概述

软性电子内窥镜体现了30多年来固态成像和机械设计方面的不断改进。市面上有许多不同的型号，每种型号的功能略有不同，并且都针对其设计用于检查的胃肠道（GI）部位进行了优化。尽管已经提出了内窥镜控制部分的替代设计（例如“手枪式握把”），但自软性内窥镜首次推出以来，该仪器的基本形状和布局相对没有变化。所有软性电子内窥镜的基本组件和控制装置都非常相似（图3.1）。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图3.1 标准软性内窥镜的基本组成部分。

 

该仪器设计为由内镜医师用左手握持和操作。一些医师用左手食指交替控制吸力阀和气/水阀，其余手指握持仪器。另一些医师用左手食指控制吸力阀，中指控制气/水阀，无名指和小指握持仪器。上下角度旋钮由医师的左手拇指操作。左右角度旋钮由左手拇指和食指和中指或右手控制。内镜医师的右手主要用于控制插入管——根据需要推入、扭转和拔出。

 

插入管

内窥镜的插入管是胃肠病学内窥镜的主要区别特征。虽然内窥镜的应用存在明显的差异（例如，肠镜的超长长度、经鼻食管镜的细长），但不同内窥镜型号之间的细微差别也同样重要。对于结肠镜尤其如此；虽然内窥镜医师可能出于各种原因偏爱使用特定结肠镜型号，但仪器的插入管特性最有可能促使内窥镜医师选择特定的结肠镜作为首选仪器。如果说仪器的任何单一规格能够决定内窥镜医师插入仪器的速度和难易程度，那就是插入管的机械特性。

内窥镜制造商已投入大量精力来改进插入管的结构和选择理想的材料。图 3.2显示了典型结肠镜的内部组件。插入管通常包含 (1) 用于抽吸（活检）、空气和供水的管；(2) 通常还有一根用于向前喷水的附加管；(3) 四根角度控制线；(4) 细电线，用于将内窥镜先端的电荷耦合器件 (CCD) 图像传感器连接到视频处理器；(5) 精细玻璃纤维，用于将光源发出的光传送到内窥镜的先端。带有可调节插入管柔韧性的结肠镜有一个附加组件——张紧线，用于控制插入管的硬度。十二指肠镜还有一个额外的线/线圈护套，沿着插入管的长度延伸，用于控制钳子升降器的上下位置（见后面的讨论）。内窥镜设计师的任务是将所有单个组件封装到尽可能小的空间内，同时确保组件能够自由移动，避免在使用过程中因扭转和弯曲而损坏较脆弱的元件（CCD导线、光纤线）。所有内部组件均涂抹干粉润滑剂，以减少插入管操作过程中组件之间相互施加的应力。

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图 3.2 可变硬度结肠镜的内部组件。

 

插入管灵活性

如前所述，插入管的操作特性极其重要，特别是对于结肠镜而言。为了便于插入，器械必须能够准确传递内镜医师施加的所有细微动作和扭矩。内镜医师施加于杆身近端的任何旋转（扭矩）都必须以 1:1 的比例传递到器械的先端，但当器械成环时，这种能力就会丧失。器械的扭转能力由位于插入管表皮下的扁平螺旋金属带提供（见图3.2）。由于这些金属带以相反的方向缠绕，因此在扭转管子时它们会相互锁定，从而将管子一端的旋转准确地传递到另一端。同时，这些螺旋金属带之间的间隙使杆身能够自由弯曲。金属带还使插入管呈圆形。它们的硬度可防止插入管的内部组件被外力压碎。这些螺旋带由细丝不锈钢丝包裹，编织成管状网状结构。一层塑料聚合物层（通常为黑色，结肠镜上为深绿色）被挤压覆盖在金属丝网上，形成插入管的光滑外表面。聚合物层为插入管提供了无创、生物相容且防水的表面。通常，插入管上会标有数字，用于测量插入深度。

经验表明，对于检查上消化道的固定解剖结构，更坚固的插入管是最佳选择。结肠曲折且环状物自由移动，因此最好使用更灵活的器械进行检查。该器械应足够柔软（非刚性），以便轻松贴合患者曲折的解剖结构，并将对结肠壁及其附着的肠系膜施加的力降至最低。该器械还应具有足够的柱强度，以防止在推动器械近端时发生弯曲。除了灵活性之外，结肠镜还应具有足够的弹性，以便在拉回时弹回至伸直状态；这有助于移除环状物。

获得柔韧性、弹性、柱强度和扭转能力的最佳组合是插入管设计的艺术和科学。其中一个特性的改进往往会对其他一个或多个特性产生负面影响。最终设计通常是这些理想特性之间的折衷，并经过数月的临床试验验证。为了进一步改善插入效果，胃镜和结肠镜插入管的柔韧性通常两端不同。如图 3.3所示，结肠镜插入管先端 40 厘米处的柔韧性明显高于近端部分。这种柔韧性的变化是通过在制造过程中改变导管外层聚合物的配方来实现的，因为导管外层聚合物是在金属丝网上挤压成型的。如图 3.4所示，挤出机包含两种树脂，其中一种明显比另一种硬。最初，当插入管先端穿过机器时，会在金属丝网先端 40 厘米处涂上一层柔软的树脂。在靠近导管中部的过渡区内，这种柔软的树脂逐渐被坚硬的树脂所取代。插入管的近端部分（50 至 160 厘米）仅由硬树脂制成。1最终结果是插入管具有柔软的先端部分，可以无创伤地蜿蜒穿过曲折的结肠，而较硬的近端部分可以有效防止结肠镜已经拉直的部分重新形成环路。

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图 3.3 插入管硬度的示意图。注意变化——先端 40 厘米的插入管更灵活。注意器械处于“硬”设置（虚线）时，以及处于“软”设置（实线）时，硬度有所增加。

 

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图3.4 插入管盖的组成。

 

可调节的灵活性

临床经验表明，内镜医师对于理想的插入管形状常常存在分歧。这种分歧可能源于培训、插入技术或既往经验的差异。此外，一些内镜医师表示希望在手术过程中根据插入深度或患者的解剖结构来改变插入管的特性，这促使人们开发出一种硬度可调的插入管。

可调节硬度的结肠镜具有沿着插入管长度延伸的张紧线（见图3.2）。通过旋转插入管近端（控制部分正下方）的环来控制该线的张力大小（图 3.5）。当此加强系统中的拉线处于“软”位置时，加强系统不会为插入管提供超出金属丝网和聚合物涂层所提供的硬度的额外硬度。如图 3.5所示，当控制环旋转到其中一个“硬”位置时，控制环中的倾斜槽会拉动拉线末端的滑动销，拉伸拉线并使其承受很大的张力。该张力使围绕拉线的线圈线变硬，并显著增加插入管的硬度。如图3.3所示，虽然插入管的基体硬度是通过改变聚合物基层中硬树脂和软树脂的混合比例来设定的，但在手术过程中，可以通过旋转硬度控制环来进一步增强插入管的硬度。可变硬度机构并非贯穿整个插入管，因此内窥镜的先端部分不会受到影响。

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图 3.5 可变硬度结肠镜的加固机制。

 

先端尖头

图 3.6展示了典型端视内窥镜（例如胃镜或结肠镜）先端的组件。先端较大的圆形玻璃透镜是物镜。该透镜将胃肠道黏膜的微型图像聚焦在固态 CCD 图像传感器表面。图像传感器通过一组非常细的电线将连续的图像流发送回视频处理器。物镜和 CCD 单元密封严实，以防止冷凝水使图像模糊，并在液体意外进入仪器时保护成像系统免受损坏。照亮身体内部的光线通过光纤照明光纤穿过仪器。这些光线通过导光透镜系统均匀地分散在内窥镜的视野范围内。

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图 3.6 结肠镜先端组件。

 

一些内窥镜具有单个照明系统（如图3.6所示）。其他内窥镜型号具有两个光纤束和两个导光透镜，以改善活检钳（例如，圈套器）两侧的照明并便于将组件包装在插入管内。用于活检和抽吸的通道位于先端物镜附近。活检通道相对于物镜的位置决定了附件进入视野时在图像中的显示方式。在某些仪器上，圈套器或活检钳似乎从图像的右下角发出；在其他仪器上，这些附件从左下角进入视野，依此类推。在计划诸如分块息肉切除术或止血之类的困难程序时，内窥镜医师必须知道附件将进入其视野的位置。

插入管还包含输送空气和水通过仪器的小管（见图3.2）。这些管通常在距先端几英寸处合并成一根管（见图3.9）。这根合并的空气/水管连接到仪器先端的空气/水喷嘴。在内镜医师的控制下，可以向物镜通水以清洁物镜，或者从喷嘴通入空气以吹入胃肠道。一些胃镜和结肠镜在先端配有额外的水管和喷水喷嘴，用于冲洗粘膜上的碎屑（见图3.6）。

图 3.7展示了典型十二指肠镜先端的组件。图 3.7A是十二指肠镜先端光学和照明系统的示意横截面图。用于观察组织的物镜现在位于先端侧面，而不是仪器的最顶端。棱镜用于将视角偏转 90 至 105 度，并将仪器转换为侧视内窥镜。照明光纤同样在仪器先端急剧弯曲，引导光线从侧面发出。与端视仪器一样，靠近物镜的气/水喷嘴将水引导至镜片上进行清洁，然后用空气吹走任何残留的水滴。来自该喷嘴的空气也用于给患者充气。所有十二指肠镜都配有钳式升降器，用于主动偏转通过通道的任何附件的先端。升降装置如图 3.7B所示。该升降器通常位于内镜先端的凹槽内（处于降低位置）。当内镜医师希望将附件抬升至视野范围内时，他/她需要操作仪器控制部分（未显示）上的拇指控制器。该拇指控制器拉动升降器导丝，将升降器从凹槽中抬起至升高位置，从而使附件先端向上偏转至视野范围内。在某些仪器中，例如 V-scope（奥林巴斯公司，纽约州梅尔维尔），该升降器有一个小凹槽，可容纳 0.035 英寸（约 1.09 厘米）的导丝，以便在更换附件时帮助稳定导丝。

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图 3.7 A和B，十二指肠镜先端组件。

 

弯曲部分和先端角度

内窥镜医师还可以操纵内窥镜插入管的先端。可偏转部分称为弯曲部分，其构造与插入管的其余部分不同。如图 3.8所示，弯曲部分由一系列形状奇特的金属环组成，每个金属环通过自由活动的接头连接到其两侧的环上。这些接头由一系列枢轴销构成，每个枢轴销与相邻的枢轴销相差 90 度。一组枢轴允许弯曲部分沿上下方向卷曲。第二组枢轴允许弯曲部分沿左右方向卷曲。它们共同使弯曲部分能够向任何方向卷曲。卷曲的方向由沿着插入管长度延伸的四根角度线控制（见图3.2）。这四根导线牢固地连接到弯曲部分先端的 3 点钟、6 点钟、9 点钟和 12 点钟位置。拉动连接在 12 点钟位置的导线会导致弯曲部分向上卷曲，并实现内窥镜医师所说的“向上先端偏转”。拉动连接在 3 点钟位置的导线会导致右先端偏转。拉动另外两根导线会导致向下和向左偏转。内窥镜医师可以通过旋转上下或左右角度旋钮来依次拉动每根导线。（为简单起见，图 3.8仅显示上下角度系统。）同时旋转上下和左右旋钮会产生组合先端运动（例如，向上和向右），并允许内窥镜医师向任何方向扫描内窥镜先端。

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图 3.8 A、弯曲段的构造。B 、角度旋钮的旋转引起弯曲段的偏转。

 

空气、水和抽吸系统

图 3.9显示了典型的内窥镜空气、水和抽吸系统的示意图。光源中的气泵以轻微的压力向从内窥镜光源连接器伸出的管道提供空气。空气通过空气通道（管）输送到控制部分上的空气/水阀。如果没有盖住这个阀门，空气就会从阀门顶部的通风孔排出（见图3.1）。当不需要空气时，这个通风孔允许气泵自由泵送，从而减少泵的磨损。如果内窥镜医师想要给患者吹气，他或她可以用指尖盖住通风孔；这样可以关闭通风孔并迫使空气沿着空气通道向下流动，通过先端的喷嘴离开仪器。空气/水阀的轴中包含一个单向阀（见图3.1），以在检查期间将空气保持在患者体内。在内镜检查过程中，胃肠道通常会被充气至略高于大气压。如果没有这个单向阀，当操作人员将手指从阀门上移开时，来自被检查器官的空气就会回流到先端喷嘴，沿着插入管的气道向上流动，最终从气/水阀上的孔中流出。因此，需要使用防反流阀来保持患者气流量。

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图 3.9 空气、水和抽吸系统的配置。

 

用于在手术过程中清洁物镜的水储存在连接到光源或推车的水瓶中（见图3.9）。除了输送空气进行充气外，气泵还会对该水容器加压，迫使水从瓶中流出并进入内窥镜。水通过水瓶盖上的管子输送到内窥镜的光源连接器，然后通过水通道沿通用线向上输送到空气/水阀。当内窥镜医师按下空气/水阀时，水会继续沿着插入管中的水通道向下流动，并从先端的喷嘴流出。喷嘴将水引导到物镜表面，对其进行清洁。

吸力也由内窥镜控制部分上的阀门控制。吸力源（可以是医院的壁式吸力系统或便携式吸力泵）连接到内窥镜的光源连接器。当内窥镜医师按下吸力阀时，吸力会被施加到插入管内的吸力/活检通道。内窥镜先端的任何液体（或空气）都会被吸入吸力收集系统。通道开口阀（也称为活检阀）关闭活检通道的近端开口，防止室内空气被吸入吸力收集系统。

图 3.9所示的空气、水和抽吸系统的设计具有多种固有的安全特性。空气供应系统没有活动部件，也没有可能卡在持续“开启”位置的机械阀门，从而导致患者意外过度充气。相反，空气只是从阀门上的排气孔排出，除非医生用手指捂住这个开口；如果抽吸系统被堵塞，内镜医师难以应对可能的过度充气，他/她只需快速从内镜上取下所有阀门即可。此操作将停止所有空气和水的输送，并允许患者的胃肠道通过打开的阀门气缸减压。

 

照明系统

内窥镜使用非相干光纤束将外部光源发出的光传输到内窥镜先端。该光纤束由数千根直径 30 µm 的毛发状玻璃纤维组成，这些玻璃纤维经过光学涂层处理，可将光线捕获在光纤内，并通过全内反射现象将光线从一端传输到另一端。进入此类光纤一端的光线会在光纤壁上反射数千次，然后才从另一端射出。用于制造光纤纤芯和包层的玻璃类型以及纤芯和包层的厚度均经过精心选择，以使光纤束能够传输尽可能多的光线（有关光纤的更完整讨论，请参阅 Kawahara 和 Ichikawa 3 ）。

内窥镜光源通常使用 300 W 氙灯来产生电子内窥镜所需的强烈白光。这些灯也会产生大量热量。光源内的散热器、红外滤光片和强制风冷系统可防止内窥镜的光纤束过热和燃烧。仔细检查内窥镜光导的先端，可以发现一个阻燃石英透镜，该透镜用于收集来自光源灯的光并将其引导到内窥镜中（见图3.1 ）。在内窥镜的另一端，仪器先端的光导透镜将光线均匀地散布在视野上（见图3.6 ） 。光源中的自动控制光圈（光圈）控制从内窥镜先端发出的光的强度。

当内窥镜位于胃等较大腔体中且需要大量光线时，光源的光圈会打开，使内窥镜能够透射最大光线。当内窥镜先端非常靠近黏膜且光照充足时，光源的光圈会自动关闭，以减少光源的出射光量。如果光照过低，监视器上的视频图像会变得昏暗且颗粒感强。如果光照过强，监视器上的图像会变得模糊（即“光晕”）。视频处理器会通过精确控制光源产生的光量，自动将照明亮度保持在 CCD 图像传感器可接受的范围内。

 

固态图像捕捉

电子内窥镜中使用的图像传感器通常称为 CCD。这些传感器是由硅半导体材料制成的固态成像装置。传感器表面的硅对光有反应。当一个光子撞击 CCD 的感光表面时，它会取代表面硅原子上的一个电子。在硅材料中会产生一个带负电的自由电子，同时在电子之前被束缚的硅晶体结构中会产生一个相应的带正电的“空穴”。这种作用称为光电效应，如图 3.10所示。当更多的光子撞击传感器表面时，就会产生更多的自由电子和相应的空穴。传感器中积累的电荷与落在 CCD 上的光量成正比。此外，无论落在传感器上的光是什么颜色，都会产生这些电荷。

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图 3.10 光电效应 A，感光表面 B，光子撞击表面释放电子，在材料内部产生电荷积聚C ，光照结束后，电荷仍然存在。

 

虽然单个感光元件可用于测量落在表面的光的亮度（例如在测光表中），但它无法再现图像。为了再现图像，必须将感光表面分割成由数千个独立的小感光点组成的矩阵。当图像聚焦在这种传感器的表面上时，会自动测量矩阵中每个感光点的图像亮度。了解图像中每个点的亮度可使视觉系统准确地再现图像。CCD 是这种固态视觉系统的常见组件。CCD 图像传感器的表面被分割成由离散感光点组成的矩形阵列，每个感光点称为图像元素或像素。 图 3.11展示了具有这种阵列的 CCD 传感器。在视频图像内窥镜中，CCD 位于仪器先端，位于物镜正后方（如图 3.6所示）。物镜将观察到的粘膜的微型图像直接聚焦在该传感器的表面上。由于前述光电效应，落在CCD上的光图案（即图像）会立即转换为存储电荷阵列。由于每个像素中存储的电荷与相邻像素隔离，传感器能够忠实地将光学图像转换为图像的电学复制品。

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图 3.11 使用线传输电荷耦合器件 (CCD) 进行图像捕获和读出。虽然实际的内窥镜 CCD 包含数十万像素，但为了简单起见，所示的阵列包含 64 个像素，排列成 8 行 × 8 列的矩阵。A ，粘膜图像投射在 CCD 的感光表面上。B ，由于光电效应，产生了图像的电复制品。C ，遮光时电复制品仍然存在。D ，复制品向下移动一行，将数据从底行推入水平移位寄存器。E ，移位寄存器被清空，产生输出信号。F ，复制品向下移动另一行。该过程重复。

 

这种电信号经过处理后，被发送到视频监视器进行再现。如图 3.11所示，图像暗区的像素由于产生的电荷较少，电压较低。图像亮区的像素由于产生的电子/空穴对较多，电压相应较高。每个像素能够产生任意数量的电荷，从最小值到最大值，具体取决于入射光的亮度。光到电荷的转换过程是线性的。落在像素上的光子数量加倍，像素产生的电荷数量也加倍，直到感光点的存储容量达到满载为止。

 

读取电荷耦合器件上创建的图像

CCD 曝光图像后，必须按顺序“读出”CCD 中产生的电荷，并对其进行处理以重现原始光学图像。电荷在读出时在 CCD 内移动的方式取决于 CCD 的配置。三种最常见的 CCD 类型是线传输 CCD、帧传输 CCD 和行间传输 CCD。4每种CCD 类型在 CCD 对光的灵敏度（即内窥镜照明系统所需的亮度）、所需光源类型（频闪与非频闪）、CCD 的尺寸（影响内窥镜先端先端的尺寸）以及电荷从 CCD 中传输出的速度方面都有特定的优势。图 3.11中示意性显示的 CCD是线传输 CCD。图 3.11A显示了光学图像在 CCD 感光表面上的投影。阵列中的每个感光点在短暂曝光图像后都会产生电荷（图 3.11B和C）。为简单起见，图 3.11展示了一个只有极少量像素和极少量电荷的阵列。这些电荷由感光点内的小点表示。

通过邻近每个感光点的电极（图 3.11中未显示这些电极），可以控制每个像素内的电荷并将其在 CCD 表面上移动。通过改变施加到这些电极上的电压，各个像素内的电子以电荷包的形式从一个像素转移到另一个像素。这些电极上连续的电压变化使电荷移向 CCD 的底部边缘并进入水平移位寄存器（见图3.11D ）。水平移位寄存器中的电荷通过输出放大器转换成输出信号。输出信号的波动与每个像素中存储的电荷数量成正比。在图 3.11E所示的过程中，原始图像底行中的电荷已被读出并通过输出放大器并发送到视频处理器进行重建。整个图像的电表示在 CCD 上下移了一行。水平移位寄存器读出并清空后，阵列中每个像素的电荷将依次向下传输到下方像素，从而对图像副本进行第二次移位。此次传输将水平移位寄存器填充原先位于阵列倒数第二行的电荷，如图3.11F所示。水平移位寄存器中的电荷再次被读出，从而产生一个输出信号，该信号代表原始图像倒数第二行像素的亮度。

图像副本的处理以类似的逐步方式继续进行，直到整个 CCD 都被读出。一旦 CCD 被读取和清除，它就可以进行另一次曝光了。电荷耦合过程——电荷以包的形式从一个像素传输到另一个像素——使 CCD 得名（电荷耦合器件）。CCD 最远角落的电荷在到达水平移位寄存器之前，会依次通过数百个感光点。在目前的电子内窥镜中，CCD 每秒要曝光、读出并重新曝光 60 到 90 次。为了在这些重复传输过程中保持图像保真度，至关重要的是，这些电荷包在 CCD 被读出时每秒进行数十万次传输的过程中保持完整，电荷数量既不能丢失也不能增加。在移动和读出图像的整个过程中，线传输 CCD 的感光阵列必须避光（图 3.11C及后续步骤中所示的步骤）。这种屏蔽是必要的，以防止正在传输的图像信息与仍然落在感光点上的光在感光点上产生的新电荷混合。为了保留原始图像，在读出图像副本时，感光点必须完全黑暗。在内窥镜应用中实现此目的的一种方法是在读取 CCD 时频闪或暂时中断内窥镜发出的光；这会产生瞬间的光芒来曝光图像传感器，然后在读出和清除 CCD 时出现短暂的黑暗期。使用过红、绿、蓝 (RGB) 顺序内窥镜系统（通常称为黑白 CCD 系统）的内窥镜医师熟悉频闪内窥镜光源的概念。

 

线间电荷耦合器件

尽管频闪视频系统在内窥镜检查中很常用，但它们有几个缺点，特别是在平滑再现运动方面。带有频闪光源的线传输 CCD 的替代方案是带有连续（非频闪）光源的行间传输 CCD。如图3.12所示，行间传输 CCD 具有一系列垂直移位寄存器，这些寄存器位于每列感光点附近。曝光后，感光点处显影的电荷立即快速转移到相邻的垂直移位寄存器。由于电荷快速、一步转移到垂直移位寄存器，因此在读出过程中无需中断 CCD 的照明。同时，垂直移位寄存器中的电荷逐步转移到水平移位寄存器，并在那里以常规方式读出。 （图 3.12中的红色箭头表示左上角像素中产生的电荷的读出路径。）垂直移位寄存器被遮光，因此在 CCD 持续曝光时，它们会被清空。在读取第一幅图像的同时，CCD 会采集第二幅图像。当垂直移位寄存器最终清空时，传感器阵列中新创建的图像副本会立即从感光点传输到垂直移位寄存器，然后重复该过程。

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图 3.12 线间传输电荷耦合器件 (CCD) 示意图。

 

隔行传输CCD的一大优势在于它无需照明频闪。由于整个传感器阵列只需一步即可清除至垂直移位寄存器，因此传感器阵列可立即准备捕获下一张图像。使用连续非频闪光源的所谓彩色芯片内窥镜就是隔行传输CCD系统的例子。

 

图像分辨率

图像分辨率是内窥镜图像质量的关键组成部分。通常使用类似于图 3.13所示的测试方法来测量分辨率。将由清晰打印的黑白线条组成的测试图放置在距内窥镜先端一定距离的位置。该测试图包含一系列间距越来越近的线条。仔细研究在内窥镜视频监视器上重现的该图表图像（图 3.13C）。间距较大的线条可以清晰地区分为单独的线对。然而，间距较近的线条通常会模糊在一起，无法识别为不同的线条。

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图 3.13 量化分辨力的测试设置。

 

内窥镜的分辨率极限定义为在图像变得非常模糊以至于线条简单地混合在一起之前，仍然可以区分为线条的最近的线对之间的距离。随着测试图移近内窥镜的先端，测试图的图像放大倍数增加，内窥镜能够分辨越来越小的线对。图 3.14展示了内窥镜分辨能力随距离变化的典型图。随着内窥镜越来越靠近测试图，内窥镜分辨出的线对越来越细，直到在点A处内窥镜达到其最大分辨能力。此时，内窥镜也处于其最近焦点。将测试图移近内窥镜会导致图像质量下降，因为焦点损失越来越大。受图像模糊的限制，图 3.14所示的典型标准结肠镜的工作范围为 7 至 200 毫米（如紫色实线所示）。

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图 3.14 标准、变焦和近焦结肠镜的分辨率。

 

市场上有一些电子内窥镜具有光学变焦功能。这些内窥镜通常在内窥镜主体上有一个控制装置，当内窥镜非常靠近目标组织时，该控制装置可以调节内窥镜先端的镜头，以实现清晰对焦。如图3.14所示，这些内窥镜可以分辨比标准内窥镜小四倍的线对；这是通过允许内窥镜聚焦在距离组织仅几毫米的距离来实现的。然而，分辨能力的四倍提高是有代价的。与显微镜类似，这些仪器的景深非常有限 - 在 1 或 2 毫米范围内。如果内窥镜离组织太近或太远，图像很快就会失焦，图像质量下降。如图3.14B中的实蓝线所示，变焦内窥镜在“变焦”模式下的工作范围非常有限，并且内窥镜很难保持对焦。

最近，人们推出了近焦高清 (HD) 内窥镜，它比标准内窥镜和光学变焦内窥镜更具优势。总体而言，高清内窥镜的分辨率有所提高，因为与标准内窥镜相比，它的图像传感器像素更多（见图3.14D ）。此外，近焦内窥镜上的光学元件使它们能够在失焦前更紧密地接近观察到的组织。图 3.14所示的近焦高清结肠镜在失焦前能够进入测试图的 3 毫米范围内，与标准结肠镜相比，其分辨率提高了三倍（图 3.14E）。虽然它的分辨率仍然低于光学变焦结肠镜，但这种近焦结肠镜的景深非常宽（3 至 200 毫米，如绿色实线所示），这使得这种结肠镜与任何标准内窥镜一样方便使用。

前面讨论的变焦内窥镜是指具有光学变焦功能的内窥镜。这与大多数电子内窥镜上的电子变焦功能不同。电子变焦不会提高内窥镜的实际分辨率。电子变焦只是获取CCD中心部分捕获的信息，并将其放大显示在显示器上。电子变焦不会在显示器图像中添加任何新的图像信息，也不会改变上述测试中测量的内窥镜的分辨率。光学变焦确实增加了显著的图像细节，因为内窥镜能够更近距离地接近组织并获得真实的放大图像。

 

色彩再现

所有固态图像传感器本质上都是单色器件。它们只能再现黑白图像。CCD 表面的硅感光点产生的电荷仅与照射到阵列上的光的强度（亮度）成比例。简单的图像传感器无法区分入射光的颜色。如图3.10所示，一个红光光子产生的电荷与一个蓝光光子产生的电荷相同。为了使内窥镜能够再现必要的色彩属性，系统必须具备额外的手段来分析照射到传感器上的光的颜色（波长）。

 

三色视觉

人们发现，几乎任何人眼敏感的颜色都可以通过混合红、绿、蓝 (RGB) 三种颜色的光来匹配。如果三个投影仪都装有 RGB 滤光片，并且投射的聚光灯重叠，则生成的图像将类似于图 3.15所示的图像。红绿投影仪重叠产生的颜色与单色黄光无法区分。同样，重叠的绿蓝投影仪发出的光会让人产生看到纯青色光的感觉。红色和蓝色重叠产生洋红色。令人惊讶的是，当所有三个投影仪在中心重叠时，观察者会看到一片纯白色区域，看不到三种组成颜色的痕迹。如果精确控制和改变三个投影仪中每个投影仪的强度，则几乎可以在重叠的中心区域重现任何光谱颜色。

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图 3.15 加色原色图解。

 

所有视频图像都是使用 RGB 的三种组成颜色重建的。因为这三种颜色可以加法组合以模仿所有其他光谱颜色，所以它们通常被称为三种加法原色。这三种颜色 RGB 是用于在视频监视器表面创建全彩色图像的荧光粉的颜色（图 3.16）。黄色（Ye）、青色（Cy）和品红色（Mg）在视频成像中也起着重要作用，被称为补色。商用电子内窥镜目前使用两种不同的系统来重现色彩。第一台商用视频图像内窥镜是 Welch Allyn 于 1983 年推出的 VideoEndoscope，它基于 RGB 顺序成像系统。5目前的许多仪器仍在使用该系统。第二种系统，即所谓的彩色芯片内窥镜，现在已成为全球主导系统。每种色彩再现系统都有其优点和缺点，稍后将进行解释。

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图 3.16 红、绿、蓝 (RGB) 顺序内窥镜成像系统示意图。

 

红、绿、蓝顺序成像（“色轮”）

图 3.16示意性地展示了 RGB 序列电子内窥镜系统的组件。内窥镜的先端安装有一个单色（黑白）CCD。内窥镜先端的物镜将内窥镜视场的微型图像聚焦在该 CCD 的感光表面上。该图像通过穿过内窥镜的光纤束照亮。该光纤束将光源内的灯发出的光传送到内窥镜的先端。与光纤内窥镜使用的光或彩色芯片内窥镜使用的光不同，这种光不是连续的，而是频闪或脉冲的。光源内的高强度氙气灯发出连续的白光，其色温与阳光接近。在该灯和内窥镜的导光柱之间放置了一个带有三个彩色段（RGB）的旋转滤光轮。该滤光轮将落在光导束上的光线进行截断和着色，使其交替闪烁，颜色依次为红、黑（无光）、绿、黑、蓝、黑。当在内窥镜先端观察时，这种照明在肉眼看来是闪烁的白光，而不是实际连续的RGB色光。当以每秒20至30转的速度旋转时，这三原色光似乎融合在一起，用肉眼观察时形成白色照明。

这种独特的照明系统的目的是产生三个独立的单色图像，每个图像都是由三原色按顺序依次照亮视野时获得的。在红色滤光片位于光路中的几分之一秒内，胃肠道粘膜仅被红光照亮。CCD 图像传感器捕获粘膜在红色照明下呈现的单色（黑白）图像（图 3.17）。自然呈红色的组织在红光下反射强烈，看起来很亮。红色较少的组织区域对红光的反射很弱，在红光照明下看起来很暗。在红色照明下获得粘膜的单色图像后，滤光轮旋转到轮子上相邻的不透明区域。此时，内窥镜照明暂时变暗，CCD 上的图像被读出，通过处理和切换电路，并存储在视频处理器的“红色图像”存储库中（见图3.16）。红色图像存储后，旋转滤光轮，将绿色滤光片置于光路中。CCD 获取在绿色照明下呈现的粘膜单色图像（见图3.17）。该图像被读出并发送到视频处理器，存储在“绿色图像”存储库中。以类似的方式，当滤光轮旋转到蓝色部分时，会获取第三张单色图像。该图像相应地存储在“蓝色图像”存储库中。这种为三原色各捕获一组图像的序列每秒重复 20 到 30 次——精确的速度由视频处理器的规格决定。同步电路使滤光轮的旋转与 CCD 的读出相匹配，并按顺序控制开关电路，将每个新图像引导至正确的存储库。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图 3.17 使用红、绿、蓝 (RGB) 顺序照明进行图像捕获。

 

彩色芯片成像

作为 RGB 顺序成像系统的替代方案，一些电子内窥镜使用彩色芯片成像系统。彩色芯片 CCD 本质上是一个黑白图像传感器，其表面粘合有定制的多色微滤光片。该滤光片允许 CCD 直接且同时地解析图像的组成颜色。有时使用术语“瞬时单板 CCD”来指代这种设备，以强调所有三个颜色分量都是由单个“板”或 CCD 同时获得的。彩色芯片 CCD 通常使用图 3.18所示类型的彩色马赛克滤光片。可以设计具有多种不同颜色配置的马赛克滤光片；但是，图 3.18所示的颜色选择非常常见。此马赛克滤光片中使用的颜色为黄色、青色、品红色和绿色 (Ye/Cy/Mg/G)。这些部分排列成 2×2 像素框图案，并在 CCD 表面有规律地重复。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图 3.18 与彩色芯片电荷耦合器件 (CCD) 中的像素相匹配的彩色马赛克滤光片允许图像传感器同时从投射在其感光表面上的图像中捕获全彩色信息。

 

由于发送到视频监视器的最终输出信号必须是标准 RGB 分量图像，因此在显示之前，必须将此 Ye/Cy/Mg/G 滤镜后面生成的图像转换为其主要的 RGB 分量。此转换通过添加和减去相邻像素的信息来完成，直到计算出传感器中每个像素的特定 RGB 值。如图3.19所示，黄色滤镜元件吸收蓝光但通过红光和绿光；这使得所有黄色滤镜元件后面的像素都能接收红色和绿色信息。图 3.19还显示，青色滤镜元件后面的像素接收色谱的蓝色和绿色部分。洋红色像素接收红光和蓝光。在四个 Ye/Cy/Mg/G 像素的代表性块中，两个像素接收红色信息，三个像素接收绿色信息，两个像素接收蓝色信息（见图3.18）。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图 3.19 滤光片颜色对红、绿、蓝 (RGB) 光透射的影响。

 

通过在视频处理器中使用适当的算法对相邻像素的信息进行加减运算，可以得出每个 Ye/Cy/Mg/G 像素块的 RGB 分量值。蓝色分量值可以通过从青色像素产生的电荷数中减去绿色像素产生的电荷数来确定（B = Cy − G 或 B = [B+G] − G）。红色分量值可以通过从黄色像素产生的电荷数中减去绿色像素产生的电荷数来确定（R = Ye − G 或 R = [R+G] − G）。此类计算会在整个 CCD 表面的所有 2 × 2 像素块上重复进行。此过程完成后，矩阵中每个像素块所需的 RGB 分量值都已计算完毕。有人可能会问，如果使用原色 RGB 滤镜覆盖像素无需计算即可直接获得 RGB 分量值，那么为什么还要使用由互补色（Ye、Cy 和 Mg）组成的马赛克滤镜并采用处理算法呢？答案在于 Ye/Cy/Mg/G 马赛克滤镜在亮度方面比 RGB 马赛克滤镜具有明显优势。

使用 RGB 滤光片段时，每个像素都会被过滤以接收三原色中的一种（见图3.19）。经过青色滤波的像素会同时暴露在蓝光和绿光下。它比纯蓝或纯绿像素的光照更强烈。同样，黄色滤光片（红色 + 绿色）或品红色滤光片（蓝色 + 红色）后面的像素比纯 RGB 滤光片后面的像素接收更多的光子（光）。由于穿过黄/蓝/镁/绿马赛克滤光片的光强度增加，因此具有这种结构的 CCD 表现出更高的光敏度。互补色马赛克滤光片的明显优势在于，由于光敏度增加，这些滤光片允许电子内窥镜设计人员使用更小的光导纤维束来构建内窥镜，从而最大限度地扩大内窥镜的视角并增加内窥镜的景深。所有这些特性都可以提高性能，但每个特性都需要额外的光线。因此，所有商用彩色芯片内窥镜都使用互补色马赛克 CCD。

 

运动再现

与 RGB 序列电子内窥镜相比，彩色芯片电子内窥镜在重现运动方面具有先天优势。RGB 视频处理器中的滤光轮通常以每秒 20 至 30 转（rps）的速度旋转。由于每个颜色分量图像都是按顺序单独捕获的，因此需要1/30几秒钟（使用 30 转/秒的滤光轮）才能捕获组成单个视频图像的三个分量图像。如果内窥镜和被观察物体之间存在相对运动（内窥镜检查过程中经常发生这种情况），则三个分量图像在物体大小和位置方面可能会略有不同。当这三个 RGB 图像随后叠加在视频监视器上时，它们很可能会出现错位。如果内窥镜医生在图像快速移动时恰好冻结图像，则这种错位清晰可见。尽管 RGB 序列电子内窥镜难以重现运动，但彩色芯片电子内窥镜在对运动组织进行成像方面表现出色，因为它可以同时捕获图像的所有三个颜色分量。由于照明是连续的、非频闪的，并且帧速率与当代电视标准一致，因此使用彩色芯片电子内窥镜再现的运动图像是流畅而自然的。

彩色芯片电子内窥镜的另一个独特优势是可以缩短其有效快门速度，以提高所捕获图像的清晰度。彩色芯片系统通常每秒捕获一个新视频图像1/60。虽然这个时间段相对较短，但由于捕获期间的移动，冻结的快速移动物体可能会显得有些模糊（但没有分色）。为了减少这种模糊，最好将电子捕获周期缩短到正常时间的一小部分（例如，从1/60一秒到1/250另一秒）。与传统胶片摄影一样，曝光时间越短，拍摄对象越清晰，但拍摄对象必须照亮得越亮，以防止曝光不足。许多彩色芯片内窥镜上的快速快门模式可能无法为远处的全景图像提供足够的光线，但在真正需要的情况下，快速快门捕捉模式可以非常有效地生成明亮、清晰的冻结图像（即快速移动的粘膜的特写静止图像）。

 

彩色芯片电子内窥镜的优势

彩色芯片电子内窥镜比 RGB 序列系统有几个固有的优势（表 3.1）。前面讨论的优势包括（1）平滑、自然地再现运动；（2）冻结图像上没有颜色分离；（3）快速快门模式，即使是运动最快的物体也能防止图像模糊。其他优势包括（4）与标准（非频闪）氙灯光源兼容，（5）增强透照效果，以及（6）在激光治疗期间表现优异。使用 RGB 序列内窥镜时，腹部透照会出现问题，因为其频闪光输出比非频闪系统弱得多。许多 RGB 序列光源都有一种在“透照”模式下操作时将旋转的滤光轮暂时从光路中移除的方法。会产生稳定、强烈的白光，非常适合透照。然而，一旦移除滤光轮，图像就会丢失，因为在大多数情况下，照明太强，会使 CCD 饱和，产生大部分白色的图像。即使图像可见，它也是黑白的，因为滤光轮必须处于正确的位置才能重现颜色。

 

表 3.1 电子内窥镜成像系统的优点和缺点

优势

缺点

色卡系统

流畅、自然地再现动作

难以适应色彩分析研究

拍摄的图像没有色彩分离

 

快速快门模式可防止拍摄对象移动时图像模糊

 

使用标准（非频闪）氙灯光源

 

在正常观察条件下可以进行透照

 

激光治疗期间的卓越表现

 

RGB 顺序系统

可实现高分辨率图像

RGB 分量图像之间的图像滑动

每个像素都反映三种颜色

快速移动物体上的“彩虹效应”

通过更换滤镜可以进行高级色彩分析

需要频闪光源

 

白色瞄准光束和图像“晕染”阻碍了激光治疗

 

透照需要移除滤光轮并产生黑白图像

RGB，红色、绿色和蓝色。

 

红、绿、蓝序列电子内窥镜的优势

RGB 序列电子内窥镜的一大优势在于可以提高分辨率。图像分辨率很大程度上取决于原始图像的像素数量。彩色芯片系统需要多个像素的信息，并通过算法处理这些信息，以获得图像中每个点的 RGB 分量值。在 RGB 系统中，每个像素按顺序被 RGB 光照射。每个像素依次提供三种颜色分量的信息。单个像素能够提供所有三种颜色分量，这对于内窥镜等小型成像设备来说是一个优势。实际上，这种优势对于大多数电子内窥镜来说并不显著，但当需要尽可能薄的内窥镜（例如，电子胆道镜）时，这是一个显著的优势。由于 RGB 序列电子内窥镜使用原色滤光片，并且颜色分量在视频处理器内被单独隔离、捕获和处理，因此这种类型的电子内窥镜能够提供非常准确的颜色信息。这种潜在优势在常规内窥镜检查中通常不明显；然而，在图像分析研究中，RGB 序列系统优于彩色芯片系统。

 

使用红、绿、蓝顺序电子内窥镜进行窄带成像

近年来，奥林巴斯（日本东京）推出了具有新观察模式的电子内窥镜系统，称为窄带成像（NBI）。6 – 9此功能的目的是通过选择性操纵血红蛋白的成像来增强对粘膜表面细节（例如，凹坑图案）的观察，并增加微血管结构与周围组织之间的对比度。血红蛋白是组织中的主要发色团。图3.20显示了氧合血红蛋白在可见光谱中的相对吸光度。峰值吸收发生在 415 nm（蓝光）。在 540 nm（绿光）附近观察到第二个峰值。从图 3.20中可以清楚地看出，血红蛋白反射而不是吸收红光，从而使血红蛋白具有其特征性颜色。利用有关血红蛋白特征吸光度的此类信息，可以设计一种成像系统，该系统根据内窥镜研究的组织中血红蛋白的相对存在或不存在来增加图像对比度。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图3.20 氧合血红蛋白的吸光度光谱。

 

图 3.21示意性地说明了 RGB 序列内窥镜系统中 NBI 成像的实现。光源具有与图 3.16所示的标准内窥镜系统相同的氙气灯和相同的旋转 RGB 滤光轮。但是，对于 NBI 成像，在氙气灯前面临时放置了一个特殊的 NBI 滤光片。该装置过滤氙气灯产生的广谱白光（图 3.21中的光谱 1 ），并且只允许波长以 415 nm 为中心的非常窄的蓝光带和波长以 540 nm 为中心的非常窄的绿光带通过滤光片（图 3.21中的光谱 2 ）。正是这种使用窄带光（即非常有限的光波长）照亮组织的做法赋予了 NBI 名称。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图 3.21 采用红、绿、蓝 (RGB) 顺序电子内窥镜系统的窄带成像 (NBI)。

（内窥镜图像由 Y. Sano 和 S. Yoshida 提供。）

 

RGB 顺序 NBI 系统的成像顺序如下：当红色滤光片段位于光路中时，由于 NBI 滤波光中没有红光，因此没有光进入内窥镜。此时不会创建图像，也不会存储图像。滤光轮旋转到绿色滤光片段。穿过 NBI 滤光片的绿光 (540 nm) 也会穿过旋转滤光轮的绿色段，穿过内窥镜并照亮组织。（NBI 滤光片发出的 415 nm 蓝光被旋转滤光轮中的绿色滤光片阻挡。）CCD 捕获组织在 540 nm 绿色照明的窄带下呈现的单色（黑白）图像（见图3.21A）；但是，视频处理器切换电路不会将此图像存储在预期的绿色图像存储库中，而是将 540 nm 图像发送到空的红色图像存储库（见图3.21C）。此操作是故意重新分配颜色。

最后，滤光轮旋转到蓝色滤光片段。该滤光片段让来自 NBI 滤光片的 415 nm 蓝光通过，组织被以 415 nm 为中心的窄谱蓝光照亮。CCD 捕获粘膜在 415 nm 照明下的黑白图像（见图3.21B），视频处理器按预期将图像存储在蓝色存储库中（见图3.21E）。视频处理器还将该 415 nm 图像的相同副本存储在绿色存储库中（见图3.21D），这是第二次有意的颜色重新分配。红色成分图像现在由组织在 540 nm 窄带照明（绿光）下的图像组成，而绿色和蓝色成分图像现在由组织反射 415 nm 窄带照明光（蓝光）时的图像组成。 RGB 滤光轮旋转一圈并将图像分配到各个 RGB 图像存储区域后，三个 RGB 分量图像会同时发送到视频监视器，并在监视器上将三个分量图像（见图3.21CE）叠加为最终的全彩 NBI 图像（见图3.21F）。最终的 NBI 图像与在正常白光照明下显示的组织图像（见图3.21G）有很大不同。颜色重新分配改变了组织的自然着色，并且仅使用被氧合血红蛋白高度吸收的波长对组织进行选择性照明大大增加了粘膜病变的表面图案。

 

使用彩色芯片电子内窥镜进行窄带成像

NBI 也可以在彩色芯片视频平台上实现。图 3.22展示了在彩色芯片内窥镜的光源中插入 NBI 滤光片。NBI 滤光片将氙气灯发出的广谱白光（图 3.22中的光谱 1 ）过滤为与 RGB 序列系统中使用的相同的 NBI 光谱。彩色芯片 NBI 照明包括使用 415 nm 和 540 nm 窄带光对组织进行连续、同时的照明。内窥镜中的彩色芯片 CCD 捕获在这种特殊 NBI 照明下反射的组织图像。图像捕获之后，图像信息由视频处理器处理后再显示。图 3.23总结了彩色芯片 NBI 图像的处理过程。CCD 上的彩色马赛克滤光片对图像进行过滤，如前所述。但是，由于 NBI 照明中没有红色波长，因此没有红色图像信息进入视频处理器中的彩色处理电路 - 只有蓝色和绿色信息可用。与 RGB 序列 NBI 系统类似，视频处理器会特意将绿色信息重新分配，显示为红色分量图像。同样与 RGB 序列系统类似，蓝色图像信息会显示为蓝色分量图像，并特意重新分配为绿色分量图像。当这些 RGB 分量图像（按定义）同时显示在视频监视器上时，彩色芯片电子内窥镜系统会显示与 RGB 序列电子内窥镜系统类似的 NBI 图像。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图 3.22 采用彩色芯片电子内窥镜系统的窄带成像 (NBI)。

 

软性内窥镜的工作原理及结构图

图 3.23 使用彩色芯片电子内窥镜系统进行窄带成像 (NBI) 彩色处理。

 

两种系统的NBI功能均可通过内窥镜上的开关或视频处理器上的按钮轻松开启或关闭。内窥镜医师可以根据需要快速切换标准白光和NBI成像。

 

图像处理

所有视频处理器在处理过程中都会将内窥镜图像转换为数字格式。数字格式的图像可以通过各种算法轻松处理。一些更常用的算法旨在产生不同程度的“边缘增强”或“纹理增强”。这些算法并非刻意改变组织的颜色，而是增加图像对比度，以增强边缘轮廓或增强组织形貌。从某种意义上说，它们试图“锐化”图像。

 

后处理图像增强

最近，人们努力对图像进行处理（后处理），以获得类似于使用 NBI 获得的数据。富士能推出了一项名为FICE（富士智能色彩增强）的功能，宾得推出了一项名为i-Scan 的功能，这些功能可以有意操纵内窥镜图像的颜色。这些后处理功能旨在增强粘膜血管和表面结构的显示。奥林巴斯的 NBI 功能通过以与血红蛋白的自然吸收相对应的选定波长照射组织来实现这一点。FICE 和 i-Scan 使用正常的白光照明，捕获正常的白光图像，并对生成的正常内窥镜图像执行数字处理。这个过程被称为“最佳波段成像”或“多波段成像”。当内窥镜图像为数字形式时，很容易识别所捕获图像中每个点（像素）的特定颜色，并仅选择指定颜色范围内的像素。这些选定的颜色可以显示为新图像，进行处理以执行所需的增强功能，或重新分配以其他颜色显示。

FICE 系统允许用户从白光图像中选择特定窄带颜色范围，并将其用作“最佳波段图像”。用户可以选择三个这样的最佳波段图像，并将其分配给 RGB 监视器输入。FICE 配置的处理器提供十个出厂预设的最佳波段；但用户可以自定义预设。60 个预估波长（色调）中的任何一个都可以输入到三个 RGB 通道中的任何一个。内窥镜控制部分上的一个按钮可让操作员从传统的白光成像切换到实时多波段成像。

用于组织诊断或鉴别的最佳多波段成像预设尚未确定；然而，这个概念很容易说明。虽然内窥镜诊断通常包括解释内窥镜图像中看到的各种红色色调的细微变化，但使用包含鲜艳色彩的照片更容易显示后处理；图 3.24A就是这样一张热气球发射的图像。一旦图像变成数字形式，软件算法就很容易从图像中选择和提取某些特定的色调。在图 3.24B的情况下，软件（Adobe Photoshop）选择了特定范围的蓝色和特定范围的绿色作为感兴趣的颜色。这个颜色范围可以选择得很窄（例如，某种深蓝色），也可以选择得很宽（例如，从浅蓝色到深蓝色）。这些选定的颜色可以按正常方式显示，也可以重新分配为不同的颜色以产生额外的强调。在图 3.24C中，选定的蓝色被重新分配为绿色，选定的绿色被重新分配为蓝色。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图 3.24 图像处理示例。A ，原始图像。B ，蓝色和绿色色调的颜色选择。C ，所选颜色的颜色重新分配。

 

可以想象，通过数字后处理可以处理图像的方式无穷无尽。然而，在每种情况下，原始白光图像的颜色都会被操纵。NBI 通过仅使用特定波长照射组织来操纵照明光与组织本身的相互作用，从而实现组织中所需的对比度变化。在图 3.24C所示的后处理示例中，虽然软件有效地交换了天空和草地的颜色，但它也改变了场景中在白光图像中具有相似颜色的其他物体的颜色（例如，最高中央气球上的蓝色带）。如果某些内窥镜结构（例如毛细血管、腺体和小凹）始终具有独特的特征颜色，那么就可以设计一种软件算法来识别和增强它们。虽然尚未有经过验证或标准化的图像处理方案可用于常规临床，但正在进行研究以识别有价值的算法。

 

内镜超声仪器

奥林巴斯于1984年推出了首批投入使用的内镜超声 (EUS) 仪器。最初的仪器 (GF-UM2) 是一台光纤内窥镜，其先端配备机械扫描压电换能器。尽管基于视频的胃镜和结肠镜早在20世纪80年代中期就已面世，但首批基于视频的EUS仪器直到1998年才问世。如今，视频成像技术在EUS领域也占据主导地位。先前关于仪器整体结构、插入管组件、空气、水和抽吸系统以及视频成像技术的讨论通常也适用于EUS仪器。除了这些系统之外，EUS仪器还必须包含用于超声波生成、耦合和检测的额外组件。

为了实现良好的声耦合，EUS 仪器的先端通常有一个充满水的乳胶球囊。向该球囊中注水和排水需要沿着插入管长度延伸的额外球囊充气通道以及用于填充和排空球囊的额外控制装置（特殊阀门）。EUS 仪器采用机械扫描或电子扫描技术来创建超声图像。最早的 EUS 内窥镜使用单个压电换能器，该换能器围绕与内窥镜中心轴平行的轴机械旋转（图 3.25）。创建了一个垂直于内窥镜轴的 360 度径向超声图像平面，内窥镜本身位于图像的中心。机械径向 EUS 内窥镜通常以 7.5 至 20 MHz 的频率工作，二十年来，由于它们的图像平面方向方便且 EUS 图像分辨率高，它们一直是主要的诊断 EUS 仪器。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图 3.25 机械径向扫描内镜超声 (EUS) 仪器示意图。

 

2003 年，宾得推出了电子径向图像超声内窥镜。这是第一台提供复杂超声功能（如多普勒图像功能）的径向扫描仪器。但是，图像限制在 270 度扇区内。随后，奥林巴斯推出了径向扫描 EUS 内窥镜，该内窥镜采用完整的 360 度压电换能器阵列代替单个机械旋转晶体（图 3.26A）。宾得和奥林巴斯生产的电子径向扫描仪器现已取代较旧的机械扫描设计。20 世纪 90 年代初，宾得推出了第一台采用曲线换能器阵列的电子扫描 EUS 内窥镜。该仪器产生的图像平面与内窥镜的长轴对齐，并且由于整个针尖位于 EUS 图像平面内，因此首次实现了实用的细针抽吸 (FNA)。与机械扫描仪器相比，电子扫描内窥镜具有彩色多普勒（显示血流方向和平均速度的功能）和能量多普勒（提高测量流速灵敏度但不提供流向信息的功能）功能。曲线阵列内窥镜通常具有 150 度至 180 度的视角（超声图像），换能器频率为 5 至 10 MHz。光学观察方向为前倾方向，与 FNA 针的大致方向一致（图 3.26B）。内窥镜先端的升降器允许针头上下移动，升降器类似于十二指肠镜上的升降器，但运动范围更有限。

软性内窥镜的工作原理及结构图

图 3.26 A，电子径向扫描内镜超声 (EUS) 内镜的先端先端。B ，曲线 EUS 细针抽吸 (FNA) 内镜的先端先端。

 

评估视频图像内窥镜时需要考虑的因素

视频图像内窥镜是一种技术先进且复杂的临床工具。这些仪器首次进入市场时，各种市售型号的对比报告随处可见。14 – 16如今，电子内窥镜技术已经成熟，此类技术对比报告已很少见，但市售型号的规格摘要会定期发布。17 – 19很难确定任何单一的设计标准作为选择特定临床应用最佳电子内窥镜的决定性因素。评估电子内窥镜时，应考虑以下标准：

 

1图像质量：仪器是否具有足够宽的视角，景深好，图像分辨率高，图像对比度好，色彩准确，冻结图像清晰，动态范围宽（在图像的明暗区域都能看清楚的能力）？

2照明特性：仪器在所有临床条件下是否具有足够的图像亮度？照明是否从图像中心到图像边缘均匀分布？系统是否能够随着观察距离的变化而自动调节亮度？

3内窥镜基本功能：仪器是否操作灵敏，插入管特性是否合适？其先端角度是否平滑；控制部分形状和重量是否合适；角度旋钮和阀门是否位置合适；以及吸液、注气和镜片清洗性能是否良好？

4基本规格：制造商是否拥有全系列的仪器型号，具有多种插入管直径和活检通道容量，以满足所有临床需求？

5是否适用于特殊治疗程序：电子内窥镜是否能有效防止高频电刀产生的图像噪声？使用激光时，图像质量是否可接受？

6系统功能：视频处理器的控制是否简单易懂？用于控制远程设备的内窥镜开关是否易于操作？设备的尺寸和重量是否便于运输？

7系统扩展和集成：系统是否能够轻松地与硬拷贝设备、录像机和计算机图像管理系统连接？

 

胶囊内镜

过去十年，胶囊内镜技术发展迅猛，临床应用也日益广泛。首批动物实验于2000年发表在《自然》杂志上， 2020年，文献中首次报道了不明原因消化道出血的临床试验。21,22胶囊内镜技术是消化道微创检查趋势的重大进展。目前，胶囊内镜系统由三个不同的部分组成：(1) 胶囊，(2) 数据接收和存储系统，以及 (3) 用于图像查看和分析的工作站。

美国食品药品监督管理局 (FDA)（2001 年 8 月）批准用于小肠观察的第一个胶囊是 Given Imaging, Inc.（以色列约克尼穆）生产的 M2A 胶囊。该胶囊直径为 11 毫米，长 26 毫米。胶囊及其组成部分如图 3.27所示。胶囊的一端有一个透明的光学圆顶，成像系统位于其后。胶囊形状对称，小到可以在肠道内翻滚；当胶囊穿过胃肠道时，它会以随机的方式对近端或先端的粘膜进行成像。透明圆顶后面是一个非球面透镜，周围排列着四个发光二极管 (LED)。透镜将图像聚焦到互补金属氧化物半导体 (CMOS) 成像仪上。成像仪后面是两节氧化银电池，足以为 LED、成像仪和发射器供电至少 8 小时。发射器和天线位于胶囊的背面。胶囊封装在磁铁附近。从磁铁上取下胶囊会触发开关，激活LED并开始图像传输。每秒捕获并传输两幅图像，与闪烁的LED照明同步。由于肠道处于塌陷状态（即未充气），且被观察的组织非常靠近光学穹顶，因此LED的少量照明就足够了。

软性内窥镜的工作原理及结构图

 

图 3.27 Given Imaging M2A 胶囊示意图。

（根据以色列约克尼穆 Given Imaging 公司的 Pillcam 重绘。）

 

Given Imaging 公司推出了一款名为 PillCamSB 的升级版小肠胶囊。Olympus 也推出了一款名为 EndoCapsule 的类似小肠胶囊。23这三种胶囊的尺寸完全相同。较新的胶囊具有更高的图像分辨率、更宽的视角、六个 LED 灯（而不是四个）以及改进的工作站软件。一些系统还提供实时查看器。Olympus EndoCapsule 使用 CCD 图像传感器代替 Given Imaging 胶囊中的 CMOS 图像传感器。在胶囊内窥镜检查过程中，患者的腹前壁上贴有八个传感器。这些传感器检测从胶囊发射的信号。通过测量来自不同传感器的信号的相对强度，可以确定胶囊在腹腔内的大致位置。工作站软件会在胶囊图像旁边显示胶囊的行进路径。传感器导线连接到佩戴在腰带上的小型数据记录器。腰带装置相对较轻，不会严重妨碍正常的非劳力性活动。患者可以自由活动，在检查记录阶段无需住院。检查结束后，传感器和腰带将从患者身上移除。记录的数据将下载到计算机工作站，工作站将约5万张检查图像转换为视频文件，并存储在计算机硬盘上。检查结果将以视频形式在工作站屏幕上以审查员设定的速度进行观看。

2004年，Given Imaging 公司的 PillCam ESO 获得了 FDA 批准，这是一款用于检查食管的双成像胶囊。该胶囊目前已上市，用于诊断巴雷特食管和食管静脉曲张。Given Imaging 还在开发 PillCam COLON，这是一款用于检查结肠的胶囊。目前，多家公司正在开发在胃肠道内主动推进胶囊的方法。胶囊的研发仍在继续。

 

 

 

 

 

本文由广州佳誉医疗器械有限公司/佛山浩扬医疗器械有限公司联合编辑