膠囊內(nèi)鏡成像研究進(jìn)展及展望

褚慶玉 陳安家 冉玲華

膠囊內(nèi)鏡(capsule endoscopy，CE)提供了一種無創(chuàng)的胃腸道可視化方法。2001年批準(zhǔn)臨床使用的第一個CE系統(tǒng)是M2A膠囊[1]。白光內(nèi)鏡(white light imaging，WLI)利用可見光譜內(nèi)的光對黏膜表面進(jìn)行成像，以評估胃腸腔和黏膜。隨著技術(shù)的進(jìn)步，CE的應(yīng)用逐漸被推廣。與傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡相比，CE的優(yōu)點(diǎn)包括不需要患者鎮(zhèn)靜，增加患者接受度和降低成本[2]，CE已被廣發(fā)用于廣泛應(yīng)用于小腸出血、缺鐵性貧血、克羅恩病、腫瘤、腹痛的診斷和治療[3]。CE成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，多種成像技術(shù)在臨床中得到應(yīng)用，如窄帶成像(narrow band imaging，NBI)和彩色內(nèi)鏡、超聲內(nèi)鏡、自體熒光成像(autofluorescence imaging，AFI)、和光學(xué)相干層析成像(optical coherence tomography，OCT)。雖然，WLI-CE仍然是臨床實(shí)踐中應(yīng)用和研究最廣泛的方法[4]，但這些新的成像方式具有明顯的優(yōu)勢，可以提高CE的診斷的精確性、特異性。

1 WLI

WLI是目前消化道疾病最常用的內(nèi)鏡檢查技術(shù)，WLI是目前臨床篩查、診斷早期胃、食管、結(jié)直腸癌的重要方法。但WLI穿透性有限，只能診斷腸道黏膜表面；其次，部分消化道惡性腫瘤內(nèi)鏡下僅表現(xiàn)為黏膜色澤改變，某些病灶與周圍黏膜色澤相同，WLI不易區(qū)分，甚至漏診。因此，結(jié)合其他成像技術(shù)提高惡性腫瘤的診斷率尤為重要。同時，WLI下病變檢出率受操作者經(jīng)驗(yàn)影響較大，且難以評估病變大小、范圍及浸潤深度，只能發(fā)現(xiàn)可疑病灶區(qū)域，影響活檢的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致很多癌前病變及早期癌漏診，因而檢查中常需結(jié)合化學(xué)染色或電子染色方法進(jìn)行觀察以提高病變檢出率[5]。

2 替代成像技術(shù)

近幾年來，CE作為提高胃腸道疾病診斷水平和了解其病理生理基礎(chǔ)的平臺的研究不斷擴(kuò)大。替代WLI成像方法試圖克服傳統(tǒng)內(nèi)鏡下WLI局限性，該技術(shù)可以對胃腸道進(jìn)行可視化，可以觀察到WLI無法發(fā)現(xiàn)的病灶，提高CE診斷的敏感性、特異性和準(zhǔn)確性。替代成像技術(shù)如超聲、熒光成像和光學(xué)相干層析成像(OCT)等，彌補(bǔ)WLI不足，尤其是在病灶識別方面，進(jìn)一步提高CE診斷的精確度。

2.1 NBI和色素內(nèi)鏡 目前，NBI和色素內(nèi)鏡替代成像技術(shù)在臨床廣泛應(yīng)用[6，7]。兩種方法均采用增加組織的對比度，改善CE的可視化效果。但方法不同，NBI對不同波長的光進(jìn)行限定，僅留下605 nm、540 nm、415 nm的紅、綠、藍(lán)色窄帶光波，而這三種光波穿透黏膜的深度不同，藍(lán)色波段穿透較淺，而紅色波段可以深達(dá)黏膜下層，而綠色波段可以較好的顯示中間層的血管。由于黏膜內(nèi)的血管對藍(lán)、綠光吸收較強(qiáng)，使用難以被吸收的光段，能夠增加黏膜上皮和黏膜下血管的對比度和清晰度，所以，NBI具有黏膜染色的功效。NBI 結(jié)合內(nèi)鏡檢查可全面觀察病灶改變情況，提高檢查準(zhǔn)確性和特異性，并清晰反應(yīng)鏡下微小病變和平坦型病變，指導(dǎo)活檢，提高早期胃癌和癌前病變檢出率[8]。且借助NBI 的放大作用，提高了病變檢出率[9]。而色素內(nèi)鏡是將色素染料噴灑在腸道黏膜，使病灶與正常黏膜進(jìn)行對比，從而使病灶顯示更清楚的一項(xiàng)包含350例炎癥性腸病(IBD)患者的多中心前瞻性隊(duì)列研究的結(jié)果顯示，普通內(nèi)鏡共檢出40 塊不典型增生，而使用色素內(nèi)鏡后又多檢出54 塊(共計(jì)94塊)不典型增生，普通內(nèi)鏡的漏檢率高達(dá)57．4%[10]。色素內(nèi)鏡的局限是需要使用染色劑，檢查時間長，可能出現(xiàn)染色的不均勻、病變的聚集程度以及持續(xù)時間的延長等缺點(diǎn)[11]。

2.2 超聲成像 隨著內(nèi)鏡超聲(EUS)研究的深入，將超聲納入膠囊是提高CE診斷能力的理想步驟，超聲膠囊內(nèi)鏡(USCE)的發(fā)展目前還處于初級階段，國內(nèi)外許多團(tuán)隊(duì)都在研發(fā)USCE。初期，研究者試圖使用超聲波技術(shù)的內(nèi)窺鏡膠囊，但因未研制適合吞咽膠囊的尺寸的小型化系統(tǒng)[12]。隨著研究的深入，有學(xué)者研制出一種適合吞咽尺寸的膠囊，并在體內(nèi)成功地進(jìn)行了測試[13]。這些研究的共同目標(biāo)是開發(fā)一種能夠行胃腸道跨壁成像的膠囊，以檢測黏膜下(壁內(nèi))病變。超聲光學(xué)成像的核心是開發(fā)和集成合適的超聲換能器。目前，有學(xué)者已經(jīng)探索了制造能夠提供腸壁360°圖像的微型多元環(huán)陣列[14]。

有學(xué)者研究一種使用振動馬達(dá)驅(qū)動的單元素?fù)Q能器的機(jī)械成像方法，該方法采用振動馬達(dá)驅(qū)動單元素?fù)Q能器，能夠?qū)δc壁進(jìn)行徑向成像。換能器頻率對圖像分辨率和穿透深度有很大影響，因此，換能器頻率在USCE檢查中起到重要作用[15]。傳統(tǒng)EUS通常使用5～18 MHz頻率，而軸向分辨率只有0.2～0.8 mm，深度只有2～8 cm，較低頻率(5～20 MHz)雖然可以使胃腸道壁以外的器官成像，但較高的頻率(>25 MHz)可以提供腸壁圖像更詳細(xì)，而且高頻率可以確定腫瘤大小和浸潤程度(T期)以及近端淋巴結(jié)擴(kuò)散(N期)[16]。

此外，在5～20 MHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，組織穿透的深度減少，這是基于超聲波穿過深穿組織引起的衰減導(dǎo)致[17]。而高頻超聲(>25 MHz)隨著頻率的增加對組織的增加，高分辨率的潛在優(yōu)勢。 目前臨床證實(shí)在30 MHz下運(yùn)行具有多個單元素超聲換能器的膠囊對構(gòu)成小腸的各層成像的潛力。有學(xué)者采用聚焦且是單振元的超聲換能器節(jié)約了成本。 超聲換能器的中心頻率是35 MHz成像效果好。 通過仿體的成像實(shí)驗(yàn)，證明了該系統(tǒng)的成像性能和聚焦效果穩(wěn)定[18]。

2.3 AFI AFI是利用波長較短的光(380～500 nm)照射組織，激發(fā)內(nèi)源性或外源性熒光團(tuán)來區(qū)分健康組織和惡性組織。組織吸收的入射光使熒光團(tuán)發(fā)出較長波長的光，通常為490～590 nm。一項(xiàng)研究表明，與健康組織相比，惡性組織中的自體熒光降低了3～12倍[19]。各種研究比較了傳統(tǒng)AFI內(nèi)鏡和傳統(tǒng)WLI內(nèi)鏡對胃腸道疾病的檢測效果。與WLI相比，AFI提高了大腸腺瘤、息肉等疾病的檢出率[20，21]。由于這一潛力，AFI與傳統(tǒng)內(nèi)鏡的結(jié)合應(yīng)用引起了廣泛的研究興趣，因此探索AFI與CE的結(jié)合以提高CE的診斷能力是合乎邏輯的。AFI-CE的集成導(dǎo)致了一些原型成像設(shè)備的開發(fā)，國外已經(jīng)研發(fā)，并且還促進(jìn)了熒光作為傳感方式的使用[22]。

2.4 單光子雪崩探測器(single photon avalanche detector，SPAD)是一種具有單光子探測能力的光電探測雪崩二極管成像陣列，能夠檢測到單光子的光，已經(jīng)成功地用于CE，改善低光下內(nèi)源性熒光團(tuán)的檢測強(qiáng)度，消除了光毒性反應(yīng)和熒光團(tuán)光漂白的風(fēng)險[23]。此外，使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)(CMOS)技術(shù)制造的SPAD和相關(guān)的電子系統(tǒng)是至關(guān)重要的，以減少所需的功率，由氧化銀電池供電長達(dá)14 h。

SPAD成像儀用于無線CE高靈敏度的SPAD像素對每一個撞擊光子產(chǎn)生一個脈沖，從而對自發(fā)熒光產(chǎn)生的單個光子進(jìn)行計(jì)數(shù)[24]。CE包含一個SPAD成像儀，足以證明這項(xiàng)技術(shù)的診斷潛力。雖然還沒有進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，通過基準(zhǔn)測試評估其檢測FAD自身熒光的能力，F(xiàn)AD是一種與腫瘤生長相關(guān)的末端同一熒光團(tuán)，血紅蛋白對自身熒光的影響，熒光發(fā)射峰為520 nm。該系統(tǒng)檢測到的FAD最小值為12.5 μmol/L，在模仿成像體模的腸道中升至20 μmol/L。同樣，該膠囊可以輕松檢測出20 μmol/L的異硫氰酸熒光素(FITC)。該系統(tǒng)還可以檢測引入血紅蛋白后自身熒光的降低。

隨著研究深入，感應(yīng)自身熒光感應(yīng)膠囊用于胃腸道診斷。這些設(shè)備用光電二極管而不是SPAD成像儀探測光線。Demoshenous等[25]利用CE裝置測量了低濃度外源性紅外熒光標(biāo)記(吲哚菁綠)對熒光基因的變化水平，以篩選離體豬小腸的癌癥。ICG被選為熒光載體，因?yàn)樗挥脕碓谖改c道的其他區(qū)域用熒光信號標(biāo)記癌細(xì)胞，并且吸收光譜可以通過改變濃度來改變[26]。后一種根據(jù)激發(fā)波長的改變，檢測特定的病理或改善組織滲透性；例如，在低濃度下，小腫瘤中預(yù)期的濃度，最佳激發(fā)波長為780 nm。增加濃度會導(dǎo)致第二吸收波長出現(xiàn)在708 nm處[27]。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一個自動系統(tǒng)，用于780 nm波長的激發(fā)，因?yàn)樵谶@個波長下更深的組織穿透深度更適合于檢測小癌[28]，由于周圍組織內(nèi)的內(nèi)源性熒光團(tuán)(在紫外線和可見光譜的其他部分發(fā)光)而產(chǎn)生的假陽性率降低[29]。利用豬內(nèi)臟組織進(jìn)行的體外實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明能夠檢測到納米級到微米級的ICG濃度，這與預(yù)期標(biāo)記的腫瘤的濃度是密切相關(guān)的。然而，該膠囊的功能正處于臨床試驗(yàn)階段。

盡管WLI可以用來鑒別胃內(nèi)的血液，但它不能區(qū)分胃內(nèi)的陳舊性出血和活動性出血[30]。通過注射熒光造影劑在膠囊中實(shí)現(xiàn)的。選擇熒光素作為胃腸道活性出血的替代物，因?yàn)樗螰DA標(biāo)準(zhǔn)，量子產(chǎn)率約為90%，并且光譜(494 nm處的吸收峰512 nm處的發(fā)射峰)與胃液的自熒光光譜(288 nm處的吸收峰；350 nm 處的發(fā)射峰)不重疊。兩種發(fā)射峰和吸收峰之間的距離使得熒光素可以作為檢測胃內(nèi)血液的生物標(biāo)記物。膠囊使用微型熒光計(jì)，由LED、光學(xué)器件、光電二極管組成，用于檢測發(fā)出的熒光信號。LED的峰值波長為465 nm，并且使用濾光片限制了光電二極管檢測到的熒光素以外的光源發(fā)出的光。測試表明，該系統(tǒng)可以檢測到低至20 nm的熒光素濃度。隨著熒光素的光譜特性和量子產(chǎn)率隨pH值的變化，系統(tǒng)的性能會隨著胃的pH值而變化，患者攝入水后可能會出現(xiàn)結(jié)果誤差。該膠囊尚未進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)。

2.5 OCT OCT是一種微米級分辨率的體積成像技術(shù)，通過重建組織或材料內(nèi)部的二維、三維圖像，該成像模式核心部件是有寬帶光源、邁克爾遜干涉儀和光電探測器組成，其軸向分辨率取決于寬帶光源的相干長度，一般可以達(dá)到1～10 μm，而徑向分辨率與普通光學(xué)顯微鏡類似，決定于樣品內(nèi)部聚焦光斑尺寸。OCT可實(shí)時動態(tài)成像，具有非侵入性、成像速度快、探測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[31]。目前，OCT技術(shù)已經(jīng)在臨床診療與科學(xué)研究中獲得了廣泛的應(yīng)用[32]。

OCT在2005年成功地應(yīng)用于十二指腸的體內(nèi)研究[33]。從測量的光重建圖像可以觀察到腸絨毛[34]。OCT結(jié)合CE可以對圖像中絨毛形態(tài)進(jìn)行分析，在132例兒科患者的研究中，敏感性為82%，特異性為100%[35]。OCT在IBD診斷中的潛力已被證實(shí)，首次報道OCT檢測到的跨壁炎癥可將克羅恩病與潰瘍性結(jié)腸炎區(qū)分開來，其敏感性為90.0%，特異性為83.3%。隨后的一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病之間有相似的區(qū)別[36]。

迄今為止，將OCT整合到CE中的嘗試僅只有兩個用于診斷食道病理的束縛式膠囊內(nèi)窺鏡。在兩個參考案例中，系繩包裹一根光纖，該光纖用于將來自外部光源的光傳輸?shù)絻?nèi)部光學(xué)器件，該光學(xué)器件經(jīng)過掃描以產(chǎn)生圖像。Gora等[37]開發(fā)的CE直徑為12.8 mm，長為24.8 mm，具有側(cè)面觀察OCT功能，能夠以每秒20幀的速度生成徑向圖像，橫向分辨率為30 μm，軸向分辨率為7 μm。膠囊使用位于系繩護(hù)套內(nèi)的驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)嵌入式OCT設(shè)備。系留膠囊可以安全用于非鎮(zhèn)靜患者，由于正常吞咽引起的蠕動力很容易從食道向下通過，手動拉回。與電動控制相比，手動撤回方便、簡單，但它不能提供高分辨率體積OCT。

Liang等[38]研究一款系留膠囊，直徑12 mm，長約35 mm。通過一個載機(jī)直流微電機(jī)旋轉(zhuǎn)的微透鏡對外部光源進(jìn)行周向掃描，縱向掃描通過手動力來實(shí)現(xiàn)大范圍的磁場覆蓋，通過固定膠囊內(nèi)部托架的遠(yuǎn)端驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁場覆蓋。使用集成縱向掃描的優(yōu)點(diǎn)是能夠沿著掃描軌跡跟蹤，有助于圖像處理中進(jìn)行補(bǔ)償。半剛性系繩的使用消除了蠕動推進(jìn)的影響。由于半剛性系繩不能以恒定速度移動系繩，半剛性系繩而又不能實(shí)現(xiàn)平滑的縱向掃描。盡管有上述限制，但OCT在系留膠囊中組織的軸向分辨率為8.5 μm，掃描頻率為250 Hz，并且能夠在7 s內(nèi)以1.350 mm2的面積和3.5 mm 的深度進(jìn)行1 750幀體積掃描[36]。目前，OCT還沒有被用于無線膠囊格式，因?yàn)檫€有幾個技術(shù)挑戰(zhàn)。一是需要用艙內(nèi)電池供電的光源替換外部光源。另一個原因是實(shí)時成像的采集時間短，同時，需要克服腸管蠕動對膠囊掃描的影響。

2.6 電離輻射成像 電離輻射是一種高頻電磁波或粒子，可以通過人體組織，并且可以記錄該輻射與組織之間的相互作用，以生成人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。掃描系統(tǒng)是基于X射線的自動CE系統(tǒng)，包括一個外部數(shù)據(jù)記錄器和工作站。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是使用弱X射線源對結(jié)腸進(jìn)行了成像；此外，這種成像方式的腸道準(zhǔn)備僅需要在膠囊通過期間攝入碘基造影劑[39]。

掃描設(shè)備直徑11.4 mm，長度34 mm。X射線源是一種短壽命的放射性鉑同位素(Os)，半衰期為15.4 d，發(fā)射65～75 keV X射線被分成3個旋轉(zhuǎn)光束，可以360°觀察結(jié)腸壁[38]。圖像的形成取決于膠囊的兩種能量，第一是當(dāng)發(fā)射的光子與攝入的碘造影劑相互作用，在27 keV的低能量下產(chǎn)生X射線熒光。第二是光子在52～60 keV的康普頓散射。通過分別測量這兩個步驟，可以計(jì)算出膠囊到結(jié)腸的距離，同時可以檢測到壁異常。該膠囊還配備了加速度計(jì)和磁力計(jì)，以實(shí)現(xiàn)膠囊或病理學(xué)定位[38]。采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)襟w內(nèi)的外部接收器，進(jìn)行2D和3D圖像重建[39]。

一項(xiàng)對無胃腸道病理學(xué)知識的志愿者進(jìn)行的平行研究涉及吞咽一種無功能膠囊，以評估器械的安全性，檢查前每天攝入50～70 ml的碘溶液和食物，直到膠囊排出，只發(fā)現(xiàn)1例患者出現(xiàn)膠囊滯留，無其他不良事件；每位患者平均輻射劑量為(0.03±0.0007)mSv；相比之下，胸片檢查前后平均輻射劑量為0.02 mSv，而CT結(jié)腸成像圖像的劑量為8.8 mSv[40]。上述研究證實(shí)X線掃描的輻射劑量的安全性。

3 發(fā)展趨勢

隨著CE新技術(shù)的開展，智能的融合是CE發(fā)展的趨勢，而最具潛能的是虛擬活檢結(jié)合，解決CE病理檢查的局限。隨著技術(shù)的進(jìn)步，具有先進(jìn)治療功能的智能CE(組織病檢、攜帶藥物、控制釋放)應(yīng)用于臨床，5G 時代來臨，聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)與醫(yī)療領(lǐng)域融合的逐漸深入，CE將在醫(yī)療影像大數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程診療等方面持續(xù)發(fā)力。

3.1 虛擬活檢 組織活檢是醫(yī)學(xué)診斷的重要組成部分。在常規(guī)內(nèi)窺鏡檢查時常規(guī)進(jìn)行活檢。然而，膠囊有效載荷能力有限，再加上定位不精確，導(dǎo)致膠囊活檢困難。虛擬活檢是一種分析組織并實(shí)現(xiàn)與組織病理學(xué)相同目標(biāo)的替代方法，可以集成到未來的CE設(shè)備中。理論上，這種方法的優(yōu)點(diǎn)包括降低活檢引起的不良事件的風(fēng)險，更快的診斷和降低成本的潛力。然而，并非所有的成像方式都適合CE的虛擬活檢。合適的模態(tài)必須能夠獲取分辨率足以在數(shù)十毫秒的時間范圍內(nèi)觀察蜂窩狀結(jié)構(gòu)的圖像，以避免由于呼吸或其他原因引起的運(yùn)動偽影[41]，具有潛力μUS可以對黏膜和透壁病理學(xué)成像，與其他診斷方式結(jié)合使用時，這可能會增強(qiáng)其與其他診斷模式結(jié)合時用于虛擬活檢的能力[42]。通過使用可插入活檢通道的易碎小探針，這種方式已用于常規(guī)內(nèi)窺鏡檢查。這些微型探針只能達(dá)到高達(dá)30 MHz的頻率，但臨床試驗(yàn)結(jié)果表明，成功檢測到Barrett食道、食道癌、結(jié)直腸腫瘤的準(zhǔn)確度分別為88%～98%、84%、88%[43，44]。μUSCE的初步開發(fā)已在超聲圖像和組織學(xué)之間顯示出良好的一致性，但是還需要進(jìn)一步的工作來驗(yàn)證μUSCE能否始終如一地實(shí)現(xiàn)可比或更高的性能。OCT是一種有吸引力的成像技術(shù)，因?yàn)樗軌驅(qū)κ彻艿酿つず宛つは聦咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀細(xì)節(jié)的快速體積成像，并已在活體內(nèi)和體外成功地得到了證明。

3.2 人工智能 隨著內(nèi)窺鏡技術(shù)的發(fā)展，如放大內(nèi)窺鏡、NBI、內(nèi)窺鏡檢查和共聚焦內(nèi)鏡檢查，有學(xué)者提出了一種經(jīng)濟(jì)有效的方法從內(nèi)窺鏡圖像中實(shí)時獲取組織學(xué)信息。CADX可以通過應(yīng)用自動圖像分析來提高病變光學(xué)診斷和靶向活檢的準(zhǔn)確性。同時，人工智能(artificial intelligence，AI)可以有效減輕內(nèi)鏡醫(yī)師的勞動強(qiáng)度，包括檢查的完整性、檢查的時間，同時可以提高內(nèi)窺鏡檢查的質(zhì)量。CADM在提高內(nèi)鏡醫(yī)生在臨床實(shí)踐中的水平方面具有巨大潛力[45]。將來，智能CE在病灶檢測，診斷、治療為一體，提高CE的診治水平，更好的造福于患者。

WLI是CE的主要診斷手段。WLI技術(shù)由于波長在組織表面的穿透深度有限，診斷局限于腸道黏膜表面。非WLI診斷成像和傳感技術(shù)在CE檢查中的應(yīng)用越來越多，將診斷成像技術(shù)集成到CE設(shè)備中，可以實(shí)現(xiàn)黏膜下成像，改善良惡性組織的鑒別，為研究疾病的病因開辟新的途徑。新的診斷膠囊設(shè)計(jì)將為改進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助診斷、虛擬活檢和膠囊定位提供新的機(jī)會，有利于今后的臨床實(shí)踐。