內窺鏡成像新技術原理及應用

汪長嶺　朱興喜　黃亞萍　吳 敏*

隨著醫療技術的飛速發展，消化內窺鏡技術已經成為現代化醫院不可或缺的醫療手段，醫生能直接觀察到人體內部的組織結構，區別正常組織與病灶，并進行有效的治療。內窺鏡從誕生到發展已有200多年的歷史，其結構發生了4次重大的改變，即硬管式內窺鏡、半曲式內窺鏡、纖維內窺鏡以及電子內窺鏡。功能方面也得到了極大的豐富，從直接觀看病灶，到可拍照、攝錄影像，再到輔助醫生診斷、并進行微創手術治療。

隨著現代診療水平和人民需求的提高，臨床對窺鏡成像要求更加精細化，要求更高的診斷正確率和符合率。然而，使用常規標清內窺鏡觀察人體組織，尤其在對黏膜淺表血管、組織形態的細微變化時，已逐漸無法滿足臨床需求。近年來，成像新技術獲得了飛速的發展，如高清放大內窺鏡，超聲內窺鏡、電子染色內窺鏡，分子影像內窺鏡等，有些技術已進入臨床，有些還處于實驗階段，但可以肯定的是，技術的進步可不斷滿足臨床需求，并推動診療技術的發展，增加腫瘤的檢出率以及減少不必要的治療。為此，對近年來不斷涌現的電子內窺鏡成像技術及基本原理和臨床應用前景進行闡述。

1　電子內窺鏡

電子內窺鏡與纖維內窺鏡的區別在于，電子內窺鏡不通過光學鏡頭導像，也不通過光纖傳像，而是通過內窺鏡前端的電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)作為圖像傳感器，將光信號轉變為電信號，再經由圖像處理器處理后在監視器上獲取出色彩真實、高清晰的畫面。電子內窺鏡的外徑更細，圖像顯示清晰度高，照明亮度強。通常臨床上使用的電子內窺鏡系統主要由冷光源、圖像處理器、監視器、電子內鏡及附件組成。

2　高分辨放大內窺鏡

高分辨放大內窺鏡(magnified endoscope，ME)在常規內窺鏡基礎上，可將物像放大數十倍乃至上百倍，是具有高分辨率的電子內窺鏡，可觀察胃腸黏膜表面的微細結構及其變化[1-3]。在結構和原理上，放大內窺鏡只比普通電子內窺鏡增加了光學放大鏡頭和高分辨率的CCD器件，普通電子內窺鏡清晰度一般為480線和576線，而高清放大內窺鏡可達1080線。薛艷等[4]通過高清晰放大內窺鏡觀察非糜爛性反流病的改變，初步建立了診斷標準，其靈敏度和特異度分別為77.8%和75%；王成文等[5]通過放大內窺鏡研究了不同大腸黏膜病變的腺管開口形態與腫瘤性和非腫瘤性病變的關聯，其診斷準確率分別為96.05%和82.19%。在臨床上，僅單獨使用放大內窺鏡診斷疾病的方式越來越少，近年來，高清放大內窺鏡在各大醫院被廣泛使用，并常與染色內窺鏡或虛擬染色內窺鏡(computed virtual chromoendoscopy，CVC)聯用，可更好的診斷早期黏膜病變，如消化道黏膜的微細血管和腺管開口等微細結構變化[6-7]。

3　虛擬染色內窺鏡(CVC)

CVC是通過對待檢組織的染色，使正常組織更容易與病變組織區分的內窺鏡技術。根據不同的疾病特點和診斷需要，可選擇不同的染色劑，美蘭、龍膽紫、甲苯胺藍、盧戈氏碘液等染色劑在正常組織與病變組織的吸收率不同。

近年來，CVC逐漸替代了染色內窺鏡，其主要優點在于無需加入染料、省時省力、操作方便且安全性高。CVC主要通過濾光技術和圖像處理技術，來突出黏膜微細結構和表淺血管，達到染色內窺鏡的效果，同時可隨時與白光視野進行切換，更好的滿足臨床需求。主流技術包括Olympus公司的窄帶成像(narrow band imaging，NBI)技術[8-12]和Fujinon公司的智能分光比色內鏡(fuji intelligent chromoendoscopy，FICE)[13-15]以及Pentax公司的iScan技術[16]。

3.1　NBI技術

NBI技術由日本國立癌中心醫院和OLYMPUS公司共同開發，于1997年開始研究，2001年首次應用于消化系統疾病的診斷，2006年正式在日本上市銷售，2008年引入我國，逐漸應用于消化、泌尿、呼吸、咽喉部等內窺鏡檢查中。該技術的應用顯著地提高毛細血管形態的對比度，可以清晰地對淺表生物微血管形態改變及紋理進行可視化，對血管觀察的優勢使之在內窺鏡檢查與診斷中發揮了不可忽視的作用。

NBI技術是一種新型的無創性的光學圖像增強技術，通過濾光片將可見光譜縮小至易被吸收的藍光范圍(450 nm)和綠光范圍(540 nm)，由于血管中血紅蛋白和周圍黏膜對光的不同吸收率，可突出黏膜表面血管結構和腺管開口形態，從而獲得圖像增強的效果，其中藍光穿透力弱，對黏膜層的腺體微細結構和表淺血管顯示較好，綠光穿透力稍強，對黏膜下層的血管顯示較好。

3.2　FICE技術

FICE染色內窺鏡是由日本Chiba大學Yoichi Miyake發明，與NBI不同，其通過軟件處理對獲得的圖像進行處理。FICE技術允許在400～600 nm波長范圍內設定5 nm間隔的任意波長，將已獲得的電子彩色圖像分解為多個單一波長的分光圖像，可以選用任何波長的紅綠藍(RGB)三色光的組合，顯示胃黏膜不同的深度的解剖結構，如黏膜表層的細微結構及血管走形，有利于分析和判斷病變的性質。

3.3　i-Scan技術

i-Scan與FICE技術類似，通過軟件處理邊緣增強功能、對比度增強以及色調增強3個方面，相比NBI技術獲取的圖像較暗。i-Scan技術可獲得的圖像與亮度無變化，也不需要放大內窺鏡來觀察損傷區域就可獲得較好的效果。

4　超聲內窺鏡

超聲內窺鏡(endoscopic ultrasound，EUS)是將內窺鏡與超聲融合為一體的新型檢查技術，既可通過常規內窺鏡直接觀察消化道腔內的形貌，也可以進行實時超聲掃描來獲得消化道管壁及周圍鄰近臟器的超聲圖像。相比常規超聲，EUS可以減少體內氣體和骨胳對成像的影響，極大改善鄰近腔道的深部臟器成像質量(可用于提高胰腺癌的診斷準確率)。

Gono等[10]首先將超聲和內窺鏡結合檢查，并在動物實驗中取得成功，開創了EUS的先河。最早的EUS原型設備是美國Cystoscope公司制造的直徑13 mm的(ACMI FX-5)側視內窺鏡，設有一個長80 mm的剛性尖端，尖端上包含一個視野3 cm×4 cm、10 MHz的超聲探頭，可用一個手柄操控尖端的超聲探頭，只用于動物實驗，而用于臨床實驗的(ACMI FX-8)內窺鏡的剛性尖端只有35 mm[11]。經過多年的發展，目前臨床上使用的EUS包括環掃型、線陣掃描型和高分辨小探頭。①環掃型：頻率一般為5～20 MHz，掃描角度為360°，主要用于常規診斷；②線陣掃描型：頻率一般為5～7.5 MHz，掃描角度180°～270°，包含有彩色多普勒功能，同時掃描組織器官的血管及血流分布情況，也可用于EUS引導下細針穿刺活檢和治療；③高分辨小探頭：頻率一般為12～30 MHz，通過普通內窺鏡治療通道進入待檢查部位，進行環形掃描，可用于消化道黏膜下微小病變和膽胰管內超聲檢查。

臨床上常將EUS用于對消化道管壁黏膜下生長的病變性質進行鑒別診斷，在評估巴雷特食管、食管癌、胃癌、直腸癌、淋巴瘤、大便失禁、肛周疾病以及淋巴結和血管結構上也均有重要的作用，并可對消化道腫瘤進行術前分期，判斷其侵襲深度和范圍，鑒別潰瘍的良惡性，并可診斷胰膽系統腫瘤。近年來，EUS引導下的穿刺術也得到了廣泛的應用，并可用于靜脈注射化療藥物，EUS引導胰囊腫胃吻合引流術，EUS引導腹腔神經叢阻滯等[12-14]。

5　分子影像內窺鏡

目前，消化道早期癌診斷是通過普通內窺鏡或通過圖像增強觀察病變，通過醫生的判斷為病變組織病理定性，對疑似組織進行病理活檢。然而，由于多數早期癌癥形態特征不明顯，易造成漏診，而在活檢過程中，病變組織的選擇取樣位置的準確性，也是造成漏診的重要原因。分子影像內窺鏡新技術的發展，為準確及早診斷早期癌癥提供了可能，主要發展方向為大視野熒光靶向成像與高分辨率顯微組織成像兩大類。

5.1　自體熒光成像(autofluorescence imaging，AFI)

隨著分子結構發生改變，自體熒光就會發生特征性改變。基于此原理，病變組織與正常組織熒光光譜具有特征性差異。

AFI采用兩個CCD成像，其中一個用于高分辨率白光內窺鏡成像，另一個用于自熒光成像。AFI圖像為偽彩色，由三幅圖像合成：藍光激發圖像(395～475 nm)、反射綠光圖像(540～560 nm)及反射紅光圖像(600～620 nm)。AFI圖像特征為在綠色背景上的紫色，主要用于檢測組織癌變，經常與白光內窺鏡、NBI技術聯合評估Barrett食管癌變的可能[22-24]。

癌變組織中的熒光團結構會發生改變，然而，炎癥也同樣可以引起類似的自熒光變化。因此，自體熒光技術主要用于對早期癌變檢測，壞死組織和黏液干擾自體熒光信號，當炎性反應較重時黏膜明顯增厚，大部分激發光不能穿透黏膜層到達膠原含量豐富的黏膜下層，因而熒光較弱，出現類似癌組織的光譜特征，以致假陽性率較高。因此，并不能取代病理活檢，當結果與病理結果不符時，應以病理結果為準。

5.2　熒光分子成像(fluorescence molecular imaging，FLI)

FLI開創了體內的無創、實時及高靈敏度的特異性檢測腫瘤病灶的新方法，并被廣泛應用于多種腫瘤研究，檢測靈敏度可達毫米級。靜脈注射近紅外熒光分子探針，該熒光分子探針可由組織蛋白酶B激活，進行結腸癌熒光分子成像，探針24 h后結腸癌病灶區域有很強的信號。但目前使用的多數熒光造影劑不能明確其藥理毒性，因而FLI現階段主要停留在動物模型研究階段，研發靶向性強、低毒性、多功能的熒光分子探針將是未來的研究重點[25-28]。如將熒光材料與腫瘤形成、生長和轉移有關的受體及抗體等結合形成靶向探針，人類表皮生長因子受體-2(human epidermal growth factor receptor-2，HER-2)、表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)抗體、存活素(survivin)抗體和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等。

5.3　光相干斷層掃描(optical coherence tomography，OCT)

OCT的成像原理在于組織的不同光反射性質，其斷層圖像與B超相似，B超采用超聲波，而OCT則采用近紅外光，其分辨率為B超的10倍以上，甚至分辨率可達10 μm，比共聚焦內窺鏡能夠更深的穿透組織，從而更好的呈現黏膜和黏膜下層狀態，判斷黏膜下層是否有病變。其原理為采用干涉法測量同源兩條光束的干涉，一條照射樣本，一條作為參考點，兩條光束的反射光匯聚在接收器上，沿軸分析一點上不同深度的情況[29-30]。OCT對組織的微觀結構的觀察接近組織學水平，無需對組織進行切除和后處理，可用于不宜作活檢病理檢查的組織進行在體成像或避免不必要的損傷。Zagaynava等[31]使用OCT診斷Barrett食管癌變的特異度為68%、靈敏度為71%～85%，診斷Barrett食管腸上皮化生的靈敏度為85%、特異度為95%[32]。該技術主要用于Barrett食管、膽總管和胰管腫瘤的鑒別和診斷，對于胃腸目前技術上還無法實現較好的成像，因而限制了其應用[33]。但OCT的檢測可能受炎癥影響，導致假陽性率增加[34-36]。

5.4　共聚焦激光顯微內窺鏡(confocal laser endomicroscopy，CLE)

共聚焦成像其原理是由光源出射的光準確地入射到位于共軛點處的被測物，由被測物反射的光束被物鏡準確地聚焦到針孔處形成點像，探測器所接收的離焦信號強度遠遠低于焦點信號強度。可突破光學極限分辨率限制，極大提高成像分辨率。臨床上將共聚焦成像技術與內窺鏡技術相結合，實現形態學和組織學聯合診斷。臨床使用的CLE一般有兩種結構，將共聚焦探頭安裝在傳統內窺鏡前端的集成式內窺鏡，或通過傳統內窺鏡活檢管道送入共聚焦小探頭。這兩種類型的設備各有其優缺點，集成式共聚焦內窺鏡視野范圍大，分辨率高，逐層掃描且掃描速度慢；探頭式共聚焦內窺鏡，可靈活搭配各種傳統內窺鏡，掃描速度快，但是視野范圍較小，分辨率較低，掃描深度固定。

世界上第一個商業化的CLE是由日本Pentax公司于2006年推出，鏡管直徑12.8 mm。該產品共聚焦成像視場為500 μm×500 μm，徑向分辨率0.7 μm，軸向分辨率7 μm，單根光纖實現激光的導入與熒光的收集，可獲取最高為1024×1024像素的圖像。

CLE通過高分辨成像的方式對黏膜層的細胞及亞細胞結構實現實時觀察，可對病灶準確定位，提高內窺鏡下病灶活檢準確性[37-40]。結合特異性熒光探針，可實現準確和高效的檢測。常用靜脈注射熒光素鈉，可以高效的在組織中分布，并高分辨顯示細胞和亞細胞的細節，結締組織，但無法標記細胞核。作為補充，吖啶黃可用于結腸黏膜的細胞核標記[41-43]。

分子影像內窺鏡新技術的研究和應用初步實現了即時組織病理成像與特異性功能成像，將對病灶的探查能力由原有的組織結構水平提高到分子功能水平，提高了早期癌癥的檢出率，展現了良好的應用前景。目前分子成像技術在電子內窺鏡臨床轉化應用中還有很多問題需要解決，首先需要穩定和成熟的分子成像內鏡設備，研制低毒性、高特異性分子探針等。

6　展望

由于光學成像的技術進步、光譜技術和功能分子影像技術的引入，消化內窺鏡正經歷著一次巨大的變革。光譜檢測技術的引入有望對待檢區域進行預評估，分析在一定范圍內是否存在癌變組織，從而判斷該區域是否需進一步的檢查，以提高檢測效率。光學的技術進步將帶來的是分辨率的提高和視野的拓展，畫面質量隨之提升，減少腺瘤和癌癥的漏診，也將有利于診斷的個性化和精準化，可以細化疾病結果并預判治療所帶來的影響。通過體內細胞相互作用的實時觀察，可進一步研究體內組織病理學，理解疾病的成因。值得期待的是，分子影像技術的引入，使得內窺鏡正在成為新的診斷工具，如代替病理活檢。內窺鏡成像新技術將會在不斷探索中完善，最終替代傳統診療方式。

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