上消化道膠囊內(nèi)鏡現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

閆婧爽,閆 斌,孟 科

閆婧爽,閆斌,孟科,解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心消化內(nèi)科醫(yī)學(xué)部 北京市 100853

閆婧爽,南開大學(xué)醫(yī)學(xué)院 天津市 300071

0 引言

我國是消化道惡性腫瘤的高發(fā)國家,近些年消化道惡性腫瘤發(fā)病率、患病率呈現(xiàn)逐漸增長趨勢[1].上消化道內(nèi)鏡檢查是目前篩查和診斷上消化道腫瘤的首選檢查手段,但是傳統(tǒng)的胃鏡檢查作為一種侵入式檢查,會對患者造成明顯的不適感,且存在心腦血管等重要臟器功能障礙、交叉感染等風(fēng)險,從而降低了患者的接受度,限制了其在人群中的廣泛應(yīng)用.雖然麻醉下的無痛胃鏡檢查可以消除檢查過程中的不適感,但同時也增加了麻醉相關(guān)不良事件的風(fēng)險,極大的限制了其在高齡、危重患者中的應(yīng)用[2].膠囊內(nèi)鏡作為一種無創(chuàng)、便攜、可視化的消化道檢查方法,自2000年首次報道以來[3],已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步,目前小腸膠囊內(nèi)鏡已經(jīng)成為診斷小腸疾病的主要手段.由于食管通過速度較快,胃腔空間大,胃蠕動干擾等因素限制了膠囊內(nèi)鏡在上消化道中的應(yīng)用,但隨著技術(shù)的進(jìn)步,多種專為上消化道設(shè)計的膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)逐漸開始應(yīng)用于臨床.本文就上消化道膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展作一綜述.

1 上消化道膠囊內(nèi)鏡臨床應(yīng)用現(xiàn)狀

目前已應(yīng)用于臨床的上消化道膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)有以色列Given Imaging公司的食管膠囊內(nèi)鏡系列(PillCam ESO,PillCam ESO2)[4,5]、中國安翰科技有限公司的ANKON磁控膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)[6]、日本奧林巴斯公司和德國西門子公司聯(lián)合開發(fā)的MGCE膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)[7]、韓國Intromedic公司的MiroCam-Navi膠囊內(nèi)鏡[8]和中國資福醫(yī)療科技有限公司的大圣磁控膠囊式內(nèi)窺鏡系統(tǒng)[9](表1).

表1 目前已用于臨床的上消化道膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

PillCam ESO膠囊內(nèi)鏡系列:是以色列Given Imaging公司研發(fā)的一種雙攝像頭無線食管膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng),該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)于2004年通過美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床[10].PillCam ESO膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)主要由三部分組成:可吞服的食管膠囊(膠囊長26 mm,直徑11 mm,圖像采集速度14幀/秒),數(shù)據(jù)記錄儀和圖像工作站.該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)在診斷胃食管反流病(gastroesophageal reflux disease,GERD)、食管靜脈曲張、門脈高壓性胃病方面可替代傳統(tǒng)上消化道內(nèi)鏡檢查[11-13],但也有研究表明其對巴雷特食管(Barrett’s esophagus,BE)、食管鱗狀細(xì)胞癌的診斷僅具有中等敏感性和特異性,無法替代傳統(tǒng)上消化道內(nèi)鏡作為高風(fēng)險人群的首選篩查方法[14-16].2007年研發(fā)的第二代食管膠囊內(nèi)鏡PillCam ESO2簡化了攝入程序,同時提高了內(nèi)鏡的整體可視化,提高了BE、食管炎、上消化道出血的檢出率[17],聯(lián)合使用智能分光染色技術(shù)(fujinon intelligent chromoendoscopy,FICE)能夠提高表淺型食管癌的檢出率[18].

ANKON磁控膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng):該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)由中國安翰科技有限公司研發(fā)[6,19],2003年獲得中國國家食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)上市.該系統(tǒng)由內(nèi)鏡膠囊、機(jī)械臂式永磁體、數(shù)據(jù)記錄儀和計算機(jī)工作站四部分組成,并配有實時觀察和控制軟件(ESNavi軟件,安翰科技有限公司).膠囊長27 mm,直徑11.8 mm,視角為140°,圖像攝取速度2幀/秒.多項臨床研究結(jié)果顯示該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)具有較高的診斷準(zhǔn)確性,患者依從性好,可用于人群胃部疾病的篩查,并可作為高風(fēng)險人群篩查的首選[6,20-22].該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)的第二代產(chǎn)品在控制方式、幀頻、視野、圖像分辨率和電池壽命等方面進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn),具有更高的自適應(yīng)幀率(8幀/秒),更好的圖像分辨率(720×720像素),更廣的視野(150°),更長的電池壽命(＞12小時)以及抗干擾無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn).顯著改善了上消化道黏膜的可視化,提高了食管和十二指腸乳頭的顯示清晰度,使得磁控膠囊內(nèi)鏡更好地診斷上消化道疾病成為可能[23].

MGCE膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng):是日本奧林巴斯醫(yī)療系統(tǒng)公司和德國西門子醫(yī)療集團(tuán)共同開發(fā)的一款用于胃部檢查的磁導(dǎo)航膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)(magnetically guided capsule endoscope,MGCE),該系統(tǒng)主要包括奧林巴斯公司研發(fā)的內(nèi)鏡膠囊和西門子公司研發(fā)的磁性引導(dǎo)設(shè)備[24].膠囊長31 mm,直徑11 mm,具有兩個電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)圖像傳感器,圖像攝取速度為4幀/秒,通過射頻信號實時傳輸.引導(dǎo)系統(tǒng)使用非常低的磁場(＜100 mT),避免了磁性發(fā)熱的風(fēng)險.一項納入了189例患者的前瞻性臨床研究顯示,該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)對胃部疾病的診斷準(zhǔn)確性達(dá)90.5%,且具有較高的患者依從性[25].

MiroCam-Navi膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng):韓國Intromedic公司的MiroCam-Navi膠囊內(nèi)窺鏡是一款磁輔助膠囊內(nèi)鏡,由實時監(jiān)控器、數(shù)據(jù)接收器、外部手持永磁體和內(nèi)鏡膠囊四部分組成.MiroCam-Navi膠囊長24 mm,直徑11 mm,重4.2 g,視野范圍170°,圖像攝取速度3幀/秒,分辨率為320×320像素.操作者使用錘狀的外部手持永磁體控制膠囊在體內(nèi)的拍攝方向,并通過“電場傳播(electric-field propagation)”的方式將信號傳輸至數(shù)據(jù)接收器[8].臨床試驗[26]顯示MiroCam-Navi膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)具有高度的可視性和良好的控制性,患者依從性較傳統(tǒng)胃鏡檢查更好,可用于BE、食管靜脈曲張、急性上消化道出血的篩查和評估[27,28],但在食管、胃食管連接部、胃底和十二指腸球部的觀察視野仍遜色于傳統(tǒng)胃鏡[27,29].

大圣磁控膠囊式內(nèi)窺鏡系統(tǒng):這是中國深圳資福醫(yī)療科技有限公司研發(fā)的一款“站臥雙體位”磁控膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)(standing-type magnetically guided capsule endoscopy,SMCE),由內(nèi)鏡膠囊、膠囊激活裝置、圖像工作站和立式磁控裝置四部分組成.膠囊長27 mm,直徑12 mm,采用微距拍攝和圖像無線傳輸技術(shù),膠囊觀察距離為0-50 mm,視野范圍為136°.該系統(tǒng)采用站臥雙體位檢查模式,可滿足不同受檢者的需求,檢查過程中受檢者無需佩戴信號接收裝置,無束縛感,體驗更舒適.一項納入161名患者的臨床試驗結(jié)果顯示,SMCE與傳統(tǒng)胃鏡相比,對胃部疾病診斷一致性達(dá)94.41%,對于輕度糜爛的診斷優(yōu)于傳統(tǒng)胃鏡.但SMCE檢查時間較長(24 minvs7 min),僅適用于觀察胃部,暫不適用于食管和十二指腸的檢查[9].

2 上消化道膠囊內(nèi)鏡研究進(jìn)展

外置電源磁控膠囊內(nèi)鏡:臺北醫(yī)科大學(xué)連吉時和劉志文團(tuán)隊[30,31]設(shè)計了一款用于上消化道檢查的新型磁導(dǎo)航膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng),該系統(tǒng)的內(nèi)鏡膠囊無內(nèi)置電池,其電源通過連接膠囊的一根長150 cm,直徑1 mm的電纜提供.外接電源的設(shè)計使該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)擁有較小體積(25.5 mm×9.9 mm)的同時擁有更高的圖像采集速度(30幀/秒)和更高的圖像分辨率(680×480像素).2017年一項納入10名志愿者的臨床試驗證實了該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)具有良好的安全性、可控性和耐受性,其對食管、胃和十二指腸檢查的整體完成率分別為100%、85.2%和86.1%.但該系統(tǒng)對上消化道病變的診斷有效性和準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步的臨床隨機(jī)對照研究驗證[30].

螺旋槳驅(qū)動無線膠囊內(nèi)鏡:Tortora等[32]于2009年設(shè)計了一款用于胃部檢查的微型螺旋槳驅(qū)動膠囊內(nèi)鏡.膠囊長30 mm,直徑15 mm,由無線微控制器、電池、四個電機(jī)和螺旋槳、外殼組成.四個螺旋槳系統(tǒng)能夠驅(qū)動膠囊在液體環(huán)境中實現(xiàn)主動運(yùn)動,內(nèi)窺鏡醫(yī)師可以通過操縱桿和圖形用戶界面對膠囊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.該團(tuán)隊于2014年對膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),集成了運(yùn)動系統(tǒng)、遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和實時視頻傳輸系統(tǒng)[33].其二代膠囊長32 mm,直徑22 mm,配有CMOS相機(jī)以30幀/秒速度獲取圖像.這種低成本(＜100歐元)、操作簡單的膠囊內(nèi)鏡在胃部疾病診斷方面有很大利用前景,但目前該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)仍需要進(jìn)一步的動物實驗和臨床研究對其可控性、安全性和有效性進(jìn)行驗證.

磁驅(qū)動軟膠囊內(nèi)窺鏡:2012年Yim等[34]研發(fā)了一款用于診斷和治療胃部疾病的磁驅(qū)動軟膠囊內(nèi)窺鏡(magnetically actuated soft capsule endoscope,MASCE),該膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)由兩個嵌入式內(nèi)部永磁體和一個大型外部磁體進(jìn)行遠(yuǎn)程驅(qū)動.不同于傳統(tǒng)膠囊內(nèi)鏡,MASCE具有三個新穎的特征:(1)外部主體由柔軟的軟聚氨酯彈性體制成,使設(shè)備更安全且侵入性更小;(2)外部磁體可以驅(qū)動其在軸向上主動變形,從而提供額外的自由度,實現(xiàn)各種高級功能,例如軸向位置控制,藥物釋放[35],藥物注射或活檢[36];(3)通過在胃壁表面滾動實現(xiàn)三維導(dǎo)航[37].醫(yī)生可通過外部永磁體控制膠囊錨定在胃的特定部位,利用外磁體扭矩提供連續(xù)、穩(wěn)定的移動.

系線膠囊內(nèi)鏡(string-capsule endoscopy,SCE):2003年Neu等[38]首次使用系線膠囊內(nèi)鏡進(jìn)行臨床實驗,將長為100 cm的絲線系于Given Imaging 公司生產(chǎn)的M2A膠囊內(nèi)鏡上.患者吞服系線膠囊后以每3-4 min釋放1-2 cm的速度釋放系線,當(dāng)系線吞服超過60 cm時緩慢回拉.系線膠囊內(nèi)鏡能清楚拍攝齒狀線的圖像,在BE、食管靜脈曲張的診斷和評估吞咽困難方面安全有效[39-41].但該SCE的局限性在于:(1)系線造成患者不適;(2)分泌物和吞服用水造成的氣泡干擾圖像;(3)視野距離有限(＜30 mm),無法觀察到食管遠(yuǎn)距離的高清圖像.2009年廖專教授團(tuán)隊[42]改良了系線膠囊內(nèi)鏡,設(shè)計了一個帶透明薄乳膠套的系線膠囊內(nèi)鏡(sleeve string capsule endoscopy,SSCE),將膠囊裝在乳膠套筒內(nèi),用一根細(xì)線連接到套筒的尾端.線和乳膠套均為一次性使用,操作完成后立即丟棄.納入2例健康志愿者和8例有食管癥狀患者的臨床研究表明SSCE在應(yīng)用過程中均沒有乳膠套及絲線脫落或斷裂,攝取圖像質(zhì)量高,在食管病變的診斷精確度與傳統(tǒng)胃鏡無差異.為使系線膠囊內(nèi)鏡在完成食管檢查后進(jìn)一步進(jìn)行胃、小腸等部位的檢查,廖專教授團(tuán)隊于2018年將SSCE改進(jìn)為可拆式線控膠囊內(nèi)鏡(detachable string magnetically controlled capsule endoscopy,DS-MCE)[43].DS-MCE即將一個半包裹式的透明薄乳膠套包裹在膠囊表面,末端與一根長度為80 cm的空心線相連,空心線的另一端可與注射器相連.當(dāng)食管檢查完成后,通過注射器向空心線內(nèi)注入空氣,乳膠套與膠囊即可分離.該技術(shù)不僅滿足膠囊在食管部分的可控性,膠囊與系線分離后可繼續(xù)對胃、小腸進(jìn)行檢查,同時避免了取出膠囊的不適.臨床對照實驗顯示,在上消化道的檢查方面,尤其食道,DS-MCE比普通磁導(dǎo)航膠囊內(nèi)鏡效果更佳[44].

系線膠囊顯微內(nèi)鏡(tethered capsule endomicroscopy,TCE):Ray等[45,46]將光學(xué)頻域成像技術(shù)(optical frequency domain imaging,OFDI)與系線膠囊內(nèi)鏡相結(jié)合,開發(fā)出一種新型系線膠囊顯微內(nèi)鏡(TCE).患者吞服后膠囊可沿途對消化道管壁進(jìn)行3D成像,獲得30 μm(橫向)×7 μm(軸向)分辨率的橫斷面顯微圖像,最終重建成上消化道管壁完整3D視圖.膠囊被連接到一根系線上,能夠定位和取回,設(shè)備回收消毒后可循環(huán)使用,納入38人的臨床研究顯示TCE對BE患者的觀察率為90.3%.TCE可用于BE、食管惡性腫瘤等疾病的篩查[46],其檢查時間短(小于5 min、無需鎮(zhèn)靜、可床旁使用的特性有利于在基層醫(yī)療保健實踐中廣泛開展[47].

3 結(jié)論

綜上所述,膠囊內(nèi)鏡因其便攜性強(qiáng)、安全性高、患者適應(yīng)性強(qiáng)、觀察范圍廣等諸多特性在臨床應(yīng)用廣泛,但受限于膠囊內(nèi)鏡體積和電池電量,其依然存在分辨率低、圖像攝取速度慢、無法取活檢等不足,在食管疾病、上消化道早癌的篩查和診斷方面仍無法完全替代傳統(tǒng)電子胃鏡檢查.

工程技術(shù)的不斷革新縮短著膠囊內(nèi)鏡臨床應(yīng)用的局限性,同時隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,計算機(jī)輔助診斷技術(shù)也逐漸應(yīng)用于膠囊內(nèi)鏡的圖像識別和病變鑒別診斷中,未來有望減輕內(nèi)鏡醫(yī)生的工作負(fù)擔(dān),并有效提高膠囊內(nèi)鏡閱片效率和診斷準(zhǔn)確性.膠囊內(nèi)鏡磁控導(dǎo)航和三維重建技術(shù)有望重建消化道模型,在疾病的定位、復(fù)雜手術(shù)建模及方案制定方面有著潛在研發(fā)及應(yīng)用價值.現(xiàn)階段,膠囊內(nèi)鏡仍局限于疾病觀察和診斷方面,未來的研究發(fā)展方向應(yīng)逐漸向內(nèi)鏡操作和治療邁進(jìn).目前基于膠囊內(nèi)鏡的細(xì)針穿刺抽吸活檢、給藥系統(tǒng)等研究仍需要技術(shù)層面的改進(jìn)優(yōu)化及大規(guī)模臨床試驗進(jìn)行驗證.新一代治療膠囊內(nèi)鏡有望實現(xiàn)膠囊內(nèi)鏡下的藥物精準(zhǔn)釋放、支架置入,甚至局灶病變的切除等復(fù)雜操作.期待隨著工程技術(shù)的發(fā)展和大數(shù)據(jù)時代人工智能技術(shù)的引入,上消化道膠囊內(nèi)鏡進(jìn)一步向高清化、智能化、多功能化方向發(fā)展,從而帶來上消化道疾病診療的新革命.