電子內窺鏡

隨着白熾燈及小型照相機的開發，1865年由Kussmaul開發了可以稱之為消化系內窺鏡起源的硬性胃鏡，為了增加直觀人體內臟器官形態的研究，1881年製成了硬直管式胃鏡，此後開發了軟性胃鏡。1903年，德國人在歐洲最早製成裝有電光源的直腸鏡。這種由透鏡組成的內窺鏡是硬性的。

1950年在日本開發了胃照相機。可以説這是第一代內窺鏡。它能夠觀察通常人眼不能觀察到的胃內情況，在這一點上是具有劃時代意義的。然而，它給受檢者造成的痛苦是很大的，且在診斷性能方面仍存在很多問題。

1957年Hirshowit等應用玻璃纖維技術開發了纖維鏡，這是第二代的纖維內窺鏡。導光纖維的出現使內窺鏡可以做成軟性的。導光纖維是由玻璃纖維或塑料等合成纖維做成的，利用光的多次全反射原理傳導光的一種纖維材料。在七十年代初期研製出了性能比較完善、使用方便地各種顯微內窺鏡，包括胃、食管、十二指腸、支氣管、鼻咽喉、直腸、結腸、小腸、膽道、關節、膀胱等鏡型。通過顯微內窺鏡的光學纖維可以傳導圖像和傳導照明用光源。通常光源是採用冷光源，不會燙傷和損傷內臟器官。由於它柔軟可繞，大大減輕了病人的痛苦。由於它的直觀性，能早期發現微小病變，如癌、瘤、炎症、潰瘍、息肉、異物等。它可以直接刷取脱落細胞，鉗取活體組織，作塗片或病理檢查。另外，藉助纖維內窺鏡可進行一些治療，如吸痰，高頻手術、止血、鉗取胃蟲、引流結石、取異物、以及腔內激光治療、冷療等。自窺鏡開發至今20 多年來。已發展到盡善盡美的程度。

1983年welch-Allyn公司和日本先後開發了電子內窺鏡，即第三代內窺鏡。第三代內窺鏡基於固體攝像元件及大規模集成電路的廣泛應用，吸收了CCD的開發、計算機、半導體技術進步及小型攝像機的普及等周圍科學技術的進步。它不用光導纖維傳導圖像，而是在內窺鏡的頭部裝入 CCD固體攝像頭，使光學圖像變成電視圖像，由電線導出電視信號在電視屏上顯示出來。由於不用導光纖維，電子內窺鏡的總體直徑和硬度大為減小。由於採用 CCD攝像技術，CCD的像素可達4 到10 萬個，加上信號處理系統可觀察胃小彎及十二指腸絨毛，分辨率大大提高。電子內窺鏡沒有目鏡，圖像直接送顯示器，或將圖像用視頻打印機打印出。也可以進行錄像。

電子內窺鏡（endoscopy）是一種可插入人體體腔和臟器內腔進行直接觀察、診斷、治療的集光、機、電等高精尖技術於一體的醫用電子光學儀器。它採用尺寸極小的電子成像元件—CCD（電荷耦合器件），將所要觀察的腔內物體通過微小的物鏡光學系統成像到CCD上，然後通過導像纖維束將接收到的圖像信號送到圖像處理系統上，最後在監視器上輸出處理後的圖像，供醫生觀察和診斷。

電子內窺鏡同纖維內窺鏡一樣分為電子胃鏡、電子十二指腸鏡、電子結腸鏡。近幾年發展很快，但由於電子內窺鏡價格昂貴，生產工藝不如纖維內窺鏡成熟，在一定時期內，尚難普及和取代纖維內窺鏡的臨牀應用。電子內窺鏡在應用方面主要用於無損檢測和孔探技術應用，因此，主要還是分為工業電子內窺鏡和醫療電子內窺鏡。在內窺鏡機械結構和工作原理上基本沒有大多的差別。

醫用內窺鏡是直接用來觀察人體內臟器官的組織形態，提高診斷的準確性。隨着科學技術的發展，各種先進的科學技術都在向醫學滲透，微電子學、計算機技術、超聲技術、自動化技術使得醫用內窺鏡得到發展，各種各樣的內窺鏡相繼產生，其功能不斷擴展，成為集檢查、診斷、治療、手術為一體的系列產品。

目前發達國家均在大力開展內窺鏡的應用開發工作，國際市場上知名的品牌有日本歐林巴斯(Olympus)，美國雅倫(Welch Allyn)，德國Karl storzhe Richard Wolf 和英國Ultralfine等。我國的內窺鏡技術發展的較晚，總體技術水平與世界水平相差近15年。國內主要生產廠家有上海醫用光學儀器廠、上海醫用診察儀器廠、上海醫療器械五廠、沈大內窺鏡有限公司。

整套電子內窺鏡系統主要由內鏡(endoscopy) 、電視信息系統中心(video information system center) 和電視監視器(television monitor) 三個主要部分組成。另外，CCD耦合腔鏡、腔內冷光照明系統（目前為LED光源）、視頻處理系統、和顯示打印系統是電子內窺鏡的主要結構的組成部分。電子內鏡的構成還配備一些輔助裝置，如錄像機、照相機、吸引器以及用來輸入各種信息的鍵盤和診斷治療所用的各種處置器具等。電子內窺鏡在國內大中型醫院內鏡室的診斷和治療活動中起着十分重要的作用。具有分辨率高、易於診斷、管徑細、使用壽命長等優點。主要缺點是易損壞，一般用户不能修理，廠家維修費用高。

從詳細部件構成上，電子內窺鏡主要包括先端彎曲部、插入部、操作部、電氣接頭部。先端彎曲部是內窺鏡的最前端，由送水/送氣噴嘴、導光束、物鏡、鉗子管道出口、彎曲橡皮等組成。插入部外面是帶刻度的外皮，內部包裹着導光束、導像束、送水/送氣管、鉗子管道和鼓輪鋼絲。操作部是醫生檢查、治療時手持操作的部分，主要包括角度控制轉子、卡鎖、功能按鈕、吸引活塞、送水/送氣活塞、鉗子管道入口等。電氣接頭部是電子內窺鏡連接冷光源和圖像處理系統的部件，由電氣接頭、導光接頭、送水/送氣接頭、吸引接頭組成。而在診治活動中動作最頻繁的部位: 一是操作部，包括有送氣/送水按鈕、吸引按鈕、活撿通道、角度鈕等。二是鏡身，鏡身為一根易彎曲的插入管，由鋼絲網管及蛇型鋼管制成，在小於1cm的管徑內容納有導向束、導光束、活檢/吸引通道、注氣/注水管道及控制角度的鋼絲等。外包有聚胺酯塑料管， 此管具有密封和防腐蝕作用， 以防止水和胃液的進入和腐蝕。這兩個頻繁工作的部件一旦損壞，必須請專業人員用專用工具和專用配件才能進行修復，造價高，時間長。因此，正確地操作和精心的維護保養，對防止和減少電子內窺鏡的故障發生，延長其使用壽命具有重要意義。

電子內窺鏡的成像主要依賴於鏡身前端裝備的微型圖像傳感器(charge coupled device，CCD)，CCD就象是深入人體腔內的一台微型攝像機，它將光能轉變為電能，再經過圖像處理器“重建”高清晰度的、色彩逼真的圖像顯示在監視器屏幕上。

下面以醫用電子內窺鏡為例詳細介紹下工作原理：

醫用電子內窺鏡成像系統主要包括四部分（圖1）：1）光學成像系統，2）CCD驅動、圖像採集、編碼電路（驅動CCD、控制圖像採集與編碼），3）彩色圖像畸變實時校正系統（用於實時在線校正內窺鏡光學系統的畸變），4）視頻驅動亮度控制系統（調節光源的發光亮度）。

圖1：醫用電子內窺鏡成像系統構成

光源發出的光通過傳光束（光纖）照射到人體內腔，從腔內反射的光進入光學系統，在高分辨率彩色面陣CCD上成像由CCD驅動電路控制CCD採集圖像，經編碼電路輸出標準彩色視頻信號。亮度控制系統根據CCD輸出的視頻信號調節光源的亮度，確保輸出圖像上沒有白色高亮度區域。由於光學系統存在畸變，CCD輸出帶有畸變的視頻信號，圖像畸變校正系統對其進行在線實時校正，並輸出校正後的標準彩色視頻信號。

內窺鏡採用電荷耦合器件CCD作為圖像傳感器。CCD圖像傳感器具有光電轉換功能， 又具有信號電荷存儲、轉移和讀出功能，其工作過程可分為四步:

第一步是光積分期，即曝光時間，這時CCD像元把入射光量子按比例地轉換成光生電荷，完成光—電轉換。

第二是在光積分的同時，把每個像元產生的光電荷暫時存儲在相應的光敏二極管勢阱中， 實現信號電荷存儲。

第三是在曝光結束後，把存儲的光生電荷沿CCD移位寄存器轉移到輸出區， 完成電荷轉移。

第四是在讀出放大器中把每個光生電荷依次轉變成相應的視頻信號，完成信號讀出，因此CCD圖像傳感器可以看成一個光—電變換器，它能把一幅空間分佈的光學圖像變換成按時間順序分佈的視頻電壓信號。

當光學圖像經過物鏡成像在CCD傳感器上時，在CCD器件上將感生與投射光強相對應的光電荷(光電效應)，這些光電荷將存儲在二極管的勢阱中，經過一定時間的積累，在驅動脈衝的作用下，各光敏元的電荷包同時並行地向移位寄存器各單元轉移，在光敏元進行下一次光電荷積累的同時，在讀出脈衝的作用下，寄存器內的電荷包開始沿移位寄存器向輸出端轉移，從而獲得光電信號輸出，由此輸出的光電信號經過同步電路、同步疊加電路疊加、消除脈衝干擾、直流電平恢復與控制、線性放大、輸出功率放大、二值化處理等電路處理，從而得到全電視信號輸出。進一步的處理， 則是按使用場合和技術要求的不同而分別進行了。

（1）鏡頭蓋玻璃劃痕、破裂、缺口、被污物覆蓋，會造成監視器圖像顯示模糊、有黑點，影響病症的檢查和診斷。如出現劃痕、破裂、缺口，則停止使用；如被污物覆蓋，則用軟紗布蘸清潔液擦拭乾淨後再使用。

（2）送水/送氣噴嘴被粘液、異物堵塞，造成送水、送氣不暢，影響鏡子的使用。方法：在吸引時先保持送氣狀態，吸引後再次送水送氣操作，確保管道內無殘留液體和鏡面的清潔。

（3）彎曲部表面覆着一層薄橡皮，有一定的彈性，確保彎曲角度的輕鬆操作。彎曲橡皮可能會出現褶皺、破損、針孔、重疊等故障，使鏡子不能使用，還會造成鏡子漏水，故平時應做好鏡子的測漏，不能用力擦拭彎曲橡皮，使用水溶性潤滑油擦拭可以避免彎曲橡皮提前出現老化膨脹。

（1）插入管外皮出現發黃、老化、結晶等現象，引起的原因主要是在檢查患者後沒有及時擦拭掉鏡子上的人體粘液、蛋白質，此類物質結晶後會使插入管發黃發硬。防範措施主要是檢查完後及時清潔表面贓物，清洗時要先用酶液浸泡，然後用清水沖洗乾淨。

（2）插入管蛇管出現針孔、破損、折皺，此類現象引起的原因主要是插入管和鋭物碰撞、清洗盤圈時角度過小、患者口墊脱落、鏡體被患者咬傷、鏡子安放時被夾等。防範措施主要是拿鏡子、清洗時盤圈角度不要過小，提防與鋭物碰撞、被夾、鏡體被患者咬傷。

（3）插入管內部的導光束導光暗淡、發黃或不導光，導像束導像出現黑點，主要是由於插入管打折角度過大、擠壓、碰撞、被夾、被患者咬傷等導致導光束、導像束光纖有一部分斷裂。防範措施與（2）中相同。

（4）鉗子管道也位於插入管內部，主要用於活檢鉗、異物鉗等從中通過，其故障主要是鉗子管道管壁有針孔、裂痕等破損，造成鏡子內部漏水，從而引發鏡子內部電氣部分短路，嚴重時造成CCD燒燬。造成此類故障的原因主要是在彎曲角度過大時通附件，在鉗子管道內釋放針頭、活檢鉗、異物鉗。防範措施有：附件在先端彎曲部放鬆時通過鉗道管；等到附件伸出鉗道口後再釋放針頭；閉合活檢鉗後再插拔；使用沒有問題的活檢鉗；使用前做好測漏工作。

（1）操控按鈕、角度旋鈕漏水，可能造成操作部內部進水，電氣短路。常見故障原因為操控按鈕與鋒利部件碰撞，或長久使用造成按鈕橡皮老化。防範措施主要為小心輕放，使用前做好測漏工作。

（2）吸引口磨損，嚴重時將出現自動吸引，雖吸引量很小，但直接造成送氣量不足，無法將胃完全撐滿，一直保持長時間送氣狀態。錯誤的抽出附件的手法往往會導致吸引口磨損，加強使用者的規範操作可避免此故障的出現。

（3）角度鋼絲斷，主要是打角度時用力過大使得超過角度範圍引起。規範的操作和使用可以避免該故障。打角度時動作要輕緩，一來不傷及病人，二來保護角度鋼絲。

（1）電氣連接口腐蝕和生鏽會造成圖像閃爍、抖動等異常現象，嚴重的會使CCD 損壞。引起該故障的原因主要為：清洗消毒時電氣連接部未蓋防水帽，電氣連接口在沾有水的情況下與圖像處理中心相連。防範措施為：鏡子在清洗消毒時要蓋防水帽，之後一定要用乾布擦拭鏡身並用氣槍吹乾電氣接口點。

（2）電氣連接頭與連接座在卡口未對準的情況下用力嵌入，造成電氣連接頭內的金屬針頭折斷，引起圖像異常或無圖像顯示。電氣連接時按對應的位置卡牢接口以避免該故障。

目前我國工業電子內窺鏡發展方向主要傾向於高附加值、高質量、高技術含量等高端產品發展。工業電子內窺鏡行業面臨的問題原材料、利潤、價格、成本等問題仍然存在，而且由於各企業的擴大生產可能進一步加劇，但無論怎樣，工業電子內窺鏡企業應該認識到問題的嚴重性，努力推進技術改革和進步，走環境友好型和技術進步型才是工業電子內窺鏡企業可持續發展的必由之路。

對於醫用電子內窺鏡而言，首先,為了減輕病人的痛苦,醫用內窺鏡向小型化,微型化方向發展；其次,為了便於醫生的手術操作西方發達國家已研製成功手術機器人系統，用它來完成內窺鏡的操作甚至手術器械的操作。手術更安全、準確、便利,大大減輕醫務人員的勞動力。另外,隨着現代通信網絡技術的發展,遠程操作內窺鏡手術已成功實現,為有經驗醫務人員的缺乏起一定的彌補作用,經驗豐富的外科醫生可以藉助遠程操作,指導不便到達的急診手術。總之,醫用內窺鏡的發展為人們揭示了人體的奧秘,使多種疑難病症得到診斷和治療。