高分辨率顯微內鏡研究與應用進展

談 濤，屈亞威 綜述 劉海峰 審校

綜 述

高分辨率顯微內鏡研究與應用進展

談 濤1，2，屈亞威1綜述 劉海峰1審校

內鏡；胃腸鏡；膽道鏡；陰道鏡；高分辨率

醫(yī)用內鏡因光纖束柔軟,可以靈活地插入體腔,實現(xiàn)導光和傳像,在醫(yī)學上具有廣闊的應用前景[1]。普通的光纖內鏡可以實現(xiàn)直視下對空腔臟器的實時成像，但因白光的穿透力有限，只能觀察病變的形態(tài)學變化而不能對病變組織的細胞結構進行觀察，從而造成早期病變具有較高的漏診率。為了實現(xiàn)在細胞和亞細胞水平對病變部位進行成像，近年來出現(xiàn)了一種新的成像工具，即高分辨率顯微內鏡(high resolution microendoscopy, HRME)。HRME研究展現(xiàn)了良好的應用前景，利用HRME成像技術可以觀察細胞核的大小、形態(tài)及排列方式，對疾病的早期診斷具有重要的意義[2]。未來將HRME與臨床內鏡相結合將對內鏡診斷技術產生革命性的影響。筆者就光纖成像的原理及HRME在醫(yī)學中應用的研究進展做簡要綜述。

1 研究進展

1.1 物理特性 光纖，又稱光導纖維，是一種能夠傳導光信號的極細而柔軟的介質。制造光纖的材料有玻璃和塑料等，以其不同的優(yōu)缺點而廣泛應用于生活的各個領域[3]。多成分玻璃光纖因其性能價格比最優(yōu)成為目前最常用的光導纖維，這種靈活的、極細的光纖非常適合在人體中進行顯微成像[4]。光纖一般是由兩層材料做成的，內層為纖芯，外層為包層。纖芯的折射率n1較大(約為1.8)，包層的折射率n2較小(約為1.5)。纖芯為光通路，包層由多層反射玻璃纖維構成，用來將光線反射到纖芯上，二者之間形成一個良好的光學界面。光纖的傳輸距離僅受波長的影響，它的衰減率極低。由于光纖采用的是光譜技術，因此它不會泄露信號，也不會產生干擾信號。

1.2 導光原理 光纖導光, 是指把外部光源的光導入體內,用于照亮觀察部位[5]。由于纖芯的折射率較大, 光線在纖芯與包層交界面上很容易實現(xiàn)全內反射,并在行進中發(fā)生第二次全內反射,經過多次這樣的全內反射,光線即可從光纖的一端傳至另一端, 并以與入射角相同的角度從出射端面射出。為了使進入光纖的光線不會逸出,一般應選擇n1>n2,且差值較大的材料來制造光纖。在實際應用中, 柔軟的光纖束均可以彎曲, 這對光纖束的導光和傳像功能基本不會相互產生影響。這一特點, 對醫(yī)學臨床應用具有重要意義[6]。

1.3 傳像原理 光纖傳像, 是由光纖特性和結構所決定的[5]。為了利用光纖束傳像, 光纖束必須具備以下條件: (1)在理想情況下,每根光纖都有良好的光學絕緣,即光纖束中的每一根光纖都能獨立傳光, 不受周圍光纖的影響。(2)多根光纖兩端必須是相關排列,一一對應，即每根光纖在出射端和入射端的幾何位置的排列應完全一致。(3)光纖束的每根光纖的端面都可看作是一個取樣孔, 各自攜帶著一個像元。入射圖像可看作是由許多亮度不同的像元所組成, 光纖束則可看作由若干個取樣孔規(guī)則排列的析像器,它按自己排列的規(guī)律性, 把入射圖像分成和取樣孔數(shù)目相等的像元。每根光纖都通過自己的取樣孔而獨立地傳遞一個像元。(4)在理想情況下, 光線在光纖出射端的出射角與從光纖入射端的入射角的絕對值相等, 其符號由全內反射次數(shù)的奇偶而定。奇數(shù)次符號為正, 偶數(shù)次符號為負。這一性質對傳遞圖像十分有用。以上條件決定了光纖束把一幅圖像從一端傳至另一端時, 保持圖像不變形。例如,入射端圖像是由多個像元組成的“┻”形, 經傳像束傳至出射端的圖像仍是相同的“┻”形。

1.4 HRME的成像原理 HRME是一種基于光纖導光和傳像原理而設計的新興的成像方式。HRME是指將高分辨率光纖與內鏡相結合用于病變的診斷，如胃腸鏡、膽道鏡、陰道鏡和膀胱鏡等。由于普通的白光內鏡只能在直視條件下觀察病變的表面結構，輔以特殊的染色技術也只能觀察到病變的腺管結構和微血管情況而并不能從細胞和亞細胞水平觀察疾病的早期細胞結構的變化，因此早期病變的漏診率較高。

HRME是利用LED激發(fā)光源發(fā)出激發(fā)光經過濾光片過濾，形成窄譜段激發(fā)光，經過物鏡聚焦后沿高分辨率光纖傳導至已經被靶向標記的被觀測組織上，從而產生熒光信號。熒光信號通過光纖返回，由物鏡放大，透過二向色鏡將激發(fā)光和熒光分開，從而只將熒光傳導至CCD芯片上進行成像，這樣就可以在屏幕上看到被檢組織實時的細胞學形態(tài)[7]。

2 應用進展

近年來，研究者們利用HRME成像技術對不同組織進行了實時成像研究，取得了令人滿意的成像效果。通過利用HRME圖像對病變做出的診斷與普通內鏡相比較，表明了HRME對病變診斷的準確性、特異性均具有明顯的優(yōu)勢。

2.1 子宮頸病變 HRME相對于普通內鏡檢查的一個最大優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)細胞水平的成像，通過對病變組織進行成像，可以實時觀察組織的細胞核的大小、形態(tài)及排列情況，進而發(fā)現(xiàn)早期病變。2012年Pierce等[8]利用HRME實現(xiàn)了在體細胞形態(tài)的研究。通過對174例患者的子宮頸不同部位進行HRME成像和陰道鏡檢查，并進行病理學檢查。其中陰道鏡檢查有異常表現(xiàn)的69例患者，病理檢查只有12例提示為高度不典型增生病變(CIN2、CIN3)，利用HRME成像的核質比定量分析，能夠準確的區(qū)分出該12例高度不典型增生的病變。而其余57例病理提示正常的組織經HRME核質比定量分析，有38例為正常組織。所有通過病理檢查為高度不典型增生和HPV DNA檢查為陽性的患者，通過HRME檢查能夠確定為異常組織。該研究表明，對可疑病變行HRME檢查有助于明確病變的性質，減少不必要的檢查和治療，從而提高治療方案的效率。

2.2 肝臟和胰腺組織的病變 肝臟和胰腺組織的病變尤其是惡性病變的診斷目前多依靠超聲引導下的細胞穿刺病理活檢。然而這項技術受到樣本量和抽樣誤差的影響，并且該技術難度高，術后并發(fā)癥多，且穿刺的準確性有待進一步提高。為了研究一種簡單、并發(fā)癥少、無任何痛苦的診斷方法，2012年Regunathan等[9]通過使用HRME成像技術來區(qū)別正常組織和腫瘤組織，評估了HRME與超聲內鏡引導下細胞穿刺技術在診斷肝臟和胰腺病變的準確性。結果表明在使用HRME診斷肝臟病變的準確性達到85%，胰腺病變的準確性達到了90%，并且HRME與超聲內鏡引導下的細胞穿刺技術在診斷肝臟和胰腺病變中的差別沒有統(tǒng)計學意義。該研究表明，HRME可以在肝臟和胰腺組織中實現(xiàn)細胞水平的實時成像，從而可以區(qū)分惡性組織和正常組織。

2.3 食管病變 2014年Vila等[10]使用HRME用來評估Barrett’s相關腫瘤的準確性和可信度，前瞻性地觀察了28例接受監(jiān)測的化生和低度不典型增生和(或)評估為高度異型增生或癌癥的40份HRME圖像。所有的內鏡醫(yī)師進行鑒定的高度異型增生或癌癥的敏感性為0.90(95%CI：0.88～0.92)，特異性為0.82(95%CI：0.79～0.85)。陽性和陰性預測值分別為0.72(95%CI：0.68～0.77)和0.94(95%CI：0.92～0.96)。統(tǒng)計所有評估者為0.56(95%CI：0.54～0.58)，各組間差異無統(tǒng)計學意義(P為0.64與0.55)。研究數(shù)據表明，HRME的圖像對診斷Barrett’s相關的腫瘤形成具有高敏感性和特異性。利用HRME可以較好地對Barrett’s相關的腫瘤進行診斷，并且漏診率要低于普通胃鏡。

2.4 大腸息肉 近年來，大腸息肉的發(fā)病率越來越高，并且大腸息肉有癌變的可能。目前對大腸息肉的診斷主要通過結腸鏡檢查，然而普通的結腸鏡檢查并不能很好的區(qū)分息肉的類型，還得需要病理學檢查來確定，而病理檢查需要經過包埋、切片、染色等一系列復雜的過程，時間較長，進而對個體化治療造成影響。2014年Parikh等[11]通過以組織病理學為金標準比較了高清白光內窺鏡(white light endoscopy,WLE)和HRME在體內診斷腫瘤性和非腫瘤性大腸息肉準確性的研究。將171份息肉樣本通過HRME成像并歸類于腫瘤性(腺瘤、癌)和非腫瘤性(正常、增生性或炎性)。結果表明HRME在診斷腫瘤性大腸息肉中有更高的準確性(94%)，特異度(95%)和陽性預測值(PPV，87%)，而WLE診斷腫瘤性息肉的準確性、特異度和陽性預測值分別為65%、39%和55%。對于較小的大腸息肉(直徑小于10 mm)，HRME明顯優(yōu)于WLE，其準確性為95%對64%，特異度為98%對40%，PPV為92%對55%。對于評價平坦型息肉(小于5 mm)時，這種優(yōu)勢更為明顯，HRME的準確性(95%)，特異度(98%)，和PPV(93%)均大于WLE(62%，41%和53 %)。研究表明，HRME可以是一個非常有效的區(qū)分腫瘤性和非腫瘤性大腸息肉的成像方法。臨床上通過普通白光內鏡進行檢查息肉，然后使用HRME對息肉進行定性分類，可以很好地明確病變的組織學類型，以及確定哪些息肉病變是不需要過多干預的而哪些息肉病變是需要組織病理學進行進一步定性的。

綜上所述，HRME成像系統(tǒng)與普通的內鏡成像系統(tǒng)相比具有分辨率高、操作簡單、圖像清晰，以及即時組織病理學成像等優(yōu)勢[12-14]。臨床應用前的研究已經得到了很好的證實，未來將HRME與臨床內鏡結合將會更好的服務臨床。然而，造影劑缺乏限制了該成像系統(tǒng)的臨床應用。迫切需要一種無毒的、低成本、能夠快速在體內代謝的特異性強的造影劑，如何研制出這種符合臨床需要的造影劑將是未來的研究熱點。

目前，HRME研究尚處于臨床應用前的起步階段，盡管已經展現(xiàn)出了良好的應用前景，但尚存在一些不足，如對疾病的診斷缺乏統(tǒng)一的標準、光路的設計還需進一步簡化以及非專業(yè)人員不能準確的讀片等?？傊?，HRME系統(tǒng)作為一種新興的成像工具，能夠對組織進行實時病理學成像，并且具有較高的敏感性和特異性。

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(2014-07-20收稿 2014-08-19修回)

(責任編輯 武建虎)

首都臨床特色應用研究(編號Z141107002514099)

談 濤，碩士研究生，E-mail：895743457@qq.com

1.230032合肥，安徽醫(yī)科大學；2.100039北京，武警總醫(yī)院消化內科

劉海峰，E-mail：haifengliu333@163.com

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