LED技術(shù)改進內(nèi)窺鏡應用

LED技術(shù)改進內(nèi)窺鏡應用

內(nèi)窺鏡是外科手術(shù)和診斷中用于觀察人體內(nèi)部的一種幾乎無創(chuàng)的醫(yī)學設備（如圖1所示）。這種方法最早出現(xiàn)在19世紀，如今有了更多的應用，從耳鼻喉等外部器官檢查到復雜的胃腸道、呼吸道和脊椎手術(shù)。

圖1. 使用相機將內(nèi)窺鏡圖像顯示在顯示器上

傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡使用硬管子導光，通過光學元件成像用于人眼觀察。這種內(nèi)窺技術(shù)在人體內(nèi)的插入深度有限。

隨著光纖的出現(xiàn)，內(nèi)窺鏡開始使用柔性導管，能夠更深地插入身體中，幾乎不影響手術(shù)。光纖的光收集效率也更高，能夠精密照明并觀察解剖進展。而紅綠藍電子相機也取代人眼用作探測器，而光源則變成了寬帶氙燈和鹵素燈。

近年來，LED技術(shù)正在成為內(nèi)窺鏡的首選光源，因為其壽命長、穩(wěn)定性高、而且更容易集成在內(nèi)窺系統(tǒng)中。結(jié)合高速發(fā)展的微電子學和光學，LED照明為該領(lǐng)域帶來了各種新的發(fā)展和應用。

圖2. CCT（相關(guān)色溫）展示。暖色紅-橙光相比冷色藍-白光具有更低的色溫。用于內(nèi)窺鏡的先進LED系統(tǒng)允許用戶調(diào)節(jié)每種可見光顏色，得到使人舒適的CCT水平，從而降低眼睛疲勞。

過去幾十年中，氙燈曾是內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的黃金標準。氙燈具有寬光譜范圍，提供高亮、穩(wěn)定的寬帶輸出和均勻照明，不僅是很多生物醫(yī)學應用的理想選擇，更是極大地改進了內(nèi)窺鏡技術(shù)和深度腔內(nèi)手術(shù)照明。氙燈比傳統(tǒng)白熾燈的壽命更長，性能比鹵素燈更優(yōu)越。

氙燈也具有更理想的相關(guān)色溫（CCT，如圖2所示）和顯色指數(shù)（CRI）。CRI用于表征光源還原被觀察物體顏色的好壞。CRI越高，越能準確地還原物體顏色（如圖3所示）。這一點對于醫(yī)學專家很重要，因為他們能夠根據(jù)色差識別解剖情況。氙燈是觀察組織真實顏色的理想照明光源，幫助提高診斷和治療的準確度。

圖3. 顯色指數(shù)（CRI）表示一個光源相比理想光源再現(xiàn)顏色的好壞。CRI越高，光源越好。

氙燈得益于多年的創(chuàng)新，它們具有很寬的輸出功率范圍——一般從80瓦到400瓦以上。氙燈的主要缺點是壽命不長，一般從500到1000小時。

因為LED光學引擎在亮度和寬波長范圍的不斷改善，所以越來越受到內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的青睞。生產(chǎn)LED時能夠定制相關(guān)色溫，而且LED在整個壽命期間提供穩(wěn)定的相關(guān)色溫。LED壽命長，所以不用在內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中頻繁更換。

更先進的LED系統(tǒng)現(xiàn)場使用時可以主動調(diào)節(jié)相關(guān)色溫。如果白光是各個RGB LED的合成，那么用戶能夠調(diào)節(jié)每種可見光顏色，得到舒服的白光或相關(guān)色溫?？烧{(diào)特性能緩解手術(shù)時的眼睛疲勞，提高組織形態(tài)的對比度，更有利于觀察。

LED系統(tǒng)還能高效地與RGB相機耦合，因為RGB波長都可以精密調(diào)諧，從而獲得最佳信噪比（如圖4所示）。LED還能整形輸出光譜，從而調(diào)節(jié)到最適合相機或人眼CCT和CRI值。在儀器使用中，可以調(diào)節(jié)每種顏色強度達到平衡，因為每種顏色強度都會隨時間時間減弱。

圖4. RGB顏色組合允許單獨調(diào)節(jié)每種顏色，得到更高的CRI和更多的CCT選項。圖為X-Cite輸出光譜。

自發(fā)熒光技術(shù)是1990年代末期出現(xiàn)的一種方法，它通過激發(fā)細胞或組織的內(nèi)源熒光來研究感興趣的區(qū)域2,3。正常組織和癌變組織的發(fā)射光譜不同，生理學中認為這是疾病改變了化學成分。

2000年代初期出現(xiàn)了色素內(nèi)窺鏡檢查法4，這種技術(shù)在內(nèi)窺檢查時使用生物染料染色感興趣區(qū)域。常用的染料有亞甲藍、甲苯胺藍和結(jié)晶紫。每種染料都能用于特定類型的細胞染色，方便識別粘膜和組織的結(jié)構(gòu)。

相比傳統(tǒng)的內(nèi)窺技術(shù)，色素內(nèi)窺鏡和自發(fā)熒光內(nèi)窺鏡都能提高形態(tài)分辨率。盡管它們比傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡更靈敏，它們也是非特異性的，增加假陽性診斷5。

手術(shù)中越來越多地使用熒光生物標記來區(qū)分形態(tài)或識別病變組織。ICG（吲哚菁綠）就是其中著名的一種，F(xiàn)DA已批準手術(shù)使用。

ICG使血漿蛋白染色。其目標靶區(qū)是淋巴結(jié)和血管，引導手術(shù)切除病變組織，這個手術(shù)在一般可見光下是很難做到的6。ICG熒光是被比可見光穿透深度更大的紅外光激發(fā)的，允許觀察深度組織和視網(wǎng)膜層級結(jié)構(gòu)。

FDA近期批準的另一種化合物是ALA（氨基乙酰丙酸）5。ALA細胞中天然產(chǎn)生的一種化合物。外部控制ALA能夠使ALA代謝物PpIX積聚在腫瘤細胞中，特別是神經(jīng)膠質(zhì)瘤。

PpIX在400到410納米光激發(fā)下發(fā)射紅色熒光。增強的PpIX熒光能夠用于手術(shù)區(qū)分腫瘤組織（紅色）和正常組織（藍色），確保精確完整地切除腫瘤7。

熒光生物標記需要特定波長才能激發(fā)?，F(xiàn)在，LED或激光器提供的窄帶波長光能夠與觀察用照明光使用同一光路（如圖5所示）。這樣方便手術(shù)時更準確地觀察組織。

圖5. 該光纖光引擎提供白光和近紅外光，方便手術(shù)時更準確地觀察組織。

可見光方便手術(shù)觀察需要解剖的區(qū)域，激發(fā)生物標記的熒光用于辨識或切除組織。一個裝置同時提供可見光和熒光激發(fā)，賦予手術(shù)多重技術(shù)，從而更好地診斷和改善病患的治療成效。

技術(shù)和對比試劑不斷發(fā)展，讓醫(yī)生擁有更好的工具完成復雜診斷和醫(yī)學流程。對比試劑包括白光燃料、內(nèi)源自發(fā)熒光或熒光標記物。開發(fā)這些標記物的挑戰(zhàn)是臨床試驗中確保幾乎沒有毒性。

熒光技術(shù)的發(fā)展和LED和激光技術(shù)發(fā)展一樣快?？茖W家正在開發(fā)更好的燃料，從而標記特定組織，為定量而不是定性診斷和治療提供充足的熒光。聯(lián)合使用這些技術(shù)是保證精準手術(shù)和減少周圍組織創(chuàng)傷的關(guān)鍵，讓病人更快康復。