原创 电子喉镜的发展历史和未来方向
2020年01月15日 【健康号】 倪晓光     阅读 9492

耳鼻咽喉-头颈外科学是一门专科性质较强的学科,其中鼻咽喉部各器官部位深在、隐蔽,解剖结构精细、复杂,不易直接窥及,欲认识其正常形态和病理现象,须利用特殊的检查设备。喉镜的出现极大的推动了对鼻咽喉部疾病的认识,从最初的间接喉镜到直接喉镜,从硬性喉镜到软性喉镜,从纤维喉镜到电子喉镜,经过一代代的发展,目前已经成为耳鼻喉科医生手中的一种重要工具。中国医学科学院肿瘤医院内镜科倪晓光

1. 间接喉镜(indirect laryngoscope)

间接喉镜是由西班牙一名声乐教师Manuel García于1854年发明,成为历史上观察到自己喉部结构第一人,被称为“喉镜之父”。随后这项技术被一位维也纳大学神经病学家Ludwig Türck教授所注意,并对间接喉镜进行了设计和改进,但由于方法不当,没能够很好的应用于喉部检查。1858年当时在波兰克拉科夫(Krakow)工作的生理学教授Johann Nepomuk Czermak来到维也纳度假,听说了Türck设计的间接喉镜,非常感兴趣,于是从Türck教授那里将间接喉镜借走,在自己的试验室使用Türck设计的间接喉镜来重复García的检查方法,由于方法得当,取得了成功,并在病人身上得到了应用,随后又设计通过凹面头镜聚光来观察喉部,提高了这项技术的实用性,迅速在临床上得到了推广。后来Czermak又设计了可以由鼻咽腔观察鼻腔后壁的后鼻镜,这种通过镜面反射作用观察到喉部、鼻咽部及鼻腔后部的间接喉镜,作为耳鼻咽喉科的一种最常用而简便的检查器械一直延续到现在。

2. 直接喉镜(direct laryngoscope)

随着医学的不断进步,这种利用镜面反射间接观察喉部的方法已不能满足临床上的需要。1895年,德国内科医生Alfred Kirstein对硬性食管镜进行了改进,发明了一种能够直接观察到喉部检查器械,称为“autoscope”,开辟了直接喉镜临床应用的先河。1906年,美国的Chevalier Jackson结合了硬性内镜和电灯照明设计制造出著名的Jackson式直达喉镜,以Jackson内窥镜为基本原理的各式硬性喉内镜应用了近半个世纪。由于最初的直接喉镜需要检查者用一只手提喉镜柄,才能使直接喉镜固定在某一位置,1910年德国医生Gustav Killian设汁和介绍了一种原始的悬吊喉镜(suspension laryngoscopy),改变了手工提举喉镜费力且不能持久的局面,使外科医生的双手解放出来,从而为20世纪中期逐步开展的显微喉镜手术奠定了基础。1961年德国医生Oskar Kleinsasser发明支撑喉镜(self-retaining laryngoscope),利用放在胸部的一种支撑装置,将硬性喉镜伸入咽喉部并固定,能够很好的显露出喉内的结构,这种原始的支撑喉镜设备随后得到逐步完善并在临床上得到快速推广应用,通过联合应用光源、摄像头、显微镜等设备,可以放大观察喉部影像并进行手术操作。到了1970年,美国医生Jako对支撑喉镜进一步改良,率先将激光技术引进喉部手术。直接喉镜属于硬性内镜的范畴,通过硬管在外部直接观察无论从图像的清晰度还是光线的亮度上受到了很大的制约。随着20世纪60年代后 Hopkins-玻璃纤维-杆状透镜光学系统得到成熟和发展后,出现了光线亮度和图像清晰度明显提高的硬性喉内窥镜,其与直达喉镜结合应用后,大大促进了喉部检查和显微外科技术的发展,这种技术一直延续使用到现在。

3.       动态喉镜(strobolaryngoscope)

动态喉镜又称为频闪喉镜,是一种用来观察声带振动和黏膜波传播的电子仪器。1878年德国内科医生Max Joseph Oertel将工业上用的频闪仪创新性的应用在声带研究中,他使用频闪仪提供的光源代替普通光源,并使频闪光源的频率与音频一致,首次在体内观察了人类声带的“慢速”振动,实现了真正意义上的动态喉镜检查。早期的动态喉镜缺少足够亮度的照明,进入二十世纪,卤素灯的引入解决了检查中的光源问题,动态喉镜下的成像效果越来越好。现代频闪喉镜的开创者主要有格罗宁根大学的Janwillem van den Berg、汉堡大学的Rolf Timke 、加州大学的Hans von Leden和美国医生Elimar Schonharl,他们在1960年首先确定了动态喉镜检查的内容和各种操作方法。1975年Hirano将声带组织学研究与声带发音的生理功能紧密结合起来,提出了著名的声带黏膜体层-被覆理论,开创了嗓音学研究的新时代。动态喉镜是观察声带黏膜波的重要工具,促进了嗓音学研究的迅速发展。随着技术及设备的进步,目前的动态喉镜系统由频闪光源、内镜、麦克风、摄像系统及显示系统组成。频闪喉镜的观察可以通过硬性内镜也可以通过软性内镜进行观察,每种内镜都有自己的优点和缺点。

4.       纤维喉镜(fibrolaryngoscope)

硬性喉镜在局麻检查中有一定的局限性,人们希望用可弯曲的软管内镜以减少检查过程中病人的痛苦和降低并发症。光导纤维的发展,为硬性不可弯曲内镜变为可曲性内镜提供了基础。20世纪50年代初,荷兰的Heel和美国Brien相继将玻璃纤维制成束状,使光线能通过每根纤维向前透射。1954年英国Hopkins和Kapany又按光学原理将玻璃纤维有规则的排列成束,制造出了用于体腔观察的内镜,并称之为纤维镜(fibroscope)。1957年美国消化科医生Basil Hirschowitz与其他人合作发明了第一根胃十二指肠纤维镜(gastro-duodenal fibroscope)。但在当时,内镜的照明是靠安装在内镜顶端的小电灯泡来完成的,亮度有限,不能够有效地进行图像的观察和记录。为了克服这一缺点,日本的Shigeto Ikeda设想通过玻璃导光纤维将外部更亮光源的光线传送到内镜的前端,从而取代安装于前端的小灯泡,于1964请求Machida公司生产出了世界上第一台纤维支气管镜的原型。1966年日本生产出真正意义上的纤维支气管镜。纤维喉镜的发展落后于纤维消化内镜和纤维支气管镜,1968年日本东京大学言语与嗓音医学研究所的Sawashima和Hirose首先报道了用于喉部检查的纤维喉镜。20世纪80年代后,纤维喉镜的目镜部分与摄像机连接,组合成电视纤维喉镜,可将病变放大并在电视屏幕上实时显示病变的图像或手术过程,改变了过去医师单人窥视及治疗的状态,能够提供多人同时观察,便于示教。纤维内镜的出现宣告软性内镜时代的到来,使内镜下的检查及治疗进入一个新的篇章,成为临床上非常重要的诊断工具。

5. 电子喉镜( electronic laryngoscope)

电子内镜是继硬性内镜和纤维内镜之后出现的新一代软管内镜,被认为是内窥镜发展史上的一个重要里程碑事件。电子内镜的出现与计算机和微电子技术的发展密不可分。1983年美国Welch Allyn公司研制并应用微型图像传感器——电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)代替了纤维内镜的光导纤维导像束,宣告了电子内镜的诞生。1984年在日本的消化疾病周大会上,富士公司发布声明,研制出日本国内第一套电子内镜。日本在电子内镜的研发上处于世界的领先水平,随后日本的奥林巴斯(Olympus)公司、潘太克斯(Pentax)公司等相继生产出电子胃镜、电子肠镜及电子支气管镜,广泛应用于临床上。由于鼻咽喉部各器官解剖结构的特殊性,需要非常纤细的管径才能通过鼻腔再探查到咽喉部,而20世纪80年中后期生产的集成电路微型摄像机体积偏大,不能经鼻腔置入。到了20世纪90年代初,微型计算机集成电路的生产能力逐渐成熟,日本的Asahi Optical公司于1993年首先生产出外径为4.9mm的电子鼻咽喉镜(Pentax VNL-1530)。日本东京都立大冢病院(Tokyo Metropolitan Ohtsuka Hospital)的耳鼻喉科医生Kawaida于1994年首先报道了该内镜的使用情况,并与纤维喉镜做了对比,认为电子喉镜的图像要明显优于纤维喉镜。1995年Asahi Optical公司又推出了带活检孔道的治疗性电子鼻咽喉镜Pentax VNL-2000。随后Kawaida于1998年和2002年又报道了更为纤细的内镜前端为4.1mm的电子鼻咽喉镜(Pentax VNL-1330)和内镜前端为3.9mm电子鼻咽喉镜(Olympus ENF-240)的临床应用情况,从此电子鼻咽喉镜基本接近成熟状态,并朝着更加纤细、更加高清的方向发展和完善。

6. 未来方向

电子喉镜在临床上主要发挥诊断和微创治疗的作用,在未来的发展过程中也主要围绕这两方面来加强和提高。喉镜检查常规都从鼻腔进镜,因此要求镜身纤细、柔软,目前先端部最细的电子喉镜是2.9mm,先端部最细的纤维喉镜是1.8mm,但这两款内镜都没有活检孔道,只适合检查,不能够活检及治疗。在未来的发展过程中,应推出带活检孔道的纤细喉镜,以满足临床上检查及治疗一体化的需要。为了方便门诊和急诊的患者,喉镜的主机、光源及图像显示方面需要进一步简化,以提高电子喉镜整体的便携度,来满足临床上的一些特殊需要。

内镜是观察空腔脏器黏膜最直接有效的手段,因此加强对黏膜表面的观察是电子内镜发展的重点。其中高清和放大是电子喉镜需要逐步实现和发展的一个方向,目前消化内镜已经具有附有变焦镜头的放大内镜,放大倍数介于肉眼和显微镜之间,与实体显微镜所见相当,可清晰显示消化道黏膜的腺管开口形态的变化,提高癌前期病变的检出率。Pentax激光共聚焦显微内窥镜(confocal laser endomicroscopy)是将电子内窥镜和共聚焦显微镜相结合,放大倍数可达1000倍,分辨率为0.7微米,观察深度可达250微米,能够进行细胞水平的组织学成像。另一方面,近些年来又集中出现了一些具有特殊光学变化的内镜,代表性的是Olympus公司的窄带成像内镜(narrow band imaging,NBI)和自发荧光内镜(auto-fluorescence imaging,AFI),Fujinon公司的富士智能分光比色内镜(Fuji intelligent colour enhancement,FICE)和Pentax公司的I-Scan内镜等,这些技术的特点是能够鲜明的增加病灶与背景之间的对比效果,明显提高临床上微小和浅表的早期癌性病灶的检出能力。目前Olympus公司的具有NBI功能电子喉镜在临床上应用较多,明显的提高了鼻咽喉部恶性肿瘤的早期诊断能力,其他一些成熟的光学染色内镜技术将陆续会整合到电子喉镜上,使电子喉镜在诊断方面出现明显的进步。

常规内镜的光学作用只能观察黏膜表面的情况,无法探查到管壁层次结构或黏膜以外的情况,超声内镜(endoscopic ultrasonography,EUS)的出现解决了这个问题,开拓了内镜诊断和治疗的新领域。超声内镜同时具有内镜和超声波的双重功能,微型高频超声探头安置在内镜的前端,通过向人体组织表面发射超声波后,对人体各组织层次之间的回声信号进行识别,来获得管壁各层次的组织学特征及周围邻近结构的超声图像。目前消化内镜的超声内镜和支气管镜的超声内镜已经在临床上得到了广泛应用,还没有专门整合在电子喉镜上的超声内镜,最细小的超声内镜前端外径是6.9mm,通过鼻腔有一定困难,期待公司能够推出更细小的超声内镜以便用于鼻咽喉部疾病的诊断上。

参考文献

[1] 周水淼. 电子喉镜和纤维喉镜诊断治疗学. 第1版. 上海: 上海第二军医大学出版社, 2002.

[2] 李强. 呼吸内镜学. 第1版. 上海: 上海科学技术出版社, 2003.

[3] Snow Jr JB, Wackym PA. Ballenger耳鼻咽喉头颈外科学. 第17版. 李大庆主译. 北京: 人民卫生出版社, 2012.

 作者单位:100021 中国医学科学院 北京协和医学院肿瘤医院内镜科

通讯作者:倪晓光 Email:nixiaoguang@126.com

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