醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置的研究進(jìn)展之機(jī)械結(jié)構(gòu)

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(shù)行小切口進(jìn)入人體內(nèi)，將內(nèi)窺鏡導(dǎo)入檢查的器官，可直接獲取圖像。2021年中國(guó)內(nèi)窺鏡行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模為287億元，同比2020年增長(zhǎng)12.99%。? ??

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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。內(nèi)窺鏡是集中光學(xué)、人體工程學(xué)、精密機(jī)械、現(xiàn)代電子、數(shù)學(xué)、軟件等一體化的監(jiān)測(cè)儀器。? ? ?

2020年中國(guó)將光學(xué)/電子內(nèi)窺鏡由管理級(jí)別Ⅲ類調(diào)整為管理級(jí)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(gòu)國(guó)產(chǎn)，加速內(nèi)窺鏡行業(yè)國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程。

電子內(nèi)窺鏡 圖源：雪力

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。

醫(yī)用內(nèi)窺鏡? 圖源：張江高科895營(yíng)

醫(yī)生在進(jìn)行內(nèi)窺鏡診療時(shí)，手術(shù)質(zhì)量到醫(yī)用內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)和成像技術(shù)的限制，在實(shí)際介入手術(shù)操作過程中可能會(huì)出現(xiàn)以下諸多不利的情況:? ??

①醫(yī)用內(nèi)窺鏡的導(dǎo)管要從患者孔道介入到患者體內(nèi)，導(dǎo)管和患者孔道組織會(huì)不可避免的存在接觸摩擦，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)，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。? ? ? ?

因此，還需要進(jìn)一步集成化、智能化，通過改進(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。

電子內(nèi)窺鏡 圖源：雪力??

本文通過對(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。??

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(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。? ? ?

光源主要通過醫(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。? ? ?

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(duì)組織病變進(jìn)行診斷。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)管通過患者孔道置入病變處，導(dǎo)管前端設(shè)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(jì)算機(jī)，通過終端計(jì)算機(jī)顯示器來實(shí)時(shí)顯示患者體內(nèi)圖像。

醫(yī)生通過控制導(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)探查過程醫(yī)生可以通過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)操作部開口沿著導(dǎo)管從導(dǎo)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(kuò)張、穿刺針穿刺等操作進(jìn)行支氣管介入診療。? ??

二 醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置關(guān)鍵問題分析與研究進(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)。? ??

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(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)，本文先分析機(jī)械結(jié)構(gòu)部分。??

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YeXianming等為膠囊內(nèi)鏡的膠囊運(yùn)動(dòng)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(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)生通過雙手來控制旋捻和進(jìn)給，為了減少醫(yī)生誤操作對(duì)患者造成的傷害，2018年IwasaT等為了簡(jiǎn)化內(nèi)窺鏡的操作，開發(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－縮回是通過機(jī)動(dòng)臂的前后運(yùn)動(dòng)來完成。醫(yī)生可以通過對(duì)主控制器手柄的撥動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及伸縮來控制鏡頭的運(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(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，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)于上述問題，2020年任螢設(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，胃鏡探頭嵌入于空腔內(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，還可以通過該內(nèi)窺鏡上的撐口組件，實(shí)現(xiàn)撐開患者口腔的效果，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，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(hào)可被輸入到電機(jī)控制板上，通過電機(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)過程中，鏡頭起霧現(xiàn)象，2016年李雷等設(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，從而來保護(hù)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(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AxelBoese等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。

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其使用形狀記憶線來控制攝像機(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。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BrescoTP等發(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。

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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)。

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)。通過對(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，減少在診療過程中對(duì)患者的傷害。? ? ??? ?

參考資料：醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置的研究進(jìn)展，鮑玉冬等，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)

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