内镜窄带成像：技术基础和研究与发展历史

描述

窄带成像（NBI）于2005年推出。此后，在进行胃肠内镜检查的大多数国家中，NBI是执行图像内窥镜检查的常用光学数字方法。由于许多内镜医师的出色努力，已经进行了许多临床研究并收集了临床证据。在日本，自2010年以来，NBI已根据日本国家健康保险制度获得报销。这是由于医师建立了临床证据。但是，即使具有NBI功能的内窥镜系统在日本以外已经被广泛使用，但是关于如何使用NBI的知识的传播还是不够的。在这篇综述文件中，描述了NBI的技术基础及其研究和发展历史。

介绍

窄带成像（NBI）是图像增强内窥镜的光学数字方法。NBI于2005年推出。此后，在大多数进行胃肠内镜检查的国家中，NBI是执行图像内窥镜检查的常用光学数字方法之一。在这篇综述文件中，描述了NBI的技术基础及其研发（R＆D）历史。我相信这些信息可能有助于更新医师对NBI的了解。

窄带成像的技术基础

NBI系统配置如下图1所示。在光源单元中，将NBI滤镜放置在氙气灯和红绿蓝旋转滤镜之间。光线在光轴上进出，照明的光谱可以从宽带蓝，绿和红转换为窄带蓝和绿，如上图和下图所示。图。1。人舌膜的图像显示在图2。左图和右图分别在常规白光和NBI下拍摄。在NBI图像上，粘膜表面的细毛细血管网络外观为褐色，而厚的血管为青色外观。由于NBI独特的颜色分配规则，NBI的彩色图像具有与传统图像不同的色彩还原。如图所示图3在中心波长照明下以415 nm拍摄的窄带蓝色图像具有观察显示的蓝色和绿色通道。在中心波长为540 nm处拍摄的窄带绿色图像被分配给显示器的红色通道。该颜色分配规则是对毛细管网络具有增强作用的规则。

图1

窄带成像（NBI）系统配置。WLI，白光成像。

图2

人舌的膜。（A）白光图像，（B）窄带成像。

图3

窄带成像的颜色分配。

波粒二象性是光的特征之一。作为波的光具有一定的波长，这意味着每个波的峰之间的距离。可见波长范围为400至700 nm。视觉上将不同的波长视为不同的颜色。通常，饱和度随波长而变化。带宽较窄的蓝光与带宽较宽的蓝光相比更为生动，因为当光包含更多波长时，饱和度会降低。带宽在400到700 nm之间的光具有白色。

有趣的是，不同的波长在生物组织中具有不同的行为。在光学混浊介质中，会发生光散射。当光撞击诸如复杂蛋白质，细胞器和细胞结构之类的小颗粒时，其光能会三维扩散。这称为光散射。当存在大量粒子时，由于散射光通过撞击另一个粒子而再次散射，因此会发生多重散射。由于这种光散射，即使有光通量，光也会扩散地传播。光与活组织之间的相互作用的示意图如图4所示。

图4

在组织中的散射和吸收。

当光进入生物组织时，有些会从表面反射出来，有些会在体内扩散。在光和小颗粒（例如组织中的细胞核，细胞器和细胞核）之间会发生多重散射。结果，光通过组织扩散地传播。光的传播取决于其波长。尽管红光由于其长波长而广泛而深入地扩散，但是具有短波长的蓝光却以较小的范围扩散。一部分散射光被血液吸收。准确地说，血红蛋白吸收蓝光和绿光。血红蛋白是发色团的一种。因此，胃肠道粘膜的颜色主要由血红蛋白决定。如上所述，NBI在中心波长窄带照明中使用415和540 nm。这些中心波长与血红蛋白的两个吸收峰匹配。由于强烈的散射和吸收，蓝色窄带照明可以很好地显示毛细管网络。

研究与发展历史

1999年5月，NBI的想法被构想。为了确认NBI的可行性，使用能够产生光谱图像和高功率光源的多光谱相机进行了研究。我自愿参加了测试。研究表明，使用415 nm窄带光可以改善毛细管图像的对比度，而传统白光很难观察到这些图像。使用NBI产生的一张活组织图像图5所示。然后，与美国东部国家癌症中心医院的佐野博士合作，开始开发NBI内窥镜系统。1999年12月14日，基于使用NBI原型进行的研究，我们证实了该技术是用于内窥镜检查中空粘性粘膜（包括结肠，胃和食道）的有前途的技术。我们不仅通过与日本内窥镜专家合作，而且还通过与各地的合作，通过提高原型的能力来开发产品。EXERA II（OLYMPUS CLV-180 EVIS EXERA II氙灯冷光源，OLYMPUS CV-180 EVIS EXERA II视频系统中心）和EVIS LUCERA光谱仪（OLYMPUS CLV-260SL EVIS LUCERA光谱氙气光源，OLYMPUS CV-260SL EVIS LUCER分别于2005年和2006年推出了CENTER（奥林巴斯，日本东京）。

图5

人舌黏膜的415 nm窄带成像

自一代NBI投放市场以来，奥林巴斯研发部一直致力于改善NBI的性能。一代NBI在亮度上有局限性：在胃部观察时，内窥镜的远端需要小心地前进到粘膜以在NBI模式下获得足够的亮度。这种不足的亮度不利地影响了内窥镜的可操作性。为了克服此限制，我们进行了各种修改以增加NBI的亮度。我们开发了高强度放电灯，增强了光源中镜头的亮度，提高了图像传感器的灵敏度，并在处理器中进行图像处理以降低噪音。由于从内窥镜尖端到光源和信号处理器，在系统的各个部分进行了这些修改，因此第二代NBI能够提供比传统NBI高出两倍半的亮度。一代NBI并能在管腔中获得两倍的可视距离。一代（图6A）和第二代NBI（图6B）图6所示。

图6

窄带成像（NBI）的测试模型图像。（A）一代,（B）二代NBI。

结论

自1999年开发以来，NBI仍在不断发展。我们，奥林巴斯的研发部门，正在提高质量，以提高易用性。在了解光学组织特征和医师需求的情况下，必须以逐步的方式不断改进市场可用的医疗设备。NBI正在使用这种范例进行开发。当然，下一个创新应该与NBI不同。这似乎不是一件容易的事。但是，挑战现状很有价值。