Wenn ich mit anderen über meine Arbeit spreche, sage ich immer: „Ein Blick auf den Leoparden durch die Röhre kann einen Teil davon enthüllen“ (Teil 2)

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Xue Yadi, Ran Yue (Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

In der Welt der minimalinvasiven Chirurgie sind medizinische Endoskope die unangefochtenen Stars. Mit seinem kleinen Körper kann es problemlos durch unsere komplexe Körperstruktur gleiten und bietet Ärzten ein beispielloses Sichtfeld, das nicht nur Operationen präziser macht, sondern auch die Schmerzen der Patienten erheblich lindert.

Haben Sie sich jemals gefragt, wie Ärzte innere Organe untersuchten, bevor das Endoskop erfunden wurde? Wie kann ein Endoskop den Ärzten in dem engen und lichtlosen Körper dabei helfen, das Ziel klar zu erkennen und sogar Operationen präzise zu leiten?

Zu diesem Zweck haben wir speziell eine Serie zu medizinischen Endoskopen geplant, die in zwei Artikel unterteilt ist, um Ihnen die Vergangenheit und Gegenwart medizinischer Endoskope näherzubringen und die wissenschaftlichen Prinzipien und erstaunlichen Errungenschaften zu erkunden, die ihnen zugrunde liegen. Dies ist der nächste Artikel der Reihe.

Unser Team beschäftigt sich seit langem mit der hochauflösenden Echtzeit-In-vivo-Fluoreszenzbildgebung von biologischem Gewebe. Die durchgeführten Arbeiten umfassen medizinische optische endoskopische Bildgebung, wie etwa konfokale mikroendoskopische Laserbildgebung, laparoskopische Fluoreszenzbildgebung, Laser-Speckle-Blutflussbildgebung, rechnergestützte Phasenkontrast-Endoskopiebildgebung, Superauflösungsmikroskopie (SIM) mit strukturierter Lichtbeleuchtung usw. Der konfokale Fluoreszenzmikroskop-Bildgeber wurde für die Registrierung als Medizinprodukt zugelassen.

Schmalbandbildgebung: Ärzte sehen klarer

Narrow Band Imaging (NBI) ist eine endoskopische Technologie, die es Ärzten ermöglicht, „klarer zu sehen“.

Herkömmliche Endoskope verwenden weißes Licht zur Beleuchtung, wodurch die Oberfläche von Organen sichtbar wird. Kleine Läsionen im Frühstadium werden jedoch häufig leicht übersehen. Bei der Schmalbandbildgebung werden blaues und grünes Licht bestimmter Wellenlängen verwendet, um Blutgefäße und Schleimhautoberflächen gezielt zu beleuchten und so kleinste Läsionen „sichtbar“ zu machen. Daher eignet sich diese Methode besonders gut für die Früherkennung von Krebs.

Einfach ausgedrückt ist NBI wie das Hinzufügen eines Filters zur „Sicht“ des Arztes, der die Details des erkrankten Bereichs hervorhebt, ähnlich wie das Hervorheben versteckter Hinweise unter einer „Lupe“.

Diese Technologie eignet sich besonders für die Untersuchung des Verdauungs- und Atemtrakts und ermöglicht es Ärzten, Auffälligkeiten früher zu erkennen und genauere Diagnosen zu stellen. Durch die Schmalbandbildgebung werden die Beobachtungsmöglichkeiten des Endoskops um einen „Perspektiveffekt“ erweitert, wodurch die Erkennungsgenauigkeit und die Erfolgsquote bei der Frühdiagnose erheblich verbessert werden.

Mikrorohre mit unterschiedlichen Schädigungsstufen unter NBI

(Bildquelle: Referenz 1)

Fluoreszenzendoskopie: Verborgene Läsionen sichtbar machen

Bei Fluoreszenzendoskopen werden fluoreszierende Substanzen injiziert, um den erkrankten Bereich unter speziellem Licht zum „Leuchten“ zu bringen und den Ärzten so eine präzise Navigation zu ermöglichen.

Ähnlich wie die Wirkung von Nachtsichtgeräten in Filmen ermöglichen Fluoreszenzendoskope es Ärzten, Läsionen zu erkennen, die mit normaler Optik nicht dargestellt werden können. Insbesondere in der Krebschirurgie wird die fluoreszenzgeführte Chirurgie zu einem „Leuchtturm“ für die Tumorentfernung.

Fluoreszierende Endoskope werden häufiger zur chirurgischen Navigation und präzisen Positionierung von Läsionen verwendet. Dabei werden fluoreszierende Farbstoffe injiziert oder aufgetragen, um bestimmte Gewebe, insbesondere Tumore und Läsionsbereiche, unter bestimmtem Licht zum Fluoreszieren zu bringen und sie so während der Operation besser sichtbar zu machen. Auf diese Weise können Ärzte erkranktes Gewebe während der Operation genau identifizieren und entfernen, um eine versehentliche Verletzung gesunden Gewebes zu vermeiden.

Fluoreszenzbildgebung von Tumoren

(Bildquelle: Referenz 2)

Fluoreszierende Endoskope sind für Ärzte wie „hochpräzise Karten“. Sie ermöglichen eine klare Navigation in komplexen Operationsumgebungen und helfen den Ärzten, die Gründlichkeit und Sicherheit der Operation sicherzustellen und das Risiko eines Rückfalls zu verringern. Diese Technologie wird hauptsächlich zur Echtzeitführung bei Krebsoperationen eingesetzt und hat sich zu einem Leuchtturm für die Tumorentfernung entwickelt.

Endoskopischer Ultraschall: Zuhören und Beschreiben

Man kann sagen, dass der endoskopische Ultraschall (EUS) eine perfekte Kombination aus Endoskopie- und Ultraschalltechnologie ist. Es handelt sich nicht nur um ein Paar „Augen“, sondern es kann auch wie „Ohren“ Strukturen tief im Körper abhören und wahrnehmen.

Herkömmliche Endoskope können nur die Oberfläche von Organen sehen, Ultraschall-Endoskope sind jedoch wie ein „Radar“ in den Händen von Ärzten. Sie senden hochfrequente Schallwellen aus, durchdringen die Oberfläche des Gewebes und erfassen Bilder in tieferen Schichten. Wenn Schallwellen auf Gewebe unterschiedlicher Dichte treffen, reflektieren sie unterschiedliche Signale und erzeugen so detaillierte Bilder, die es Ärzten ermöglichen, nicht nur die Oberfläche zu beobachten, sondern auch durch benachbarte Organe oder Tumore „hindurchzusehen“.

Die Ultraschallendoskopie wird am häufigsten zur Diagnose von Magen-Darm-Erkrankungen wie Läsionen im Magen, der Bauchspeicheldrüse, dem Zwölffingerdarm usw. verwendet. Während des Betriebs wird eine Ultraschallsonde verwendet, um die Wände des Verdauungstrakts oder der umliegenden Organe zu „erkennen“, wie ein bildgebendes Instrument, das die „Barriere“ durchdringt, um Ärzten zu helfen, tiefe Läsionen zu identifizieren.

Endoskopischer Ultraschall hilft bei der genauen Diagnose von Erkrankungen des Verdauungstrakts

(Fotoquelle: Xinhuanet)

Noch interessanter ist, dass EUS auch in Verbindung mit einer Feinnadelaspirationsbiopsie verwendet werden kann, um direkt tiefe Gewebeproben für weitere pathologische Analysen zu entnehmen. Das Besondere an dieser Technologie ist, dass sie Veränderungen im Körper nicht nur „sehen“, sondern auch „hören“ kann. Dadurch wird die Bildtiefe herkömmlicher Endoskope erweitert und Ärzte können Läsionen in tiefen Geweben erkennen.

Die Ultraschall-Endoskopie ist in der modernen Medizin wie ein „Periskop“. Sie ermöglicht es Ärzten, die verborgenen Winkel des Körpers genauer zu untersuchen und sicherzustellen, dass keine Läsionen unentdeckt bleiben.

Konfokale Laser-Endomikroskopie: Ein „mikroskopischer Entdecker“, der die Geheimnisse der Zellen enthüllt

Die konfokale Laser-Endomikroskopie (CLE) ist eine bahnbrechende endoskopische Technologie, die konfokale Mikroskopie und Endoskopie kombiniert, um Echtzeit-Gewebebilder auf mikroskopischer Ebene zu ermöglichen.

Mithilfe dieser Technologie können Ärzte nicht nur Details auf der Oberfläche von Organen erkennen, sondern auch die zytologische Morphologie von Geweben beobachten und so Krankheiten diagnostizieren. Es ist, als ob ein Arzt ein Mikroskop bei sich tragen könnte, um den Körper des Patienten zu „erforschen“, die Veränderungen in Geweben und Zellen direkt zu beobachten und in Echtzeit In-vivo-Bilder auf Zellebene zu erstellen.

Der Kern der konfokalen Laserendoskopie besteht aus den beiden Teilen „konfokal“ und „bildgebende Sonde“. Die Grundidee besteht darin, durch eine kleine Öffnung Streulicht aus nicht im Brennpunkt liegenden Ebenen und Punkten zu eliminieren[3], so dass nur das Lichtsignal vom Brennpunkt erhalten bleibt und so ein hochauflösendes Bild entsteht.

Der Laser wird bei der CLE durch die optische Faser des Endoskops in den menschlichen Körper eingeführt. Das von der Lichtquelle emittierte Licht beleuchtet das Gewebe am Konjugatpunkt präzise und die angeregte Fluoreszenz wird präzise auf das Loch fokussiert, um ein Punktbild zu erzeugen. Dieses Loch ist der Schlüssel zur Beobachtungsfähigkeit von CLE auf Zellebene. Es ist mit der Beleuchtungspunktlichtquelle konjugiert, sodass Streulicht außerhalb des Fokus herausgefiltert wird.

CLE erfordert außerdem häufig die Unterstützung durch fluoreszierende Mittel. Vor der Operation injizieren die Ärzte fluoreszierende Mittel, beispielsweise Natriumfluorescein. Diese fluoreszierenden Stoffe können sich mit bestimmten Zellstrukturen im Gewebe verbinden, um die Gefäßstruktur, intrazellulären Räume usw. des untersuchten Gewebes darzustellen.

Links: Intestinale Metaplasie unter normaler Endoskopie

Mitte: Intestinale Metaplasie unter konfokaler Endoskopie

Rechts: Intestinale Metaplasie bei histologischer Untersuchung

(Bildquelle: Referenz 4)

Bei der herkömmlichen Diagnose müssen Ärzte zur pathologischen Analyse normalerweise ein kleines Stück Gewebe durch Biopsie entnehmen. Der Biopsievorgang ist nicht nur traumatisch, sondern kann auch länger dauern und die Probenentnahmeergebnisse können auch ungenau sein.

CLE hingegen führt eine Echtzeit-Abbildung der Lumenoberfläche durch und ist eine nicht-invasive Methode der „optischen Biopsie“, die eine Erkennung auf Zellebene ohne Entfernung von Gewebe ermöglicht und so eine frühzeitige Diagnose und Behandlung von Gewebeschäden ermöglicht. Dies bedeutet, dass die Patienten bei der Untersuchung weniger traumatisiert werden und schneller Diagnoseergebnisse vorliegen, wodurch sich der Zeitaufwand und die Unsicherheit bei Diagnose und Behandlung verringern.

Derzeit ist die klinische Anwendung von CLE relativ ausgereift, beispielsweise bei der Bildgebung von Darm und Magen. In Zukunft wird es mit der Ausweitung der klinischen Anwendungsbereiche eine größere Rolle spielen.

Kapselendoskopie: Ein Aufklärungssatellit wird verschluckt

Stellen Sie sich vor, Sie müssen nur eine Kapsel schlucken, und schon ist sie wie ein kleiner „Aufklärungssatellit“, der in Ihren Verdauungstrakt eindringt und seine eigene Erkundungsreise beginnt. Das ist die Magie der Kapselendoskopie.

Früher konnten sich Ärzte nur durch lange endoskopische Schläuche Zugang zum Körper verschaffen. Dieser Vorgang war nicht nur unangenehm, sondern führte auch dazu, dass kritische Läsionen übersehen wurden. Heute ist diese Erfahrung durch die Kapselendoskopie völlig möglich. Es kann sich wie ein treuer Entdecker frei durch den menschlichen Magen-Darm-Trakt bewegen, dabei Bilder aufnehmen und hochauflösende Bilder über einen eingebauten drahtlosen Sender an einen Empfänger übertragen, der außerhalb des Körpers des Patienten getragen wird.

Links: Bild des Verdauungstrakts unter Kapselendoskopie. Rechts: Tatsächliche Größe der Kapselendoskopie.

(Bildquelle: Wikipedia)

Dieser Empfänger fungiert als Datenerfassungsstation und zeichnet den gesamten Untersuchungsprozess des Verdauungstrakts auf, sodass die Ärzte die Bilder später im Detail analysieren und jeden Winkel des Verdauungstrakts sehen können. Noch überraschender ist, dass mit der Kapselendoskopie Bereiche untersucht werden können, die mit herkömmlichen Endoskopen nur schwer erreichbar sind, insbesondere der komplexe und gewundene Dünndarm[5].

Für Ärzte ist die Kapselendoskopie wie ein Paar „Augen“, die lückenlos scannen und sogar dabei helfen können, frühe Läsionen wie Morbus Crohn und Magen-Darm-Blutungen zu erkennen. Für Patienten ist dies ein revolutionärer Fortschritt. Sie müssen die Schmerzen einer Intubation nicht mehr ertragen. Sie müssen lediglich eine Kapsel schlucken und der Untersuchungsvorgang verläuft so einfach wie gewohnt.

In welche Richtung werden sich Endoskope in Zukunft entwickeln?

Die zukünftigen endoskopischen Kamerasysteme werden sich nicht nur in Richtung hoher Auflösung, Intelligenz und minimaler Invasivität entwickeln, sondern sich auch stärker auf Durchbrüche in der Mikrokavitäten-Bildgebungstechnologie konzentrieren. Mit der Weiterentwicklung der Optik, Mikroelektronik und Bildgebungstechnologien werden endoskopische Kameras hochauflösende oder sogar 8K-Echtzeitbilder liefern und den Ärzten so dabei helfen, den Läsionsbereich in komplexen chirurgischen Szenarien genauer zu beobachten. Gleichzeitig wird die 3D-Stereobildgebung zu einer Standardkonfiguration, die die räumliche Wahrnehmung der Ärzte insbesondere bei minimalinvasiven Operationen wie der Laparoskopie erheblich verbessert und so die Genauigkeit und Sicherheit der Operationen verbessert.

Abbildung winziger natürlicher Hohlräume: Die Abbildung winziger Hohlräume ist eine wichtige Richtung in der Entwicklung der endoskopischen Technologie. Es ermöglicht Ärzten, in winzige Kanäle vorzudringen, die mit herkömmlichen Endoskopen früher nur schwer zu erreichen waren, wie etwa den Gallengang, den Pankreasgang, die Harnwege und die Blutgefäße. In der Vergangenheit waren für die Untersuchung und Behandlung dieser Bereiche häufig invasive chirurgische Eingriffe oder radiologische Bildgebungsverfahren erforderlich. Durch die immer ausgefeiltere und miniaturisierte Entwicklung der Mikrohöhlen-Endoskopiegeräte sind Ärzte nun in der Lage, Krankheiten in diesen Hohlräumen durch extrem kleine Kanäle direkt zu beobachten und zu behandeln. Beispielsweise kann die Früherkennung von Gallengangskrebs und Bauchspeicheldrüsenkrebs heute direkt durch Mikrokavitätenbildgebung erfolgen, was die Genauigkeit der Diagnose und die Chance einer frühzeitigen Behandlung erheblich verbessert.

KI-Technologie: Künstliche Intelligenz (KI) ist auch die zentrale treibende Kraft der zukünftigen endoskopischen Technologie[6]. KI kann endoskopische Bilder in Echtzeit analysieren, erkranktes Gewebe automatisch identifizieren und Diagnoseempfehlungen geben. Mithilfe von KI können Ärzte schneller Diagnosen stellen und menschliche Fehler reduzieren. Die KI-Technologie hat in bestimmten Bereichen großes Potenzial gezeigt, beispielsweise bei der automatischen Erkennung von Dickdarmpolypen. Zukünftig wird sich sein Anwendungsbereich auf weitere Krankheitsscreenings und die präzise Analyse winziger Hohlräume ausweiten.

3D-Bildgebungstechnologie: Darüber hinaus wird die Mikrokavitäten-Bildgebungstechnologie mit hochauflösender und 3D-Bildgebung kombiniert, sodass Ärzte nicht nur feine Bilder in extrem engen Kanälen sehen, sondern auch die Lage und das Ausmaß von Läsionen aus einer dreidimensionalen Perspektive genau bestimmen können. Dieser technologische Durchbruch eröffnet große Möglichkeiten für die minimalinvasive Chirurgie. Ärzte können während der Operation in Echtzeit überwachen und operieren, Schäden am umliegenden gesunden Gewebe reduzieren und die Operationsrisiken erheblich verringern.

Die Weiterentwicklung medizinischer Geräte hat weitreichende Bedeutung für die Diagnose und Behandlung der modernen Medizin. Höher auflösende und intelligentere Endoskope verbessern nicht nur die Fähigkeit, Läsionen frühzeitig zu erkennen, sondern fördern auch die Entwicklung minimalinvasiver Operationen, wodurch die Schmerzen der Patienten verringert und die postoperative Genesungszeit verkürzt wird.

Auch in Zukunft werden Endoskope mit der Weiterentwicklung dieser Technologien ein „Superwerkzeug“ in den Händen der Ärzte bleiben und ihnen dabei helfen, komplexe Diagnose- und Behandlungsaufgaben mit beispielloser Genauigkeit und Effizienz durchzuführen.

Quellen:

[1] Zhu Yanan, Wang Jun, Wang Juan et al. Manifestationen von frühem Magenkrebs und intraepithelialer Neoplasie unter vergrößernder endoskopischer Schmalband-Bildgebungstechnologie [J]. Chinesisches Journal für Endoskopie, 2024, 30(07): 56-62.

[2] Liu Sheng, Yin Xinmin, Liu Yi et al. Sicherheits- und Durchführbarkeitsstudie zur ICG-fluoreszenzgesteuerten laparoskopischen anatomischen Rechtshepatektomie zur Behandlung von Lebertumoren[J]. Chinesisches Journal für praktische Chirurgie, 2019, 39(09): 944-948.

[3] Xu Baoteng. Forschung zu Schlüsseltechnologien der konfokalen mikroendoskopischen Bildaufnahme und -verarbeitung auf Faserbündelbasis[D]. Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, 2023.

[4] Yu Xiaoyun, Chen Jie, Zheng Liduan et al. Diagnostischer Wert der Laser-Konfokalendoskopie bei chronischer atrophischer Gastritis und intestinaler Metaplasie [J]. Journal of Clinical Digestive Diseases, 2013, 25(05): 280-282.

[5] Liao Zhuan, Li Zhaoshen. 20-jährige Entwicklung und Perspektiven der Kapselendoskopie[J]. Chinesisches Journal für praktische Innere Medizin, 2022, 42(01): 1-7.

[6] Sun Jiawei, Chen Zhaoqing, Zhao Bin et al. Anwendungsfortschritte von Deep Learning in der Glasfaserbildgebung (eingeladen) [J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2024, 61(16): 70-85.