LED技术在内窥镜中的应用

2021-11-22 16:00:53 admin 12

LED技术改进内窥镜应用


2021/11/16 9:01:22 发布者:admin


内窥镜是外科手术和诊断中用于观察人体内部的一种几乎无创的医学设备(如图1所示)。这种方法最早出现在19世纪,如今有了更多的应用,从耳鼻喉等外部器官检查到复杂的胃肠道呼吸道和脊椎手术。



图1. 使用相机将内窥镜图像显示在显示器



传统内窥镜使用硬管子导光,通过光学元件成像用于人眼观察。这种内窥技术在人体内的插入深度有限。

随着光纤的出现,内窥镜开始使用柔性导管,能够更深地插入身体中,几乎不影响手术。光纤的光收集效率也更高,能够精密照明并观察解剖进展。而红绿蓝电子相机也取代人眼用作探测器,而光源则变成了宽带氙灯和卤素灯。

近年来,LED技术正在成为内窥镜的首选光源,因为其寿命长、稳定性高、而且更容易集成在内窥系统中。结合高速发展的微电子学和光学,LED照明为该领域带来了各种新的发展和应用。



图2. CCT(相关色温)展示。暖色红-橙光相比冷色蓝-白光具有更低的色温。用于内窥镜的先进LED系统允许用户调节每种可见光颜色,得到使人舒适的CCT水平,从而降低眼睛疲劳。



过去几十年中,氙灯曾是内窥镜系统的黄金标准。氙灯具有宽光谱范围,提供高亮、稳定的宽带输出和均匀照明,不仅是很多生物医学应用的理想选择,更是极大地改进了内窥镜技术和深度腔内手术照明。氙灯比传统白炽灯的寿命更长,性能比卤素灯更优越。

氙灯也具有更理想的相关色温(CCT,如图2所示)和显色指数(CRI)。CRI用于表征光源还原被观察物体颜色的好坏。CRI越高,越能准确地还原物体颜色(如图3所示)。这一点对于医学专家很重要,因为他们能够根据色差识别解剖情况。氙灯是观察组织真实颜色的理想照明光源,帮助提高诊断和治疗的准确度。



图3. 显色指数(CRI)表示一个光源相比理想光源再现颜色的好坏。CRI越高,光源越好。



氙灯得益于多年的创新,它们具有很宽的输出功率范围——一般从80瓦到400瓦以上。氙灯的主要缺点是寿命不长,一般从500到1000小时。

因为LED光学引擎在亮度和宽波长范围的不断改善,所以越来越受到内窥镜系统的青睐。生产LED时能够定制相关色温,而且LED在整个寿命期间提供稳定的相关色温。LED寿命长,所以不用在内窥镜系统中频繁更换。

更先进的LED系统现场使用时可以主动调节相关色温。如果白光是各个RGB LED的合成,那么用户能够调节每种可见光颜色,得到舒服的白光或相关色温。可调特性能缓解手术时的眼睛疲劳,提高组织形态的对比度,更有利于观察。

LED系统还能高效地与RGB相机耦合,因为RGB波长都可以精密调谐,从而获得最佳信噪比(如图4所示)。LED还能整形输出光谱,从而调节到最适合相机或人眼CCT和CRI值。在仪器使用中,可以调节每种颜色强度达到平衡,因为每种颜色强度都会随时间时间减弱。



图4. RGB颜色组合允许单独调节每种颜色,得到更高的CRI和更多的CCT选项。图为X-Cite输出光谱。



自发荧光技术是1990年代末期出现的一种方法,它通过激发细胞或组织的内源荧光来研究感兴趣的区域2,3。正常组织和癌变组织的发射光谱不同,生理学中认为这是疾病改变了化学成分。

2000年代初期出现了色素内窥镜检查法4,这种技术在内窥检查时使用生物染料染色感兴趣区域。常用的染料有亚甲蓝、甲苯胺蓝和结晶紫。每种染料都能用于特定类型的细胞染色,方便识别粘膜和组织的结构。

相比传统的内窥技术,色素内窥镜和自发荧光内窥镜都能提高形态分辨率。尽管它们比传统内窥镜更灵敏,它们也是非特异性的,增加假阳性诊断5。

手术中越来越多地使用荧光生物标记来区分形态或识别病变组织。ICG(吲哚菁绿)就是其中著名的一种,FDA已批准手术使用。

ICG使血浆蛋白染色。其目标靶区是淋巴结和血管,引导手术切除病变组织,这个手术在一般可见光下是很难做到的6。ICG荧光是被比可见光穿透深度更大的红外光激发的,允许观察深度组织和视网膜层级结构。

FDA近期批准的另一种化合物是ALA(氨基乙酰丙酸)5。ALA细胞中天然产生的一种化合物。外部控制ALA能够使ALA代谢物PpIX积聚在肿瘤细胞中,特别是神经胶质瘤。

PpIX在400到410纳米光激发下发射红色荧光。增强的PpIX荧光能够用于手术区分肿瘤组织(红色)和正常组织(蓝色),确保精确完整地切除肿瘤7。

荧光生物标记需要特定波长才能激发。现在,LED或激光器提供的窄带波长光能够与观察用照明光使用同一光路(如图5所示)。这样方便手术时更准确地观察组织。



图5. 该光纤光引擎提供白光和近红外光,方便手术时更准确地观察组织。



可见光方便手术观察需要解剖的区域,激发生物标记的荧光用于辨识或切除组织。一个装置同时提供可见光和荧光激发,赋予手术多重技术,从而更好地诊断和改善病患的治疗成效。

技术和对比试剂不断发展,让医生拥有更好的工具完成复杂诊断和医学流程。对比试剂包括白光燃料、内源自发荧光或荧光标记物。开发这些标记物的挑战是临床试验中确保几乎没有毒性。

荧光技术的发展和LED和激光技术发展一样快。科学家正在开发更好的燃料,从而标记特定组织,为定量而不是定性诊断和治疗提供充足的荧光。联合使用这些技术是保证精准手术和减少周围组织创伤的关键,让病人更快康复。