醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置的研究進展之機械結(jié)構

醫(yī)療內(nèi)窺鏡是用于人體微創(chuàng)醫(yī)療的一種內(nèi)窺鏡工具，通過人體的自然腔道，或者是經(jīng)手術行小切口進入人體內(nèi)，將內(nèi)窺鏡導入檢查的器官，可直接獲取圖像。2021年中國內(nèi)窺鏡行業(yè)的市場規(guī)模為287億元，同比2020年增長12.99%。? ??

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內(nèi)窺鏡技術由于其診療的高準確性，創(chuàng)傷小，不易感染，手術后恢復快，幾乎沒有疤痕等優(yōu)點而受到了醫(yī)學界的廣泛關注，成為了全球醫(yī)療器械行業(yè)增長最快的產(chǎn)品之一。內(nèi)窺鏡是集中光學、人體工程學、精密機械、現(xiàn)代電子、數(shù)學、軟件等一體化的監(jiān)測儀器。? ? ?

2020年中國將光學/電子內(nèi)窺鏡由管理級別Ⅲ類調(diào)整為管理級別Ⅱ類，2021年10月明確規(guī)定了137種醫(yī)療器械全部要求100%采購國產(chǎn)，加速內(nèi)窺鏡行業(yè)國產(chǎn)替代進程。

電子內(nèi)窺鏡 圖源：雪力

醫(yī)用內(nèi)窺鏡能夠有效對患者體內(nèi)病變器官進行診斷，在醫(yī)用內(nèi)窺鏡介入診療過程中，診療結(jié)果主要依賴于其設計結(jié)構和成像原理，介入過程容易產(chǎn)生不適癥狀或影響診療效果，若能改進傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡結(jié)構，提高成像技術，將對醫(yī)用內(nèi)窺鏡介入診療提供重要幫助。

醫(yī)用內(nèi)窺鏡? 圖源：張江高科895營

醫(yī)生在進行內(nèi)窺鏡診療時，手術質(zhì)量到醫(yī)用內(nèi)窺鏡的結(jié)構和成像技術的限制，在實際介入手術操作過程中可能會出現(xiàn)以下諸多不利的情況:? ??

①醫(yī)用內(nèi)窺鏡的導管要從患者孔道介入到患者體內(nèi)，導管和患者孔道組織會不可避免的存在接觸摩擦，如果導管受到的阻力和扭轉(zhuǎn)力不能準確反饋給醫(yī)生，則導致對患者造成不必要的操作性創(chuàng)傷。? ? ? ?

②內(nèi)窺鏡介入時，由于患者孔道的空間狹窄，其在患者孔道內(nèi)運動受限，因醫(yī)生操縱內(nèi)窺鏡時，手腕、肩膀等身體關節(jié)的運動都會造成內(nèi)窺鏡導管發(fā)生位置偏差及抖動，影響成像效果和手術精度。? ??

③目前鏡檢的可操作性對醫(yī)生技術要求較高，因此臨床醫(yī)生一般都要進行培訓，且學習周期長，難度大，導致鏡檢的操作醫(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)窺鏡檢查過程中，由于患者的應激性反應，會對醫(yī)用內(nèi)窺鏡內(nèi)部纖維束造成損害，影響圖像質(zhì)量，提高手術成本。? ? ? ?

因此，還需要進一步集成化、智能化，通過改進醫(yī)用內(nèi)窺鏡的機械結(jié)構和優(yōu)化成像技術，達到內(nèi)窺鏡能夠在患者不同腔道內(nèi)運動并獲取高清病灶圖像的目的。

電子內(nèi)窺鏡 圖源：雪力??

本文通過對醫(yī)用內(nèi)窺鏡機械結(jié)構和成像技術兩個方面進行闡述，結(jié)合醫(yī)用內(nèi)窺鏡的關鍵技術，分析了醫(yī)用內(nèi)窺鏡新型結(jié)構和成像技術對醫(yī)生、患者及整個探測過程的影響，不僅可以促進醫(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。??

一 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，同時為醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)各個模塊進行供電;??

醫(yī)用內(nèi)窺鏡采集模塊主要分為兩個部分，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)窺鏡與主機進行連接，其內(nèi)部包含一系列透鏡組，以保證導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信號轉(zhuǎn)換成可以被處理的電信號，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。? ? ?

光源主要通過醫(yī)用內(nèi)窺鏡內(nèi)部光纖進行導光，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，目前醫(yī)用內(nèi)窺鏡均采用LED作為光源。? ? ?

處理模塊屬于醫(yī)用內(nèi)窺鏡最重要的模塊，通過可編程邏輯門陣列等處理芯片來提高醫(yī)用內(nèi)窺鏡的集成度，從而提升成像效果。? ? ?

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組織病變進行診斷。其中，從患者體內(nèi)觀察并取出病變組織進行分析，是醫(yī)用內(nèi)窺鏡診療過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)窺鏡插入部的導管通過患者孔道置入病變處，導管前端設有光源和鏡頭，用來攝取氣管內(nèi)影像，將影像傳輸給終端計算機，通過終端計算機顯示器來實時顯示患者體內(nèi)圖像。

醫(yī)生通過控制導管的旋捻、插入和取出等動作改變導管在患者體內(nèi)的姿態(tài)，從而減少導管前端、管壁與氣管組織的接觸和摩擦，通過操作部彎曲控制扭控制導管前端和彎曲部彎曲從而適應氣管路徑的曲率變化和分叉處路徑的選擇。? ? ?

整個探查過程醫(yī)生可以通過顯示器觀察組織的病變，當醫(yī)用內(nèi)窺鏡鏡頭前端抵達病灶處進行相應治療時，可將吸引管、穿刺針、活檢鉗等經(jīng)操作部開口沿著導管從導管前端開孔處伸出，根據(jù)患者內(nèi)部組織病理的不同，醫(yī)生通過活檢鉗鉗取、網(wǎng)籃擴張、穿刺針穿刺等操作進行支氣管介入診療。? ??

二 醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置關鍵問題分析與研究進展

目前，醫(yī)用內(nèi)窺鏡已經(jīng)應用于醫(yī)院的各個科室，從簡單的內(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關鍵技術。? ??

然而，在醫(yī)用內(nèi)窺鏡使用過程中仍然存在一些問題，比如調(diào)整角度較小，鏡身較脆弱，成像效果差，結(jié)構復雜，照射光源具有缺陷等，制約了醫(yī)用內(nèi)窺鏡的進一步發(fā)展。技術人員對上述問題進行研究分析，對醫(yī)用內(nèi)窺鏡的機械結(jié)構及成像技術兩方面進行了改進，本文先分析機械結(jié)構部分。??

醫(yī)用內(nèi)窺鏡機械結(jié)構? ??

醫(yī)用內(nèi)窺鏡機械結(jié)構的改進主要有以下幾點:對傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡操作部進行改進;對內(nèi)窺鏡插入部導管進行改進;對內(nèi)窺鏡整體結(jié)構進行改進。? ? ?

1)對醫(yī)用內(nèi)窺鏡操作部改進。

由于醫(yī)生需要將內(nèi)窺鏡通過患者器官孔道送入體內(nèi)進行檢查，在操作內(nèi)窺鏡進行導管彎曲時會出現(xiàn)角度調(diào)節(jié)順暢度差等情況。? ? ??

2017年YeXianming等為膠囊內(nèi)鏡的膠囊運動控制問題提出了一種轉(zhuǎn)向裝置，可用于全方位操縱繩系膠囊內(nèi)窺鏡的膠囊。該裝置包括三個線性致動器、一個柔韌的細系繩和一個可伸縮的膠囊底座，如圖3所示。??

該裝置開設具有三個通道的軟管，便于插入轉(zhuǎn)向機構和照明光纖;在轉(zhuǎn)向機構通道中，醫(yī)生可以通過手柄對致動器進行控制，根據(jù)實際需要，改變鋼絲繩的長度和速度。當需要對導管的角度進行固定時，控制主軟管的彎曲度可實現(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)生通過雙手來控制旋捻和進給，為了減少醫(yī)生誤操作對患者造成的傷害，2018年IwasaT等為了簡化內(nèi)窺鏡的操作，開發(fā)了一種可以單手控制的機器人輔助柔性內(nèi)窺鏡，如圖4所示。

該內(nèi)窺鏡系統(tǒng)由內(nèi)窺鏡持有部、機動臂和主控制器組成，導管通過內(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)的兩個電動輪相嚙合，軸向插入－縮回是通過機動臂的前后運動來完成。醫(yī)生可以通過對主控制器手柄的撥動、旋轉(zhuǎn)及伸縮來控制鏡頭的運動。??

2)對醫(yī)用內(nèi)窺鏡插入部導管改進。

2016年金仁俊等發(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)窺鏡的基礎上添加了將注射針頭插入到患處的注射器驅(qū)動部和藥物注射部，利用液壓或電磁力的壓力使活塞進行運動，將藥物送至患處，解決了傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡手術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題，顯著提高了對患處藥物注射的準確性與便利性。

傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡導管主要是以蛇骨結(jié)構為中心進行研發(fā)，但是牽引彎曲部運動的鋼絲等結(jié)構容易發(fā)生斷裂。2021年LiuJianbin等開發(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。

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該內(nèi)窺鏡使用空間彎曲射流執(zhí)行器(SBFA)實現(xiàn)導管彎曲，圍繞SBFA中心軸線均勻分布著三個平行腔室，腔室接出的3個水管分別連接到探頭的3個接口上，探頭內(nèi)設有閥門，當水壓在某一單獨腔室內(nèi)加大時，以硅膠為主要材料的SBFA在該腔室方向會發(fā)生延展而使執(zhí)行器彎曲。

當水壓增大到一定值，水閥打開，水從探頭側(cè)面噴出，致使探頭進行二次彎曲，加大了探測掃描面積。到達預設位置后，通過拉動鎳鈦諾絲，觸發(fā)形狀鎖定機構使其處于剛性狀態(tài)，鎖定了裝置的形狀，以提高水射流彎曲運動的穩(wěn)定性。? ? ?

在對病人進行胃部狀況檢查時，針對于胃部使用的醫(yī)用內(nèi)窺鏡缺少對其導管端部鏡頭的防護，導致內(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，針對于上述問題，2020年任螢設計了一種應用在消化科的醫(yī)用內(nèi)窺鏡，如圖7所示。

在導管端部設有防護罩，內(nèi)部設有空腔，胃鏡探頭嵌入于空腔內(nèi)，防護罩底端緊密粘接有密封圈。該內(nèi)窺鏡通過在胃鏡上設置防護罩，從而實現(xiàn)對胃鏡端部的內(nèi)徑探頭進行防護以及去除霧氣等效果，還可以通過該內(nèi)窺鏡上的撐口組件，實現(xiàn)撐開患者口腔的效果，減少了內(nèi)窺鏡進入患者孔道不順暢的情況發(fā)生。? ??

3)對醫(yī)用內(nèi)窺鏡整體結(jié)構改進。

在2021年，RyuGeunwoong等提出了一種新的內(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)過圖像傳感器獲得的圖像信號可被輸入到電機控制板上，通過電機控制板的逆運動學計算將圖像信號轉(zhuǎn)換成關節(jié)角度值，使每個軸都可以根據(jù)這些值進行定位，構成閉環(huán)反饋，能夠精確控制轉(zhuǎn)角的同時，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)窺鏡手術過程中，鏡頭起霧現(xiàn)象，2016年李雷等設計了一種低溫內(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)生移動對血管造成破壞，從而來保護患部切口。通過該內(nèi)窺鏡血管采集系統(tǒng)中的低溫電凝剪刀，可以保護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過程中血管的完好率，減少了手術創(chuàng)口，降低了患者感染概率，避免血管的隱形損傷，提高搭橋手術的成功率，減少了血管再次堵塞的風險。??

傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡結(jié)構密封性較差，容易造成儀器損壞，2020年AxelBoese等提出了一種新穎的設計，該設計采用了用于柔性內(nèi)窺鏡的旋轉(zhuǎn)攝像頭，如圖10所示。

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其使用形狀記憶線來控制攝像機的運動，使用柔性塑料活瓣接頭進行緊密旋轉(zhuǎn)，使用柔性印刷電路進行電子連接。其利用柔性內(nèi)窺鏡改善狹窄空腔的成像，增加了診斷的價值和病人的舒適度。

2018年BrescoTP等發(fā)明了具有零度視場角的傾斜尖端內(nèi)窺鏡，如圖11所示。

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該內(nèi)窺鏡在遠側(cè)端部設計為傾斜部分，使得患者病變處可以平行于內(nèi)窺鏡導管中心軸線，實現(xiàn)視角可視化，遠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、疼痛和恢復時間等優(yōu)點。

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)構和成像技術。通過對醫(yī)用內(nèi)窺鏡集成化，將整體結(jié)構設計更加緊湊;從內(nèi)窺鏡的操作部、插入部及整體結(jié)構三個方面進行了論述分析，通過對操作部的精準控制，完成插入部的靈活介入，增加自鎖機構，允許醫(yī)用內(nèi)窺鏡暫時固定位置并增加探查空間，醫(yī)用內(nèi)窺鏡整體結(jié)構向集成式、靈活性方向發(fā)展，提升了醫(yī)生操作效率，減少在診療過程中對患者的傷害。? ? ??? ?

參考資料：醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置的研究進展，鮑玉冬等，哈爾濱理工大學學報

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