第二节 医用内窥镜发展历程

内窥镜“endoscopy”一词起源于希腊语，由字母“endo”（意为内部）与动词“skopein”（意为观察）组合而成，意为窥视人体内部腔道的一种方法。自1806年德国菲利普·博齐尼(Philipp Bozzini)第一次利用蜡烛光做光源，应用一根细管窥视尿道以来，医用内窥镜在200多年的发展过程中经历了4次大的结构改进，从最初的硬管式内窥镜（1806-1932年）、半可曲式内窥镜（1932-1957年）、纤维内窥镜（1957年以后），再到电子内窥镜（1983年以后），如图1-1所示。内窥镜曾仅用于检查和简单手术；而今，得益于内窥镜的发展以及各类手术技术的大幅革新，使得原有的创伤大、手术时间长的复杂手术能够以微创化形式开展，可大大减轻患者的痛苦，缩短住院时间。随着内镜成像技术的发展，影像质量也实现了质的飞跃。医用内窥镜在临床上的应用越来越普及，并且正朝着小型化、多功能、高像质不断发展。

一　硬管式内窥镜

硬管式内窥镜分为光学成像系统和照明系统两个部分：光学成像系统主体是一个内部包含透镜的不可弯曲的金属管，主要包含物镜、目镜和转像系统三个部分；照明系统则主要负责提供光源，便于在腔体内清晰观察。硬管式内窥镜是最早投入使用的内窥镜。1805年，德国Philip Bozzini（图1-2）首次提出内镜的设想，于1806年制作由花瓶状光源、蜡烛和一系列镜子组成的系统，并成功通过动物的尿道和直肠观察其内部结构，这种仪器被称为明光器，如图1-3所示。1853年，法国外科医生Antonin Jean Desormeaux公布了他发明的泌尿生殖内窥镜（图1-4），首次实现通过镜子折射观察人体膀胱，他被世人称作“内窥镜之父”。此后，他多次使用该器具进行泌尿系统检查。1868年，食管镜被投入使用，通过食管镜为一名患者取出了食管异物。1869年，另一位医生Pantaleoni利用子宫镜治疗子宫息肉。早期的内窥镜光源以蜡烛为主。自1880年白炽灯发明以来，内窥镜光源逐渐转变为白炽灯。尽管如此，热效应引发的灼伤依然是当时内窥镜的主要问题之一。

二　半可曲式内窥镜

1932年，Rudolf Schindler（图1-5）与柏林设备制造商Georg Wolf合作开发了第一台半可曲式胃镜（图1-6），这款胃镜成为后续20多年胃镜领域的标准产品。半可曲式胃镜前半段镜身为螺旋形青铜，外加一层橡皮套，内部装有26块短焦距棱镜，前端弯曲幅度可达34°，从而使观察视野大大增加。相对而言，由于半可曲式胃镜结构大部分可以弯曲，比硬性内镜灵活性要大，所以可观察到的视野区更开阔，盲区也减小了。短焦距棱镜在弯曲情况下仍可将图像传送到目镜部分，从而使胃黏膜可视面积大为增加。接着，Henning等进一步把目镜的放大倍数增大。Taylor在操作部装上可使末端上下弯曲的控制装置，使观察盲区进一步缩小。Bendict为胃镜添加上吸引管和活检孔道，使其性能进一步完善。Henning于1939年发明了内镜照相技术，可以从不同角度拍摄胃内照片。半可曲式胃镜由观测部的硬管和可弯曲部的软管两部分构成，其结构设计为现代软镜奠定了基础。半可曲式胃镜为胃镜检查开创了新纪元。经多次改进后，胃镜功能日臻完善，被临床医师广泛应用于胃病检查和治疗。

Rudolf Schindler不仅在研发和改造胃镜方面取得了很高的成就，而且他本人也是历史上最活跃的胃镜推广者之一，他出版的Lehrbuch und Atlas der Gastroskopie《胃镜检查教科书和图谱》首次报告了400例以上无并发症的胃镜检查病例，为胃镜的推广应用做出了杰出的贡献。

虽然Rudolf Schindler的胃镜取得了巨大成功，但是这款产品仍然有两个致命的弱点：一是白炽灯是一种热光源，对人体检查非常不友好，易在术中造成患者人体组织灼伤；二是这种半可曲式内镜虽然比硬性内镜体验略好，但改进有限，患者的体验仍不乐观。直到1952年，法国科学家Fourestier，Gladu和Valmiere制造出了一种冷光源玻璃纤维照明装置，提高了腹腔镜的安全性，极大地降低了内光源引起的腹腔内烧伤和电气故障的风险，为随后柔性纤维内窥镜的应用奠定了基础。

三　纤维内窥镜

纤维内窥镜是通过光导纤维与透镜的组合来完成光线和图像的传导，经人体腔道或手术切口进入人体，观察体内组织结构的一种医疗器械。时至今日，纤维内窥镜因其优越的成像性能仍在使用。20世纪50年代初，纤维的漏光问题以及纤维丝之间的精密排列问题被相继解决，为纤维内镜的问世打下了基础。1957年，Hirschowitz制成了第一台用于胃、十二指肠的光导纤维内镜原型，宣告了硬性内窥镜和半可曲式内窥镜时代的结束，为纤维内窥镜的发展拉开了序幕。图1-7所示为Hirschowitz医生用第一台柔性纤维胃镜为患者检查的画面。

1963年，美国Overhoet成功开发了纤维结肠内窥镜并将其应用于临床检查。1971年，Veyle的报道表明，对约81%的患者可进镜至盲肠，体现了纤维结肠镜在肠道检查中的优越性。1964年，日本开始尝试制作纤维支气管镜。池田茂人等于1967年将纤维支气管镜应用于临床检查，并成功地看到亚段、亚亚段支气管的清晰图像。1965年，美国医生Shore与美国膀胱镜制造商公司(American Cystoscope Makers Inc, ACMI)协作，在硬性胆道镜的基础上研制了纤维胆道镜（图1-8）。纤维胆道镜具有质软、末端部可弯曲、焦点可自由调节、成像清晰等特点，克服了硬性胆道镜的缺点，使用范围较广，使用价值较高。此后还出现了纤维喉镜、纤维关节镜、纤维纵隔镜等。

纤维光导内镜的出现从根本上解决了内镜照明不足的问题。遵循光全内反射原理，玻璃纤维中光的传导从一端到另一端有序地进行，当玻璃光纤弯曲时，反射角相应地发生变化，光线随着纤维的弯曲而改变传导方向，这样就能在任何位置上看到从任何方向射来的物体反光。利用此原理，将各玻璃纤维两端位置正确地对应排列，使整束玻璃纤维两端成一平面形式，则在任何一端平面上产生影像，每根纤维都能将其所受光线的亮度不改变地传到另一端，几乎可以实现无失真地传送影像。

四　电子内窥镜

1983年，美国Welch Allyn公司首先成功研发了电子内窥镜，并运用于临床。电子内窥镜主要通过CCD来采集光信号，并将其转换为电信号，最终经过视频处理呈现在显示器上。不同于传统内窥镜，电子内窥镜的图像传导不借助光导纤维或者棱镜等介质，而是通过记录传输的电信号，即可实现对视频图像的存储和二次处理。除不具有观察用的目镜外，电子内窥镜的其他机械结构——送气送水系统、活检通道、角度钮等均与光学内窥镜完全相同。

CCD的基本构造为对光敏感的硅片，本身仅能感受光信号的明暗强弱，得到黑白图像。为了获得彩色图像，必须在光学通路中放置色滤光片，滤光片的放置有顺次方式和同时方式两种。顺次方式的优点是采用红、绿、蓝三色光分别照射，相当于像素点数提高到了3倍，图像具有较高分辨率；缺点是滤光片高速旋转，可能引起图像闪烁。Welch Allyn、富士通及奥林巴斯的第一代和第三代产品均采用此种彩色化方式。同时方式则采用红、绿、蓝三色光同时照射，优点在于所采集到的图像亮度高且图像内容清晰、稳定；缺点是滤光片的植入要求内窥镜直径较小，整体技术难度较大。东芝及奥林巴斯的第二代产品均采用同时方式。

电子内窥镜具有图像分辨率高、所采集到的腔体图像清晰、图像可以储存等优点。近几年来，电子内窥镜具有较好的发展趋势。但由于电子内窥镜价格昂贵，且目前的生产工艺相较纤维内窥镜尚不成熟，所以还不能完全取代纤维内窥镜。