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電子內(nèi)窺鏡歷史背景

隨著白熾燈及小型照相機(jī)的開(kāi)發(fā),1865年由Kussmaul開(kāi)發(fā)了可以稱(chēng)之為消化系內(nèi)窺鏡起源的硬性胃鏡,為了增加直觀人體內(nèi)臟器官形態(tài)的研究,1881年制成了硬直管式胃鏡,此后開(kāi)發(fā)了軟性胃鏡。1903年,德國(guó)人在歐洲最早制成裝有電光源的直腸鏡。這種由透鏡組成的內(nèi)窺鏡是硬性的。

1950年在日本開(kāi)發(fā)了胃照相機(jī)�？梢哉f(shuō)這是第一代內(nèi)窺鏡。它能夠觀察通常人眼不能觀察到的胃內(nèi)情況,在這一點(diǎn)上是具有劃時(shí)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(wèn)題。

1957年Hirshowit等應(yīng)用玻璃纖維技術(shù)開(kāi)發(fā)了纖維鏡,這是第二代的纖維內(nèi)窺鏡。導(dǎo)光纖維的出現(xiàn)使內(nèi)窺鏡可以做成軟性的。導(dǎo)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(dǎo)光的一種纖維材料。在七十年代初期研制出了性能比較完善、使用方便地各種顯微內(nèi)窺鏡,包括胃、食管、十二指腸、支氣管、鼻咽喉、直腸、結(jié)腸、小腸、膽道、關(guān)節(jié)、膀胱等鏡型。通過(guò)顯微內(nèi)窺鏡的光學(xué)纖維可以傳導(dǎo)圖像和傳導(dǎo)照明用光源。通常光源是采用冷光源,不會(huì)燙傷和損傷內(nèi)臟器官。由于它柔軟可繞,大大減輕了病人的痛苦。由于它的直觀性,能早期發(fā)現(xiàn)微小病變,如癌、瘤、炎癥、潰瘍、息肉、異物等。它可以直接刷取脫落細(xì)胞,鉗取活體組織,作涂片或病理檢查。另外,借助纖維內(nèi)窺鏡可進(jìn)行一些治療,如吸痰,高頻手術(shù)、止血、鉗取胃蟲(chóng)、引流結(jié)石、取異物、以及腔內(nèi)激光治療、冷療等。自窺鏡開(kāi)發(fā)至今20 多年來(lái)。已發(fā)展到盡善盡美的程度。

1983年welch-Allyn公司和日本先后開(kāi)發(fā)了電子內(nèi)窺鏡,即第三代內(nèi)窺鏡。第三代內(nèi)窺鏡基于固體攝像元件及大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用,吸收了CCD的開(kāi)發(fā)、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步及小型攝像機(jī)的普及等周?chē)�科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。它不用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)圖像,而是在內(nèi)窺鏡的頭部裝入 CCD固體攝像頭,使光學(xué)圖像變成電視圖像,由電線(xiàn)導(dǎo)出電視信號(hào)在電視屏上顯示出來(lái)。由于不用導(dǎo)光纖維,電子內(nèi)窺鏡的總體直徑和硬度大為減小。由于采用 CCD攝像技術(shù),CCD的像素可達(dá)4 到10 萬(wàn)個(gè),加上信號(hào)處理系統(tǒng)可觀察胃小彎及十二指腸絨毛,分辨率大大提高。電子內(nèi)窺鏡沒(méi)有目鏡,圖像直接送顯示器,或?qū)�圖像用視頻打印機(jī)打印出。也可以進(jìn)行錄像。

電子內(nèi)窺鏡(endoscopy)是一種可插入人體體腔和臟器內(nèi)腔進(jìn)行直接觀察、診斷、治療的集光、機(jī)、電等高精尖技術(shù)于一體的醫(yī)用電子光學(xué)儀器。它采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(nèi)物體通過(guò)微小的物鏡光學(xué)系統(tǒng)成像到CCD上,然后通過(guò)導(dǎo)像纖維束將接收到的圖像信號(hào)送到圖像處理系統(tǒng)上,最后在監(jiān)視器上輸出處理后的圖像,供醫(yī)生觀察和診斷。

電子內(nèi)窺鏡同纖維內(nèi)窺鏡一樣分為電子胃鏡、電子十二指腸鏡、電子結(jié)腸鏡。近幾年發(fā)展很快,但由于電子內(nèi)窺鏡價(jià)格昂貴,生產(chǎn)工藝不如纖維內(nèi)窺鏡成熟,在一定時(shí)期內(nèi),尚難普及和取代纖維內(nèi)窺鏡的臨床應(yīng)用。電子內(nèi)窺鏡在應(yīng)用方面主要用于無(wú)損檢測(cè)和孔探技術(shù)應(yīng)用,因此,主要還是分為工業(yè)電子內(nèi)窺鏡和醫(yī)療電子內(nèi)窺鏡。在內(nèi)窺鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理上基本沒(méi)有大多的差別。

醫(yī)用內(nèi)窺鏡是直接用來(lái)觀察人體內(nèi)臟器官的組織形態(tài),提高診斷的準(zhǔn)確性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)都在向醫(yī)學(xué)滲透,微電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、超聲技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)使得醫(yī)用內(nèi)窺鏡得到發(fā)展,各種各樣的內(nèi)窺鏡相繼產(chǎn)生,其功能不斷擴(kuò)展,成為集檢查、診斷、治療、手術(shù)為一體的系列產(chǎn)品。

目前發(fā)達(dá)國(guó)家均在大力開(kāi)展內(nèi)窺鏡的應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作,國(guó)際市場(chǎng)上知名的品牌有日本歐林巴斯(OlymPUs),美國(guó)雅倫(Welch Allyn),德國(guó)Karl storzhe Richard Wolf 和英國(guó)Ultralfine等。我國(guó)的內(nèi)窺鏡技術(shù)發(fā)展的較晚,總體技術(shù)水平與世界水平相差近15年。國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠(chǎng)家有上海醫(yī)用光學(xué)儀器廠(chǎng)、上海醫(yī)用診察儀器廠(chǎng)、上海醫(yī)療器械五廠(chǎng)、沈大內(nèi)窺鏡有限公司。

整套電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)主要由內(nèi)鏡(endoscopy) 、電視信息系統(tǒng)中心(video information system center) 和電視監(jiān)視器(television monitor) 三個(gè)主要部分組成。另外,CCD耦合腔鏡、腔內(nèi)冷光照明系統(tǒng)(目前為L(zhǎng)ED光源)、視頻處理系統(tǒng)、和顯示打印系統(tǒng)是電子內(nèi)窺鏡的主要結(jié)構(gòu)的組成部分。電子內(nèi)鏡的構(gòu)成還配備一些輔助裝置,如錄像機(jī)、照相機(jī)、吸引器以及用來(lái)輸入各種信息的鍵盤(pán)和診斷治療所用的各種處置器具等。電子內(nèi)窺鏡在國(guó)內(nèi)大中型醫(yī)院內(nèi)鏡室的診斷和治療活動(dòng)中起著十分重要的作用。具有分辨率高、易于診斷、管徑細(xì)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是易損壞,一般用戶(hù)不能修理,廠(chǎng)家維修費(fèi)用高。

從詳細(xì)部件構(gòu)成上,電子內(nèi)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(nèi)窺鏡的最前端,由送水/送氣噴嘴、導(dǎo)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(nèi)部包裹著導(dǎo)光束、導(dǎo)像束、送水/送氣管、鉗子管道和鼓輪鋼絲。操作部是醫(yī)生檢查、治療時(shí)手持操作的部分,主要包括角度控制轉(zhuǎn)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(nèi)窺鏡連接冷光源和圖像處理系統(tǒng)的部件,由電氣接頭、導(dǎo)光接頭、送水/送氣接頭、吸引接頭組成。而在診治活動(dòng)中動(dòng)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(wǎng)管及蛇型鋼管制成,在小于1cm的管徑內(nèi)容納有導(dǎo)向束、導(dǎo)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(jìn)入和腐蝕。這兩個(gè)頻繁工作的部件一旦損壞,必須請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人員用專(zhuān)用工具和專(zhuān)用配件才能進(jìn)行修復(fù),造價(jià)高,時(shí)間長(zhǎng)。因此,正確地操作和精心的維護(hù)保養(yǎng),對(duì)防止和減少電子內(nèi)窺鏡的故障發(fā)生,延長(zhǎng)其使用壽命具有重要意義。

電子內(nèi)窺鏡的成像主要依賴(lài)于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(nèi)的一臺(tái)微型攝像機(jī),它將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?再經(jīng)過(guò)圖像處理器"重建"高清晰度的、色彩逼真的圖像顯示在監(jiān)視器屏幕上。

下面以醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡為例詳細(xì)介紹下工作原理:

醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)主要包括四部分(圖1):1)光學(xué)成像系統(tǒng),2)CCD驅(qū)動(dòng)、圖像采集、編碼電路(驅(qū)動(dòng)CCD、控制圖像采集與編碼),3)彩色圖像畸變實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)(用于實(shí)時(shí)在線(xiàn)校正內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的畸變),4)視頻驅(qū)動(dòng)亮度控制系統(tǒng)(調(diào)節(jié)光源的發(fā)光亮度)。

圖1:醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)構(gòu)成

光源發(fā)出的光通過(guò)傳光束(光纖)照射到人體內(nèi)腔,從腔內(nèi)反射的光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng),在高分辨率彩色面陣CCD上成像由CCD驅(qū)動(dòng)電路控制CCD采集圖像,經(jīng)編碼電路輸出標(biāo)準(zhǔn)彩色視頻信號(hào)。亮度控制系統(tǒng)根據(jù)CCD輸出的視頻信號(hào)調(diào)節(jié)光源的亮度,確保輸出圖像上沒(méi)有白色高亮度區(qū)域。由于光學(xué)系統(tǒng)存在畸變,CCD輸出帶有畸變的視頻信號(hào),圖像畸變校正系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)校正,并輸出校正后的標(biāo)準(zhǔn)彩色視頻信號(hào)。

內(nèi)窺鏡采用電荷耦合器件CCD作為圖像傳感器。CCD圖像傳感器具有光電轉(zhuǎn)換功能, 又具有信號(hào)電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和讀出功能,其工作過(guò)程可分為四步:

第一步是光積分期,即曝光時(shí)間,這時(shí)CCD像元把入射光量子按比例地轉(zhuǎn)換成光生電荷,完成光-電轉(zhuǎn)換。

第二是在光積分的同時(shí),把每個(gè)像元產(chǎn)生的光電荷暫時(shí)存儲(chǔ)在相應(yīng)的光敏二極管勢(shì)阱中, 實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷存儲(chǔ)。

第三是在曝光結(jié)束后,把存儲(chǔ)的光生電荷沿CCD移位寄存器轉(zhuǎn)移到輸出區(qū), 完成電荷轉(zhuǎn)移。

第四是在讀出放大器中把每個(gè)光生電荷依次轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的視頻信號(hào),完成信號(hào)讀出,因此CCD圖像傳感器可以看成一個(gè)光-電變換器,它能把一幅空間分布的光學(xué)圖像變換成按時(shí)間順序分布的視頻電壓信號(hào)。

當(dāng)光學(xué)圖像經(jīng)過(guò)物鏡成像在CCD傳感器上時(shí),在CCD器件上將感生與投射光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的光電荷(光電效應(yīng)),這些光電荷將存儲(chǔ)在二極管的勢(shì)阱中,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的積累,在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下,各光敏元的電荷包同時(shí)并行地向移位寄存器各單元轉(zhuǎn)移,在光敏元進(jìn)行下一次光電荷積累的同時(shí),在讀出脈沖的作用下,寄存器內(nèi)的電荷包開(kāi)始沿移位寄存器向輸出端轉(zhuǎn)移,從而獲得光電信號(hào)輸出,由此輸出的光電信號(hào)經(jīng)過(guò)同步電路、同步疊加電路疊加、消除脈沖干擾、直流電平恢復(fù)與控制、線(xiàn)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(hào)輸出。進(jìn)一步的處理, 則是按使用場(chǎng)合和技術(shù)要求的不同而分別進(jìn)行了。

電子內(nèi)窺鏡常見(jiàn)故障及維護(hù)保養(yǎng)

一、先端彎曲部常見(jiàn)故障解析及防范措施

1、鏡頭蓋玻璃劃痕、破裂、缺口、被污物覆蓋,會(huì)造成監(jiān)視器圖像顯示模糊、有黑點(diǎn),影響病癥的檢查和診斷。如出現(xiàn)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干凈后再使用。

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(shí)先保持送氣狀態(tài),吸引后再次送水送氣操作,確保管道內(nèi)無(wú)殘留液體和鏡面的清潔。

3、彎曲部表面覆著一層薄橡皮,有一定的彈性,確保彎曲角度的輕松操作。彎曲橡皮可能會(huì)出現(xiàn)褶皺、破損、針孔、重疊等故障,使鏡子不能使用,還會(huì)造成鏡子漏水,故平時(shí)應(yīng)做好鏡子的測(cè)漏,不能用力擦拭彎曲橡皮,使用水溶性潤(rùn)滑油擦拭可以避免彎曲橡皮提前出現(xiàn)老化膨脹。

二、插入部常見(jiàn)故障解析及防范措施

1、插入管外皮出現(xiàn)發(fā)黃、老化、結(jié)晶等現(xiàn)象,引起的原因主要是在檢查患者后沒(méi)有及時(shí)擦拭掉鏡子上的人體粘液、蛋白質(zhì),此類(lèi)物質(zhì)結(jié)晶后會(huì)使插入管發(fā)黃發(fā)硬。防范措施主要是檢查完后及時(shí)清潔表面贓物,清洗時(shí)要先用酶液浸泡,然后用清水沖洗干凈。

2、插入管蛇管出現(xiàn)針孔、破損、折皺,此類(lèi)現(xiàn)象引起的原因主要是插入管和銳物碰撞、清洗盤(pán)圈時(shí)角度過(guò)小、患者口墊脫落、鏡體被患者咬傷、鏡子安放時(shí)被夾等。防范措施主要是拿鏡子、清洗時(shí)盤(pán)圈角度不要過(guò)小,提防與銳物碰撞、被夾、鏡體被患者咬傷。

3、插入管內(nèi)部的導(dǎo)光束導(dǎo)光暗淡、發(fā)黃或不導(dǎo)光,導(dǎo)像束導(dǎo)像出現(xiàn)黑點(diǎn),主要是由于插入管打折角度過(guò)大、擠壓、碰撞、被夾、被患者咬傷等導(dǎo)致導(dǎo)光束、導(dǎo)像束光纖有一部分?jǐn)嗔�。防范措施與(2)中相同。

4、鉗子管道也位于插入管內(nèi)部,主要用于活檢鉗、異物鉗等從中通過(guò),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(nèi)部漏水,從而引發(fā)鏡子內(nèi)部電氣部分短路,嚴(yán)重時(shí)造成CCD燒毀。造成此類(lèi)故障的原因主要是在彎曲角度過(guò)大時(shí)通附件,在鉗子管道內(nèi)釋放針頭、活檢鉗、異物鉗。防范措施有:附件在先端彎曲部放松時(shí)通過(guò)鉗道管;等到附件伸出鉗道口后再釋放針頭;閉合活檢鉗后再插拔;使用沒(méi)有問(wèn)題的活檢鉗;使用前做好測(cè)漏工作。

三、操作部常見(jiàn)故障解析及防范措施

1、操控按鈕、角度旋鈕漏水,可能造成操作部?jī)?nèi)部進(jìn)水,電氣短路。常見(jiàn)故障原因?yàn)椴倏匕粹o與鋒利部件碰撞,或長(zhǎng)久使用造成按鈕橡皮老化。防范措施主要為小心輕放,使用前做好測(cè)漏工作。

2、吸引口磨損,嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)自動(dòng)吸引,雖吸引量很小,但直接造成送氣量不足,無(wú)法將胃完全撐滿(mǎn),一直保持長(zhǎng)時(shí)間送氣狀態(tài)。錯(cuò)誤的抽出附件的手法往往會(huì)導(dǎo)致吸引口磨損,加強(qiáng)使用者的規(guī)范操作可避免此故障的出現(xiàn)。

3、角度鋼絲斷,主要是打角度時(shí)用力過(guò)大使得超過(guò)角度范圍引起。規(guī)范的操作和使用可以避免該故障。打角度時(shí)動(dòng)作要輕緩,一來(lái)不傷及病人,二來(lái)保護(hù)角度鋼絲。

四、電氣連接部常見(jiàn)故障解析及防范措施

1、電氣連接口腐蝕和生銹會(huì)造成圖像閃爍、抖動(dòng)等異�，F(xiàn)象,嚴(yán)重的會(huì)使CCD 損壞。引起該故障的原因主要為:清洗消毒時(shí)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。防范措施為:鏡子在清洗消毒時(shí)要蓋防水帽,之后一定要用干布擦拭鏡身并用氣槍吹干電氣接口點(diǎn)。

2、電氣連接頭與連接座在卡口未對(duì)準(zhǔn)的情況下用力嵌入,造成電氣連接頭內(nèi)的金屬針頭折斷,引起圖像異�；驘o(wú)圖像顯示。電氣連接時(shí)按對(duì)應(yīng)的位置卡牢接口以避免該故障。