高分辨率显微内镜研究与应用进展

谈 涛，屈亚威 综述 刘海峰 审校

综 述

高分辨率显微内镜研究与应用进展

谈 涛1，2，屈亚威1综述 刘海峰1审校

内镜；胃肠镜；胆道镜；阴道镜；高分辨率

医用内镜因光纤束柔软,可以灵活地插入体腔,实现导光和传像,在医学上具有广阔的应用前景[1]。普通的光纤内镜可以实现直视下对空腔脏器的实时成像，但因白光的穿透力有限，只能观察病变的形态学变化而不能对病变组织的细胞结构进行观察，从而造成早期病变具有较高的漏诊率。为了实现在细胞和亚细胞水平对病变部位进行成像，近年来出现了一种新的成像工具，即高分辨率显微内镜(high resolution microendoscopy, HRME)。HRME研究展现了良好的应用前景，利用HRME成像技术可以观察细胞核的大小、形态及排列方式，对疾病的早期诊断具有重要的意义[2]。未来将HRME与临床内镜相结合将对内镜诊断技术产生革命性的影响。笔者就光纤成像的原理及HRME在医学中应用的研究进展做简要综述。

1 研究进展

1.1 物理特性 光纤，又称光导纤维，是一种能够传导光信号的极细而柔软的介质。制造光纤的材料有玻璃和塑料等，以其不同的优缺点而广泛应用于生活的各个领域[3]。多成分玻璃光纤因其性能价格比最优成为目前最常用的光导纤维，这种灵活的、极细的光纤非常适合在人体中进行显微成像[4]。光纤一般是由两层材料做成的，内层为纤芯，外层为包层。纤芯的折射率n1较大(约为1.8)，包层的折射率n2较小(约为1.5)。纤芯为光通路，包层由多层反射玻璃纤维构成，用来将光线反射到纤芯上，二者之间形成一个良好的光学界面。光纤的传输距离仅受波长的影响，它的衰减率极低。由于光纤采用的是光谱技术，因此它不会泄露信号，也不会产生干扰信号。

1.2 导光原理 光纤导光, 是指把外部光源的光导入体内,用于照亮观察部位[5]。由于纤芯的折射率较大, 光线在纤芯与包层交界面上很容易实现全内反射,并在行进中发生第二次全内反射,经过多次这样的全内反射,光线即可从光纤的一端传至另一端, 并以与入射角相同的角度从出射端面射出。为了使进入光纤的光线不会逸出,一般应选择n1>n2,且差值较大的材料来制造光纤。在实际应用中, 柔软的光纤束均可以弯曲, 这对光纤束的导光和传像功能基本不会相互产生影响。这一特点, 对医学临床应用具有重要意义[6]。

1.3 传像原理 光纤传像, 是由光纤特性和结构所决定的[5]。为了利用光纤束传像, 光纤束必须具备以下条件: (1)在理想情况下,每根光纤都有良好的光学绝缘,即光纤束中的每一根光纤都能独立传光, 不受周围光纤的影响。(2)多根光纤两端必须是相关排列,一一对应，即每根光纤在出射端和入射端的几何位置的排列应完全一致。(3)光纤束的每根光纤的端面都可看作是一个取样孔, 各自携带着一个像元。入射图像可看作是由许多亮度不同的像元所组成, 光纤束则可看作由若干个取样孔规则排列的析像器,它按自己排列的规律性, 把入射图像分成和取样孔数目相等的像元。每根光纤都通过自己的取样孔而独立地传递一个像元。(4)在理想情况下, 光线在光纤出射端的出射角与从光纤入射端的入射角的绝对值相等, 其符号由全内反射次数的奇偶而定。奇数次符号为正, 偶数次符号为负。这一性质对传递图像十分有用。以上条件决定了光纤束把一幅图像从一端传至另一端时, 保持图像不变形。例如,入射端图像是由多个像元组成的“┻”形, 经传像束传至出射端的图像仍是相同的“┻”形。

1.4 HRME的成像原理 HRME是一种基于光纤导光和传像原理而设计的新兴的成像方式。HRME是指将高分辨率光纤与内镜相结合用于病变的诊断，如胃肠镜、胆道镜、阴道镜和膀胱镜等。由于普通的白光内镜只能在直视条件下观察病变的表面结构，辅以特殊的染色技术也只能观察到病变的腺管结构和微血管情况而并不能从细胞和亚细胞水平观察疾病的早期细胞结构的变化，因此早期病变的漏诊率较高。

HRME是利用LED激发光源发出激发光经过滤光片过滤，形成窄谱段激发光，经过物镜聚焦后沿高分辨率光纤传导至已经被靶向标记的被观测组织上，从而产生荧光信号。荧光信号通过光纤返回，由物镜放大，透过二向色镜将激发光和荧光分开，从而只将荧光传导至CCD芯片上进行成像，这样就可以在屏幕上看到被检组织实时的细胞学形态[7]。

2 应用进展

近年来，研究者们利用HRME成像技术对不同组织进行了实时成像研究，取得了令人满意的成像效果。通过利用HRME图像对病变做出的诊断与普通内镜相比较，表明了HRME对病变诊断的准确性、特异性均具有明显的优势。

2.1 子宫颈病变 HRME相对于普通内镜检查的一个最大优势在于可以实现细胞水平的成像，通过对病变组织进行成像，可以实时观察组织的细胞核的大小、形态及排列情况，进而发现早期病变。2012年Pierce等[8]利用HRME实现了在体细胞形态的研究。通过对174例患者的子宫颈不同部位进行HRME成像和阴道镜检查，并进行病理学检查。其中阴道镜检查有异常表现的69例患者，病理检查只有12例提示为高度不典型增生病变(CIN2、CIN3)，利用HRME成像的核质比定量分析，能够准确的区分出该12例高度不典型增生的病变。而其余57例病理提示正常的组织经HRME核质比定量分析，有38例为正常组织。所有通过病理检查为高度不典型增生和HPV DNA检查为阳性的患者，通过HRME检查能够确定为异常组织。该研究表明，对可疑病变行HRME检查有助于明确病变的性质，减少不必要的检查和治疗，从而提高治疗方案的效率。

2.2 肝脏和胰腺组织的病变 肝脏和胰腺组织的病变尤其是恶性病变的诊断目前多依靠超声引导下的细胞穿刺病理活检。然而这项技术受到样本量和抽样误差的影响，并且该技术难度高，术后并发症多，且穿刺的准确性有待进一步提高。为了研究一种简单、并发症少、无任何痛苦的诊断方法，2012年Regunathan等[9]通过使用HRME成像技术来区别正常组织和肿瘤组织，评估了HRME与超声内镜引导下细胞穿刺技术在诊断肝脏和胰腺病变的准确性。结果表明在使用HRME诊断肝脏病变的准确性达到85%，胰腺病变的准确性达到了90%，并且HRME与超声内镜引导下的细胞穿刺技术在诊断肝脏和胰腺病变中的差别没有统计学意义。该研究表明，HRME可以在肝脏和胰腺组织中实现细胞水平的实时成像，从而可以区分恶性组织和正常组织。

2.3 食管病变 2014年Vila等[10]使用HRME用来评估Barrett’s相关肿瘤的准确性和可信度，前瞻性地观察了28例接受监测的化生和低度不典型增生和(或)评估为高度异型增生或癌症的40份HRME图像。所有的内镜医师进行鉴定的高度异型增生或癌症的敏感性为0.90(95%CI：0.88～0.92)，特异性为0.82(95%CI：0.79～0.85)。阳性和阴性预测值分别为0.72(95%CI：0.68～0.77)和0.94(95%CI：0.92～0.96)。统计所有评估者为0.56(95%CI：0.54～0.58)，各组间差异无统计学意义(P为0.64与0.55)。研究数据表明，HRME的图像对诊断Barrett’s相关的肿瘤形成具有高敏感性和特异性。利用HRME可以较好地对Barrett’s相关的肿瘤进行诊断，并且漏诊率要低于普通胃镜。

2.4 大肠息肉 近年来，大肠息肉的发病率越来越高，并且大肠息肉有癌变的可能。目前对大肠息肉的诊断主要通过结肠镜检查，然而普通的结肠镜检查并不能很好的区分息肉的类型，还得需要病理学检查来确定，而病理检查需要经过包埋、切片、染色等一系列复杂的过程，时间较长，进而对个体化治疗造成影响。2014年Parikh等[11]通过以组织病理学为金标准比较了高清白光内窥镜(white light endoscopy,WLE)和HRME在体内诊断肿瘤性和非肿瘤性大肠息肉准确性的研究。将171份息肉样本通过HRME成像并归类于肿瘤性(腺瘤、癌)和非肿瘤性(正常、增生性或炎性)。结果表明HRME在诊断肿瘤性大肠息肉中有更高的准确性(94%)，特异度(95%)和阳性预测值(PPV，87%)，而WLE诊断肿瘤性息肉的准确性、特异度和阳性预测值分别为65%、39%和55%。对于较小的大肠息肉(直径小于10 mm)，HRME明显优于WLE，其准确性为95%对64%，特异度为98%对40%，PPV为92%对55%。对于评价平坦型息肉(小于5 mm)时，这种优势更为明显，HRME的准确性(95%)，特异度(98%)，和PPV(93%)均大于WLE(62%，41%和53 %)。研究表明，HRME可以是一个非常有效的区分肿瘤性和非肿瘤性大肠息肉的成像方法。临床上通过普通白光内镜进行检查息肉，然后使用HRME对息肉进行定性分类，可以很好地明确病变的组织学类型，以及确定哪些息肉病变是不需要过多干预的而哪些息肉病变是需要组织病理学进行进一步定性的。

综上所述，HRME成像系统与普通的内镜成像系统相比具有分辨率高、操作简单、图像清晰，以及即时组织病理学成像等优势[12-14]。临床应用前的研究已经得到了很好的证实，未来将HRME与临床内镜结合将会更好的服务临床。然而，造影剂缺乏限制了该成像系统的临床应用。迫切需要一种无毒的、低成本、能够快速在体内代谢的特异性强的造影剂，如何研制出这种符合临床需要的造影剂将是未来的研究热点。

目前，HRME研究尚处于临床应用前的起步阶段，尽管已经展现出了良好的应用前景，但尚存在一些不足，如对疾病的诊断缺乏统一的标准、光路的设计还需进一步简化以及非专业人员不能准确的读片等。总之，HRME系统作为一种新兴的成像工具，能够对组织进行实时病理学成像，并且具有较高的敏感性和特异性。

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(2014-07-20收稿 2014-08-19修回)

(责任编辑 武建虎)

首都临床特色应用研究(编号Z141107002514099)

谈 涛，硕士研究生，E-mail：895743457@qq.com

1.230032合肥，安徽医科大学；2.100039北京，武警总医院消化内科

刘海峰，E-mail：haifengliu333@163.com

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