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举个栗子:光学技术帮助肠胃诊断?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-16) 273次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:光学技术帮助肠胃诊断?

影像技术和内镜技术都是将人的肉眼无法直接看到的东西,通过 X 射线、超声波或者光纤技术展现到医生跟前,使医生不再需要隔着肚皮猜瓜。诊断的精确度是传统的问病史和查体无法相比的。现代医学对胃肠病诊断水平的提高,离不开光学技术的进步。

光学技术提高内镜诊断水平的主要途径之一是提高分辨率。熟悉摄影的都知道分辨率对照相机意味着什么,对内镜来说分辨率也是至关重要。同一幅内容的数码图片,分辨率高的就可以打印的更大一些,而分辨率低的则只能打印的小一点。所以婚纱摄影店的图片分辨率都要很高,这样印成海报大小的时候还会很清晰,如果是普通卡片机拍的,打印成海报大小就会出现马赛克。如果对摄影一窍不通,总还从网上下过电影吧?动辄数十 G 的高清电影,和视频网站上所谓的标清电影总能分出不同来吧?其实内镜诊断和电影更像,因为内镜诊断都是在实时动态观察中得出的,存储下来的图像只是视频截图,更多是用来写文章或者开会演讲用的。

内镜分辨率越高,就能够展现更多的细节,细节对胃肠病的诊断有什么用呢?用处太大了。关注过前面关于早期胃癌诊断方面文章的朋友,应该已经知道:做胃镜的一个重要意义是发现还没有症状的早期胃癌。而早期胃癌相对进展期的胃癌,面积更小,表面和周围正常粘膜基本平行,既不明显隆起也不明显凹陷。但是如果仔细看,就会发现这个地方和周围不太一样。怎么不一样?是胃小凹不一样。从胃镜下看,胃粘膜是非常光滑的,但放大了看,或者分辨率足够高的时候,就会发现其实一点也不光滑,有很多规则排列的凹陷的小孔,或者突起的像鹅卵石一样的结构,这就是正常的胃小凹。而早期胃癌的胃小凹因为癌细胞的侵犯,胃小凹变得很不规则,甚至完全消失。如果用老式的胃镜,分辨率比较低,就可能发现不了这样细微的变化。而新式的高分辨率的胃镜,再配上一个大的显示屏,胃小凹分毫毕现。这样的变化自然更容易发现。第一次用高分辨率内镜的感觉,就像我第一次看高清压制的《王者归来》,居然发现每个兽兵脖子上都系着一条恶心的领巾,之前看过多次普通 DVD 压制的都没有注意。

放大内镜则是在高分辨率内镜基础上发展起来的。不过有的高分辨率内镜装备了,大部分却没有装备。高分辨率内镜是自动对焦的,随着目标和镜头的远近自动调焦,保持影像清晰。想看到更清晰的细节就得靠的近些,但靠的过近,自动调焦就无法实现了,就需要固定一个焦距。放大内镜在靠的很近时会启动另外一个固定焦距,这个焦距是不能自动调节的,所以往往需要加一个透明帽,顶到胃粘膜上时,使粘膜和镜头保持一个固定的距离。

提高分辨率的方法,主要是依靠的镜头的改进。和数码相机像素值的飞速提高一起,内镜镜头的像素值也是一再提高。已经从最初的几十万,到如今的数百万像素。但内镜提高分辨率还有一个途径,就是光源。要观察人体内部,必须提供足够的光源,要不然漆黑一片,别说诊断疾病,连进都进不去。内镜的光源由适当强度的红、绿、蓝三色光源混合得到的白光,胃粘膜各层对三色光的吸收率和反射率不同,就形成了图像。人体粘膜组织本质上是无色的,有颜色是因为血液里血红素的原因。这三种色光里,红色光的波长最长,穿透力最强,蓝色波长最短,穿透力最弱。波长越短,产生的像素点越小,单位面积内像素数量越多,也就是分辨率越高。基于这样的原理,奥林巴斯公司率先发明了窄带成像技术。在内镜射入光源时,可以由白光切换成单色的蓝光,也就是把光谱的带宽限定在一个较窄的范围内。这样一来虽然亮度降低了,但却提高了分辨率。

但是窄带成像的意义还不仅于此,这就涉及到光学的另一个方面,那就是对比度。什么是对比度?有什么意义?举个例子,下面两张图里,每张都有一百个点。如果问你第一张图里,各有多少个红色的和蓝色的,可能一时难以回答,得仔细去数。但如果是第二张,我们很容易就知道红蓝各有一半,各是 50 个。这因为将小点分类整齐排列之后,把混乱排列变成分层,消除了彼此之间的干扰。使用白光可以获得与自然状态下相一致的影像,但因为各种色光的光穿透力不同,深层和浅层的信息混合在一起,可能掩盖一些细节。将入射光源光谱缩窄之后,光线仅能达到浅层,这样浅层的细节没有了深层的干扰,就更加清晰的展现出来。而胃小凹的改变就在浅层。

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进入 21 世纪之后,内镜技术第一次使用了激光作为射入光源。其实这也不算什么新东西,只不过把一种实验室里常用的显微镜,叫做激光共聚焦显微镜微型化以后和内镜整合在了一起。为什么要用激光?我们需要先了解激光的特性。第一,激光相比普通光,可以更加精确的到达投射部位,而很少有发散。第二,激光的光谱的频率更加单一,一次激发的激光色更纯,可以获得更小的像素点。依靠第一个特性,可以对观察的粘膜组织进行逐层的扫描,扫描的厚度可以达到仅有几个微米。这样做有什么意义呢?意义和病理检查一定要做切片一样。因为人体组织不透明,所以成块看只能看到表面,要分析内部,切成一个个薄片,达到可以透光的程度,把立体的组织转换成二维图像,就可以观察了。而依靠第二个特性,可以把分辨率提高到更高的高度。放大内镜只能放到到一百多倍,再放大就会出现马赛克,而共聚焦显微内镜则最大可以放大五百到一千倍,这已经达到甚至超过了普通显微镜检查的放大倍数了。别说胃小凹,连细胞、微血管都可以清晰显示。现有的高速扫描的探头式共聚焦显微内镜,甚至可以显示红细胞在微血管里滚动的动态视频。这以前只在科教片里看过。尽管大家对共聚焦显微内镜在临床上究竟能够起到多大作用还有疑问,但这无疑是当前光学技术在内镜检查中展现的极致了。

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如果说镜头和光源的技术是为胃病诊断提供了弹药,那现代光纤传输技术则是将这些弹药发射的工具。前面已经说过,人的胃肠道内漆黑一片,如果要看清必须要有光源。光纤技术之前,无论是摄入的光还是反射出来的光只能沿直线传播,所以内镜只能是直的,做胃镜就像江湖表演吞剑一样,要病人头用力后仰,极度痛苦还不安全。肠镜?连想都不敢想。随着光纤技术的应用,光线可以沿着弯曲的镜身无损传播,软管式的内镜才能成为现实。除了消化内镜,支气管镜、膀胱镜等等也都是得益于光纤技术。

当然,光学技术只是作为一个工具。要诊断疾病,还要依靠医生的主观判断。比如表面微细结构的变化,不管是胃小凹,还是结肠隐窝,从正常、炎症、癌前病变到癌症都有规律可循。这些规律是在理解病理学的基础上,经过专业人员长期的观察总结出来,再通过学术会议、培训和论文发表,被全世界的内镜医生学习和掌握,同时在实践中进行验证。当大家发现这些规律确实可行的时候,就变成教科书和指南中的文字。如果不可行,不管吹的再响,有多少高官支持,拿到国家级奖,依然会被大多数临床医生所抛弃。

(作者:lw56102,健康中国人网总编、科普作者)


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