O2E膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)用于無標(biāo)記、高分辨率地檢測巴雷特食管及其瘤變

該重要研究由Qian Li、Zakiullah Ali、Christian Zakian等研究人員共同完成，研究成果發(fā)表于《Nature Biomedical Engineering》期刊。這項工作經(jīng)過五年開發(fā)周期完成的重要臨床前研究，為下一代內(nèi)窺鏡檢測技術(shù)奠定了堅實基礎(chǔ)。

重要發(fā)現(xiàn)
01技術(shù)原理與成像機制
O2E膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)整合了兩種互補的光學(xué)成像技術(shù)：光學(xué)相干斷層掃描(OCT)和光聲成像(OAI)。OCT主要基于組織微觀結(jié)構(gòu)界面折射率差異來呈現(xiàn)形態(tài)學(xué)特征，成像深度可達(dá)2.5毫米，軸向分辨率達(dá)到10微米。光聲成像則基于組織內(nèi)光學(xué)吸收體的非侵入式可視化，采用532納米波長激光，對血紅蛋白具有高吸收特性，能夠提供全新的對比機制。

研究團(tuán)隊研發(fā)的空心球形超寬帶鋰鈮酸鹽超聲換能器是O2E系統(tǒng)的核心元件，中心頻率為68.5兆赫，-6分貝帶寬達(dá)到100兆赫。這種設(shè)計使得光聲成像的軸向分辨率達(dá)到17微米，橫向分辨率為30微米。膠囊通過微型電機驅(qū)動換能器組件進(jìn)行360度 circumferential成像，同時通過回拉膠囊產(chǎn)生螺旋式掃描，實現(xiàn)對組織段的三維成像。

隨后進(jìn)行的臨床試點研究納入了14個來自10名患者的 endoscopic mucosal resection (EMR)標(biāo)本，這些標(biāo)本被懷疑患有巴雷特食管瘤變。研究人員通過組織釘標(biāo)記實現(xiàn)了O2E成像與組織病理學(xué)的精確關(guān)聯(lián)，共分析了61個感興趣區(qū)域(ROI)，涵蓋正常黏膜、胃化生、腸化生、異型增生和黏膜內(nèi)癌等各種黏膜類型。

特別值得注意的是，光聲成像揭示了不同黏膜類型間血管分布模式的顯著差異。正常黏膜僅包含上皮層以下的深部血管，而柱狀化的異常黏膜在其上皮層內(nèi)具有密集的血管分布。定量分析顯示，異常ROI中的血管深度顯著淺于正常ROI(P < 0.001)。

在en face成像中，OCT在100-200微米深度生成的圖像顯示了正常和異常黏膜間上皮模式的明顯對比。正常食管黏膜呈現(xiàn)均勻上皮，而異常黏膜則顯示明顯不同的不均勻上皮。高頻段光聲成像結(jié)合深度編碼方案，能夠以綠色和黃色顯示0-0.3毫米深度的上皮血管，以紅色和洋紅色顯示更深組織中的血管，異常黏膜因其柱狀上皮中密集的血管分布而得到突出顯示。

創(chuàng)新與亮點
01突破性技術(shù)難題
O2E膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)解決了當(dāng)前內(nèi)窺鏡檢測中的多個關(guān)鍵技術(shù)難題。傳統(tǒng)白光內(nèi)窺鏡即使結(jié)合靶向活檢，也難以檢測早期瘤變，隨機四象限活檢協(xié)議會漏檢30%-50%的早期瘤變病變�，F(xiàn)有的染色內(nèi)鏡、窄帶成像和共聚焦激光內(nèi)鏡等技術(shù)都存在視野小、檢查時間長、僅能獲取淺表對比等局限性。

O2E技術(shù)的創(chuàng)新之處在于將兩種互補的成像模式集成于一個僅12.5毫米直徑的膠囊中，實現(xiàn)了深度分辨的橫截面和en face食管成像。特別是研究的超寬帶換能器設(shè)計，使光聲成像的分辨率-深度比超越了其他光學(xué)模態(tài)，在成像食管瘤變所需的幾毫米深度范圍內(nèi)，分辨率與OCT相當(dāng)。

這一性能達(dá)到了美國胃腸內(nèi)鏡學(xué)會為替代隨機活檢的監(jiān)測新技術(shù)設(shè)定的閾值(每患者靈敏度≥90%，特異性≥80%)。特別值得注意的是，光聲成像能夠解密腫瘤血管模式，這對于區(qū)分黏膜內(nèi)癌和胃化生類型2至關(guān)重要，而僅靠OCT難以區(qū)分這兩種情況。

膠囊的可消毒重復(fù)使用特性降低了篩查成本，而無需鎮(zhèn)靜劑的吞咽耐受性(與現(xiàn)有OCT膠囊相當(dāng))進(jìn)一步增強了其臨床轉(zhuǎn)化潛力。深度超過1毫米的成像能力非常適合早期癌變形態(tài)學(xué)和功能特征的體積研究，未來可能擴展到可視化食管癌病變浸潤的能力。

總結(jié)與展望
本研究開發(fā)的O2E膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)代表了內(nèi)窺鏡成像技術(shù)的重要進(jìn)步，通過結(jié)合光學(xué)相干斷層掃描和光聲成像的優(yōu)勢，為巴雷特食管瘤變的檢測提供了快速、無標(biāo)記、高分辨率的三維成像解決方案。該技術(shù)不僅解決了當(dāng)前臨床檢測中的關(guān)鍵局限性，還展示了優(yōu)異的診斷性能，達(dá)到了替代隨機活檢的臨床標(biāo)準(zhǔn)。

未來研究將聚焦于多項技術(shù)優(yōu)化：采用全光學(xué)超聲檢測的新型微型化探測器可能進(jìn)一步減小膠囊尺寸；增加多波長照明將實現(xiàn)組織色團(tuán)分化，通過測量血紅蛋白氧飽和度繪制缺氧圖；膠原蛋白映射可能揭示癌癥相關(guān)的膠原重塑過程。此外，良好的膠囊與食管壁接觸機制、遠(yuǎn)端縱向掃描機制以及對不同食管尺寸的適應(yīng)性都是臨床主流應(yīng)用需要考慮的關(guān)鍵因素。

O2E技術(shù)具有轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)、微創(chuàng)的巴雷特食管篩查和監(jiān)測工具的潛力，有望顯著提高早期食管腺癌的檢測率，最終改善患者預(yù)后和生存率。隨著進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化和臨床驗證，這一創(chuàng)新成像平臺可能成為消化道疾病診斷的重要工具。

DOI:10.1038/s41551-025-01462-0.