鮑玉冬 齊東博 魏雯 王亞君 趙彥玲

摘要：醫(yī)用內(nèi)窺鏡能夠有效對(duì)患者體內(nèi)病變器官進(jìn)行診斷，在醫(yī)用內(nèi)窺鏡介入診療過(guò)程中，診療結(jié)果主要依賴于其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和成像原理，介入過(guò)程容易產(chǎn)生不適癥狀或影響診療效果，若能改進(jìn)傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)，提高成像技術(shù)，將對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡介入診療提供重要幫助。本文在概述了醫(yī)用內(nèi)窺鏡介入工作原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)闡述現(xiàn)階段醫(yī)用內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)和成像方面的新動(dòng)態(tài)和技術(shù)，對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，分析總結(jié)了目前醫(yī)用內(nèi)窺鏡所存在的主要問(wèn)題，并對(duì)內(nèi)窺鏡裝置的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用內(nèi)窺鏡;機(jī)械結(jié)構(gòu);成像方式;專利技術(shù);微創(chuàng)手術(shù)

DOI：10.15938/j.jhust.2021.05.004

中圖分類號(hào)：TH79;R318 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-2683（2021）05-0025-09

0 引言

隨著世界老齡化趨勢(shì)的不斷加深和日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，令內(nèi)窺鏡的需求量不斷增加。內(nèi)窺鏡技術(shù)由于其診療的高準(zhǔn)確性，創(chuàng)傷小，不易感染，手術(shù)后恢復(fù)快，幾乎沒(méi)有疤痕等優(yōu)點(diǎn)而受到了醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注，成為了全球醫(yī)療器械行業(yè)增長(zhǎng)最快的產(chǎn)品之一[1-5]。近年來(lái)，盡管醫(yī)生通過(guò)常規(guī)醫(yī)用內(nèi)窺鏡可以直接觀察到人體內(nèi)臟器官組織形態(tài)和體內(nèi)病變情況，但是醫(yī)生在進(jìn)行內(nèi)窺鏡診療時(shí)，手術(shù)質(zhì)量仍受到醫(yī)用內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)和成像技術(shù)的限制[6-7]，在實(shí)際介入手術(shù)操作過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)以下諸多不利的情況：①由于醫(yī)用內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管要從患者孔道介人到患者體內(nèi)，導(dǎo)管和患者孔道組織會(huì)不可避免的存在接觸摩擦[8]，如果導(dǎo)管受到的阻力和扭轉(zhuǎn)力不能準(zhǔn)確反饋給醫(yī)生，則導(dǎo)致對(duì)患者造成不必要的操作性創(chuàng)傷。②內(nèi)窺鏡介入時(shí)，由于患者孔道的空間狹窄，其在患者孔道內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限，因醫(yī)生操縱內(nèi)窺鏡時(shí)，手腕、肩膀等身體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都會(huì)造成內(nèi)窺鏡導(dǎo)管發(fā)生位置偏差及抖動(dòng)，影響成像效果和手術(shù)精度。③目前鏡檢的可操作性對(duì)醫(yī)生技術(shù)要求較高，因此臨床醫(yī)生一般都要進(jìn)行培訓(xùn)[9]，且學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)，難度大，導(dǎo)致鏡檢的操作醫(yī)師數(shù)量相比于患者數(shù)量存在明顯的供需斷層。④在內(nèi)窺鏡檢查過(guò)程中，由于患者的應(yīng)激性反應(yīng)，會(huì)對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡內(nèi)部纖維束造成損害，影響圖像質(zhì)量，提高手術(shù)成本。

通過(guò)上述分析，目前醫(yī)用內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)和使用方面還存在提升的空間，還需要進(jìn)一步集成化、智能化，通過(guò)改進(jìn)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)和優(yōu)化成像技術(shù)，達(dá)到內(nèi)窺鏡能夠在患者不同腔道內(nèi)運(yùn)動(dòng)并獲取高清病灶圖像的目的。本文通過(guò)對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)和成像技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，結(jié)合醫(yī)用內(nèi)窺鏡的關(guān)鍵技術(shù)，分析了醫(yī)用內(nèi)窺鏡新型結(jié)構(gòu)和成像技術(shù)對(duì)醫(yī)生、患者及整個(gè)探測(cè)過(guò)程的影響，不僅可以促進(jìn)醫(yī)用內(nèi)窺鏡診療方法的推廣，還可以為醫(yī)用內(nèi)窺鏡的創(chuàng)新發(fā)展提供思路。

1 內(nèi)窺鏡組成方式與工作原理

醫(yī)用內(nèi)窺鏡主要包括供電模塊、采集模塊、光源模塊以及處理模塊等部分，具體組成如圖1所示。

醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)供電模塊主要采用TPS70302PWP等電源管理芯片，可以排除不同電路間的干擾[10]，同時(shí)為醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行供電;醫(yī)用內(nèi)窺鏡采集模塊主要分為兩個(gè)部分，分別是前端轉(zhuǎn)接頭和圖像傳感器，前端轉(zhuǎn)換頭的作用是將各種軟、硬式醫(yī)用內(nèi)窺鏡與主機(jī)進(jìn)行連接，其內(nèi)部包含一系列透鏡組，以保證導(dǎo)管前端攝像頭采集圖片的完整性;圖像傳感器主要將采集到的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以被處理的電信號(hào)，由于CCD傳感器具有較高的分辨率和較小的尺寸，目前醫(yī)用內(nèi)窺鏡主要采用CCD傳感器作為圖像傳感器[11];光源主要通過(guò)醫(yī)用內(nèi)窺鏡內(nèi)部光纖進(jìn)行導(dǎo)光，為患者病變部提供照明，由于LED燈光具有體積小、發(fā)熱量低等特點(diǎn)，目前醫(yī)用內(nèi)窺鏡均采用LED作為光源[12];處理模塊屬于醫(yī)用內(nèi)窺鏡最重要的模塊，通過(guò)可編程邏輯門陣列等處理芯片來(lái)提高醫(yī)用內(nèi)窺鏡的集成度，從而提升成像效果[13]。

為獲取患者內(nèi)部器官的病變信息，提升治療效率，醫(yī)生通常采用病史分析、物理檢查和病理檢查等方式對(duì)組織病變進(jìn)行診斷[14]。其中，從患者體內(nèi)觀察并取出病變組織進(jìn)行分析，是醫(yī)用內(nèi)窺鏡診療過(guò)程中常用的診斷手法。以支氣管鏡為例，被治療的患者處于鎮(zhèn)靜或麻醉狀態(tài)，由專業(yè)醫(yī)生左手持醫(yī)用內(nèi)窺鏡操作部，右手將醫(yī)用內(nèi)窺鏡插入部的導(dǎo)管通過(guò)患者孔道置入病變處，導(dǎo)管前端設(shè)有光源和鏡頭，用來(lái)攝取氣管內(nèi)影像，將影像傳輸給終端計(jì)算機(jī)，通過(guò)終端計(jì)算機(jī)顯示器來(lái)實(shí)時(shí)顯示患者體內(nèi)圖像;醫(yī)生通過(guò)控制導(dǎo)管的旋捻、插入和取出等動(dòng)作改變導(dǎo)管在患者體內(nèi)的姿態(tài)，從而減少導(dǎo)管前端、管壁與氣管組織的接觸和摩擦，通過(guò)操作部彎曲控制扭控制導(dǎo)管前端和彎曲部彎曲從而適應(yīng)氣管路徑的曲率變化和分叉處路徑的選擇;整個(gè)探查過(guò)程醫(yī)生可以通過(guò)顯示器觀察組織的病變，當(dāng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡鏡頭前端抵達(dá)病灶處進(jìn)行相應(yīng)治療時(shí)，可將吸引管、穿刺針、活檢鉗等經(jīng)操作部開(kāi)口沿著導(dǎo)管從導(dǎo)管前端開(kāi)孔處伸出，根據(jù)患者內(nèi)部組織病理的不同，醫(yī)生通過(guò)活檢鉗鉗取、網(wǎng)籃擴(kuò)張、穿刺針穿刺等操作進(jìn)行支氣管介入診療。醫(yī)用內(nèi)窺鏡工作原理如圖2所示。

2 醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置關(guān)鍵問(wèn)題分析與研究進(jìn)展

目前，醫(yī)用內(nèi)窺鏡已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)院的各個(gè)科室，從簡(jiǎn)單的內(nèi)部器官檢查到介入治療，醫(yī)用內(nèi)窺鏡均有涉及，內(nèi)窺鏡微創(chuàng)技術(shù)已經(jīng)成為消化、呼吸、泌尿、耳鼻喉科等系統(tǒng)疾病診療不可或缺的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[15-19]。然而，在醫(yī)用內(nèi)窺鏡使用過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，比如調(diào)整角度較小，鏡身較脆弱，成像效果差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，照射光源具有缺陷等，制約了醫(yī)用內(nèi)窺鏡的進(jìn)一步發(fā)展。技術(shù)人員對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究分析，對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)及成像技術(shù)兩方面進(jìn)行了改進(jìn)。

2.1 醫(yī)用內(nèi)窺鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)

醫(yī)用內(nèi)窺鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要有以下幾點(diǎn)：對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡操作部進(jìn)行改進(jìn);對(duì)內(nèi)窺鏡插入部導(dǎo)管進(jìn)行改進(jìn);對(duì)內(nèi)窺鏡整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1）對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡操作部改進(jìn)。

由于醫(yī)生需要將內(nèi)窺鏡通過(guò)患者器官孔道送入體內(nèi)進(jìn)行檢查，在操作內(nèi)窺鏡進(jìn)行導(dǎo)管彎曲時(shí)會(huì)出現(xiàn)角度調(diào)節(jié)順暢度差等情況。2017年Ye Xianming等[20]為膠囊內(nèi)鏡的膠囊運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題提出了一種轉(zhuǎn)向裝置，可用于全方位操縱繩系膠囊內(nèi)窺鏡的膠囊。該裝置包括三個(gè)線性致動(dòng)器、一個(gè)柔韌的細(xì)系繩和一個(gè)可伸縮的膠囊底座，如圖3所示。該裝置開(kāi)設(shè)具有三個(gè)通道的軟管，便于插入轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和照明光纖;在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通道中，醫(yī)生可以通過(guò)手柄對(duì)致動(dòng)器進(jìn)行控制，根據(jù)實(shí)際需要，改變鋼絲繩的長(zhǎng)度和速度。當(dāng)需要對(duì)導(dǎo)管的角度進(jìn)行固定時(shí)，控制主軟管的彎曲度可實(shí)現(xiàn)360°內(nèi)任意角度的鎖定，減少了醫(yī)用內(nèi)窺鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障的概率。

傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡需要醫(yī)生通過(guò)雙手來(lái)控制旋捻和進(jìn)給，為了減少醫(yī)生誤操作對(duì)患者造成的傷害。2018年Iwasa T等[21]為了簡(jiǎn)化內(nèi)窺鏡的操作，開(kāi)發(fā)了一種可以單手控制的機(jī)器人輔助柔性內(nèi)窺鏡，如圖4所示。該內(nèi)窺鏡系統(tǒng)由內(nèi)窺鏡持有部、機(jī)動(dòng)臂和主控制器組成，導(dǎo)管通過(guò)內(nèi)窺鏡持有部主軸旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，角度刻度盤與支架內(nèi)的兩個(gè)電動(dòng)輪相嚙合，軸向插入-縮回是通過(guò)機(jī)動(dòng)臂的前后運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。醫(yī)生可以通過(guò)對(duì)主控制器手柄的撥動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及伸縮來(lái)控制鏡頭的運(yùn)動(dòng)。

2）對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡插入部導(dǎo)管改進(jìn)。

2016年金仁俊等[22]發(fā)明了一種具有注射功能的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，如圖5所示。在傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的基礎(chǔ)上添加了將注射針頭插入到患處的注射器驅(qū)動(dòng)部和藥物注射部，利用液壓或電磁力的壓力使活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，將藥物送至患處，解決了傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡手術(shù)中由于注射器藥劑室空間較大，藥物注射到患者患處方面較為困難的問(wèn)題，顯著提高了對(duì)患處藥物注射的準(zhǔn)確性與便利性。

傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡導(dǎo)管主要是以蛇骨結(jié)構(gòu)為中心進(jìn)行研發(fā)，但是牽引彎曲部運(yùn)動(dòng)的鋼絲等結(jié)構(gòu)容易發(fā)生斷裂。2021年Liu Jianbin等[23]開(kāi)發(fā)了一種具有形狀鎖定功能的雙彎曲液壓內(nèi)窺鏡，用于胃篩查，如圖6所示。該內(nèi)窺鏡使用空間彎曲射流執(zhí)行器（SBFA）實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管彎曲，圍繞SBFA中心軸線均勻分布著三個(gè)平行腔室，腔室接出的3個(gè)水管分別連接到探頭的3個(gè)接口上，探頭內(nèi)設(shè)有閥門，當(dāng)水壓在某一單獨(dú)腔室內(nèi)加大時(shí)，以硅膠為主要材料的SBFA在該腔室方向會(huì)發(fā)生延展而使執(zhí)行器彎曲;當(dāng)水壓增大到一定值，水閥打開(kāi)，水從探頭側(cè)面噴出，致使探頭進(jìn)行二次彎曲，加大了探測(cè)掃描面積。到達(dá)預(yù)設(shè)位置后，通過(guò)拉動(dòng)鎳鈦諾絲，觸發(fā)形狀鎖定機(jī)構(gòu)使其處于剛性狀態(tài)，鎖定了裝置的形狀，以提高水射流彎曲運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

在對(duì)病人進(jìn)行胃部狀況檢查時(shí)，針對(duì)于胃部使用的醫(yī)用內(nèi)窺鏡缺少對(duì)其導(dǎo)管端部鏡頭的防護(hù)，導(dǎo)致內(nèi)窺鏡鏡頭易受到胃酸腐蝕從而產(chǎn)生損壞，造成成像模糊和出現(xiàn)霧氣等現(xiàn)象，針對(duì)于上述問(wèn)題，2020年任螢[24]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在消化科的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，如圖7所示。在導(dǎo)管端部設(shè)有防護(hù)罩，內(nèi)部設(shè)有空腔，胃鏡探頭嵌人于空腔內(nèi)，防護(hù)罩底端緊密粘接有密封圈。該內(nèi)窺鏡通過(guò)在胃鏡上設(shè)置防護(hù)罩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)胃鏡端部的內(nèi)徑探頭進(jìn)行防護(hù)以及去除霧氣等效果，還可以通過(guò)該內(nèi)窺鏡上的撐口組件，實(shí)現(xiàn)撐開(kāi)患者口腔的效果，減少了內(nèi)窺鏡進(jìn)入患者孔道不順暢的情況發(fā)生。3）對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

在2021年，Ryu Geunwoong等[25]提出了一種新的內(nèi)窺鏡，其掃描體積小，可用于角度變化，如圖8所示。該內(nèi)窺鏡主要由操縱桿及圖像傳感器組成。其中，經(jīng)過(guò)圖像傳感器獲得的圖像信號(hào)可被輸入到電機(jī)控制板上，通過(guò)電機(jī)控制板的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)角度值，使每個(gè)軸都可以根據(jù)這些值進(jìn)行定位，構(gòu)成閉環(huán)反饋，能夠精確控制轉(zhuǎn)角的同時(shí)，還可以使內(nèi)窺鏡在小空間內(nèi)獲得足夠的掃描角度。

為解決在內(nèi)窺鏡手術(shù)過(guò)程中，鏡頭起霧現(xiàn)象，2016年李雷等[26]設(shè)計(jì)了一種低溫內(nèi)窺鏡血管采集裝置，如圖9所示。該醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)利用環(huán)形氣囊，將短口套管有效固定在切口處，防止短口套管發(fā)生移動(dòng)對(duì)血管造成破壞，從而來(lái)保護(hù)患部切口。通過(guò)該內(nèi)窺鏡血管采集系統(tǒng)中的低溫電凝剪刀，可以保護(hù)患者血管免受高溫灼燒所造成的傷害。該醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置提高了手術(shù)過(guò)程中血管的完好率，減少了手術(shù)創(chuàng)口，降低了患者感染概率，避免血管的隱形損傷，提高搭橋手術(shù)的成功率，減少了血管再次堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)密封性較差，容易造成儀器損壞，2020年Axel Boese等[27]提出了一種新穎的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)采用了用于柔性內(nèi)窺鏡的旋轉(zhuǎn)攝像頭，如圖10所示。其使用形狀記憶線來(lái)控制攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使用柔性塑料活瓣接頭進(jìn)行緊密旋轉(zhuǎn)，使用柔性印刷電路進(jìn)行電子連接，如圖10所示。其利用柔性內(nèi)窺鏡改善狹窄空腔的成像，增加了診斷的價(jià)值和病人的舒適度。

2018年Bresco T P等[28]發(fā)明了具有零度視場(chǎng)角的傾斜尖端內(nèi)窺鏡，如圖11所示。該內(nèi)窺鏡在遠(yuǎn)側(cè)端部設(shè)計(jì)為傾斜部分，使得患者病變處可以平行于內(nèi)窺鏡導(dǎo)管中心軸線，實(shí)現(xiàn)視角可視化，遠(yuǎn)端尖端處的傾斜部分方便窺鏡插入患者體內(nèi)，從而減少用于送入導(dǎo)管介入患者體內(nèi)的力。該裝置解決了由于普通醫(yī)用內(nèi)窺鏡插入患者體內(nèi)所引起的患者組織變形、創(chuàng)傷和疼痛，具有減少插入力、縮短患者的創(chuàng)傷、疼痛和恢復(fù)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 醫(yī)用內(nèi)窺鏡成像技術(shù)

對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡成像技術(shù)的改進(jìn)主要有以下幾點(diǎn)：對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡透鏡進(jìn)行改進(jìn);對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

1）對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡透鏡改進(jìn)。

目前雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生活?yuàn)蕵?lè)等方面，然而具備立體視覺(jué)系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡尚在起步階段，2019年王樹(shù)新等[29]將立體視覺(jué)系統(tǒng)運(yùn)用到醫(yī)學(xué)設(shè)備上，提出了一種立體內(nèi)窺鏡裝置，單個(gè)鏡頭端面結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。通過(guò)可調(diào)節(jié)的冷光源利用Y形光纖提供兩路照明通道，從而降低了內(nèi)窺鏡診療手術(shù)中冷光源的數(shù)量，也為內(nèi)窺鏡診療過(guò)程中提供了足夠的照明亮度，實(shí)現(xiàn)了介入手術(shù)下立體視覺(jué)效果，減少了成本。該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了內(nèi)窺鏡與雙路攝像組的快速拆卸和可靠連接，通過(guò)六自由度調(diào)整方式，有效的減少了雙路鏡頭的偏差，具有易于消毒、便捷快速連接啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像裝置大多為自然光譜范圍內(nèi)成像，具備定量深度感知解剖特征的有效體積識(shí)別和高效3D導(dǎo)航的生物組織的內(nèi)窺鏡，對(duì)于各種目標(biāo)疾病的光學(xué)診斷和微創(chuàng)手術(shù)至關(guān)重要。2020年Guo Changliang等[30]提出了使用GRIN透鏡陣列的3D光場(chǎng)內(nèi)窺鏡成像模型，如圖13所示，該模型通過(guò)保持GLA系統(tǒng)與臨床內(nèi)窺鏡系統(tǒng)具有一致的空間度量，在保證結(jié)構(gòu)緊湊的前提下，還能夠最大限度地捕獲3D成像所需的角度信息。同時(shí)，該模型還提出了一種結(jié)合波動(dòng)光學(xué)模型和混合點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的計(jì)算策略，用于高分辨率體積重建，可為裸眼、高分辨率3D醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡檢查提供支持。

2）對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)改進(jìn)。

傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的光源主要采用LED光，光照強(qiáng)度受到光纖面積等條件限制，且在病變處的光照強(qiáng)度通常不足，2019年Basij Maryam等[川提出了一種微型相控陣超聲和光聲內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)，它能夠?yàn)閶D科疾病的表征提供結(jié)構(gòu)、功能和分子數(shù)據(jù)，如圖14所示。該系統(tǒng)探頭由一個(gè)64元素的超聲相控陣換能器和一個(gè)光纖傳輸系統(tǒng)組成，集成了超聲和光聲成像體系;這種內(nèi)窺鏡能夠在臨床相關(guān)深度提供高分辨率成像信息，可用于對(duì)宮頸管和周圍子宮內(nèi)膜組織進(jìn)行成像。

2017年Jung Kweon Bae[32]開(kāi)發(fā)一種基于智能手機(jī)的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其主要包括便攜式光源、中繼鏡頭、定制適配器和安卓應(yīng)用程序，如圖巧所示。該系統(tǒng)可適用于3種不同類型的剛性或柔性內(nèi)窺鏡探頭，通過(guò)應(yīng)用程序捕獲內(nèi)窺鏡圖像。無(wú)線連接的頭戴式顯示器（HMD），可以將內(nèi)窺鏡圖像疊加到真實(shí)世界的視圖上，增加醫(yī)生的可視感。該系統(tǒng)具有便攜性和可操性，增加了其圖像獲取的準(zhǔn)確性。

2016年張升進(jìn)等[33]發(fā)明了一種具有轉(zhuǎn)折分光單元的內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)，如圖16所示。該醫(yī)用內(nèi)窺鏡通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)，將可見(jiàn)光與紅外熒光進(jìn)行分光，然后再進(jìn)行合光，從而改變兩種光的光程，保證了光成像焦面位置的一致性，并利用轉(zhuǎn)折分光單元對(duì)可見(jiàn)光與紅外熒光的離焦進(jìn)行校正，醫(yī)生無(wú)需對(duì)內(nèi)窺鏡進(jìn)行調(diào)焦，可直接觀測(cè)病灶處，提升了成像效果;通過(guò)采用不同厚度的平板玻璃，滿足不同離焦量的可見(jiàn)光與近紅外熒光光學(xué)系統(tǒng)。該醫(yī)用內(nèi)窺鏡解決了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)龐大且成像鏡片多的缺點(diǎn)，對(duì)成像軟件的運(yùn)算要求低，提高了成像效率。

目前醫(yī)用內(nèi)窺鏡采用定焦光學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)窺鏡感光元件受到像素尺寸大小的限制，導(dǎo)致現(xiàn)有醫(yī)用內(nèi)窺鏡成像分辨率無(wú)法進(jìn)一步提升，2016年何超等[34]為提升傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡分辨率，為醫(yī)生提供更加清晰的圖片，發(fā)明了一種電子內(nèi)窺鏡，如圖17所示。通過(guò)軸向調(diào)節(jié)裝置可以調(diào)節(jié)成像透鏡組與感光組件的間距，從而改進(jìn)內(nèi)窺鏡的調(diào)焦功能，提升了該醫(yī)用內(nèi)窺鏡在診療過(guò)程中的分辨率，即使面對(duì)微小的觀察目標(biāo)也能夠進(jìn)行放大觀察，獲取清晰的圖像。

彭小健等[35]針對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡探頭被壟斷的現(xiàn)象，研制出一種消化道超生內(nèi)窺鏡探頭，如圖18所示。其自主設(shè)計(jì)一種新型三軸對(duì)焦馬達(dá)并結(jié)合高像素圖像傳感器，研制出具有極大景深范圍且能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)焦的光學(xué)攝像模組，使得醫(yī)用內(nèi)窺鏡成像質(zhì)量得到了極大的改善，對(duì)囊腫等病變具備很好的識(shí)別效果。

在內(nèi)窺鏡診療過(guò)程中，當(dāng)導(dǎo)管彎曲部發(fā)生較小偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)管內(nèi)部光學(xué)組件受到系統(tǒng)電路噪聲的影響，造成像素抖動(dòng)，從而對(duì)圖像定位產(chǎn)生影響，為解決上述問(wèn)題，2017年萬(wàn)勇等[36]提出了一種具有激光掃描鏡的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，如圖19所示。在保證入射和射出光束匹配情況下，對(duì)偏轉(zhuǎn)光束進(jìn)行壓縮，提升內(nèi)窺鏡的掃描范圍，提升了整體內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2017年詹涵箐等[37]設(shè)計(jì)了一種具有新型照明光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)窺鏡裝置，如圖20所示。該設(shè)計(jì)通過(guò)添加玻璃透鏡，利用該透鏡將光纖傳遞過(guò)來(lái)的冷光源進(jìn)行全局反射，最后通過(guò)頂端透鏡將光源進(jìn)行折射。解決了傳統(tǒng)照明光學(xué)僅能照射小范圍區(qū)域的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了照明光的全反射，有效減少了照明透鏡吸收的入射光線，使得返回光路的光線增強(qiáng)，并使照明光在盡可能全反射的同時(shí)引向頂端透鏡，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)出大角度的照明光，為醫(yī)生提供更清楚的照明效果。

2018年Richard W C等[38]設(shè)計(jì)了一種熒光內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)具體成像過(guò)程，如圖21所示。通過(guò)引導(dǎo)光照亮組織樣本，收集組織產(chǎn)生的反射光或熒光，提高成像效果，照相機(jī)包括多個(gè)像素元件的高靈敏度彩色圖像傳感器，每個(gè)像素元件都具有阻止反射激光集成濾波器，圖像處理器接收來(lái)自圖像傳感器的圖像信號(hào)，組合來(lái)自第一組像素元素的圖像信號(hào)以形成由熒光形成的第一圖像，并且組合來(lái)自第二組像素元素的圖像信號(hào)以形成由反射光形成的第二圖像。極大的提高了傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的成像效果，減少了醫(yī)生漏診情況發(fā)生。

3 醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置應(yīng)用未來(lái)展望

隨著醫(yī)用內(nèi)窺鏡與超聲技術(shù)和顯微技術(shù)等一系列高新技術(shù)相結(jié)合，今后會(huì)發(fā)明出更先進(jìn)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡。未來(lái)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的發(fā)展主要分為以下幾個(gè)方面：

1）細(xì)微化，醫(yī)用內(nèi)窺鏡導(dǎo)管末端大小直接影響患者創(chuàng)傷程度，通過(guò)將醫(yī)用內(nèi)窺鏡操作部等結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)緊湊，從而降低因?yàn)榛颊吣┒饲坏揽臻g過(guò)小導(dǎo)致的觸碰而帶來(lái)的刺激和不適，加速康復(fù)。

2）介入診斷的半自動(dòng)化，將計(jì)算機(jī)技術(shù)加持的圖像處理手段揉合到醫(yī)用內(nèi)窺鏡當(dāng)中，開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)輔助半自動(dòng)化診斷系統(tǒng)，減少對(duì)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的依賴，提高診療的正確率。

3）高保真率，由于內(nèi)窺鏡的圖像質(zhì)量直接關(guān)乎整個(gè)手術(shù)的進(jìn)程和走向，利用對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡攝像頭以及透鏡的改進(jìn)，解決分辨率影響患處成像的問(wèn)題。

4）提升成像效果，為防止在診斷過(guò)程中導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)所造成的偽影，通過(guò)對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，從而提高內(nèi)窺鏡的圖像成像速率。

5）發(fā)展多模態(tài)系統(tǒng)，利用模塊化設(shè)計(jì)方案，將各種內(nèi)窺鏡通過(guò)不同轉(zhuǎn)換器結(jié)合使用，提高檢測(cè)和組織分類的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

醫(yī)用內(nèi)窺鏡診療患者體內(nèi)器官病變的效果，取決于醫(yī)用內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)和成像技術(shù)。本文綜述了不同醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)、成像技術(shù)及其應(yīng)用。通過(guò)對(duì)醫(yī)用內(nèi)窺鏡集成化，將整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊;從內(nèi)窺鏡的操作部、插入部及整體結(jié)構(gòu)三個(gè)方面進(jìn)行了論述分析，通過(guò)對(duì)操作部的精準(zhǔn)控制，完成插入部的靈活介入，增加自鎖機(jī)構(gòu)，允許醫(yī)用內(nèi)窺鏡暫時(shí)固定位置并增加探查空間，醫(yī)用內(nèi)窺鏡整體結(jié)構(gòu)向集成式、靈活性方向發(fā)展，提升了醫(yī)生操作效率，減少在診療過(guò)程中對(duì)患者的傷害。

對(duì)內(nèi)窺鏡透鏡和成像系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新，采用特殊透鏡增加立體視覺(jué)效果，通過(guò)研制新型成像系統(tǒng)和傳感技術(shù)提高成像分辨率及患者病灶處的成像效果，減少了醫(yī)生對(duì)相關(guān)疾病的漏診，有利于內(nèi)窺鏡診療的個(gè)性化。

隨著醫(yī)用內(nèi)窺鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、成像技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)和理論的不斷完善，未來(lái)更加成熟的醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置必定會(huì)出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳慶.醫(yī)用內(nèi)窺鏡關(guān)鍵技術(shù)的研究[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2015，30（4）：68.

[2]禹璐，程德文，周偉，等.硬性內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的雜散光分析與抑制[J].光學(xué)精密工程，2014，22（3）：525.

[3]徐寶騰，楊西斌，劉家林，等.高速掃描激光共聚焦顯微內(nèi)窺鏡圖像校正[J].光學(xué)精密工程，2020，28（1）：60.

[4]張建勛，韓明慧，代煌.面向低分辨率單目?jī)?nèi)窺鏡圖像的三維多孔結(jié)構(gòu)重建[J].光學(xué)精密工程，2020，28（9）：2085.

[5]孫振環(huán)，徐騰騰，王德廣.CT仿真內(nèi)窺鏡對(duì)支氣管結(jié)石的診斷價(jià)值[J].實(shí)用醫(yī)藥雜志，2019，36（2）：136.

[6]劉艷琴，靳慶芝，謝梅，等.全麻下支氣管鏡檢術(shù)后不良反應(yīng)觀察及護(hù)理對(duì)策[J].中華肺部疾病雜志（電子版），2018，11（5）：608.

[7]譚葆春，張鵬，李厚軒，等.內(nèi)窺鏡在牙周診療中的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)實(shí)用口腔科雜志，2018，11（7）：385.

[8]李凱.內(nèi)窺鏡繞管—食道黏膜組織界面摩擦行為研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.

[9]黃麗萍，胡姣娣，徐婷，等.規(guī)范化操作對(duì)內(nèi)窺鏡室患者醫(yī)院感染的影響[J].中華醫(yī)院感染學(xué)雜志，2017，27（21）：5030.

[10]周文光，王春飛，許新建，等.一種野戰(zhàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（11）：43.

[11]張渤晗，顓孫躍忠.內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)[J].電子測(cè)試，2020（2）：119.

[12]王海娟，黃德球，丁罕，等.醫(yī)用內(nèi)窺鏡冷光源顯色性評(píng)價(jià)探討[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2017，23（10）：4.

[13]尤若寧，許海樹(shù)，張明旭，等.醫(yī)用便攜式內(nèi)窺鏡關(guān)鍵技術(shù)及未來(lái)發(fā)展方向[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2017，38（3）：123.

[14]陳宇.基于肺穿刺手術(shù)導(dǎo)航的精度提升與路徑規(guī)劃研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2014.

[15]任遠(yuǎn)，王凱.中耳炎鼓膜小穿孔耳內(nèi)鏡治療的研究[J].中國(guó)耳鼻咽喉頭頸外科，2020，27（3）：141.

[16]江傳燊，楊炳燦，李達(dá)周，等.軟式內(nèi)窺鏡在腹部創(chuàng)傷中診治作用的實(shí)驗(yàn)研究[J].東南國(guó)防醫(yī)藥，2020，22（4）：351.

[17]李印玉，侯俊鋒，張利，等.內(nèi)窺鏡在右側(cè)雙腔支氣管導(dǎo)管插管中的臨床應(yīng)用[J].中國(guó)處方藥，2016，14（05）：118.

[18]唐林晨，陶國(guó)全，楊曉鐘，等.腸息肉內(nèi)窺鏡下切除術(shù)后遲發(fā)性出血的相關(guān)因素分析[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2019，16（9）：98.

[19]安迪.探究鼻內(nèi)窺鏡下低溫等離子射頻消融術(shù)對(duì)兒童簫癥患者應(yīng)激反應(yīng)及通氣功能的影響[J].當(dāng)代醫(yī)學(xué)，2020，26（21）：137.

[20]YE X，CABIBIHAN J J，YOON W J.Design and Verification of aFlexible Device for Steering a Tethered Capsule Endoscope in theStomach[C]// 2017 14th International Conference on UbiquitousRobots and Ambient Intelligence（URAI）.IEEE，2017：550.

[21]IWASA T，NAKADATE R，ONOGI S，et al.A New Robotic-as-sisted Flexible Endoscope with Single-hand Control：EndoscopicSubmucosal Dissection in the Ex Vivo Porcine Stomach[J].Surgi-cal Endoscopy，2018，32（7）：3386.

[22]金仁俊，姜一模，李洪珍.具備注射功能的內(nèi)窺鏡：CN106031655A[P].2016.

[23]LIU J，YIN L，CHANDLER J H，et al.A Dual-bending Endo-scope with Shape-lockable Hydraulic Actuation and Water-jet Pro-pulsion for Gastrointestinal Tract Screening[J].The InternationalJournal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery，2020，17（1）：1.

[24]任瑩.一種便于使用的消化科胃鏡：CN210277121U[P].2020.

[25]RYU G，KIM J，PARK C，et al.An Active Endoscope with SmallSweep Volume that Preserves Image Orientation for ArthroscopicSurgery[J].The International Journal of Medical Robotics andComputer Assisted Surgery，2021，17（1）：1.

[26]李雷，謝茜.一種低溫內(nèi)窺鏡血管采集裝置及方法：CN105963013A[P].2016.

[27]BOESE A，ARENS C，F(xiàn)RIEBE M.Novel Flexible EndoscopeConcept with Swiveling Camera Tip[J].Current Directions in Bi-omedical Engineering，2020，6（3）：288.

[28]BRESCO TP，DEGOLLADA BM，MATED PC，et al.Oblique TipEndoscope with Zero Degree Field Angle.EP2016710550[P].2018.

[29]王樹(shù)新，高元倩.微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人立體內(nèi)窺鏡裝置：CN106618449A[P].2017.

[30]GUO C，URNER T，JIA S.3D Light-field Endoscopic Imaging U-sing a GRIN Lens Array[J].Applied Physics Letters，2020，116（10）：101105.

[31]HIROYUKI H.Miniaturized Phased-Array Ultrasound and Photo-acoustic Endoscopic Imaging System[J].Photoacoustics.

[32]BAE J K，VAVILIN A，YOU JS，et al.Smartphone-Based Endo-scope System for Advanced Point-of-Care Diagnostics：FeasibilityStudy[J].Jmir Mhealth Uhealth，2017，5（7）：e99.

[33]張升進(jìn)，唐偉，蔣寅杰.一種轉(zhuǎn)折分光單元及內(nèi)窺鏡光學(xué)成像系統(tǒng)、成像方法：CN106094224A[P].2016.

[34]何超，陳晟，何裕源等.電子內(nèi)窺鏡：CN105455768A[P].2016.

[35]彭小健.高分辨率消化道超聲內(nèi)窺鏡的設(shè)計(jì)與研制[D]，深圳：深圳大學(xué)，2016.

[36]萬(wàn)勇，馮宇，段西堯等.激光掃描中繼鏡組及具有該中繼鏡組的共聚焦顯微內(nèi)窺鏡：CN 106802479A[P].2017.

[37]詹涵菁，李強(qiáng).一種內(nèi)窺鏡照明光學(xué)系統(tǒng)及電子內(nèi)窺鏡：CN106510607A[P].2017.

[38]RICHARD WC，JOHN JPF，JOACHIMWB.Compact FluorescenceEndoscopy Video System.US9968244[P].2018.

（編輯：溫澤宇）

收稿日期：2021-02-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51675142）;黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃（UNPYSCT-2020194）;中國(guó)博士后基金特別資助項(xiàng)目（20187110313）.

作者簡(jiǎn)介：鮑玉冬（1986-），男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師;

齊東博（1995-），男，碩士研究生.

通信作者：魏雯（1988-），女，碩士，醫(yī)師，E-mail：moziwenwen0722@163.com.