柔性電子內(nèi)窺鏡在固態(tài)成像和機械設(shè)計方面體現(xiàn)了超過3年的改進?？梢允褂迷S多不同的模型，每個模型都有一些略有不同的功能，并且每個模型都針對要檢查的胃腸道（gi）部分進行了優(yōu)化。盡管已經(jīng)提出了用于內(nèi)窺鏡控制部分的替代設(shè)計（例如，“式握把”），但是自從*引入柔性內(nèi)窺鏡以來，器械的基本形狀和布局相對不變。所有柔性電子內(nèi)窺鏡的基本組件和控件都非常相似（圖3.1）。
圖3.1 標準柔性內(nèi)窺鏡的基本組件。
該儀器設(shè)計為由內(nèi)鏡醫(yī)師的左手握持和操作。一些醫(yī)生用他們的左手食指交替控制吸氣閥和空氣/水閥，而其余的手指握住儀器。其他人則將其左食指用于吸入閥，將中指用于空氣/水閥，并用無名指和小手指抓住儀器。上下成角度的旋鈕由醫(yī)師的左手拇指操縱。左右角度旋鈕由左手的拇指和前兩個手指或右手控制。內(nèi)窺鏡醫(yī)師的右手主要用于控制插入管-必要時推動，擰緊和抽出。
插入管內(nèi)窺鏡的插入管是專為胃腸病學設(shè)計的內(nèi)窺鏡之間的主要區(qū)別特征。盡管根據(jù)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)鼻食管鏡的厚度），但內(nèi)窺鏡型號之間的微妙差異同樣重要。對于*尤其如此。盡管出于各種原因內(nèi)鏡醫(yī)師可能更喜歡使用特定的*，但是該儀器的插入管特性比其他任何因素都更可能導致內(nèi)窺鏡醫(yī)師選擇特定的*作為選擇的儀器。如果儀器的任何單一規(guī)格都能確定內(nèi)窺鏡醫(yī)師插入儀器的速度和簡便性，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完善插入管的結(jié)構(gòu)并選擇理想的材料。圖3.2顯示了典型*的內(nèi)部組件。插入管通常包含（1）1個用于抽吸（活檢），空氣和供水的管；（2）經(jīng)常有一個用于向前噴水的附加管；（3）四根角度控制線；（4）細電線，將內(nèi)窺鏡遠端的電荷耦合器件（ccd）圖像傳感器連接到視頻處理器；（5）玻璃纖維，用于將來自光源的光引入內(nèi)窺鏡的遠端。具有可調(diào)節(jié)插入管柔韌性的*具有一個附加組件-一根張緊線以控制插入管的剛度。*還具有沿插入管的長度延伸的附加金屬絲/線圈護套，用于控制鉗子升降器的上下位置（請參閱后面的討論）。內(nèi)窺鏡設(shè)計師的任務是將所有這些單獨的組件包裝在盡可能小的空間中，同時仍為組件提供自由移動的空間，而不會損壞通過扭力和彎曲而產(chǎn)生的更易碎的元件（ccd導線，光纖束）。在使用過程中。將干粉狀潤滑劑涂在所有內(nèi)部組件上，以減少在插入管操作期間它們相互施加的應力。
圖3.2 可變硬度*的內(nèi)部組件。
纖維插入管如前所述，插入管的操作特性非常重要，特別是對于*而言。為了易于插入，該儀器必須能夠準確傳輸內(nèi)鏡醫(yī)師施加的所有細微運動和扭矩。內(nèi)窺鏡醫(yī)師施加于軸近端部分的任何旋轉(zhuǎn)（扭矩）都必須以1：1的比例傳遞至器械的遠端，盡管這種能力會在器械成環(huán)時失去。扁平的螺旋金屬帶正好在插入管皮下延伸，從而增強了儀器的扭轉(zhuǎn)能力（見圖3.2）。由于這些帶的纏繞方向相反，因此在管子受到扭轉(zhuǎn)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，這些螺旋帶之間的間隙使軸可以自由彎曲。這些帶也使插入管呈圓形。它們的剛度可防止插入管的內(nèi)部組件受到外力擠壓。這些螺旋帶被編織成管狀網(wǎng)的細絲不銹鋼絲覆蓋。將塑料聚合物層（通常為黑色（在*上為深綠色））擠出到該金屬絲網(wǎng)上，以創(chuàng)建插入管的光滑外表面。聚合物層為插入管提供了無創(chuàng)，生物相容和水密的表面。
經(jīng)驗表明，對于檢查上消化道的固定解剖結(jié)構(gòu)而言，更堅固的插入管是選擇。結(jié)腸具有曲折和可自由移動的環(huán)，用更靈活的儀器檢查。儀器應足夠松散（非剛性），以易于適應患者的曲折解剖結(jié)構(gòu)，并在結(jié)腸壁和腸系膜上施加小的力。器械還應具有足夠的柱強度，以防止在推動器械的近端時發(fā)生彎曲。*除具有靈活性外，還應具有足夠的彈性，以使其在向后拉時會彈回拉直狀態(tài)。這有助于消除循環(huán)。
獲得柔韌性，彈性，柱強度和扭轉(zhuǎn)能力的組合是插入管設(shè)計的藝術(shù)和科學。這些特性之一的改進通常會對其他一個或多個負面影響。終的設(shè)計通常是這些理想特性之間的折衷，經(jīng)過幾個月的臨床測試證實。為了進一步改善插入，*和*插入管的柔性通常在端部到端部之間變化。正如圖3.3示出，遠端40cm的*插入管的是顯著比近側(cè)部分更柔軟。柔性的這種變化是通過在制造過程中改變管的外部聚合物層在金屬絲網(wǎng)上擠出時的配方來實現(xiàn)的。正如圖3.4如圖所示，擠出機包含兩種類型的樹脂，一種明顯比另一種硬。初，當插入管的遠端穿過機器時，一層柔軟的樹脂被應用到絲網(wǎng)的遠端40厘米處。在靠近管中部的過渡區(qū)域內(nèi)，這種軟樹脂逐漸被硬樹脂替代。插入管的近端部分（50至160 cm）僅由硬質(zhì)樹脂制成。終結(jié)果是插入管具有柔軟的遠側(cè)部分，可無創(chuàng)地彎曲通過彎曲的結(jié)腸，而較硬的近側(cè)部分可有效防止結(jié)腸中已被*矯正的部分中的環(huán)再形成。
圖3.3 插入管硬度的圖形表示。請注意變化之處-遠端40厘米更柔韌。當儀器處于“硬性”設(shè)置（虛線）相對于“軟”設(shè)置（實線）時，請注意額外的剛度。
圖3.4 插入管蓋的組成。
可調(diào)的纖維管臨床經(jīng)驗表明，內(nèi)鏡醫(yī)師通常對理想的插入管的構(gòu)成意見不一。這種分歧可能是由于培訓，插入技術(shù)或以往經(jīng)驗的差異所致。另外，一些內(nèi)窺鏡醫(yī)師表示希望在手術(shù)過程中根據(jù)插入深度或根據(jù)患者的解剖結(jié)構(gòu)來改變插入管的特性，這導致了可彎曲的插入管的發(fā)展。
可彎曲的*具有一根張緊線，該張緊線沿著插入管的長度延伸（見圖3.2）。通過旋轉(zhuǎn)插入管近端（控制部分正下方）的一個環(huán)來控制此鋼絲中的張力量（圖3.5）。當拉線在此加固系統(tǒng)中處于“軟”位置時，除金屬絲網(wǎng)和聚合物涂層所提供的強度外，加固系統(tǒng)不會為插入管提供額外的強度。正如圖3.5如圖所示，當控制環(huán)旋轉(zhuǎn)到“硬”位置之一時，控制環(huán)中的傾斜槽會拉動拉線末端的滑銷，拉伸拉線并將其置于較大的張力下。該張力使圍繞拉線的線圈線變硬，并為插入管增加了很大的剛度。正如圖3.3示出了，盡管在插入管的底部剛度是由在聚合物基體層改變硬和軟樹脂的混合物建立，插入管，可以進一步在將由剛度控制環(huán)旋轉(zhuǎn)過程期間加強。可變剛度機構(gòu)不會在插入管的整個長度上延伸，從而不會影響內(nèi)窺鏡的遠端部分。
圖3.5 可變剛度*的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。
遠端頭圖3.6圖1示出了在典型的端視內(nèi)窺鏡例如*或*的遠側(cè)末端中發(fā)現(xiàn)的組件。遠端上較大的圓形玻璃鏡片是物鏡。該透鏡將gi粘膜的微型圖像聚焦在固態(tài)ccd圖像傳感器的表面上。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單元緊密密封，以防止冷凝水使圖像模糊不清，并防止流體意外進入儀器而損壞成像系統(tǒng)。照亮身體內(nèi)部的光通過光纖照明纖維穿過儀器。該光通過導光透鏡系統(tǒng)均勻地分散在內(nèi)窺鏡的視場上。
圖3.6 *遠端頭組件。
有些內(nèi)窺鏡只有一個照明系統(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鏡，以改善*兩側(cè)（例如圈套器）的照度，并有助于將組件包裝在插入管內(nèi)。用于活檢和抽吸的通道靠近遠端上的物鏡?；顧z通道相對于物鏡的位置決定了附件進入視野時圖像中的外觀。在某些儀器上，圈套器或*似乎從圖像的右下角散發(fā)出來。在其他樂器上，這些配件從左下角進入視野，依此類推。當計劃困難的手術(shù)時，例如分段息肉切除術(shù)或止血藥，
插入管還包含一些小管，這些小管將空氣和水輸送通過儀器（見圖3.2）。這些管通常合并成距離遠端幾英寸的單個管（進一步參見圖3.9）。該組合的空氣/水管連接到儀器末端的空氣/水噴嘴。在內(nèi)窺鏡醫(yī)師的控制下，可以將水注入物鏡以對其進行清潔，或者可以從噴嘴注入空氣以注入胃腸道。一些*和*在遠端有一個額外的水管和一個噴水噴嘴，用于洗刷粘膜上的碎屑（見圖3.6）。
圖3.7說明了一個典型*遠端的組件。圖3.7a圖a是在*的遠端發(fā)現(xiàn)的光學和照明系統(tǒng)的示意性截面圖?，F(xiàn)在，用于觀察組織的物鏡位于遠端的側(cè)面，而不是位于器械的。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的頂端急劇彎曲，使光線從側(cè)面發(fā)出。如同在端視儀器中一樣，位于物鏡附近的空氣/水噴嘴將水引導穿過透鏡進行清潔，然后用空氣吹走殘留的水滴。來自該噴嘴的空氣也用于給患者吹氣。所有*都有鉗子升降器，以使通過通道的任何附件的主動偏轉(zhuǎn)。電梯機構(gòu)如圖圖3.7b。該升降機通常位于內(nèi)窺鏡內(nèi)的凹處（降低位置）。當內(nèi)鏡醫(yī)師希望將附件抬高到視野中時，他或她在器械控制部分（未顯示）上操作拇指控件。該拇指控制器拉動電梯鋼絲，將電梯從其凹槽中提升到升高的位置，從而將附件的向上偏轉(zhuǎn)到視野中。在某些儀器中，例如v型觀測儀（奧林巴斯公司，紐約州梅爾維爾），該升降機具有一個小凹槽，該凹槽會束縛0.035英寸的導絲，以在更換附件時幫助穩(wěn)定導線。
圖3.7 a和b，*遠端頭組件。
彎曲部分和末端角度內(nèi)窺鏡醫(yī)師還可以操縱內(nèi)窺鏡插入管的遠端?？蓮澢糠?，稱為彎曲部分，其構(gòu)造不同于插入管的其余部分。正如圖3.8如圖所示，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)都通過一個自由移動的接頭連接到該環(huán)的兩側(cè)。這些關(guān)節(jié)是使用一系列樞軸銷構(gòu)造的，每個樞軸銷都與相鄰樞軸偏移90度。一組樞軸允許彎曲部分在上下方向上卷曲。第二組允許彎曲部分在左右方向上卷曲。它們一起使彎曲部分可以在任何方向卷曲。卷曲的方向由四根成角度的金屬絲控制，它們沿著插入管的長度延伸（見圖3.2）。這四根線在3點，6點，9點和12點位置牢固地連接到彎曲部分的末端。拉動附接在12點鐘位置上的線引起的向上方向并且實現(xiàn)彎曲部到卷曲什么內(nèi)鏡稱之為“ 向上末端偏轉(zhuǎn)?！崩瓌舆B接在3點鐘位置上的線引起右前端偏轉(zhuǎn)。拉其他兩根導線會導致向下和向左偏轉(zhuǎn)。內(nèi)鏡醫(yī)師可以通過旋轉(zhuǎn)上下或左右角度旋鈕，依次拉動每根電線。（為簡單起見，圖3.8 一起旋轉(zhuǎn)上下和左右旋鈕可產(chǎn)生組合的末端移動（例如，向上和向右移動），并允許內(nèi)鏡醫(yī)師掃過內(nèi)窺鏡在任何方向上。
圖3.8 a，彎曲部分的結(jié)構(gòu)。b，角度旋鈕的旋轉(zhuǎn)導致彎曲部分變形。
空氣，水和吸氣系統(tǒng)典型的內(nèi)窺鏡空氣，水和抽吸系統(tǒng)的示意圖如圖3.9所示。光源中的氣泵在適度的壓力下向從內(nèi)窺鏡的光源連接器伸出的管道提供空氣。空氣通過空氣通道（管）輸送到控制部分上的空氣/水閥。如果未覆蓋此閥，則空氣僅從閥頂部的通風孔排出（見圖3.1）。該通風孔可使氣泵在不需要空氣時自由泵送，從而減少了泵的磨損。如果內(nèi)窺鏡醫(yī)師想給患者吹氣，他或她用指尖覆蓋通氣孔；這將關(guān)閉通風孔并迫使空氣向下通過空氣通道，并通過遠端上的噴嘴離開儀器?？諝?水閥的軸上裝有一個單向閥（見圖3.1）。在檢查過程中保持患者體內(nèi)的空氣暢通。在內(nèi)窺鏡檢查期間，通常會將胃腸道吹入略高于大氣壓的壓力。如果不是該系統(tǒng)中的單向閥，則來自被檢查器官的空氣將流回到遠端的噴嘴中，向上流過插入管中的空氣通道，然后從空氣/水閥中的孔中流出。每當操作員從閥門上移開他或她的手指時。需要使用防回流閥以使患者充滿氣息。
圖3.9 空氣，水和抽吸系統(tǒng)的組件。
在此過程中，用于清潔物鏡的水被存儲在與光源或推車相連的水瓶中（見圖3.9）。空氣泵除了為充氣提供空氣外，還對該水容器加壓，迫使水從瓶子中出來并進入內(nèi)窺鏡。該水通過水瓶蓋上的管子輸送到內(nèi)窺鏡的光源連接器，然后通過通用電纜上的水道通向空氣/水閥。當內(nèi)窺鏡醫(yī)師按下空氣/水閥時，水繼續(xù)沿著插入管中的水通道向下流動，并從遠端的噴嘴流出。噴嘴將水引導至物鏡表面，對其進行清潔。
抽吸也由內(nèi)窺鏡控制部分上的閥門控制。抽吸源（醫(yī)院的墻壁抽吸系統(tǒng)或便攜式抽吸泵）連接到內(nèi)窺鏡的光源連接器。當內(nèi)窺鏡醫(yī)師按下吸氣閥時，吸力將被施加到插入管內(nèi)的吸氣/活檢通道上。在內(nèi)窺鏡遠端出現(xiàn)的任何流體（或空氣）都被吸入抽吸收集系統(tǒng)。通道打開閥（也稱為活檢閥）關(guān)閉活檢通道的近端開口，并防止室內(nèi)空氣被吸入抽吸收集系統(tǒng)。
空氣，水和吸氣系統(tǒng)的設(shè)計中有幾個固有的安全特性，如圖3.9所示。空氣供應系統(tǒng)沒有活動部件，也沒有機械閥會粘在連續(xù)的“開啟”位置，從而導致患者意外過度吹入。取而代之的是，空氣只是從閥上的排氣孔中排出，除非醫(yī)生的手指在該開口上，并且如果抽吸系統(tǒng)受阻且內(nèi)鏡醫(yī)師難以解決可能的過度吹入，他或她就可以迅速從內(nèi)窺鏡上卸下所有閥門。該動作停止所有空氣和水的供給，并允許患者的胃腸道通過打開的氣瓶減壓。
照明系統(tǒng)內(nèi)窺鏡使用不相干的光纖束將光從外部光源傳輸?shù)絻?nèi)窺鏡的遠端。該光纖束由數(shù)千根頭發(fā)狀的玻璃纖維（直徑30 μm）組成，這些玻璃纖維經(jīng)過光學涂覆，可將光捕獲在光纖內(nèi)，并通過稱為全內(nèi)反射的現(xiàn)象從一端到另一端傳輸光。進入這種光纖一端的光線在離開光纖的另一端之前，會從光纖壁反射數(shù)千次。仔細選擇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，以使光纖束能夠承載盡可能多的光
內(nèi)窺鏡光源通常使用300瓦氙弧燈來產(chǎn)生視頻內(nèi)窺鏡所需的強烈白光。這些燈還會產(chǎn)生大量熱量。光源內(nèi)的散熱器，紅外濾鏡和強制風冷系統(tǒng)可防止內(nèi)窺鏡的纖維束過熱和燃燒。仔細檢查內(nèi)窺鏡光導的，可以看到一個耐燒石英透鏡，該透鏡可用來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，儀器遠端的導光透鏡將這種光均勻地散布在整個視野上（見圖3.6）。光源中的自動控制的光圈（iris）可控制從內(nèi)窺鏡發(fā)出的光的強度。
當內(nèi)窺鏡位于胃等大腔內(nèi)且需要大量光線時，光源中的光圈會打開，從而使內(nèi)窺鏡能夠透射大的光線。當內(nèi)窺鏡非?？拷衬げ⑶艺彰骱芰習r，光源中的光圈會自動關(guān)閉以減少從光源射出的光量。如果照明度太低，則監(jiān)視器上的視頻圖像會暗淡且顆粒狀。如果照明太強，則顯示屏上的圖像會被沖洗掉（即“花開”）。視頻處理器通過仔細控制光源產(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)圖像捕獲視頻內(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構(gòu)成的固態(tài)成像裝置。傳感器表面的硅對光有反應。當光子撞擊ccd的光敏表面時，它會將電子從表面的硅原子中置換出來。在硅材料中會產(chǎn)生自由的帶負電荷的電子，以及先前與電子結(jié)合的硅晶體結(jié)構(gòu)中相應的帶正電荷的“空穴”。此動作稱為光電效應，如圖3.10所示。當更多的光子撞擊傳感器的表面時，就會產(chǎn)生更多的自由電子和相應的其他空穴。傳感器中累積的電荷與落在ccd上的光量成正比。同樣，無論落在傳感器上的光的顏色如何，都會產(chǎn)生這些電荷。
圖3.10 光電效應。a，光敏表面。b，光子撞擊表面會釋放電子，從而在材料內(nèi)產(chǎn)生電荷積聚。c，在光線照射結(jié)束后，電荷仍然保留。
盡管單個光敏元件可用于測量落在表面上的光的亮度（例如在照度計中），但它無法復制圖像。要重現(xiàn)圖像，必須將光敏表面分成幾千個獨立的小光點矩陣。當圖像聚焦在這種傳感器的表面上時，圖像的亮度將在矩陣內(nèi)的每個單獨的光點處自動測量。知道圖像中每個點的亮度可以使視覺系統(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圖像傳感器的表面分為離散的光斑的矩形陣列，分別稱為圖片元素或像素。圖3.11圖1示出了具有這種陣列的ccd傳感器。在視頻圖像內(nèi)窺鏡中，ccd位于儀器的遠側(cè)，位于物鏡的正后方（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。由于先前描述的光電效應，落在ccd上的光的圖案（即圖像）立即轉(zhuǎn)換為存儲的電荷陣列。由于存儲在每個單獨像素中的電荷與相鄰像素隔離，因此傳感器可以將光學圖像忠實地轉(zhuǎn)換為圖像的電子副本。
圖3.11 使用線轉(zhuǎn)移電荷耦合器件（ccd）進行圖像捕獲和讀出。盡管實際的內(nèi)窺鏡ccd包含數(shù)十萬個像素，但為簡單起見，所示的陣列包含以8行×8列矩陣排列的64個像素。a，粘膜圖像投射在ccd的感光表面上。