电子内窥镜的研究现状及发展趋势

悠悠 2022-05-20 04:18 395阅读 0赞

\[摘 要\] 电子内窥镜相对于光钎内窥镜在成像方面具有许多优势，医生通过电子内窥镜可以发现光纤内窥镜不能发现的病变，提高某些疾病尤其是早期肿瘤的检出率，其在临床上的应用也越来越广泛。近年来，电子内窥镜为了实现高清成像，逐渐发展为高清电子内窥镜，并分别与超声技术、共焦显微镜技术相结合，发展出了超声内窥镜和共焦内窥镜。本文主要介绍了这3种电子内窥镜的研究现状，并对电子内窥镜未来的发展方向进行了展望。

\[关键词\] 高清电子内窥镜；超声内窥镜；共焦内窥镜；编码激励技术；胰腺癌

引言  
目前，医学内窥镜在诊所中起着重要的作用，当医学内窥镜插入人体，医生可以直接的观察人体体腔和内脏器官的组织形态和病变的变化，利用医学内窥镜对疾病做出准确诊断 \[1-2\]。与传统的开放式手术相比，医学内窥镜具有损伤小、疼痛轻、恢复快的优势 \[3-4\]。

与光纤内窥镜相比，电子内窥镜图像更清晰、明亮、生动，具有更高的信噪比，医生通过电子内窥镜可以发现纤维内窥镜不能发现的病变，提高了某些疾病尤其是早期肿瘤的检出率 \[5-8\]。此外，由于电子内窥镜的外径较小，可减轻患者痛苦。因此，电子内窥镜在临床医学的应用越来越广泛 \[9\]。

2006 年，Olympus 推出了 1080 i 高清电子内窥镜 ；2007 年，Pentax 也推出百万像素的高清电子内窥镜。高清电子内窥镜的关键技术是图像采集（摄像前端和处理后端）和图像后处理技术 \[10\]。

1.1 图像采集

1.1.1 摄像前端

图像传感器其主要分为 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，CMOS）两种，他们各有优缺点。在国外，比较高档的电子内窥镜一般釆用的是高性能的 CCD 图像传感器 \[11-12\]。，如：Olympus 的胃镜、Pentax 的结肠镜。但由于 CCD 图像传感器制造工艺的特殊性，其价格比较昂贵，也很难买到高性能的 CCD 图像传感器。近年来，随着加工工艺的迅速发展，CMOS 图像传感器的性能也逐渐提高，CMOS 图像传感器在内窥镜的应用研究也逐渐开展 \[13-15\]。与 CCD 相比，CMOS 传感器具有成本小、集成度高、耗电量较小、硬件开发成本较低等优点，因此工程师对 CMOS 传感器的关注越来越多，而 CMOS 在生物医学成像上也有了较多应用 \[16\]。叶伟 \[17\] 提出了一种基于 CMOS 图像传感器的高清医用电子内窥镜系统，该系统选用 CMOS 图像传感器获取图像，采用 ARM A8 为主芯片，实现了 90°的视场角，图像分辨率高达 1280×800，各项指标达到国际先进水准，具有一定的临床应用价值。

1.1.2 处理后端

随着高清电子内窥镜的快速发展，视频数据量也逐渐增多，这势必导致对高清电子内窥镜图像处理系统有更高的要求。目前，图像处理系统主要分为两种 ：PC 方式和嵌入式方式。

PC 方式主要是利用了 USB 接口和数据釆集卡，其中USB 接口主要用于传输视频信号，而数据采集卡主要用于采集视频信号，然后在 PC 机上完成后期的信号处理。姚陈昀 \[18\]提出一种基于 USB 2.0 接口的高清电子内窥镜系统，该系统的图像传感器为 CMOS，以 CY7C68013 作为 USB2.0 的接口芯片，微型摄像模组具有 140°的视场角，图像分辨率为1280×800，在高分辨率的条件下，帧率达到 15 fps，其性能指标达到了实际的应用需求。

李侃等 \[19\] 设计了一种基于 FPGA 和双 DSP 的嵌入式高清内窥镜视频处理系统，采用 FPGA 用于视频图像的预处理，釆用两片基于 DaVinci-HD 技术的 DSP 进行并行运算，通过 PowerPC 处理器完成系统管理、视频存储与网络传输，该系统的图像分辨率达到 1080/60 i，图像质量为 H.264 级别，具有小成本、低功耗等优点，有较高的实用性。宋璐等 \[20\] 提出一种基于 ARM9 芯片和 WinCE 操作系统的医用电子内窥镜系统，采用 CMOS 作为图像传感器，FPGA 作为图像处理芯片，ARM9 为主控芯片，该系统实现了内窥镜的小型化和便携性。针对电子内窥镜视频处理系统的高实时性要求，何灿等 \[21\] 提出一种基于 TILE-Gx 多核处理器的高清内窥镜视频处理系统，该系统使用 Tilera 多核处理器对 1080 p/60 fps高清视频进行 H.264 编解码，编码性能和解码性能均能够达到 60 fps 以上，图片质量达到 H.264 的 High Profile 级别。李益庆等 \[22\] 提出一种基于 TILE-Gx36 多核处理器的高清电子内窥镜系统低时延视频处理设计方案，利用 FPGA 进行视频的采集和显示，利用多核处理器进行视频处理和编解码，通过减少视频采集时间减少采集延时，并采用优化插值算法作为视频处理算法，利用多任务负载均衡的并行处理提高视频处理环节的效率。

1.2 图像后处理

由于光源的色温不同，往往会导致图像传感器采集到的图像颜色存在差异，甚至偏离了真实的色彩，这不仅会降低成像质量，甚至影响对病变的诊断结果。Xu 等 \[23\] 提出了一种基于无色差表面识别的自动白平衡算法，首先计算像素点的 RGB 3 通道的和，对图像中无色差的表面进行识别，利用无色差像素集对光照色度进行估计，然后利用光照色度的估计值进行颜色校正，从而进行了图像的实时自动白平衡算法，对偏色现象进行修正。该算法有效的修正了由光源导致的颜色失真现象，使高清电子内窥镜得到的图像与标准条件下人眼看到的图像更加接近。Chen 等 \[24\] 提出一种高清电子内窥镜的颜色校正算法。基于 YUV 颜色空间的 4 邻域多项式回归的颜色校正算法不仅提高了图像校正速度，而且减少了校正后图像的噪声，使图像更加平滑。

1.3 发展趋势

从目前的研究方向和国际知名高清电子内窥镜的生产趋势可以看出，电子内窥镜的发展趋势为两方面 ：① 高清分辨率。由于图像质量直接影响电子内窥镜的应用，因此高分辨率仍是内窥镜的研究重点，目前内窥镜虽然已经达到百万像素，但医学诊断和治疗仍需更高分辨率的内窥镜；② 微型化。探头的大小直接影响创伤的严重程度，微型探头化可以减轻患者痛苦和不适度，进而加速术后恢复。

2 超声内窥镜

超声内窥镜是将电子内窥镜和超声相结合，将一个超声探头送入电子内镜的活检通道并导入人体内，换能器放在探头内，在同步信号控制下换能器发射超声波，并接受编码回波，回波信号经放大和滤波后经图像处理系统进行数据的处理，最后通过 PC 机进行显示。通过超声内窥镜清晰的观察到器官的断层结构剖面，从而精确诊断病变状态，其在消化道病变的诊断中应用广泛 \[25-31\]。

2.1 超声探头

各种类型的超声诊断仪的探头将电能转换为脉冲向外辐射，直到遇到人体组织产生反射脉冲，探头接收反射脉冲并把声能再转换为电能。在超声设备中，探头占据重要位置，其性能直接影响超声内窥镜性能。超声探头的核心是换能器，它的主要功能是发射和接收超声信号，并能够完成超声信号和电信号的互相转换。

更高频率换能器的使用可以提高成像分辨率，近年来，高频换能器在超声设备研究发展迅速，但超声设备中换能器的尺寸限制了其在超声内窥镜中的应用，因此，换能器的体内应用要控制其尺寸大小的同时保证高频和高分辨率 \[32-34\]。Andre\[35\] 开发出一种 45 MHz 相控阵换能器，采用 64 个元素最大限度的减小换能器的尺寸，该设计有望应用于超声内窥镜成像。Zhou 等 \[36\] 设计了一个 64 个元素的 6.91 MHz径向阵列换能器，比传统锆钛酸铅阵列换能器高出 30%，这种宽带阵列换能器有望在超声内窥镜的临床应用中获得高分辨率图像。Chen\[37\] 等利用 rotate-and-dice 方法制造了基于压电陶瓷管的两个径向阵列超声换能器 ：50 个元素 14MHz 的换能器和 100 个元素 3 MHz 的换能器，与商业线性阵列换能器相比有显著的发展前途。耿杰 \[38\] 指出换能器性能还取决于制作换能器的材料、结构形式和换能器的安装方式，并提出了一种换能器，材料选择陶瓷 - 聚合物复合压电复合材料，超声换能器结构使用球面聚焦形式，最后采用声反射镜安装方式，该超声内窥镜系统具有良好的成像性能。

2.2 编码激励技术

在传统的短脉冲超声成像系统中，图像的信噪比和分辨力是一组难以调和的矛盾，Newhouse 在 1974 年首次将编码激励技术引入到医学超声成像中，而编码激励和脉冲压缩技术相结合，可以很好地解决信噪比和分辨力之间的矛盾 \[39\]。编码激励就是对发射信号进行编码，在不提高发射信号的峰值功率的情况下提高平均功率，从而提高系统的信噪比，同时在接收端，对回波信号进行脉冲压缩，从而恢复轴向分辨力 \[40\]。

2.3 图像处理

在超声成像中，计算机辅助诊断已经得到广泛应用，而超声内窥镜完成成像之后的临床诊断工作则是完全依赖于医生的经验，因此基于超声技术的经验，开发超声内窥镜的计算机辅助诊断系统具有重要意义 \[44-46\]。蔡哲元 \[47\] 提出一种基于胰腺超声内镜图像的计算机辅助诊断系统，主要是针对图像的纹理特征，构建胰腺癌超声内窥镜成像的诊断指标，从而提高超声内窥镜技术在胰腺癌诊断中的准确性。

2.4 发展趋势

超声内窥镜的发展趋势是 ：① 探头细径和高频，为使超声更适合体内诊断，需要在保证图像高分辨前提下，开发更加小型的超声探头 ；② 诊断的半自动化，将图像处理与超声内窥镜结合，开发计算机辅助的半自动诊断系统，减少诊断对医生经验的依赖性，提高诊断的正确率。

3 共焦内窥镜

与超声内镜相似，共焦内镜是共焦显微镜与内窥镜的结合。共聚焦的原理是照射光聚焦到组织的一个层面，只接受来自共焦层面组织发射的光束，遮挡非聚焦平面上的光束，探测器接收点像，经后续电子学设备处理可以形成清晰的图像。与其他内窥镜相比，共聚焦内窥镜具有更高的分辨率和对比度，能够实现三维重建，并进行动态实时非损伤性监测。

3.1 发展趋势

共聚焦内窥镜的发展趋势主要为 ：① 在保证高分辨率的情况下缩小成像探头的外形尺寸 ；② 为防止扫描过程中的运动伪影，需要增加图像获得速率 ；③ 发展多模态系统，使共焦内窥镜与色素内镜或者荧光视频内窥镜结合在一起，提高检测和组织分类的准确性。

4 总结

内窥镜实现了器官的近距离成像，使得医生可通过内窥镜直接观察病变部位进行诊断，提高了诊断尤其是早期诊断的准确率，已经逐渐成为医疗中不可或缺的诊断设备。目前内窥镜技术正逐渐从诊断阶段进入治疗和手术阶段，而我国市场几乎被国外的内窥镜公司垄断，因此内窥镜的研究对我国医疗设备的发展有着重要的意义。其中，电子内窥镜是医用内窥镜重要的发展方向之一。电子内窥镜属于软性内窥镜，具有高分辨率、高清晰度等优点，支持远距离多人观察诊断，可完成对感兴趣区域图像的存储，相比于硬管内窥镜，其在上下消化道等部位的诊断上都具有巨大优势，未来具有广阔的发展及应用空间。

\[参考文献\]

\[1\] Siristatidis C,Chrelicas C.Feasibility of office hysteroscopy throughthe “see andtreat technique” in private practice: a prospectiveobservational study\[J\].Arch Gynecol Obstet,2011,283(4):819-823.

\[2\] Metello J,Relva A,Milheras E.Hysteroscopic diagnostic accuracyin post-menopausal bleeding\[J\].Acta Med Port,2008,21(5):483-487.

\[3\] Chance B,Chen M,Chiou AET.Progress in biomedical opticsand imaging-optics in health care and biomedical optics:diagnostics and treatment\[J\].SPIE,2005,5630(II):938.\[4\] Angioni S,Loddo A,Milano F.Detection of benign intracavitarylesions inpostmenopausal women with abnormal uterine bleeding:a prospective com-parative study on outpatient hysteroscopy andblind biopsy\[J\].J Minim Invasive Gynecol,2008,15(1):87-91.

\[5\] Ben-Arie A,Tamir S,Dubnik S,et al.Does hysteroscopy affectprognosis in apparentearly-stage endometrial cancer?\[J\].Int JGynecol Cancer,2008,18(4):813-819.

\[6\] Cicinelli E,Marinaccio M,Barba B,et al.Reliability of diagnosticfluid hysteroscopyin the assessment of cervical invasion byendometrial carcinoma: a comparativestudy with transvaginalsonography and MRI\[J\].Gynecol Oncol,2008,111(1):55-61.

\[7\] Jemal A,Siegel R,Ward E,et al.Cancer statistics 2009\[J\].CACancer J Clin,2009,59(4):225-249.

\[8\] Poly’zos NP,Mauri D,Tsioras S,et al.Intraperitoneal disseminationof endometrialcancer cells after hysteroecopy: a systematic reviewand meta-analysis\[J\].Int J Gynecol Cancer,2010,20(2):261-267.

\[9\] Plaeido GD,Clarizia R,Cadente C,et al.Compliance and diagnosticefficacy ofmini-hysteroscopy versus traditional hysteroscopyin infertility investigation\[J\].Eur J Obstet Gynecol ReprodBio,2007,135(1):83-87.

\[10\] Olympus.Olympus ObseBveB\[EB/OL\].(2007-09-01)/\[2016-02-03\].http://www.olympus-euBopa.com.

\[11\] Kwon RS,Adler DG,Chand B,et al.High-resolution and highmagnificationendoscopes\[J\].Gastrointes Endosc,2009,9(3):399-407.

\[12\] Gheorghe C,Iacob R,Bancila I,et al.Olympus capsule endoscopyfor small bowel examination\[J\].J Gastrointestin Liver Dis,2007,16(3):309-313.

\[13\] Wang LQ,Shi Y,Lu ZK,et al.Miniaturized CMOS ImagingModule with Real-time DSP Technology for Endoscope andLaryngoscope Applications\[J\].J Signal Process Syst,2009,54(1-3):7-13.

\[14\] Covia D,Cavallottib C Vatteroni M,et al.Miniaturized digitalcamera system for disposable endoscopic application\[J\].SensorActuat A-Phys,2010,162(2):291-296.

\[15\] 陈晓冬,郁道银,宋玲玲,等.医用电子内窥镜成像系统的研制\[J\].仪器仪表学报,2005,26(10):1047-1051.

\[16\] Morgan S,Hayes-Gill B,Crowe J,et al.CMOS sensors forimaging blood flow\[J\].Opt Photonics News,2010,21(1):32-37.

\[17\] 叶伟.高清电子内窥镜嵌入式信号处理技术研究\[D\].浙江:浙江大学,2013.

\[18\] 姚陈昀.基于USB接口的高清电子内窥镜系统设计\[D\].浙江:浙江大学,2014.  
\[19\] 李侃,陈耀武.面向医用电子内窥镜的高清视频处理系统\[J\].计算机工程,2011,37(23):261-263.  
\[20\] 宋璐,未亚博,冯艳平.基于ARM9的便携式医用电子内窥镜的设计\[J\].电子测量技术,2011,34(12):73-75.  
\[21\] 何灿,陈耀武.基于多核处理器的高清内窥镜视频处理系统\[J\].计算机工程,2014,(11):1-5.  
\[22\] 李益庆,陈耀武.高清电子内窥镜系统低时延视频处理设计\[J\].计算机工程,2014,40(12):258-261.  
\[23\] Xu MF,Wang LQ,Yuan B.Auto white-balance algorithm of highdefinition electronic endoscop\[J\].Infrared Laser Eng,2014,43(9):3110-3115.  
\[24\] Chen J,Wang LQ,Meng ZB,et al.Color correction for Highdefinitionelectronic endoscope\[J\].J Innov Opt Health Sci,2012,5(4):1-7.  
\[25\] 尔丽绵,张立玮,徐志彬,等.高频超声内镜在食管癌高发区早期癌及癌前病变诊治中的价值\[J\].中国肿瘤临床,2012,39(16):1201-1203.  
\[26\] 张召珍,贺益萍,沈俊,等.高频小探头内镜超声在胃癌术前T分期中的应用价值\[J\].中国癌症杂志,2010,20(1):44-49.  
\[27\] Kadiyala V,Lee LS.Endosonography in the diagnosis and ma na ge ment of pancreatic cyst\[J\].World J Gastrointest Endosc,2015,7(3):213-223.  
\[28\] Becker D,Pohlmann A,Wahllaender A.Endoscopic Ultrasound(EUS)for the Detection of Incarcerated Gall Bladder Stones Gastrointestinal Endoscopy\[J\].Gastrointest Endosc,2015,81(5):AB561.  
\[29\] Ødegaard S,Nesje LB,Lærum OD,et al.High frequency ultrasonographic imaging of the gastrointestinal wall\[J\].Expert Rev Med Devices,2012,9(3):263-273.  
\[30\] 彭海霞,褚以态,蒯榕,等.高频微探头超声内镜检查在结直肠癌术前TN分期中的价值\[J\].中国临床医学,2011,18(6):855-857.  
\[31\] Fujii-Lau LL,Levy MJ.Endoscopic ultrasound-guided pancreaticduct drainage\[J\].J Hepatobiliary Pancreat Sci,2015,22(1):51-57.  
\[32\] Yang HC,Cannata J,Williams J,et al.Crosstalk reduction for high-frequency linear-array ultrasound transducers using 1-3 piezocomposites with pseudo-random pillars\[J\].IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control,2012,59(10):2312-2321.  
\[33\] Liu C,Zhou Q,Djuth FT,et al.High-frequency (>50 MHz) medical ultrasound linear arrays fabricated from micromachinedbulk PZT materials\[J\].IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control,2012,59(2):315-318.  
\[34\] Carey SJ,Brox-Nilsen C,Lewis H,et al.Scanning head with 128-element 20-MHz PVDF linear array transducer\[J\].IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control,2009,56(8):1769-1777.  
\[35\] Andre B,Rob A,Jeremy B.Fabrication and Performance of a Miniaturized 64-Element High-Frequency Endoscopic Phased Array\[J\].IEEE Trans Ferroelectr Freq Control,2011,61(1):33.  
\[36\] Zhou D,Cheung KF,Chen Y,et al.Fabrication and performance of endoscopic ultrasound radial arrays based on PMN-PT single crystal/epoxy 1-3 composite\[J\].IEEE Trans Ultrason. Ferroelectr Freq Control,2011,58(2):477-484.  
\[37\] Chen Y,Zhou D,Lam KH,et al.Endoscopic ultrasound radial array transducers fabricated with PZT tube by a rotate-and-dice method\[J\].Sensor Actuat A-Phys,2013,201:357-362.  
\[38\] 耿杰.医用超声内窥镜微型超声探头的设计研究\[D\].陕西:陕西师范大学,2011.  
\[39\] Oelze ML.Bandwidth and resolution enhancement through pulse compression\[J\].IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control,2007,54(4):768-781.  
\[40\] Park J,Hu C,Li X,et al.Wideband linear power amplifier for high-frequency ultrasonic coded excitation imaging\[J\].IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control,2012,59(4):825-832.  
\[41\] 陈晓冬,温世杰,周浩,等.编码激励技术在医学超声内窥镜中的实现\[J\].光电子激光,2009,20(2):276-282.  
\[42\] 赵强,白宝平,陈晓冬,等.医学超声内镜中同步编码激励技术的设计与实现\[J\].纳米技术与精密工程,2014,12(1):27-31.  
\[43\] 李亚楠,白宝平,陈晓冬,等.超声内窥成像系统与旁瓣抑制\[J\].光电工程,2014,1(7):57-61.  
\[44\] Lee WL,Chen YC,Hsieh KS.Ultrasonic liver tissues classrfication by fractal feature vector based ion m-band wavelet transform\[J\].IEEE Trans Med Imag,2003,22(3):382-392.  
\[45\] Yang HC,Chang CH, Huang SW,et al.Breast ultrasound computeraided diagnosis using both acoustic and image features\[C\]. Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium,2007,2489-2492.  
\[46\] Han SM,Lee HJ,Choi JY.Computer-aided Prostate cancer detection using texture and clinical features in ultrasound image\[J\].J Digit Imaging,2008,21(1):S121-S133.  
\[47\] 蔡哲元.胰腺超声内镜计算机辅助诊断系统研究\[D\].上海:复旦大学,2010.  
\[48\] Hoffman A,Goetz M,Vieth M,et al.Confocal laser endomi croscopy:technical status and current indications\[J\].Endoscopy,2006,38(12):1275-1283.  
\[49\] Liu JT,Mandella MJ,Ra H,et al.Miniature near-infrared dualaxesconfocal microscope utilizing a two-dimensional microelectro mechanical systems scanner\[J\].Opt Lett,2007,32(3):256-258.

\[50\] Fu L,Jaill A,Cranfleld C,et al.Three-dimensional nonlinear optical endoscopy\[J\].J Biomed Opt, 2007,12(4):040501.  
\[51\] Makhlouf H,Rouse AR,Gmitro AF.Dual modality fluorescence confocal and spectral-domain optical coherence tomography microendoscope\[J\].Biomed Opt Express,2011,2(3):635-644.  
\[52\] 王成,刘勇,任秋实.内窥式激光共聚焦显微镜\[J\].激光生物学报,2005,14(5):388-392.  
\[53\] 冯志锋.激光共焦荧光显微内窥镜的自适应成像技术研究\[D\].浙江:浙江大学,2012.  
\[54\] 杜立辉.激光共焦扫描荧光显微内窥镜研究\[D\].浙江:浙江大学,2012.  
\[55\] 张红明.基于光纤束的共聚焦荧光内窥成像研究\[D\]湖北:华中科技大学,2013.