表面[12]。红光可深入黏膜表层之下，将黏膜下的血管网络显现出来，黏膜表面的血液对蓝、绿色的光吸收较强，由此，通过三种光波增加了黏膜表皮和下层血管的对比度，实现染色的效果。

AFI 利用非正常增生组织内胶原蛋白缺失导致该部分组织对绿色荧光吸收减弱、对红色荧光吸收增强的特点发现胃肠道黏膜的异常[13]。该技术与白光源技术、NBI 共同组成所谓的三联成像模式，可进一步增强图像的差异性显示。

I-Scan 技术的特色在于针对性的色调增强功能，可以通过软件算法将黏膜内血管的走向突显出来，并清晰显示病变黏膜与正常黏膜之间的界限，异常黏膜不变色，正常黏膜呈暗青色[14]。

FICE 是通过软件算法，可将白光下拍摄到的图像通过组合光（由任意3种不同波长的光构成）呈现出来，该技术最多有50种不同的组合光，丰富了图像的显示效果，从而可以获得不同黏膜病变的最佳图像[15]。

3 消化道内镜的发展趋势

3.1 高清内镜

图像的显示质量直接影响电子内镜的应用，因此，高分辨力仍是内镜的研究重点，尽管目前内镜摄像镜头的清晰度已达百万像素，显示器的分辨力也已达1 080P，但医学诊断和治疗仍需更高清晰度的影像[16]；同时，还应避免镜头尺寸增大，因为镜头的尺寸直接影响内镜对人体创伤的严重程度，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。超高清4K 内镜摄像显示系统已由研发阶段逐步走向市场，该系统采用体积小、响应快的CMOS 作为摄像系统的核心，由现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）芯片结合图像处理算法进行降噪、锐化、放大和缩短显示延时等功能，使摄影图像可达3 840×2 160的分辨力[17]。高清内镜不仅要求先进的图像处理技术，也要求高清晰度的图像显示技术，搭配4K 超高清显示器可以满足高清显示的需求。4K 超高清显示技术是通过高色域显示、实时画面增强等技术，实现超高清图像显示、真实色彩还原、超低延时的图像传输，结合FPGA芯片的数字图像处理技术，实现内镜的高清显示。

3.2 激光共焦显微内镜

共聚焦显微内镜是在镜头上增加激光共聚焦探头，消化道黏膜组织经过荧光剂的染色后，用共聚焦显微内镜的激光探头进行激发，染色剂经激发后，消化道黏膜组织产生荧光效应[18]。应用荧光素可能会产生过敏反应，但可以使图像呈现出更高的对比度。共聚焦的放大倍数可达1 000 倍，探查深度可达黏膜下200 μm[19]，不仅可以清晰显示黏膜组织的微结构，也能显示黏膜细胞的内部结构，可以满足病理学要求的对组织结构异型性和细胞形态异型性的全面判断，该技术又被称为“无创光学活检”。该技术还可以在以下方面予以改进：在保证高分辨力的情况下缩小成像探头的外形尺寸；减少扫描过程中的运动伪影，缩短图像呈现延时时间；发展多模态系统，使共聚焦显微内镜与电子染色内镜技术结合，提高诊断的准确性[20]。

3.3 超声内镜

超声内镜是将电子内镜和超声技术相结合，将超声探头植入电子内镜头部，换能器集成在探头内，换能器将电功率转换为超声波发射出去，并接受回波，超声波信号经放大、滤波等图像处理流程后进行图像显示[21]。通过超声内镜，可以获得消化道黏膜各层次的组织学特征及周围邻近脏器的超声图像，用于诊断黏膜病变的性质，判断消化道恶性肿瘤的侵袭深度和范围等[22]。该技术还可以在以下方面予以改进：为使超声更适合体内诊断，需要在保证图像高分辨的前提下，开发更加小型的超声探头；提高系统的信噪比，提高图像清晰度；开发计算机辅助的半自动诊断系统，提高诊断的准确率[23]。

3.4 胶囊内镜

目前，内镜的主体结构是管道式样，在使用中会对患者带来痛苦，甚至造成划伤等伤害，且普通电子内镜仅可以观察0.5～1 m 范围的肠道，无法对近7 m 的肠道进行全面检查[24]。因此，胶囊内镜应运而生。胶囊内镜不仅可减轻患者做检查时的痛苦，也可避免人体对异物侵入时自主产生的强烈的排斥反应。胶囊内镜普遍采用功耗较低的内置式LED 光源，供电采用基于电磁感应原理的体外无接触供电方式。常见的胶囊内镜主要依靠消化系统的蠕动带动其行走，不能自主停留在消化道某特定部位进行检查，或协助对特定病变部位实施手术。体外超声成像技术可用来监视胶囊内镜在体内的定位。此外，可通过在胶囊内镜中嵌入点状分布的永磁体，利用磁转矩作用于嵌入的永磁体，实现其在消化道内的可控运动。

4 小结

经过不断的技术发展，消化道内镜已经成为临床医师做出准确诊断的重要工具，并在诊断的基础上向治疗方向快速发展，具有广阔的应用前景。随着相关配套技术的发展，高清内镜，激光共焦显微内镜、胶囊内镜、超声内镜等新型消化道内镜会有更快的发展速度，从研发走向临床实践，更好地为临床工作服务。