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内窥镜的技术分析与未来发展方向信息


内窥镜的历史经历了从硬性光学内窥镜到光导纤维内窥镜再到电子内窥镜的过程。随着半导体和计算机技术的飞速发展,1983年美国人首先发明了电子内窥镜并应用于临床,被认为是内窥镜发展史上的第三个里程碑。电子内窥镜不是通过光学镜头或光导纤维传导图像,而是通过装在内窥镜先端被称为微型摄像机的光电耦合元件CCD将光能转变为电能,再经过图像处理器"重建"高清晰度的、色彩逼真的图像。

图像质量的优劣直接影响着内窥镜的使用效果,也标志着内窥镜技术不断提高、不断完善的发展进程。电子内窥镜的出现,使图像质量提高到一个崭新的水平,因此在临床上得到了越来越广泛的应用。

1 图像质量

图像质量是电子内窥镜的本质和最重要的性能指标,也是用电子技术对图像进行合成再处理的技术基础,图像质量可分为清晰度(分辨率,由像素数量决定)、色彩还原性(逼真程度)和观察的舒适性(图像稳定性、对比度和亮度等)几个方面。决定电子内窥镜图像质量的核心部件是光电耦合元件(CCD),它如同电子内窥镜的心脏,其基本构造是在对敏感的半导体硅片上采用高精度的光刻技术分割出数十万个栅格,每一个栅格代表一个成像元素,像素数越多,图像的分辨率越高,画面越清晰。

CCD只能感受光信号的强弱,电子内窥镜的彩色还原是通过在CCD的摄像光路中添加彩色滤光片,并对彩色视频信号进行处理后获得的。彩色滤光片的放置有以下两种方式。

(1)顺次方式。将一块带有同样面积的红、绿、蓝三种原色滤光片的圆盘置于照明光源前,当圆盘旋转时,红、绿、蓝三种色光顺次照射被射物体,CCD摄像时所产生的三种强弱信号也依次有时间间隔地传送并储存在图像处理器中。采用顺次方式CCD的电子内窥镜的优点是由于三色光分别照射,像素数相当于原来的3倍,因而可提高分辨率,而且内窥镜易于做得细且硬性部短,缺点是滤光盘高速旋转引起的图像闪烁,以及由于红、绿、蓝依次摄像引起的套色不准而出现的彩虹现象。目前在中国市场上,日本奥林巴斯公司和宾得公司生产的电子内窥镜都是采用像素分别为8.1万和6.25万的顺次式黑白CCD

(2)同步方式。在CCD的受光面上镶嵌原色和补色的滤光片,当白色光源照射到被射物体,由它发出的光作用到CCD时,由于镶嵌式滤光片的作用直接产生彩色信号,传送并储存在图像处理器中。采用同步方式CCD的电子内窥镜的优点是图像清晰,亮度高,色彩还原性好,缺点是技术难度高。由于镶嵌式滤光片的置入,为缩小内窥镜的直径和缩短先端硬性部增加了技术难度。目前在中国市场上,日本富士公司生产的电子内窥镜采用了像素为41万的同步式彩色CCD,最高像素数达85万。

根据以上分析,同步方式CCD的技术难度要高于顺次方式CCD,但所获得的图像质量要明显优于采用顺次方式的CCD。目前,日本富士公司推出的采用同步方式CCD技术,具有857Y像素的电子内窥镜处于世界领先水平,标志着电子内窥镜技术的又一次飞跃,必将推动内窥镜诊断治疗水平再上一个新台阶。

2 视频处理器

视频(图像)处理器的作用是将电子内窥镜CCD提供的模拟信号转换为二进制代码的数字信号,并可用多种方式记录和保存图像,如用录像机录制的方式保存清晰的动态图像;用35mm照相机在监视器图像冻结的状态下拍摄保存静止图像;用激光光盘记录动态或静止的图像;用软盘记录静止图像等。此外,电子内窥镜系统还可以与电子计算机相连,将患者的姓名、性别、年龄、主要症状、诊断结果等临床资料与所记录的各种图像存入计算机,通过编辑,可以打印检查报告,也便于患者随访和病历统计研究以及远程会诊和教学等。这种所

谓的图文工作站可以与医院各科室的患者和图像资料工作站连网,实现医院的计算机管理。目前,电子内窥镜图文系统已广泛应用于各大医院,受到医生和患者的欢迎和好评。

3 电子内窥镜的构造

为了减轻患者的痛苦,电子内窥镜的镜身(插入部)要做到尽可能的细(由先端部粗细决定),先端硬性部要尽可能短。CCD的大小、形状和构造是决定内窥镜粗细和先端硬性部长短的关键。在电子内窥镜先端部安装CCD的方法有两种,一种是CCD的受光面垂直于物镜光轴方向,使CCD直接接受从物镜射来的光,是一种最简单的结构,在这种情况下,必须使用超小型的CCD,这样可使先端的硬性部最短。另一种就是CCD的受光面平行于物镜光轴,物镜射来的光通过一个900(的转向棱镜照射到CCD受光面上。这种方法可以使内窥镜的先端部变细,但硬性部变长,而CCD的面积可以扩大,CCD的像素数可大大提高。

为了获得更清晰、更精美的图像质量,目前的电子内窥镜逐渐趋向于采用第二种方法安装CCD,这无疑在技术上增加了CCD的加工和工艺难度,随着电子内窥镜技术的不断改进和完善,高像素数CCD的体积会越做越小,满足于临床需要的各种细径电子内窥镜应运而生,几乎可涉及到医疗的各个领域。同时,一些具有大孔径或双孔道及抬钳等特殊装置的治疗用电子内窥镜的出现,再加上一系列配套辅助器械的研制与开发,为电子内窥镜在临床上的应用开辟了广阔的前景。目前,临床上的一些病症已可以通过内窥镜下或小切口治疗的

方法代替传统的手术,大大减轻了患者的痛苦。

4 电子内窥镜产品

当前在中国市场上主要有日本的奥林巴斯、富士和宾得这几家公司的电子内窥镜产品。已应用于临床的主要有胃镜、十二指肠镜、小肠镜、结肠镜、腹腔镜、支气管镜、斜视胃镜和双孔道胃镜等不同型号、不同规格的电子内窥镜。

此外,一种无痛苦、可吞服的药丸式电子内窥镜已经问世并应用于临床,主要用于胃镜和结肠镜无法到达的,长度达数十米的小肠疾病的诊断。这种药丸实际上就是一种微型摄像机和图像信号发射机,固定于患者腰带上的接收器可接收、处理和保存药丸发来的彩色图像信号,将接收器连于医生的计算机,就可以观察患者小肠内的所有情况。

电子内窥镜的广泛应用使早癌的诊断率达到了前所未有的高水平。特别是日本富士公司推出的内窥镜下小探头超声系统,可将不同频率、不同规格的小超声探头通过内窥镜的孔道送到体内,探查不同组织层面的肿瘤状况,大大提高了诊断的阳性率。与此同时,各种各样的内窥镜下治疗也蓬勃兴起,如:食管狭窄扩张术、消化道异物取出术、消化道息肉切除术、上消化道出血的内窥镜下治疗、消化道癌内窥镜下治疗、十二指肠乳头切开术、十二指肠内窥镜胆管引流术、慢性胰腺炎的内窥镜治疗、经口胆管镜下治疗胆结石(激光碎石)、腹腔镜下治疗术等。作为一种重要的微创外科手术,内窥镜(光学内窥镜、光导纤维内窥镜)手术近年来得到了迅速发展。电子腹腔镜的问世,是电子内窥镜手术的开端。电子内窥镜手术除具有普通内窥镜手术创伤小、可减轻患者痛苦、术后恢复快、有利于降低医疗成本等特点外,还具有画面清晰、便于图像保存与传输,远程会诊及教学等特点。随着科学技术水平的不断提高,电子胸腔镜、电子宫腔镜、电子关节镜、电子喉镜、电子胆管镜、电子脑室镜等也将不断问世,为电子内窥镜手术开辟了广阔的领域。

目前,美国等一些西方发达国家正在研制一种内窥镜手术机器人系统,用它来完成内窥镜的操作,甚至手术器具的操作。借助于机器人动作精确、工作可靠的优点,可使内窥镜手术更具安全性、准确性和便利性,大大减轻了医务人员的劳动强度。

内窥镜医学的发展,新的电子内窥镜产品的不断研究和开发,人体的奥秘不断被揭开,各种疑难病症也会得到准确的诊断和治疗。我们相信,在不久的将来,电子内窥镜技术水平的提高必将为医学发展带来突破性变革。

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