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醫(yī)用內(nèi)窺鏡發(fā)展至今已有200多年歷史，經(jīng)過(guò)了硬管式、半可屈式、纖維內(nèi)鏡和電子內(nèi)鏡四個(gè)發(fā)展階段。

 

 

鏡體種類(lèi)拓寬至軟鏡、半可屈式與硬鏡，成像原理除了光學(xué)內(nèi)窺鏡外還有電子內(nèi)窺鏡，應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋醫(yī)院消化科、五官科、普外科和泌尿科等多個(gè)科室。

 

醫(yī)用內(nèi)窺鏡正朝著多功能、高像素、微型化、耗材化的方向發(fā)展，以提升診療的準(zhǔn)確性和效率。未來(lái)，內(nèi)窺鏡技術(shù)還將與人工智能等更多其他技術(shù)相互融合，以提供更全面的信息，幫助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)診療，從而獲得最佳療效，提升時(shí)間、資源和費(fèi)用的利用效率，以滿(mǎn)足多樣化及日益增長(zhǎng)的臨床需求。

 

1-醫(yī)用內(nèi)鏡的分類(lèi)及應(yīng)用

 

常見(jiàn)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡分類(lèi)可以按使用次數(shù)、成像原理和鏡體軟硬程度分類(lèi)。

 

根據(jù)重復(fù)使用次數(shù)可以分為一次性?xún)?nèi)鏡和可重復(fù)使用內(nèi)鏡。根據(jù)成像原理可分為光學(xué)內(nèi)鏡和電子內(nèi)鏡。

 

光學(xué)內(nèi)鏡基于幾何光學(xué)成像原理，通過(guò)鏡片反射成像，而電子內(nèi)鏡則是通過(guò)光電信號(hào)和圖像處理技術(shù)，通過(guò)電子元器件和光學(xué)組件組合成像。

 

根據(jù)鏡體軟硬程度主要可分為硬鏡和軟鏡，硬鏡主要用于人體淺層部位腔道的病灶診斷和治療，具有成像清晰、色彩逼真、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，而軟鏡得益于其柔軟可彎曲的特點(diǎn)，可用于更深層部位腔道的診斷和治療。

 

 

醫(yī)用內(nèi)窺鏡主要包括腹腔鏡、關(guān)節(jié)鏡、耳鏡、鼻咽喉鏡、宮腔鏡、膀胱鏡（硬鏡）；胃鏡、腸鏡（軟鏡）等等，已在臨床中被廣泛應(yīng)用于不同科室及疾病的治療。胃鏡、腸鏡等屬于軟管式內(nèi)窺鏡，即可以通過(guò)人體自然腔道（食道、腸道等) 隨意彎曲的內(nèi)窺鏡，腹腔鏡、關(guān)節(jié)鏡等屬于硬管式內(nèi)窺鏡，即借助戳孔使腔鏡進(jìn)入人體腔內(nèi)或潛在腔隙的不可彎曲的內(nèi)窺鏡。

 

從科室分布看，軟鏡主要用在消化科與呼吸科；硬鏡使用場(chǎng)景頗多，其中普外科、泌尿外科、胸外科和婦科占比較高，2020 年普外科占比約47.8%、泌尿外科占比約16.8%、胸外科占比約13.2%、婦科占比約12.5%、骨科占比約2.6%。

 

 

*醫(yī)用內(nèi)窺鏡應(yīng)用場(chǎng)景

 

按照成像原理可主要分為電子和光學(xué)內(nèi)窺鏡，兩者的主要區(qū)別在于其使用的成像技術(shù)不同。

 

光學(xué)內(nèi)鏡主要依靠光學(xué)鏡片和獨(dú)特的光路設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)反射成像，圖像呈蜂窩點(diǎn)狀，分辨率一般在2萬(wàn)像素。

 

電子內(nèi)鏡則通過(guò)對(duì)數(shù)字電信號(hào)處理成像，其常見(jiàn)的圖像傳感器又可分為CCD和CMOS兩大類(lèi)。電子內(nèi)鏡的分辨率已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了高清對(duì)標(biāo)清的替代，越來(lái)越多的廠(chǎng)商也相繼推出了超高清4K電子內(nèi)鏡系統(tǒng)。成像效果方面的全面超越使電子內(nèi)鏡逐步代替光學(xué)內(nèi)鏡并成為市場(chǎng)主流。

 

*電子和光學(xué)內(nèi)窺鏡參數(shù)對(duì)比

 

按照鏡體彎曲程度可分為軟鏡和硬鏡，其中又可細(xì)分為光學(xué)硬管鏡、光學(xué)半硬鏡、光學(xué)軟鏡、電子硬鏡和電子軟鏡。

 

光學(xué)硬鏡由不銹鋼合金外殼，柱狀光學(xué)透鏡組和導(dǎo)光纖維系統(tǒng)組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為柱狀光學(xué)透鏡組，外部鏡管為不銹鋼合金管道，并通過(guò)光學(xué)物鏡采集圖像，透鏡組傳輸圖像，目鏡放大圖像，最終經(jīng)過(guò)眼罩傳出圖像。

 

光學(xué)硬鏡的主要覆蓋科室有口腔科、耳鼻喉頸科、神經(jīng)科、消化科、外科、泌尿科、婦科和骨科。

 

光學(xué)軟鏡由光學(xué)系統(tǒng)由物鏡組、圖像束和目鏡組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為軟性纖維圖像束，外部鏡管為可彎曲型醫(yī)用材料。

 

光學(xué)軟鏡的主要覆蓋科室有眼科、呼吸科、消化科、外科、泌尿科、婦科和乳腺外科。

 

 

*硬鏡和軟鏡參數(shù)對(duì)比

 

2-醫(yī)用內(nèi)鏡的技術(shù)核心壁壘

 

我們分別以光學(xué)硬景和電子軟鏡為例，介紹其具體特點(diǎn)和差異。

 

·光學(xué)硬鏡：

 

光學(xué)硬鏡由機(jī)械系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)，和導(dǎo)光系統(tǒng)三部分組成。光學(xué)硬鏡的成像原理是先通過(guò)物鏡采集圖像，再由柱狀鏡片傳遞圖像，最后用目鏡放大圖像。

 

1.機(jī)械系統(tǒng)：不銹鋼合金鏡外管、內(nèi)管、鏡體、光錐、目鏡腔、眼罩是主要組成部分。鏡內(nèi)組成中，機(jī)械系統(tǒng)中的鏡體、鏡外管、內(nèi)管、光錐和目鏡腔的主要制作材料都是不銹鋼合金，而黑色眼罩的制作材料則是高分子耐高溫材料。鏡外組成中，激光無(wú)縫焊接而成的鏡外管和各鏡體的連接處，可以保證境內(nèi)成像不受外界環(huán)境和光線(xiàn)的干擾，提高了物鏡的密封性。其中，鏡體和眼罩通過(guò)精密儀器密封，鏡管和物鏡由膠粘或焊接密封，保證了使用過(guò)程中不會(huì)脫落，液體不會(huì)滲漏，氣體不會(huì)進(jìn)入。

 

2.光學(xué)系統(tǒng)：

 

物鏡，柱透鏡組和目鏡組成了硬鏡的光學(xué)系統(tǒng)。其中，物鏡負(fù)責(zé)收集圖像，且其鏡片參數(shù)對(duì)內(nèi)鏡的視角和視野起了決定性作用，柱透鏡組的功能是傳輸圖像，目鏡的功能則是放大圖像并經(jīng)由眼罩傳出圖像。

 

3.導(dǎo)光系統(tǒng)：

 

光學(xué)硬鏡的導(dǎo)光系統(tǒng)由傳輸光線(xiàn)的光纖組成，直徑通常為0.03mm。光線(xiàn)先從物鏡端射出，照亮腔道，再通過(guò)物鏡鏡體將圖像傳導(dǎo)至光纖系統(tǒng)另一端的光錐處成像。

 

*光學(xué)硬鏡組成部分

 

·電子軟鏡：

 

主要由先端CCD/CMOS 芯片、腔內(nèi)光源系統(tǒng)、軟鏡機(jī)械部分組成。從組成部件來(lái)看，電子軟鏡由先端、插入管和操作部三大模塊構(gòu)成，并由連接部將各模塊進(jìn)行串聯(lián)。

 

電子軟鏡傳輸圖像的過(guò)程是由先端的微型圖像傳感器采集圖像，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過(guò)鏡身線(xiàn)路傳至攝像系統(tǒng)，最終形成圖像。

 

電子軟鏡比硬鏡的可探測(cè)深度更深，細(xì)小的鏡片可以使鏡體輕松進(jìn)入鼻腔、耳道等細(xì)窄腔道，這是硬鏡無(wú)法觸及的區(qū)域，為醫(yī)生提供更準(zhǔn)確的患者信息。

 

 

電子內(nèi)鏡和光學(xué)內(nèi)鏡的區(qū)別是，電子內(nèi)鏡通過(guò)先端CCD/CMOS芯片采集圖像，鏡身傳導(dǎo)的是數(shù)字信號(hào)，而纖維軟鏡則是通過(guò)光學(xué)纖維，傳導(dǎo)物理圖像，沒(méi)有芯片電路。

 

電子內(nèi)窺鏡在醫(yī)院內(nèi)鏡室的診斷和治療中起到非常重要的作用，具有靈活定好、分辨率高、易于診斷、管徑細(xì)等優(yōu)點(diǎn)。

 

 

醫(yī)用內(nèi)窺鏡從前端到后端所囊括的配件依次是：

 

光源、鏡體、導(dǎo)線(xiàn)、主機(jī)、顯示器等，下面我們分別來(lái)看不同組成部分的主要功能和特點(diǎn)。

 

光源照明：

 

傳統(tǒng)的電子內(nèi)鏡使用氙燈（白光）作為照明光，白光的寬帶光譜實(shí)際上是由R/G/B（紅/綠/藍(lán)）3種光組成的，其波長(zhǎng)分別為605nm、540nm、415nm；可以使用LED 光源，為冷光源且不產(chǎn)生熱效應(yīng)，即開(kāi)即用。

 

病灶組織：

 

傳統(tǒng)方法通過(guò)白光照射病灶可疊加色素內(nèi)鏡檢查，用不同的色素溶液，對(duì)黏膜進(jìn)行噴灑或口服，通過(guò)黏膜表面輪廓顯示或吸收特性的不同，區(qū)分癌變與非癌黏膜；目前多數(shù)通過(guò)疊加熒光劑（熒光內(nèi)鏡）將吲哚菁綠（ICG）注入目標(biāo)血管或組織，通過(guò)吸收近紅外光后釋放出不同波長(zhǎng)熒光的特性，再利用圖像傳感器捕捉熒光信號(hào)。

 

鏡體：

 

1.圖像傳感器：彩色CCD/CMOS 將不同的光信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字電信號(hào)形式，多張捕捉到的圖片高速切換實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)視頻。

 

2.透鏡：標(biāo)配普通光學(xué)鏡頭放大10倍，即大于10mm的視線(xiàn)范圍；可疊加變焦鏡頭放大內(nèi)鏡（ME），增加高倍率的變焦鏡頭，使黏膜組織光學(xué)放大，目前廠(chǎng)家所使用的變焦倍數(shù)多在80~120 倍以上。

 

3.鏡體可疊加：可疊加超聲探頭以觀察表層以下的組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)可疊加共焦顯微鏡（共聚焦內(nèi)鏡鏡頭、細(xì)胞學(xué)內(nèi)鏡），通過(guò)共聚焦探頭，獲取各層面的組織學(xué)圖像。并有望明顯減少活檢的次數(shù)，增加病理的檢查率。

 

導(dǎo)線(xiàn)：

 

編碼電路通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)將信號(hào)輸送到圖像處理器。

 

主機(jī)：

 

1.圖像處理功能：雙熒光處理；全彩熒光處理；4K處理；3D 技術(shù)；除霧功能；血管增強(qiáng)；高動(dòng)態(tài)范圍；曝光修正等特殊圖像處理；

 

2.AI算法處理：包括AI ISP 圖像處理。

 

顯示器：

 

可配備4K 分辨率/高清分辨率。

 

 

 

在上述內(nèi)窺鏡主要構(gòu)成部件中，最核心的技術(shù)壁壘主要包括光學(xué)鏡頭集成、圖像傳感器、鏡體設(shè)計(jì)與集成技術(shù)、圖像處理技術(shù)(包括降噪、邊緣增強(qiáng)技術(shù)等)。其中：

 

1-成像鏡頭:

 

內(nèi)窺鏡圖像分辨率決定了內(nèi)窺鏡成像的清晰度，是保障臨床疾病篩查檢出率和準(zhǔn)確率的關(guān)鍵。光學(xué)鏡頭是獲得光信號(hào)的關(guān)鍵，日企多憑借相機(jī)等光學(xué)業(yè)務(wù)起家，在變焦鏡頭、實(shí)現(xiàn)多停光學(xué)放大目分辨率不變等領(lǐng)域有豐富專(zhuān)利積累，而中國(guó)廠(chǎng)商高端數(shù)控機(jī)床加工、技術(shù)專(zhuān)利積累等還與進(jìn)口品牌有較大差距。

 

2-圖像傳感器: 

 

圖像傳感器是把光學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，現(xiàn)主要有CCD和CMOS傳感器。

 

CCD技術(shù)長(zhǎng)期被日本壟斷，2019年CCD產(chǎn)業(yè)前七大廠(chǎng)商皆為日系廠(chǎng)商，占據(jù)全球98.5%市場(chǎng)份額。相比于CCD，CMOS具備體積小、耗電量低、成本低、系統(tǒng)整合度高特點(diǎn)，CMOS有望代替CCD 圖像傳感器在內(nèi)鏡中的使用。相較CCD 技術(shù)中國(guó)企業(yè)幾乎無(wú)影響力的現(xiàn)狀，在CMOS領(lǐng)域，中國(guó)韋爾股份2019年收購(gòu)的豪威科技在CMOS領(lǐng)域市占率約11.5%;澳華內(nèi)鏡、開(kāi)立醫(yī)療先后推出的AQ-200、HD-550均采用CMOS傳感器，新光維獲批的“4K 超高清內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)”，使用的也是CMOS傳感器。中國(guó)與海外企業(yè)在CMOS技術(shù)研發(fā)差距有望逐漸縮小。

 

 

3-圖像顯示:

 

中國(guó)廠(chǎng)家在圖像后處理方面也實(shí)現(xiàn)突破，澳華內(nèi)鏡自研光學(xué)染色的CBI分光染色技術(shù)，使得醫(yī)生能更好觀察病變黏膜下的微血管結(jié)構(gòu)。開(kāi)立醫(yī)療自研的光電復(fù)合染色成像VIST技術(shù)，保證畫(huà)面亮度和高分辨率圖像同時(shí)，凸顯早期病變的細(xì)微結(jié)構(gòu)變化。

 

*開(kāi)立VIST技術(shù)圖示                                                  *澳華CBI 技術(shù)圖示

 

綜合來(lái)看，邊緣增強(qiáng)技術(shù)瓶頸被攻克，國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)家與進(jìn)口廠(chǎng)家的技術(shù)差距已經(jīng)縮小，未來(lái)國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)商在高端技術(shù)領(lǐng)域有望持續(xù)攻克。

 

 

*醫(yī)用內(nèi)窺鏡核心技術(shù)