概述

軟性電子內(nèi)窺鏡體現(xiàn)了30多年來固態(tài)成像和機械設(shè)計方面的不斷改進。市面上有許多不同的型號，每種型號的功能略有不同，并且都針對其設(shè)計用于檢查的胃腸道（GI）部位進行了優(yōu)化。盡管已經(jīng)提出了內(nèi)窺鏡控制部分的替代設(shè)計（例如“手槍式握把”），但自軟性內(nèi)窺鏡首次推出以來，該儀器的基本形狀和布局相對沒有變化。所有軟性電子內(nèi)窺鏡的基本組件和控制裝置都非常相似（圖3.1）。

軟性內(nèi)窺鏡的工作原理及結(jié)構(gòu)圖

圖3.1 標準軟性內(nèi)窺鏡的基本組成部分。

 

該儀器設(shè)計為由內(nèi)鏡醫(yī)師用左手握持和操作。一些醫(yī)師用左手食指交替控制吸力閥和氣/水閥，其余手指握持儀器。另一些醫(yī)師用左手食指控制吸力閥，中指控制氣/水閥，無名指和小指握持儀器。上下角度旋鈕由醫(yī)師的左手拇指操作。左右角度旋鈕由左手拇指和食指和中指或右手控制。內(nèi)鏡醫(yī)師的右手主要用于控制插入管——根據(jù)需要推入、扭轉(zhuǎn)和拔出。

 

插入管

內(nèi)窺鏡的插入管是胃腸病學內(nèi)窺鏡的主要區(qū)別特征。雖然內(nèi)窺鏡的應用存在明顯的差異（例如，腸鏡的超長長度、經(jīng)鼻食管鏡的細長），但不同內(nèi)窺鏡型號之間的細微差別也同樣重要。對于結(jié)腸鏡尤其如此；雖然內(nèi)窺鏡醫(yī)師可能出于各種原因偏愛使用特定結(jié)腸鏡型號，但儀器的插入管特性最有可能促使內(nèi)窺鏡醫(yī)師選擇特定的結(jié)腸鏡作為首選儀器。如果說儀器的任何單一規(guī)格能夠決定內(nèi)窺鏡醫(yī)師插入儀器的速度和難易程度，那就是插入管的機械特性。

內(nèi)窺鏡制造商已投入大量精力來改進插入管的結(jié)構(gòu)和選擇理想的材料。圖 3.2顯示了典型結(jié)腸鏡的內(nèi)部組件。插入管通常包含 (1) 用于抽吸（活檢）、空氣和供水的管；(2) 通常還有一根用于向前噴水的附加管；(3) 四根角度控制線；(4) 細電線，用于將內(nèi)窺鏡先端的電荷耦合器件 (CCD) 圖像傳感器連接到視頻處理器；(5) 精細玻璃纖維，用于將光源發(fā)出的光傳送到內(nèi)窺鏡的先端。帶有可調(diào)節(jié)插入管柔韌性的結(jié)腸鏡有一個附加組件——張緊線，用于控制插入管的硬度。十二指腸鏡還有一個額外的線/線圈護套，沿著插入管的長度延伸，用于控制鉗子升降器的上下位置（見后面的討論）。內(nèi)窺鏡設(shè)計師的任務(wù)是將所有單個組件封裝到盡可能小的空間內(nèi)，同時確保組件能夠自由移動，避免在使用過程中因扭轉(zhuǎn)和彎曲而損壞較脆弱的元件（CCD導線、光纖線）。所有內(nèi)部組件均涂抹干粉潤滑劑，以減少插入管操作過程中組件之間相互施加的應力。

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圖 3.2 可變硬度結(jié)腸鏡的內(nèi)部組件。

 

插入管靈活性

如前所述，插入管的操作特性極其重要，特別是對于結(jié)腸鏡而言。為了便于插入，器械必須能夠準確傳遞內(nèi)鏡醫(yī)師施加的所有細微動作和扭矩。內(nèi)鏡醫(yī)師施加于桿身近端的任何旋轉(zhuǎn)（扭矩）都必須以 1:1 的比例傳遞到器械的先端，但當器械成環(huán)時，這種能力就會喪失。器械的扭轉(zhuǎn)能力由位于插入管表皮下的扁平螺旋金屬帶提供（見圖3.2）。由于這些金屬帶以相反的方向纏繞，因此在扭轉(zhuǎn)管子時它們會相互鎖定，從而將管子一端的旋轉(zhuǎn)準確地傳遞到另一端。同時，這些螺旋金屬帶之間的間隙使桿身能夠自由彎曲。金屬帶還使插入管呈圓形。它們的硬度可防止插入管的內(nèi)部組件被外力壓碎。這些螺旋帶由細絲不銹鋼絲包裹，編織成管狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。一層塑料聚合物層（通常為黑色，結(jié)腸鏡上為深綠色）被擠壓覆蓋在金屬絲網(wǎng)上，形成插入管的光滑外表面。聚合物層為插入管提供了無創(chuàng)、生物相容且防水的表面。通常，插入管上會標有數(shù)字，用于測量插入深度。

經(jīng)驗表明，對于檢查上消化道的固定解剖結(jié)構(gòu)，更堅固的插入管是最佳選擇。結(jié)腸曲折且環(huán)狀物自由移動，因此最好使用更靈活的器械進行檢查。該器械應足夠柔軟（非剛性），以便輕松貼合患者曲折的解剖結(jié)構(gòu)，并將對結(jié)腸壁及其附著的腸系膜施加的力降至最低。該器械還應具有足夠的柱強度，以防止在推動器械近端時發(fā)生彎曲。除了靈活性之外，結(jié)腸鏡還應具有足夠的彈性，以便在拉回時彈回至伸直狀態(tài)；這有助于移除環(huán)狀物。

獲得柔韌性、彈性、柱強度和扭轉(zhuǎn)能力的最佳組合是插入管設(shè)計的藝術(shù)和科學。其中一個特性的改進往往會對其他一個或多個特性產(chǎn)生負面影響。最終設(shè)計通常是這些理想特性之間的折衷，并經(jīng)過數(shù)月的臨床試驗驗證。為了進一步改善插入效果，胃鏡和結(jié)腸鏡插入管的柔韌性通常兩端不同。如圖 3.3所示，結(jié)腸鏡插入管先端 40 厘米處的柔韌性明顯高于近端部分。這種柔韌性的變化是通過在制造過程中改變導管外層聚合物的配方來實現(xiàn)的，因為導管外層聚合物是在金屬絲網(wǎng)上擠壓成型的。如圖 3.4所示，擠出機包含兩種樹脂，其中一種明顯比另一種硬。最初，當插入管先端穿過機器時，會在金屬絲網(wǎng)先端 40 厘米處涂上一層柔軟的樹脂。在靠近導管中部的過渡區(qū)內(nèi)，這種柔軟的樹脂逐漸被堅硬的樹脂所取代。插入管的近端部分（50 至 160 厘米）僅由硬樹脂制成。1最終結(jié)果是插入管具有柔軟的先端部分，可以無創(chuàng)傷地蜿蜒穿過曲折的結(jié)腸，而較硬的近端部分可以有效防止結(jié)腸鏡已經(jīng)拉直的部分重新形成環(huán)路。

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圖 3.3 插入管硬度的示意圖。注意變化——先端 40 厘米的插入管更靈活。注意器械處于“硬”設(shè)置（虛線）時，以及處于“軟”設(shè)置（實線）時，硬度有所增加。

 

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圖3.4 插入管蓋的組成。

 

可調(diào)節(jié)的靈活性

臨床經(jīng)驗表明，內(nèi)鏡醫(yī)師對于理想的插入管形狀常常存在分歧。這種分歧可能源于培訓、插入技術(shù)或既往經(jīng)驗的差異。此外，一些內(nèi)鏡醫(yī)師表示希望在手術(shù)過程中根據(jù)插入深度或患者的解剖結(jié)構(gòu)來改變插入管的特性，這促使人們開發(fā)出一種硬度可調(diào)的插入管。

可調(diào)節(jié)硬度的結(jié)腸鏡具有沿著插入管長度延伸的張緊線（見圖3.2）。通過旋轉(zhuǎn)插入管近端（控制部分正下方）的環(huán)來控制該線的張力大小（圖 3.5）。當此加強系統(tǒng)中的拉線處于“軟”位置時，加強系統(tǒng)不會為插入管提供超出金屬絲網(wǎng)和聚合物涂層所提供的硬度的額外硬度。如圖 3.5所示，當控制環(huán)旋轉(zhuǎn)到其中一個“硬”位置時，控制環(huán)中的傾斜槽會拉動拉線末端的滑動銷，拉伸拉線并使其承受很大的張力。該張力使圍繞拉線的線圈線變硬，并顯著增加插入管的硬度。如圖3.3所示，雖然插入管的基體硬度是通過改變聚合物基層中硬樹脂和軟樹脂的混合比例來設(shè)定的，但在手術(shù)過程中，可以通過旋轉(zhuǎn)硬度控制環(huán)來進一步增強插入管的硬度?？勺冇捕葯C構(gòu)并非貫穿整個插入管，因此內(nèi)窺鏡的先端部分不會受到影響。

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圖 3.5 可變硬度結(jié)腸鏡的加固機制。

 

先端尖頭

圖 3.6展示了典型端視內(nèi)窺鏡（例如胃鏡或結(jié)腸鏡）先端的組件。先端較大的圓形玻璃透鏡是物鏡。該透鏡將胃腸道黏膜的微型圖像聚焦在固態(tài) CCD 圖像傳感器表面。圖像傳感器通過一組非常細的電線將連續(xù)的圖像流發(fā)送回視頻處理器。物鏡和 CCD 單元密封嚴實，以防止冷凝水使圖像模糊，并在液體意外進入儀器時保護成像系統(tǒng)免受損壞。照亮身體內(nèi)部的光線通過光纖照明光纖穿過儀器。這些光線通過導光透鏡系統(tǒng)均勻地分散在內(nèi)窺鏡的視野范圍內(nèi)。

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圖 3.6 結(jié)腸鏡先端組件。

 

一些內(nèi)窺鏡具有單個照明系統(tǒng)（如圖3.6所示）。其他內(nèi)窺鏡型號具有兩個光纖束和兩個導光透鏡，以改善活檢鉗（例如，圈套器）兩側(cè)的照明并便于將組件包裝在插入管內(nèi)。用于活檢和抽吸的通道位于先端物鏡附近。活檢通道相對于物鏡的位置決定了附件進入視野時在圖像中的顯示方式。在某些儀器上，圈套器或活檢鉗似乎從圖像的右下角發(fā)出；在其他儀器上，這些附件從左下角進入視野，依此類推。在計劃諸如分塊息肉切除術(shù)或止血之類的困難程序時，內(nèi)窺鏡醫(yī)師必須知道附件將進入其視野的位置。

插入管還包含輸送空氣和水通過儀器的小管（見圖3.2）。這些管通常在距先端幾英寸處合并成一根管（見圖3.9）。這根合并的空氣/水管連接到儀器先端的空氣/水噴嘴。在內(nèi)鏡醫(yī)師的控制下，可以向物鏡通水以清潔物鏡，或者從噴嘴通入空氣以吹入胃腸道。一些胃鏡和結(jié)腸鏡在先端配有額外的水管和噴水噴嘴，用于沖洗粘膜上的碎屑（見圖3.6）。

圖 3.7展示了典型十二指腸鏡先端的組件。圖 3.7A是十二指腸鏡先端光學和照明系統(tǒng)的示意橫截面圖。用于觀察組織的物鏡現(xiàn)在位于先端側(cè)面，而不是儀器的最頂端。棱鏡用于將視角偏轉(zhuǎn) 90 至 105 度，并將儀器轉(zhuǎn)換為側(cè)視內(nèi)窺鏡。照明光纖同樣在儀器先端急劇彎曲，引導光線從側(cè)面發(fā)出。與端視儀器一樣，靠近物鏡的氣/水噴嘴將水引導至鏡片上進行清潔，然后用空氣吹走任何殘留的水滴。來自該噴嘴的空氣也用于給患者充氣。所有十二指腸鏡都配有鉗式升降器，用于主動偏轉(zhuǎn)通過通道的任何附件的先端。升降裝置如圖 3.7B所示。該升降器通常位于內(nèi)鏡先端的凹槽內(nèi)（處于降低位置）。當內(nèi)鏡醫(yī)師希望將附件抬升至視野范圍內(nèi)時，他/她需要操作儀器控制部分（未顯示）上的拇指控制器。該拇指控制器拉動升降器導絲，將升降器從凹槽中抬起至升高位置，從而使附件先端向上偏轉(zhuǎn)至視野范圍內(nèi)。在某些儀器中，例如 V-scope（奧林巴斯公司，紐約州梅爾維爾），該升降器有一個小凹槽，可容納 0.035 英寸（約 1.09 厘米）的導絲，以便在更換附件時幫助穩(wěn)定導絲。

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圖 3.7 A和B，十二指腸鏡先端組件。

 

彎曲部分和先端角度

內(nèi)窺鏡醫(yī)師還可以操縱內(nèi)窺鏡插入管的先端?？善D(zhuǎn)部分稱為彎曲部分，其構(gòu)造與插入管的其余部分不同。如圖 3.8所示，彎曲部分由一系列形狀奇特的金屬環(huán)組成，每個金屬環(huán)通過自由活動的接頭連接到其兩側(cè)的環(huán)上。這些接頭由一系列樞軸銷構(gòu)成，每個樞軸銷與相鄰的樞軸銷相差 90 度。一組樞軸允許彎曲部分沿上下方向卷曲。第二組樞軸允許彎曲部分沿左右方向卷曲。它們共同使彎曲部分能夠向任何方向卷曲。卷曲的方向由沿著插入管長度延伸的四根角度線控制（見圖3.2）。這四根導線牢固地連接到彎曲部分先端的 3 點鐘、6 點鐘、9 點鐘和 12 點鐘位置。拉動連接在 12 點鐘位置的導線會導致彎曲部分向上卷曲，并實現(xiàn)內(nèi)窺鏡醫(yī)師所說的“向上先端偏轉(zhuǎn)”。拉動連接在 3 點鐘位置的導線會導致右先端偏轉(zhuǎn)。拉動另外兩根導線會導致向下和向左偏轉(zhuǎn)。內(nèi)窺鏡醫(yī)師可以通過旋轉(zhuǎn)上下或左右角度旋鈕來依次拉動每根導線。（為簡單起見，圖 3.8僅顯示上下角度系統(tǒng)。）同時旋轉(zhuǎn)上下和左右旋鈕會產(chǎn)生組合先端運動（例如，向上和向右），并允許內(nèi)窺鏡醫(yī)師向任何方向掃描內(nèi)窺鏡先端。

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圖 3.8 A、彎曲段的構(gòu)造。B 、角度旋鈕的旋轉(zhuǎn)引起彎曲段的偏轉(zhuǎn)。

 

空氣、水和抽吸系統(tǒng)

圖 3.9顯示了典型的內(nèi)窺鏡空氣、水和抽吸系統(tǒng)的示意圖。光源中的氣泵以輕微的壓力向從內(nèi)窺鏡光源連接器伸出的管道提供空氣?？諝馔ㄟ^空氣通道（管）輸送到控制部分上的空氣/水閥。如果沒有蓋住這個閥門，空氣就會從閥門頂部的通風孔排出（見圖3.1）。當不需要空氣時，這個通風孔允許氣泵自由泵送，從而減少泵的磨損。如果內(nèi)窺鏡醫(yī)師想要給患者吹氣，他或她可以用指尖蓋住通風孔；這樣可以關(guān)閉通風孔并迫使空氣沿著空氣通道向下流動，通過先端的噴嘴離開儀器?？諝?水閥的軸中包含一個單向閥（見圖3.1），以在檢查期間將空氣保持在患者體內(nèi)。在內(nèi)鏡檢查過程中，胃腸道通常會被充氣至略高于大氣壓。如果沒有這個單向閥，當操作人員將手指從閥門上移開時，來自被檢查器官的空氣就會回流到先端噴嘴，沿著插入管的氣道向上流動，最終從氣/水閥上的孔中流出。因此，需要使用防反流閥來保持患者氣流量。

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圖 3.9 空氣、水和抽吸系統(tǒng)的配置。

 

用于在手術(shù)過程中清潔物鏡的水儲存在連接到光源或推車的水瓶中（見圖3.9）。除了輸送空氣進行充氣外，氣泵還會對該水容器加壓，迫使水從瓶中流出并進入內(nèi)窺鏡。水通過水瓶蓋上的管子輸送到內(nèi)窺鏡的光源連接器，然后通過水通道沿通用線向上輸送到空氣/水閥。當內(nèi)窺鏡醫(yī)師按下空氣/水閥時，水會繼續(xù)沿著插入管中的水通道向下流動，并從先端的噴嘴流出。噴嘴將水引導到物鏡表面，對其進行清潔。

吸力也由內(nèi)窺鏡控制部分上的閥門控制。吸力源（可以是醫(yī)院的壁式吸力系統(tǒng)或便攜式吸力泵）連接到內(nèi)窺鏡的光源連接器。當內(nèi)窺鏡醫(yī)師按下吸力閥時，吸力會被施加到插入管內(nèi)的吸力/活檢通道。內(nèi)窺鏡先端的任何液體（或空氣）都會被吸入吸力收集系統(tǒng)。通道開口閥（也稱為活檢閥）關(guān)閉活檢通道的近端開口，防止室內(nèi)空氣被吸入吸力收集系統(tǒng)。

圖 3.9所示的空氣、水和抽吸系統(tǒng)的設(shè)計具有多種固有的安全特性?？諝夤到y(tǒng)沒有活動部件，也沒有可能卡在持續(xù)“開啟”位置的機械閥門，從而導致患者意外過度充氣。相反，空氣只是從閥門上的排氣孔排出，除非醫(yī)生用手指捂住這個開口；如果抽吸系統(tǒng)被堵塞，內(nèi)鏡醫(yī)師難以應對可能的過度充氣，他/她只需快速從內(nèi)鏡上取下所有閥門即可。此操作將停止所有空氣和水的輸送，并允許患者的胃腸道通過打開的閥門氣缸減壓。

 

照明系統(tǒng)

內(nèi)窺鏡使用非相干光纖束將外部光源發(fā)出的光傳輸?shù)絻?nèi)窺鏡先端。該光纖束由數(shù)千根直徑 30 µm 的毛發(fā)狀玻璃纖維組成，這些玻璃纖維經(jīng)過光學涂層處理，可將光線捕獲在光纖內(nèi)，并通過全內(nèi)反射現(xiàn)象將光線從一端傳輸?shù)搅硪欢恕＿M入此類光纖一端的光線會在光纖壁上反射數(shù)千次，然后才從另一端射出。用于制造光纖纖芯和包層的玻璃類型以及纖芯和包層的厚度均經(jīng)過精心選擇，以使光纖束能夠傳輸盡可能多的光線（有關(guān)光纖的更完整討論，請參閱 Kawahara 和 Ichikawa 3 ）。

內(nèi)窺鏡光源通常使用 300 W 氙燈來產(chǎn)生電子內(nèi)窺鏡所需的強烈白光。這些燈也會產(chǎn)生大量熱量。光源內(nèi)的散熱器、紅外濾光片和強制風冷系統(tǒng)可防止內(nèi)窺鏡的光纖束過熱和燃燒。仔細檢查內(nèi)窺鏡光導的先端，可以發(fā)現(xiàn)一個阻燃石英透鏡，該透鏡用于收集來自光源燈的光并將其引導到內(nèi)窺鏡中（見圖3.1 ）。在內(nèi)窺鏡的另一端，儀器先端的光導透鏡將光線均勻地散布在視野上（見圖3.6 ） 。光源中的自動控制光圈（光圈）控制從內(nèi)窺鏡先端發(fā)出的光的強度。

當內(nèi)窺鏡位于胃等較大腔體中且需要大量光線時，光源的光圈會打開，使內(nèi)窺鏡能夠透射最大光線。當內(nèi)窺鏡先端非?？拷つで夜庹粘渥銜r，光源的光圈會自動關(guān)閉，以減少光源的出射光量。如果光照過低，監(jiān)視器上的視頻圖像會變得昏暗且顆粒感強。如果光照過強，監(jiān)視器上的圖像會變得模糊（即“光暈”）。視頻處理器會通過精確控制光源產(chǎn)生的光量，自動將照明亮度保持在 CCD 圖像傳感器可接受的范圍內(nèi)。

 

固態(tài)圖像捕捉

電子內(nèi)窺鏡中使用的圖像傳感器通常稱為 CCD。這些傳感器是由硅半導體材料制成的固態(tài)成像裝置。傳感器表面的硅對光有反應。當一個光子撞擊 CCD 的感光表面時，它會取代表面硅原子上的一個電子。在硅材料中會產(chǎn)生一個帶負電的自由電子，同時在電子之前被束縛的硅晶體結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生一個相應的帶正電的“空穴”。這種作用稱為光電效應，如圖 3.10所示。當更多的光子撞擊傳感器表面時，就會產(chǎn)生更多的自由電子和相應的空穴。傳感器中積累的電荷與落在 CCD 上的光量成正比。此外，無論落在傳感器上的光是什么顏色，都會產(chǎn)生這些電荷。

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圖 3.10 光電效應 A，感光表面 B，光子撞擊表面釋放電子，在材料內(nèi)部產(chǎn)生電荷積聚C ，光照結(jié)束后，電荷仍然存在。

 

雖然單個感光元件可用于測量落在表面的光的亮度（例如在測光表中），但它無法再現(xiàn)圖像。為了再現(xiàn)圖像，必須將感光表面分割成由數(shù)千個獨立的小感光點組成的矩陣。當圖像聚焦在這種傳感器的表面上時，會自動測量矩陣中每個感光點的圖像亮度。了解圖像中每個點的亮度可使視覺系統(tǒng)準確地再現(xiàn)圖像。CCD 是這種固態(tài)視覺系統(tǒng)的常見組件。CCD 圖像傳感器的表面被分割成由離散感光點組成的矩形陣列，每個感光點稱為圖像元素或像素。 圖 3.11展示了具有這種陣列的 CCD 傳感器。在視頻圖像內(nèi)窺鏡中，CCD 位于儀器先端，位于物鏡正后方（如圖 3.6所示）。物鏡將觀察到的粘膜的微型圖像直接聚焦在該傳感器的表面上。由于前述光電效應，落在CCD上的光圖案（即圖像）會立即轉(zhuǎn)換為存儲電荷陣列。由于每個像素中存儲的電荷與相鄰像素隔離，傳感器能夠忠實地將光學圖像轉(zhuǎn)換為圖像的電學復制品。

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圖 3.11 使用線傳輸電荷耦合器件 (CCD) 進行圖像捕獲和讀出。雖然實際的內(nèi)窺鏡 CCD 包含數(shù)十萬像素，但為了簡單起見，所示的陣列包含 64 個像素，排列成 8 行 × 8 列的矩陣。A ，粘膜圖像投射在 CCD 的感光表面上。B ，由于光電效應，產(chǎn)生了圖像的電復制品。C ，遮光時電復制品仍然存在。D ，復制品向下移動一行，將數(shù)據(jù)從底行推入水平移位寄存器。E ，移位寄存器被清空，產(chǎn)生輸出信號。F ，復制品向下移動另一行。該過程重復。

 

這種電信號經(jīng)過處理后，被發(fā)送到視頻監(jiān)視器進行再現(xiàn)。如圖 3.11所示，圖像暗區(qū)的像素由于產(chǎn)生的電荷較少，電壓較低。圖像亮區(qū)的像素由于產(chǎn)生的電子/空穴對較多，電壓相應較高。每個像素能夠產(chǎn)生任意數(shù)量的電荷，從最小值到最大值，具體取決于入射光的亮度。光到電荷的轉(zhuǎn)換過程是線性的。落在像素上的光子數(shù)量加倍，像素產(chǎn)生的電荷數(shù)量也加倍，直到感光點的存儲容量達到滿載為止。

 

讀取電荷耦合器件上創(chuàng)建的圖像

CCD 曝光圖像后，必須按順序“讀出”CCD 中產(chǎn)生的電荷，并對其進行處理以重現(xiàn)原始光學圖像。電荷在讀出時在 CCD 內(nèi)移動的方式取決于 CCD 的配置。三種最常見的 CCD 類型是線傳輸 CCD、幀傳輸 CCD 和行間傳輸 CCD。4每種CCD 類型在 CCD 對光的靈敏度（即內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)所需的亮度）、所需光源類型（頻閃與非頻閃）、CCD 的尺寸（影響內(nèi)窺鏡先端先端的尺寸）以及電荷從 CCD 中傳輸出的速度方面都有特定的優(yōu)勢。圖 3.11中示意性顯示的 CCD是線傳輸 CCD。圖 3.11A顯示了光學圖像在 CCD 感光表面上的投影。陣列中的每個感光點在短暫曝光圖像后都會產(chǎn)生電荷（圖 3.11B和C）。為簡單起見，圖 3.11展示了一個只有極少量像素和極少量電荷的陣列。這些電荷由感光點內(nèi)的小點表示。

通過鄰近每個感光點的電極（圖 3.11中未顯示這些電極），可以控制每個像素內(nèi)的電荷并將其在 CCD 表面上移動。通過改變施加到這些電極上的電壓，各個像素內(nèi)的電子以電荷包的形式從一個像素轉(zhuǎn)移到另一個像素。這些電極上連續(xù)的電壓變化使電荷移向 CCD 的底部邊緣并進入水平移位寄存器（見圖3.11D ）。水平移位寄存器中的電荷通過輸出放大器轉(zhuǎn)換成輸出信號。輸出信號的波動與每個像素中存儲的電荷數(shù)量成正比。在圖 3.11E所示的過程中，原始圖像底行中的電荷已被讀出并通過輸出放大器并發(fā)送到視頻處理器進行重建。整個圖像的電表示在 CCD 上下移了一行。水平移位寄存器讀出并清空后，陣列中每個像素的電荷將依次向下傳輸?shù)较路较袼?，從而對圖像副本進行第二次移位。此次傳輸將水平移位寄存器填充原先位于陣列倒數(shù)第二行的電荷，如圖3.11F所示。水平移位寄存器中的電荷再次被讀出，從而產(chǎn)生一個輸出信號，該信號代表原始圖像倒數(shù)第二行像素的亮度。

圖像副本的處理以類似的逐步方式繼續(xù)進行，直到整個 CCD 都被讀出。一旦 CCD 被讀取和清除，它就可以進行另一次曝光了。電荷耦合過程——電荷以包的形式從一個像素傳輸?shù)搅硪粋€像素——使 CCD 得名（電荷耦合器件）。CCD 最遠角落的電荷在到達水平移位寄存器之前，會依次通過數(shù)百個感光點。在目前的電子內(nèi)窺鏡中，CCD 每秒要曝光、讀出并重新曝光 60 到 90 次。為了在這些重復傳輸過程中保持圖像保真度，至關(guān)重要的是，這些電荷包在 CCD 被讀出時每秒進行數(shù)十萬次傳輸?shù)倪^程中保持完整，電荷數(shù)量既不能丟失也不能增加。在移動和讀出圖像的整個過程中，線傳輸 CCD 的感光陣列必須避光（圖 3.11C及后續(xù)步驟中所示的步驟）。這種屏蔽是必要的，以防止正在傳輸?shù)膱D像信息與仍然落在感光點上的光在感光點上產(chǎn)生的新電荷混合。為了保留原始圖像，在讀出圖像副本時，感光點必須完全黑暗。在內(nèi)窺鏡應用中實現(xiàn)此目的的一種方法是在讀取 CCD 時頻閃或暫時中斷內(nèi)窺鏡發(fā)出的光；這會產(chǎn)生瞬間的光芒來曝光圖像傳感器，然后在讀出和清除 CCD 時出現(xiàn)短暫的黑暗期。使用過紅、綠、藍 (RGB) 順序內(nèi)窺鏡系統(tǒng)（通常稱為黑白 CCD 系統(tǒng)）的內(nèi)窺鏡醫(yī)師熟悉頻閃內(nèi)窺鏡光源的概念。

 

線間電荷耦合器件

盡管頻閃視頻系統(tǒng)在內(nèi)窺鏡檢查中很常用，但它們有幾個缺點，特別是在平滑再現(xiàn)運動方面。帶有頻閃光源的線傳輸 CCD 的替代方案是帶有連續(xù)（非頻閃）光源的行間傳輸 CCD。如圖3.12所示，行間傳輸 CCD 具有一系列垂直移位寄存器，這些寄存器位于每列感光點附近。曝光后，感光點處顯影的電荷立即快速轉(zhuǎn)移到相鄰的垂直移位寄存器。由于電荷快速、一步轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器，因此在讀出過程中無需中斷 CCD 的照明。同時，垂直移位寄存器中的電荷逐步轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，并在那里以常規(guī)方式讀出。 （圖 3.12中的紅色箭頭表示左上角像素中產(chǎn)生的電荷的讀出路徑。）垂直移位寄存器被遮光，因此在 CCD 持續(xù)曝光時，它們會被清空。在讀取第一幅圖像的同時，CCD 會采集第二幅圖像。當垂直移位寄存器最終清空時，傳感器陣列中新創(chuàng)建的圖像副本會立即從感光點傳輸?shù)酱怪币莆患拇嫫?，然后重復該過程。

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圖 3.12 線間傳輸電荷耦合器件 (CCD) 示意圖。

 

隔行傳輸CCD的一大優(yōu)勢在于它無需照明頻閃。由于整個傳感器陣列只需一步即可清除至垂直移位寄存器，因此傳感器陣列可立即準備捕獲下一張圖像。使用連續(xù)非頻閃光源的所謂彩色芯片內(nèi)窺鏡就是隔行傳輸CCD系統(tǒng)的例子。

 

圖像分辨率

圖像分辨率是內(nèi)窺鏡圖像質(zhì)量的關(guān)鍵組成部分。通常使用類似于圖 3.13所示的測試方法來測量分辨率。將由清晰打印的黑白線條組成的測試圖放置在距內(nèi)窺鏡先端一定距離的位置。該測試圖包含一系列間距越來越近的線條。仔細研究在內(nèi)窺鏡視頻監(jiān)視器上重現(xiàn)的該圖表圖像（圖 3.13C）。間距較大的線條可以清晰地區(qū)分為單獨的線對。然而，間距較近的線條通常會模糊在一起，無法識別為不同的線條。

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圖 3.13 量化分辨力的測試設(shè)置。

 

內(nèi)窺鏡的分辨率極限定義為在圖像變得非常模糊以至于線條簡單地混合在一起之前，仍然可以區(qū)分為線條的最近的線對之間的距離。隨著測試圖移近內(nèi)窺鏡的先端，測試圖的圖像放大倍數(shù)增加，內(nèi)窺鏡能夠分辨越來越小的線對。圖 3.14展示了內(nèi)窺鏡分辨能力隨距離變化的典型圖。隨著內(nèi)窺鏡越來越靠近測試圖，內(nèi)窺鏡分辨出的線對越來越細，直到在點A處內(nèi)窺鏡達到其最大分辨能力。此時，內(nèi)窺鏡也處于其最近焦點。將測試圖移近內(nèi)窺鏡會導致圖像質(zhì)量下降，因為焦點損失越來越大。受圖像模糊的限制，圖 3.14所示的典型標準結(jié)腸鏡的工作范圍為 7 至 200 毫米（如紫色實線所示）。

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圖 3.14 標準、變焦和近焦結(jié)腸鏡的分辨率。

 

市場上有一些電子內(nèi)窺鏡具有光學變焦功能。這些內(nèi)窺鏡通常在內(nèi)窺鏡主體上有一個控制裝置，當內(nèi)窺鏡非?？拷繕私M織時，該控制裝置可以調(diào)節(jié)內(nèi)窺鏡先端的鏡頭，以實現(xiàn)清晰對焦。如圖3.14所示，這些內(nèi)窺鏡可以分辨比標準內(nèi)窺鏡小四倍的線對；這是通過允許內(nèi)窺鏡聚焦在距離組織僅幾毫米的距離來實現(xiàn)的。然而，分辨能力的四倍提高是有代價的。與顯微鏡類似，這些儀器的景深非常有限 - 在 1 或 2 毫米范圍內(nèi)。如果內(nèi)窺鏡離組織太近或太遠，圖像很快就會失焦，圖像質(zhì)量下降。如圖3.14B中的實藍線所示，變焦內(nèi)窺鏡在“變焦”模式下的工作范圍非常有限，并且內(nèi)窺鏡很難保持對焦。

最近，人們推出了近焦高清 (HD) 內(nèi)窺鏡，它比標準內(nèi)窺鏡和光學變焦內(nèi)窺鏡更具優(yōu)勢。總體而言，高清內(nèi)窺鏡的分辨率有所提高，因為與標準內(nèi)窺鏡相比，它的圖像傳感器像素更多（見圖3.14D ）。此外，近焦內(nèi)窺鏡上的光學元件使它們能夠在失焦前更緊密地接近觀察到的組織。圖 3.14所示的近焦高清結(jié)腸鏡在失焦前能夠進入測試圖的 3 毫米范圍內(nèi)，與標準結(jié)腸鏡相比，其分辨率提高了三倍（圖 3.14E）。雖然它的分辨率仍然低于光學變焦結(jié)腸鏡，但這種近焦結(jié)腸鏡的景深非常寬（3 至 200 毫米，如綠色實線所示），這使得這種結(jié)腸鏡與任何標準內(nèi)窺鏡一樣方便使用。

前面討論的變焦內(nèi)窺鏡是指具有光學變焦功能的內(nèi)窺鏡。這與大多數(shù)電子內(nèi)窺鏡上的電子變焦功能不同。電子變焦不會提高內(nèi)窺鏡的實際分辨率。電子變焦只是獲取CCD中心部分捕獲的信息，并將其放大顯示在顯示器上。電子變焦不會在顯示器圖像中添加任何新的圖像信息，也不會改變上述測試中測量的內(nèi)窺鏡的分辨率。光學變焦確實增加了顯著的圖像細節(jié)，因為內(nèi)窺鏡能夠更近距離地接近組織并獲得真實的放大圖像。

 

色彩再現(xiàn)

所有固態(tài)圖像傳感器本質(zhì)上都是單色器件。它們只能再現(xiàn)黑白圖像。CCD 表面的硅感光點產(chǎn)生的電荷僅與照射到陣列上的光的強度（亮度）成比例。簡單的圖像傳感器無法區(qū)分入射光的顏色。如圖3.10所示，一個紅光光子產(chǎn)生的電荷與一個藍光光子產(chǎn)生的電荷相同。為了使內(nèi)窺鏡能夠再現(xiàn)必要的色彩屬性，系統(tǒng)必須具備額外的手段來分析照射到傳感器上的光的顏色（波長）。

 

三色視覺

人們發(fā)現(xiàn)，幾乎任何人眼敏感的顏色都可以通過混合紅、綠、藍 (RGB) 三種顏色的光來匹配。如果三個投影儀都裝有 RGB 濾光片，并且投射的聚光燈重疊，則生成的圖像將類似于圖 3.15所示的圖像。紅綠投影儀重疊產(chǎn)生的顏色與單色黃光無法區(qū)分。同樣，重疊的綠藍投影儀發(fā)出的光會讓人產(chǎn)生看到純青色光的感覺。紅色和藍色重疊產(chǎn)生洋紅色。令人驚訝的是，當所有三個投影儀在中心重疊時，觀察者會看到一片純白色區(qū)域，看不到三種組成顏色的痕跡。如果精確控制和改變?nèi)齻€投影儀中每個投影儀的強度，則幾乎可以在重疊的中心區(qū)域重現(xiàn)任何光譜顏色。

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圖 3.15 加色原色圖解。

 

所有視頻圖像都是使用 RGB 的三種組成顏色重建的。因為這三種顏色可以加法組合以模仿所有其他光譜顏色，所以它們通常被稱為三種加法原色。這三種顏色 RGB 是用于在視頻監(jiān)視器表面創(chuàng)建全彩色圖像的熒光粉的顏色（圖 3.16）。黃色（Ye）、青色（Cy）和品紅色（Mg）在視頻成像中也起著重要作用，被稱為補色。商用電子內(nèi)窺鏡目前使用兩種不同的系統(tǒng)來重現(xiàn)色彩。第一臺商用視頻圖像內(nèi)窺鏡是 Welch Allyn 于 1983 年推出的 VideoEndoscope，它基于 RGB 順序成像系統(tǒng)。5目前的許多儀器仍在使用該系統(tǒng)。第二種系統(tǒng)，即所謂的彩色芯片內(nèi)窺鏡，現(xiàn)在已成為全球主導系統(tǒng)。每種色彩再現(xiàn)系統(tǒng)都有其優(yōu)點和缺點，稍后將進行解釋。

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圖 3.16 紅、綠、藍 (RGB) 順序內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)示意圖。

 

紅、綠、藍順序成像（“色輪”）

圖 3.16示意性地展示了 RGB 序列電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的組件。內(nèi)窺鏡的先端安裝有一個單色（黑白）CCD。內(nèi)窺鏡先端的物鏡將內(nèi)窺鏡視場的微型圖像聚焦在該 CCD 的感光表面上。該圖像通過穿過內(nèi)窺鏡的光纖束照亮。該光纖束將光源內(nèi)的燈發(fā)出的光傳送到內(nèi)窺鏡的先端。與光纖內(nèi)窺鏡使用的光或彩色芯片內(nèi)窺鏡使用的光不同，這種光不是連續(xù)的，而是頻閃或脈沖的。光源內(nèi)的高強度氙氣燈發(fā)出連續(xù)的白光，其色溫與陽光接近。在該燈和內(nèi)窺鏡的導光柱之間放置了一個帶有三個彩色段（RGB）的旋轉(zhuǎn)濾光輪。該濾光輪將落在光導束上的光線進行截斷和著色，使其交替閃爍，顏色依次為紅、黑（無光）、綠、黑、藍、黑。當在內(nèi)窺鏡先端觀察時，這種照明在肉眼看來是閃爍的白光，而不是實際連續(xù)的RGB色光。當以每秒20至30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)時，這三原色光似乎融合在一起，用肉眼觀察時形成白色照明。

這種獨特的照明系統(tǒng)的目的是產(chǎn)生三個獨立的單色圖像，每個圖像都是由三原色按順序依次照亮視野時獲得的。在紅色濾光片位于光路中的幾分之一秒內(nèi)，胃腸道粘膜僅被紅光照亮。CCD 圖像傳感器捕獲粘膜在紅色照明下呈現(xiàn)的單色（黑白）圖像（圖 3.17）。自然呈紅色的組織在紅光下反射強烈，看起來很亮。紅色較少的組織區(qū)域?qū)t光的反射很弱，在紅光照明下看起來很暗。在紅色照明下獲得粘膜的單色圖像后，濾光輪旋轉(zhuǎn)到輪子上相鄰的不透明區(qū)域。此時，內(nèi)窺鏡照明暫時變暗，CCD 上的圖像被讀出，通過處理和切換電路，并存儲在視頻處理器的“紅色圖像”存儲庫中（見圖3.16）。紅色圖像存儲后，旋轉(zhuǎn)濾光輪，將綠色濾光片置于光路中。CCD 獲取在綠色照明下呈現(xiàn)的粘膜單色圖像（見圖3.17）。該圖像被讀出并發(fā)送到視頻處理器，存儲在“綠色圖像”存儲庫中。以類似的方式，當濾光輪旋轉(zhuǎn)到藍色部分時，會獲取第三張單色圖像。該圖像相應地存儲在“藍色圖像”存儲庫中。這種為三原色各捕獲一組圖像的序列每秒重復 20 到 30 次——精確的速度由視頻處理器的規(guī)格決定。同步電路使濾光輪的旋轉(zhuǎn)與 CCD 的讀出相匹配，并按順序控制開關(guān)電路，將每個新圖像引導至正確的存儲庫。

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圖 3.17 使用紅、綠、藍 (RGB) 順序照明進行圖像捕獲。

 

彩色芯片成像

作為 RGB 順序成像系統(tǒng)的替代方案，一些電子內(nèi)窺鏡使用彩色芯片成像系統(tǒng)。彩色芯片 CCD 本質(zhì)上是一個黑白圖像傳感器，其表面粘合有定制的多色微濾光片。該濾光片允許 CCD 直接且同時地解析圖像的組成顏色。有時使用術(shù)語“瞬時單板 CCD”來指代這種設(shè)備，以強調(diào)所有三個顏色分量都是由單個“板”或 CCD 同時獲得的。彩色芯片 CCD 通常使用圖 3.18所示類型的彩色馬賽克濾光片?？梢栽O(shè)計具有多種不同顏色配置的馬賽克濾光片；但是，圖 3.18所示的顏色選擇非常常見。此馬賽克濾光片中使用的顏色為黃色、青色、品紅色和綠色 (Ye/Cy/Mg/G)。這些部分排列成 2×2 像素框圖案，并在 CCD 表面有規(guī)律地重復。

軟性內(nèi)窺鏡的工作原理及結(jié)構(gòu)圖

圖 3.18 與彩色芯片電荷耦合器件 (CCD) 中的像素相匹配的彩色馬賽克濾光片允許圖像傳感器同時從投射在其感光表面上的圖像中捕獲全彩色信息。

 

由于發(fā)送到視頻監(jiān)視器的最終輸出信號必須是標準 RGB 分量圖像，因此在顯示之前，必須將此 Ye/Cy/Mg/G 濾鏡后面生成的圖像轉(zhuǎn)換為其主要的 RGB 分量。此轉(zhuǎn)換通過添加和減去相鄰像素的信息來完成，直到計算出傳感器中每個像素的特定 RGB 值。如圖3.19所示，黃色濾鏡元件吸收藍光但通過紅光和綠光；這使得所有黃色濾鏡元件后面的像素都能接收紅色和綠色信息。圖 3.19還顯示，青色濾鏡元件后面的像素接收色譜的藍色和綠色部分。洋紅色像素接收紅光和藍光。在四個 Ye/Cy/Mg/G 像素的代表性塊中，兩個像素接收紅色信息，三個像素接收綠色信息，兩個像素接收藍色信息（見圖3.18）。

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圖 3.19 濾光片顏色對紅、綠、藍 (RGB) 光透射的影響。

 

通過在視頻處理器中使用適當?shù)乃惴▽ο噜徬袼氐男畔⑦M行加減運算，可以得出每個 Ye/Cy/Mg/G 像素塊的 RGB 分量值。藍色分量值可以通過從青色像素產(chǎn)生的電荷數(shù)中減去綠色像素產(chǎn)生的電荷數(shù)來確定（B = Cy − G 或 B = [B+G] − G）。紅色分量值可以通過從黃色像素產(chǎn)生的電荷數(shù)中減去綠色像素產(chǎn)生的電荷數(shù)來確定（R = Ye − G 或 R = [R+G] − G）。此類計算會在整個 CCD 表面的所有 2 × 2 像素塊上重復進行。此過程完成后，矩陣中每個像素塊所需的 RGB 分量值都已計算完畢。有人可能會問，如果使用原色 RGB 濾鏡覆蓋像素無需計算即可直接獲得 RGB 分量值，那么為什么還要使用由互補色（Ye、Cy 和 Mg）組成的馬賽克濾鏡并采用處理算法呢？答案在于 Ye/Cy/Mg/G 馬賽克濾鏡在亮度方面比 RGB 馬賽克濾鏡具有明顯優(yōu)勢。

使用 RGB 濾光片段時，每個像素都會被過濾以接收三原色中的一種（見圖3.19）。經(jīng)過青色濾波的像素會同時暴露在藍光和綠光下。它比純藍或純綠像素的光照更強烈。同樣，黃色濾光片（紅色 + 綠色）或品紅色濾光片（藍色 + 紅色）后面的像素比純 RGB 濾光片后面的像素接收更多的光子（光）。由于穿過黃/藍/鎂/綠馬賽克濾光片的光強度增加，因此具有這種結(jié)構(gòu)的 CCD 表現(xiàn)出更高的光敏度?；パa色馬賽克濾光片的明顯優(yōu)勢在于，由于光敏度增加，這些濾光片允許電子內(nèi)窺鏡設(shè)計人員使用更小的光導纖維束來構(gòu)建內(nèi)窺鏡，從而最大限度地擴大內(nèi)窺鏡的視角并增加內(nèi)窺鏡的景深。所有這些特性都可以提高性能，但每個特性都需要額外的光線。因此，所有商用彩色芯片內(nèi)窺鏡都使用互補色馬賽克 CCD。

 

運動再現(xiàn)

與 RGB 序列電子內(nèi)窺鏡相比，彩色芯片電子內(nèi)窺鏡在重現(xiàn)運動方面具有先天優(yōu)勢。RGB 視頻處理器中的濾光輪通常以每秒 20 至 30 轉(zhuǎn)（rps）的速度旋轉(zhuǎn)。由于每個顏色分量圖像都是按順序單獨捕獲的，因此需要1/30幾秒鐘（使用 30 轉(zhuǎn)/秒的濾光輪）才能捕獲組成單個視頻圖像的三個分量圖像。如果內(nèi)窺鏡和被觀察物體之間存在相對運動（內(nèi)窺鏡檢查過程中經(jīng)常發(fā)生這種情況），則三個分量圖像在物體大小和位置方面可能會略有不同。當這三個 RGB 圖像隨后疊加在視頻監(jiān)視器上時，它們很可能會出現(xiàn)錯位。如果內(nèi)窺鏡醫(yī)生在圖像快速移動時恰好凍結(jié)圖像，則這種錯位清晰可見。盡管 RGB 序列電子內(nèi)窺鏡難以重現(xiàn)運動，但彩色芯片電子內(nèi)窺鏡在對運動組織進行成像方面表現(xiàn)出色，因為它可以同時捕獲圖像的所有三個顏色分量。由于照明是連續(xù)的、非頻閃的，并且?guī)俾逝c當代電視標準一致，因此使用彩色芯片電子內(nèi)窺鏡再現(xiàn)的運動圖像是流暢而自然的。

彩色芯片電子內(nèi)窺鏡的另一個獨特優(yōu)勢是可以縮短其有效快門速度，以提高所捕獲圖像的清晰度。彩色芯片系統(tǒng)通常每秒捕獲一個新視頻圖像1/60。雖然這個時間段相對較短，但由于捕獲期間的移動，凍結(jié)的快速移動物體可能會顯得有些模糊（但沒有分色）。為了減少這種模糊，最好將電子捕獲周期縮短到正常時間的一小部分（例如，從1/60一秒到1/250另一秒）。與傳統(tǒng)膠片攝影一樣，曝光時間越短，拍攝對象越清晰，但拍攝對象必須照亮得越亮，以防止曝光不足。許多彩色芯片內(nèi)窺鏡上的快速快門模式可能無法為遠處的全景圖像提供足夠的光線，但在真正需要的情況下，快速快門捕捉模式可以非常有效地生成明亮、清晰的凍結(jié)圖像（即快速移動的粘膜的特寫靜止圖像）。

 

彩色芯片電子內(nèi)窺鏡的優(yōu)勢

彩色芯片電子內(nèi)窺鏡比 RGB 序列系統(tǒng)有幾個固有的優(yōu)勢（表 3.1）。前面討論的優(yōu)勢包括（1）平滑、自然地再現(xiàn)運動；（2）凍結(jié)圖像上沒有顏色分離；（3）快速快門模式，即使是運動最快的物體也能防止圖像模糊。其他優(yōu)勢包括（4）與標準（非頻閃）氙燈光源兼容，（5）增強透照效果，以及（6）在激光治療期間表現(xiàn)優(yōu)異。使用 RGB 序列內(nèi)窺鏡時，腹部透照會出現(xiàn)問題，因為其頻閃光輸出比非頻閃系統(tǒng)弱得多。許多 RGB 序列光源都有一種在“透照”模式下操作時將旋轉(zhuǎn)的濾光輪暫時從光路中移除的方法。會產(chǎn)生穩(wěn)定、強烈的白光，非常適合透照。然而，一旦移除濾光輪，圖像就會丟失，因為在大多數(shù)情況下，照明太強，會使 CCD 飽和，產(chǎn)生大部分白色的圖像。即使圖像可見，它也是黑白的，因為濾光輪必須處于正確的位置才能重現(xiàn)顏色。

 

表 3.1 電子內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點

優(yōu)勢

缺點

色卡系統(tǒng)

流暢、自然地再現(xiàn)動作

難以適應色彩分析研究

拍攝的圖像沒有色彩分離

 

快速快門模式可防止拍攝對象移動時圖像模糊

 

使用標準（非頻閃）氙燈光源

 

在正常觀察條件下可以進行透照

 

激光治療期間的卓越表現(xiàn)

 

RGB 順序系統(tǒng)

可實現(xiàn)高分辨率圖像

RGB 分量圖像之間的圖像滑動

每個像素都反映三種顏色

快速移動物體上的“彩虹效應”

通過更換濾鏡可以進行高級色彩分析

需要頻閃光源

 

白色瞄準光束和圖像“暈染”阻礙了激光治療

 

透照需要移除濾光輪并產(chǎn)生黑白圖像

RGB，紅色、綠色和藍色。

 

紅、綠、藍序列電子內(nèi)窺鏡的優(yōu)勢

RGB 序列電子內(nèi)窺鏡的一大優(yōu)勢在于可以提高分辨率。圖像分辨率很大程度上取決于原始圖像的像素數(shù)量。彩色芯片系統(tǒng)需要多個像素的信息，并通過算法處理這些信息，以獲得圖像中每個點的 RGB 分量值。在 RGB 系統(tǒng)中，每個像素按順序被 RGB 光照射。每個像素依次提供三種顏色分量的信息。單個像素能夠提供所有三種顏色分量，這對于內(nèi)窺鏡等小型成像設(shè)備來說是一個優(yōu)勢。實際上，這種優(yōu)勢對于大多數(shù)電子內(nèi)窺鏡來說并不顯著，但當需要盡可能薄的內(nèi)窺鏡（例如，電子膽道鏡）時，這是一個顯著的優(yōu)勢。由于 RGB 序列電子內(nèi)窺鏡使用原色濾光片，并且顏色分量在視頻處理器內(nèi)被單獨隔離、捕獲和處理，因此這種類型的電子內(nèi)窺鏡能夠提供非常準確的顏色信息。這種潛在優(yōu)勢在常規(guī)內(nèi)窺鏡檢查中通常不明顯；然而，在圖像分析研究中，RGB 序列系統(tǒng)優(yōu)于彩色芯片系統(tǒng)。

 

使用紅、綠、藍順序電子內(nèi)窺鏡進行窄帶成像

近年來，奧林巴斯（日本東京）推出了具有新觀察模式的電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，稱為窄帶成像（NBI）。6 – 9此功能的目的是通過選擇性操縱血紅蛋白的成像來增強對粘膜表面細節(jié)（例如，凹坑圖案）的觀察，并增加微血管結(jié)構(gòu)與周圍組織之間的對比度。血紅蛋白是組織中的主要發(fā)色團。圖3.20顯示了氧合血紅蛋白在可見光譜中的相對吸光度。峰值吸收發(fā)生在 415 nm（藍光）。在 540 nm（綠光）附近觀察到第二個峰值。從圖 3.20中可以清楚地看出，血紅蛋白反射而不是吸收紅光，從而使血紅蛋白具有其特征性顏色。利用有關(guān)血紅蛋白特征吸光度的此類信息，可以設(shè)計一種成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)窺鏡研究的組織中血紅蛋白的相對存在或不存在來增加圖像對比度。

軟性內(nèi)窺鏡的工作原理及結(jié)構(gòu)圖

圖3.20 氧合血紅蛋白的吸光度光譜。

 

圖 3.21示意性地說明了 RGB 序列內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中 NBI 成像的實現(xiàn)。光源具有與圖 3.16所示的標準內(nèi)窺鏡系統(tǒng)相同的氙氣燈和相同的旋轉(zhuǎn) RGB 濾光輪。但是，對于 NBI 成像，在氙氣燈前面臨時放置了一個特殊的 NBI 濾光片。該裝置過濾氙氣燈產(chǎn)生的廣譜白光（圖 3.21中的光譜 1 ），并且只允許波長以 415 nm 為中心的非常窄的藍光帶和波長以 540 nm 為中心的非常窄的綠光帶通過濾光片（圖 3.21中的光譜 2 ）。正是這種使用窄帶光（即非常有限的光波長）照亮組織的做法賦予了 NBI 名稱。

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圖 3.21 采用紅、綠、藍 (RGB) 順序電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的窄帶成像 (NBI)。

（內(nèi)窺鏡圖像由 Y. Sano 和 S. Yoshida 提供。）

 

RGB 順序 NBI 系統(tǒng)的成像順序如下：當紅色濾光片段位于光路中時，由于 NBI 濾波光中沒有紅光，因此沒有光進入內(nèi)窺鏡。此時不會創(chuàng)建圖像，也不會存儲圖像。濾光輪旋轉(zhuǎn)到綠色濾光片段。穿過 NBI 濾光片的綠光 (540 nm) 也會穿過旋轉(zhuǎn)濾光輪的綠色段，穿過內(nèi)窺鏡并照亮組織。（NBI 濾光片發(fā)出的 415 nm 藍光被旋轉(zhuǎn)濾光輪中的綠色濾光片阻擋。）CCD 捕獲組織在 540 nm 綠色照明的窄帶下呈現(xiàn)的單色（黑白）圖像（見圖3.21A）；但是，視頻處理器切換電路不會將此圖像存儲在預期的綠色圖像存儲庫中，而是將 540 nm 圖像發(fā)送到空的紅色圖像存儲庫（見圖3.21C）。此操作是故意重新分配顏色。

最后，濾光輪旋轉(zhuǎn)到藍色濾光片段。該濾光片段讓來自 NBI 濾光片的 415 nm 藍光通過，組織被以 415 nm 為中心的窄譜藍光照亮。CCD 捕獲粘膜在 415 nm 照明下的黑白圖像（見圖3.21B），視頻處理器按預期將圖像存儲在藍色存儲庫中（見圖3.21E）。視頻處理器還將該 415 nm 圖像的相同副本存儲在綠色存儲庫中（見圖3.21D），這是第二次有意的顏色重新分配。紅色成分圖像現(xiàn)在由組織在 540 nm 窄帶照明（綠光）下的圖像組成，而綠色和藍色成分圖像現(xiàn)在由組織反射 415 nm 窄帶照明光（藍光）時的圖像組成。 RGB 濾光輪旋轉(zhuǎn)一圈并將圖像分配到各個 RGB 圖像存儲區(qū)域后，三個 RGB 分量圖像會同時發(fā)送到視頻監(jiān)視器，并在監(jiān)視器上將三個分量圖像（見圖3.21CE）疊加為最終的全彩 NBI 圖像（見圖3.21F）。最終的 NBI 圖像與在正常白光照明下顯示的組織圖像（見圖3.21G）有很大不同。顏色重新分配改變了組織的自然著色，并且僅使用被氧合血紅蛋白高度吸收的波長對組織進行選擇性照明大大增加了粘膜病變的表面圖案。

 

使用彩色芯片電子內(nèi)窺鏡進行窄帶成像

NBI 也可以在彩色芯片視頻平臺上實現(xiàn)。圖 3.22展示了在彩色芯片內(nèi)窺鏡的光源中插入 NBI 濾光片。NBI 濾光片將氙氣燈發(fā)出的廣譜白光（圖 3.22中的光譜 1 ）過濾為與 RGB 序列系統(tǒng)中使用的相同的 NBI 光譜。彩色芯片 NBI 照明包括使用 415 nm 和 540 nm 窄帶光對組織進行連續(xù)、同時的照明。內(nèi)窺鏡中的彩色芯片 CCD 捕獲在這種特殊 NBI 照明下反射的組織圖像。圖像捕獲之后，圖像信息由視頻處理器處理后再顯示。圖 3.23總結(jié)了彩色芯片 NBI 圖像的處理過程。CCD 上的彩色馬賽克濾光片對圖像進行過濾，如前所述。但是，由于 NBI 照明中沒有紅色波長，因此沒有紅色圖像信息進入視頻處理器中的彩色處理電路 - 只有藍色和綠色信息可用。與 RGB 序列 NBI 系統(tǒng)類似，視頻處理器會特意將綠色信息重新分配，顯示為紅色分量圖像。同樣與 RGB 序列系統(tǒng)類似，藍色圖像信息會顯示為藍色分量圖像，并特意重新分配為綠色分量圖像。當這些 RGB 分量圖像（按定義）同時顯示在視頻監(jiān)視器上時，彩色芯片電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)會顯示與 RGB 序列電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)類似的 NBI 圖像。

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圖 3.22 采用彩色芯片電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的窄帶成像 (NBI)。

 

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圖 3.23 使用彩色芯片電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進行窄帶成像 (NBI) 彩色處理。

 

兩種系統(tǒng)的NBI功能均可通過內(nèi)窺鏡上的開關(guān)或視頻處理器上的按鈕輕松開啟或關(guān)閉。內(nèi)窺鏡醫(yī)師可以根據(jù)需要快速切換標準白光和NBI成像。

 

圖像處理

所有視頻處理器在處理過程中都會將內(nèi)窺鏡圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。數(shù)字格式的圖像可以通過各種算法輕松處理。一些更常用的算法旨在產(chǎn)生不同程度的“邊緣增強”或“紋理增強”。這些算法并非刻意改變組織的顏色，而是增加圖像對比度，以增強邊緣輪廓或增強組織形貌。從某種意義上說，它們試圖“銳化”圖像。

 

后處理圖像增強

最近，人們努力對圖像進行處理（后處理），以獲得類似于使用 NBI 獲得的數(shù)據(jù)。富士能推出了一項名為FICE（富士智能色彩增強）的功能，賓得推出了一項名為i-Scan 的功能，這些功能可以有意操縱內(nèi)窺鏡圖像的顏色。這些后處理功能旨在增強粘膜血管和表面結(jié)構(gòu)的顯示。奧林巴斯的 NBI 功能通過以與血紅蛋白的自然吸收相對應的選定波長照射組織來實現(xiàn)這一點。FICE 和 i-Scan 使用正常的白光照明，捕獲正常的白光圖像，并對生成的正常內(nèi)窺鏡圖像執(zhí)行數(shù)字處理。這個過程被稱為“最佳波段成像”或“多波段成像”。當內(nèi)窺鏡圖像為數(shù)字形式時，很容易識別所捕獲圖像中每個點（像素）的特定顏色，并僅選擇指定顏色范圍內(nèi)的像素。這些選定的顏色可以顯示為新圖像，進行處理以執(zhí)行所需的增強功能，或重新分配以其他顏色顯示。

FICE 系統(tǒng)允許用戶從白光圖像中選擇特定窄帶顏色范圍，并將其用作“最佳波段圖像”。用戶可以選擇三個這樣的最佳波段圖像，并將其分配給 RGB 監(jiān)視器輸入。FICE 配置的處理器提供十個出廠預設(shè)的最佳波段；但用戶可以自定義預設(shè)。60 個預估波長（色調(diào)）中的任何一個都可以輸入到三個 RGB 通道中的任何一個。內(nèi)窺鏡控制部分上的一個按鈕可讓操作員從傳統(tǒng)的白光成像切換到實時多波段成像。

用于組織診斷或鑒別的最佳多波段成像預設(shè)尚未確定；然而，這個概念很容易說明。雖然內(nèi)窺鏡診斷通常包括解釋內(nèi)窺鏡圖像中看到的各種紅色色調(diào)的細微變化，但使用包含鮮艷色彩的照片更容易顯示后處理；圖 3.24A就是這樣一張熱氣球發(fā)射的圖像。一旦圖像變成數(shù)字形式，軟件算法就很容易從圖像中選擇和提取某些特定的色調(diào)。在圖 3.24B的情況下，軟件（Adobe Photoshop）選擇了特定范圍的藍色和特定范圍的綠色作為感興趣的顏色。這個顏色范圍可以選擇得很窄（例如，某種深藍色），也可以選擇得很寬（例如，從淺藍色到深藍色）。這些選定的顏色可以按正常方式顯示，也可以重新分配為不同的顏色以產(chǎn)生額外的強調(diào)。在圖 3.24C中，選定的藍色被重新分配為綠色，選定的綠色被重新分配為藍色。

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圖 3.24 圖像處理示例。A ，原始圖像。B ，藍色和綠色色調(diào)的顏色選擇。C ，所選顏色的顏色重新分配。

 

可以想象，通過數(shù)字后處理可以處理圖像的方式無窮無盡。然而，在每種情況下，原始白光圖像的顏色都會被操縱。NBI 通過僅使用特定波長照射組織來操縱照明光與組織本身的相互作用，從而實現(xiàn)組織中所需的對比度變化。在圖 3.24C所示的后處理示例中，雖然軟件有效地交換了天空和草地的顏色，但它也改變了場景中在白光圖像中具有相似顏色的其他物體的顏色（例如，最高中央氣球上的藍色帶）。如果某些內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)（例如毛細血管、腺體和小凹）始終具有獨特的特征顏色，那么就可以設(shè)計一種軟件算法來識別和增強它們。雖然尚未有經(jīng)過驗證或標準化的圖像處理方案可用于常規(guī)臨床，但正在進行研究以識別有價值的算法。

 

內(nèi)鏡超聲儀器

奧林巴斯于1984年推出了首批投入使用的內(nèi)鏡超聲 (EUS) 儀器。最初的儀器 (GF-UM2) 是一臺光纖內(nèi)窺鏡，其先端配備機械掃描壓電換能器。盡管基于視頻的胃鏡和結(jié)腸鏡早在20世紀80年代中期就已面世，但首批基于視頻的EUS儀器直到1998年才問世。如今，視頻成像技術(shù)在EUS領(lǐng)域也占據(jù)主導地位。先前關(guān)于儀器整體結(jié)構(gòu)、插入管組件、空氣、水和抽吸系統(tǒng)以及視頻成像技術(shù)的討論通常也適用于EUS儀器。除了這些系統(tǒng)之外，EUS儀器還必須包含用于超聲波生成、耦合和檢測的額外組件。

為了實現(xiàn)良好的聲耦合，EUS 儀器的先端通常有一個充滿水的乳膠球囊。向該球囊中注水和排水需要沿著插入管長度延伸的額外球囊充氣通道以及用于填充和排空球囊的額外控制裝置（特殊閥門）。EUS 儀器采用機械掃描或電子掃描技術(shù)來創(chuàng)建超聲圖像。最早的 EUS 內(nèi)窺鏡使用單個壓電換能器，該換能器圍繞與內(nèi)窺鏡中心軸平行的軸機械旋轉(zhuǎn)（圖 3.25）。創(chuàng)建了一個垂直于內(nèi)窺鏡軸的 360 度徑向超聲圖像平面，內(nèi)窺鏡本身位于圖像的中心。機械徑向 EUS 內(nèi)窺鏡通常以 7.5 至 20 MHz 的頻率工作，二十年來，由于它們的圖像平面方向方便且 EUS 圖像分辨率高，它們一直是主要的診斷 EUS 儀器。

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圖 3.25 機械徑向掃描內(nèi)鏡超聲 (EUS) 儀器示意圖。

 

2003 年，賓得推出了電子徑向圖像超聲內(nèi)窺鏡。這是第一臺提供復雜超聲功能（如多普勒圖像功能）的徑向掃描儀器。但是，圖像限制在 270 度扇區(qū)內(nèi)。隨后，奧林巴斯推出了徑向掃描 EUS 內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡采用完整的 360 度壓電換能器陣列代替單個機械旋轉(zhuǎn)晶體（圖 3.26A）。賓得和奧林巴斯生產(chǎn)的電子徑向掃描儀器現(xiàn)已取代較舊的機械掃描設(shè)計。20 世紀 90 年代初，賓得推出了第一臺采用曲線換能器陣列的電子掃描 EUS 內(nèi)窺鏡。該儀器產(chǎn)生的圖像平面與內(nèi)窺鏡的長軸對齊，并且由于整個針尖位于 EUS 圖像平面內(nèi)，因此首次實現(xiàn)了實用的細針抽吸 (FNA)。與機械掃描儀器相比，電子掃描內(nèi)窺鏡具有彩色多普勒（顯示血流方向和平均速度的功能）和能量多普勒（提高測量流速靈敏度但不提供流向信息的功能）功能。曲線陣列內(nèi)窺鏡通常具有 150 度至 180 度的視角（超聲圖像），換能器頻率為 5 至 10 MHz。光學觀察方向為前傾方向，與 FNA 針的大致方向一致（圖 3.26B）。內(nèi)窺鏡先端的升降器允許針頭上下移動，升降器類似于十二指腸鏡上的升降器，但運動范圍更有限。

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圖 3.26 A，電子徑向掃描內(nèi)鏡超聲 (EUS) 內(nèi)鏡的先端先端。B ，曲線 EUS 細針抽吸 (FNA) 內(nèi)鏡的先端先端。

 

評估視頻圖像內(nèi)窺鏡時需要考慮的因素

視頻圖像內(nèi)窺鏡是一種技術(shù)先進且復雜的臨床工具。這些儀器首次進入市場時，各種市售型號的對比報告隨處可見。14 – 16如今，電子內(nèi)窺鏡技術(shù)已經(jīng)成熟，此類技術(shù)對比報告已很少見，但市售型號的規(guī)格摘要會定期發(fā)布。17 – 19很難確定任何單一的設(shè)計標準作為選擇特定臨床應用最佳電子內(nèi)窺鏡的決定性因素。評估電子內(nèi)窺鏡時，應考慮以下標準：

 

1圖像質(zhì)量：儀器是否具有足夠?qū)挼囊暯?，景深好，圖像分辨率高，圖像對比度好，色彩準確，凍結(jié)圖像清晰，動態(tài)范圍寬（在圖像的明暗區(qū)域都能看清楚的能力）？

2照明特性：儀器在所有臨床條件下是否具有足夠的圖像亮度？照明是否從圖像中心到圖像邊緣均勻分布？系統(tǒng)是否能夠隨著觀察距離的變化而自動調(diào)節(jié)亮度？

3內(nèi)窺鏡基本功能：儀器是否操作靈敏，插入管特性是否合適？其先端角度是否平滑；控制部分形狀和重量是否合適；角度旋鈕和閥門是否位置合適；以及吸液、注氣和鏡片清洗性能是否良好？

4基本規(guī)格：制造商是否擁有全系列的儀器型號，具有多種插入管直徑和活檢通道容量，以滿足所有臨床需求？

5是否適用于特殊治療程序：電子內(nèi)窺鏡是否能有效防止高頻電刀產(chǎn)生的圖像噪聲？使用激光時，圖像質(zhì)量是否可接受？

6系統(tǒng)功能：視頻處理器的控制是否簡單易懂？用于控制遠程設(shè)備的內(nèi)窺鏡開關(guān)是否易于操作？設(shè)備的尺寸和重量是否便于運輸？

7系統(tǒng)擴展和集成：系統(tǒng)是否能夠輕松地與硬拷貝設(shè)備、錄像機和計算機圖像管理系統(tǒng)連接？

 

膠囊內(nèi)鏡

過去十年，膠囊內(nèi)鏡技術(shù)發(fā)展迅猛，臨床應用也日益廣泛。首批動物實驗于2000年發(fā)表在《自然》雜志上， 2020年，文獻中首次報道了不明原因消化道出血的臨床試驗。21,22膠囊內(nèi)鏡技術(shù)是消化道微創(chuàng)檢查趨勢的重大進展。目前，膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)由三個不同的部分組成：(1) 膠囊，(2) 數(shù)據(jù)接收和存儲系統(tǒng)，以及 (3) 用于圖像查看和分析的工作站。

美國食品藥品監(jiān)督管理局 (FDA)（2001 年 8 月）批準用于小腸觀察的第一個膠囊是 Given Imaging, Inc.（以色列約克尼穆）生產(chǎn)的 M2A 膠囊。該膠囊直徑為 11 毫米，長 26 毫米。膠囊及其組成部分如圖 3.27所示。膠囊的一端有一個透明的光學圓頂，成像系統(tǒng)位于其后。膠囊形狀對稱，小到可以在腸道內(nèi)翻滾；當膠囊穿過胃腸道時，它會以隨機的方式對近端或先端的粘膜進行成像。透明圓頂后面是一個非球面透鏡，周圍排列著四個發(fā)光二極管 (LED)。透鏡將圖像聚焦到互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 成像儀上。成像儀后面是兩節(jié)氧化銀電池，足以為 LED、成像儀和發(fā)射器供電至少 8 小時。發(fā)射器和天線位于膠囊的背面。膠囊封裝在磁鐵附近。從磁鐵上取下膠囊會觸發(fā)開關(guān)，激活LED并開始圖像傳輸。每秒捕獲并傳輸兩幅圖像，與閃爍的LED照明同步。由于腸道處于塌陷狀態(tài)（即未充氣），且被觀察的組織非?？拷鈱W穹頂，因此LED的少量照明就足夠了。

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圖 3.27 Given Imaging M2A 膠囊示意圖。

（根據(jù)以色列約克尼穆 Given Imaging 公司的 Pillcam 重繪。）

 

Given Imaging 公司推出了一款名為 PillCamSB 的升級版小腸膠囊。Olympus 也推出了一款名為 EndoCapsule 的類似小腸膠囊。23這三種膠囊的尺寸完全相同。較新的膠囊具有更高的圖像分辨率、更寬的視角、六個 LED 燈（而不是四個）以及改進的工作站軟件。一些系統(tǒng)還提供實時查看器。Olympus EndoCapsule 使用 CCD 圖像傳感器代替 Given Imaging 膠囊中的 CMOS 圖像傳感器。在膠囊內(nèi)窺鏡檢查過程中，患者的腹前壁上貼有八個傳感器。這些傳感器檢測從膠囊發(fā)射的信號。通過測量來自不同傳感器的信號的相對強度，可以確定膠囊在腹腔內(nèi)的大致位置。工作站軟件會在膠囊圖像旁邊顯示膠囊的行進路徑。傳感器導線連接到佩戴在腰帶上的小型數(shù)據(jù)記錄器。腰帶裝置相對較輕，不會嚴重妨礙正常的非勞力性活動?；颊呖梢宰杂苫顒樱跈z查記錄階段無需住院。檢查結(jié)束后，傳感器和腰帶將從患者身上移除。記錄的數(shù)據(jù)將下載到計算機工作站，工作站將約5萬張檢查圖像轉(zhuǎn)換為視頻文件，并存儲在計算機硬盤上。檢查結(jié)果將以視頻形式在工作站屏幕上以審查員設(shè)定的速度進行觀看。

2004年，Given Imaging 公司的 PillCam ESO 獲得了 FDA 批準，這是一款用于檢查食管的雙成像膠囊。該膠囊目前已上市，用于診斷巴雷特食管和食管靜脈曲張。Given Imaging 還在開發(fā) PillCam COLON，這是一款用于檢查結(jié)腸的膠囊。目前，多家公司正在開發(fā)在胃腸道內(nèi)主動推進膠囊的方法。膠囊的研發(fā)仍在繼續(xù)。

 

 

 

 

 

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