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电子内镜新技术及原理

2024-01-03作者：论坛报小塔资讯

原创

随着CCD技术的不断进步，电子内镜的功能越来越强大，不仅可以提供画质更高、更为清晰的影像，而且拥有放大、染色功能，同时与超声技术、共聚焦显微技术、人工智能相结合，孕育了超声内镜、共聚焦显微内窥镜和内镜精灵等。如今的电子内镜像“变形金刚”一般，搭载手术器械，早已远超“观察”功能，成为一种微创、精准的治疗技术。今天，我们就一起了解下电子内镜时代先进的染色技术和成像原理吧。

电子染色技术是在色素染色的基础上，应用光学成像原理显示黏膜微小结构或血管的一种技术，与放大技术相结合有助于判断肿瘤浸润深度和范围，为正确选择内镜微创手术或外科手术提供依据。目前，最具代表性的包括双波长窄带成像技术（NBI）、智能电子分光技术（FICE）、蓝激光技术（BLI）、i-scan光学增强技术（i-scan OE）。首先，我们需要掌握光学基本原理与特性。

光学基本原理与特性

1.光的三原色

在色光中存在三种最基本的色光，分别为红色、绿色和蓝色。这三种色光既是白光分解后的主要色光，又是混合色光的主要成分。红、绿、蓝三种色光以不同比例混合，几乎可以得到自然界中的一切色光。而且，这三种色光具有独立性，即其中一种色光不能由另外两种色光混合而成。因此，红、绿、蓝称为色光三原色（RGB）。

2.光的波粒二象性

光具有波粒二象性，既是波又是粒子。作为波的光具有一定的波长，普通白光由不同波长的光组成。但是可见光谱只有一小部分即人眼感知为彩色的部分，可见波长范围为400至700 nm。当物体被白光照射时，某些颜色被吸收，而其他颜色则被反射，反射的颜色就是我们看到的颜色。饱和度随波长而变化，当光包含更多波长时，饱和度会降低。比如，波长较窄的蓝光与波长较宽的蓝光相比更为生动。

光在组织中会发生散射、反射和吸收。当光进入消化道黏膜时，有部分光被黏膜表面反射，有一部分光和小颗粒（如细胞核，细胞器）之间发生多重散射，从而实现光在组织中的传播。散射的光，有一部分被血液中的血红蛋白吸收。光散射和传播的程度取决于其波长，波长较长的红光广泛而深入地散射和传播，短波长的蓝光则在黏膜表层散射和传播。血红蛋白的吸收峰在415nm和540nm，强烈地吸收蓝光和绿光。当白光照射到消化道黏膜，蓝光和绿光分别被黏膜和黏膜下的血管吸收，红光不被吸收而反射，因此我们看到白光内镜下血管是红色的，无血管的黏膜或者溃疡瘢痕则发白。

光的散射、吸收和反射

NBI

NBI由日本公司于2005年推出。氙灯冷光源发出的白光通过RGB滤波片，宽带的红绿蓝三色光照射到黏膜表面，从而形成我们看到的白光内镜图像。当切换到NBI模式，氙灯冷光源发出的白光通过NBI窄带滤波片，它仅允许窄带的蓝光和绿光通过。当窄带的蓝光和绿光照射到消化道黏膜，蓝光波长短，穿透力弱，扩散范围小，被黏膜表面的毛细血管吸收；绿波波长较蓝光长，被黏膜下的小血管吸收，而周围的黏膜区域将光反射，通过CCD的转化和视频处理器，就会形成我们看到的NBI图像：黏膜表面血管显示为褐色，黏膜下层的血管显示为青色。因此，通过血色素的强吸收和黏膜表面的强反射形成鲜明对比，血管形态和黏膜构造被清晰地展现出来。由于食管癌的毛细血管异常丰富，在病变早期即出现，NBI下病变区域呈明显的褐色，与周围正常黏膜对比明显，结合放大内镜可以更清晰地观察褐色区域内密集增生的异形上皮乳头内毛细血管袢（IPCL）的形态，IPCL改变是鉴别癌与非癌性病变及判断癌浸润深度的主要手段。

NBI的工作原理

FICE

FICE又称多带显像，由日本富士公司研发，利用光谱分析技术，将普通的白光内镜图像经过处理、分析产生一副特定波长的分光图像。这种分光图像的单一波长被孵育RGB三色。不同组合的RGB分光图像再经过处理生成FICE特定图像。在400~600nm波长范围内，FICE技术可设定5nm间隔的任意波长。由于不同波长穿透黏膜的深度不同，因此将普通的电子内镜彩色图像分解为多个单一波长的分光图像，再通过FICE技术选取任意波长的RGB三色光的组合生成新的图像以观察黏膜病变。

FICE工作原理图

BLI

BLI由日本富士公司于2013年推出，它使用两个单色激光器（410±10 nm和450nm±10 nm）代替氙气光，410±10nm激光产生的蓝光被黏膜表面的微血管强烈吸收，450±10nm激光产生白光，代替传统的氙灯冷光源，所以实现了大范围内清晰观察肿瘤表面微血管和微结构。尽管NBI产生了清晰的微血管图像，但图像较暗，限制了对广泛黏膜区域的观察；而FICE不能清晰地显示肿瘤表面的微血管。因此, BLI弥补了NBI和FICE的不足。

BLI工作原理

i-scan OE

i-scan OE将光学成像技术与数字图像处理技术相结合，通过OE滤光片产生特定带宽的光，再通过图像增强处理技术，生成比白光更高的对比度以显示血管和黏膜表面结构的图像。

i-scan OE工作原理

i-scan OE有2种模式，模式1的滤光片产生的光波长更贴合血红蛋白吸收峰（415nm和540nm），具有增强血管对比度的功能；模式2使用的滤光片产生短、中、长三种波长的光。这三种波长的光组合可产生接近自然白光的图像。

除了前面讲到的NBI、BLI、FICE、OE，还有很多先进的成像技术，包括自动荧光成像技术（AFI）、激光共聚焦显微内镜技术（CLE）、联动成像技术（LCI）、红色双色成像技术（RDI）等。2021年，Olympus在国内首次推出520倍光学放大、实现细胞水平在体观察的超扩大细胞内镜(endocytoscopy, EC) ，可以直接观察病变局部的细胞形态、细胞排列、细胞核形态及大小、核分裂象等。EC内镜的最终目标即取代内镜下活检，一方面避免活检潜在的出血风险，减少因活检部位不准确而导致的漏诊；另一方面使内镜医生在内镜下直接完成消化道早癌的诊断和治疗成为可能。