圖像增強技術對結直腸腺瘤檢出率影響研究進展

王龍騰, 張海燕,, 張嫚嫚, 侯思慧, 劉 益

1.蚌埠醫學院 研究生院,安徽 蚌埠 233000;2.徐州醫科大學 臨床學院,江蘇 徐州 221000;3.徐州市中心醫院 消化科,江蘇 徐州 221000

結直腸癌是最常見的消化系統惡性腫瘤之一[1-2],早診早治對患者預后十分重要。結腸鏡是對結直腸癌患者進行篩查、診斷及治療的有效手段。1951年,Jackman首次將結直腸癌的腺瘤-癌序列提出,在90%的患者中,早期診斷和切除息肉、腺瘤等癌前病變可以預防結腸癌[3],腺瘤檢出率是結腸鏡篩查效果的關鍵質量控制指標[4]。結腸鏡在進入腸道后可通過末端鏡頭看到結直腸內壁黏膜的圖像,直觀看到腸腔內壁的病變,但由于腸道的特殊解剖結構、一些病變的外觀與周圍黏膜差異很小、腸道準備不充分等因素,在結腸鏡檢查過程中,仍有一定病變被遺漏。有研究報道,腺瘤檢出率每提高1%,在隨后10年,患者患結直腸癌的風險降低3%,患間期癌的風險降低5%[5]。結腸鏡下對腺瘤性息肉進行切除可以有效預防結直腸癌,因此,積極提高內鏡醫師的腺瘤檢出率對于降低結直腸癌的發生及相關死亡風險尤其重要。內鏡醫師的腺瘤檢出率與結腸鏡檢查術前、術中及術后的多種因素密切相關[6]。術前主要指腸道準備,充分的腸道準備會為內鏡醫師提供良好的檢查視野,腺瘤檢出率明顯優于不充分準備者[4];術中因素主要指變換體位、二次檢查、退鏡時間、圖像增強技術(image-enhanced endoscopy,IEE)及附加設備使用等;術后的因素主要是指內鏡醫師接受自身腺瘤檢出率信息反饋及培訓學習[6]。隨著IEE的不斷發展,多項新技術被應用于臨床,包括窄帶光成像(narrow-band imaging,NBI)、藍色激光成像(blue-laser imaging,BLI)、光學增強內鏡(optical enhancement,OE)、聯動成像(linked color imaging,LCI)、自體熒光成像(autofluorescence imaging,AFI)、紋理和色彩增強成像(texture and color enhancement imaging,TXI)。本文將對不同的IEE對腺瘤檢出率的影響作一綜述。

1 NBI

傳統白光成像(white light imaging,WLI)的光源發出的光線是由紅綠藍3種光組成的寬帶光譜,NBI利用濾光器對光波進行過濾,僅留下藍色、綠色光波用于診斷消化道各種疾病。藍光(415 nm)、綠光(540 nm)位于血紅蛋白吸收光譜的兩個吸收峰,因此顯得較暗。其中,藍色穿透較淺,使淺層黏膜毛細血管以棕色顯示;綠色波段穿透較深,使深層黏膜及黏膜下血管以青色顯示,與周圍黏膜形成對比[7]。一項隨機對照研究將入組患者分配至WLI組(121例)和NBI組(122例),結果顯示,與WLI比較,第一代NBI可以顯著增加檢測到的腺瘤總數(102比65,P=0.046),且對于直徑<5 mm的腺瘤,NBI具有更高的檢出率(30%比17%,P=0.011)[8]。但有meta分析顯示,第一代NBI未提高腺瘤或息肉的檢出率[9-10]。第一代NBI雖然增強了黏膜和血管在內鏡下的表現,但亮度低于WLI,較暗的圖像可能會影響病變檢出的能力。第二代NBI的亮度和分辨率進一步提高,可提供更清晰明亮的畫面。一項多中心隨機對照研究共納入了431例受試者,結果顯示,與WLI比較,第二代NBI可以檢測到更多扁平、凹陷的病變(0.91比0.65,P=0.047),但不能增多腺瘤檢出率(1.68比1.36,P=0.104)[11]。Atkinson等[12]的meta分析納入了11項研究,共4 491例患者,結果顯示,第二代NBI的腺瘤檢出率優于WLI(52.7%比46.7%,P=0.020)。Kim等[13]的背靠背隨機對照研究將入組患者分配至高清WLI組(59例)和NBI組(58例),結果顯示,與高清WLI相比,新一代NBI系統結腸鏡并未顯著提高息肉和腺瘤的檢出率(68.9%比67.8%,P=0.514;43.1%比47.4%,P=0.335),但可降低扁平型和左側結腸息肉的漏檢率(14.3%比60.0%,P=0.009;28.6%比75.0%,P=0.009)。綜上,第二代NBI的優勢主要體現在可減少扁平型病變的漏檢率,但對于是否能夠提高腺瘤檢出率仍需進一步的研究。

2 BLI

BLI把傳統的氙燈光源更換為半導體激光光源,將410 nm強激光與白光相結合,且可精確調節光功率,改變激光強度,更清晰地觀察到淺表微血管和黏膜表面結構,以增強黏膜不規則處與周圍正常黏膜的對比,并使表面圖像的對比度更高。BLI-bright模式增強白光波段,削弱410 nm波段,以達到更高的亮度,有望用于腫瘤檢測[14],但由于削弱410 nm波段,微血管的對比度不如BLI。另有一種基于4LED的藍光成像技術,4個LED光源獨立控制,藍紫色LED產生短波長窄帶光成分,紅色、綠色、藍色LED結合為白光,再互相結合達到圖像增強作用。Ang等[15]的一項隨機對照研究共納入180例患者并將其隨機分入BLI組(90例)和WLI組(90例),與WLI比較,BLI可顯著提高腺瘤檢出率(46.2%比27.8%,P=0.010),但需要良好的腸道準備,因為由于外觀較暗,腸道準備不充分會比WLI更干擾內窺鏡可視化。Shimoda等[16]的一項隨機對照研究共納入了127例患者,將患者分入BLI-WLI組和WLI-WLI組(均進行兩次檢查,第一次兩組分別用BLI、WLI進行檢查,之后重新進鏡,WLI模式下再次檢查),第一次檢查結果顯示,BLI-WLI組和WLI-WLI組的腺瘤檢出率比較,差異無統計學意義(62.5%比63.5%,P=0.910),第二次檢查結果顯示,BLI-WLI組的漏診率低于WLI-WLI組(1.6%比10.0%,P=0.001)。Ikematsu等[17]的一項多中心隨機對照研究共納入了963例患者,將患者隨機分為BLI組(489例)和WLI組(474例),結果顯示,與WLI比較,使用BLI-bright模式可以提高檢測到的每個患者的平均腺瘤數量[(1.01±1.36)比(1.27±1.73),P=0.008],但不能增加腺瘤檢出率(52.7%比54.8%,P=0.521)?？傮w來說,BLI雖然提高了亮度,但相比WLI模式仍較暗,可能會限制病變的檢出率;但BLI模式在良好的腸道準備下可以提高腺瘤檢出率,降低漏診率。

3 OE

OE通過光學濾片僅允許415、540、570 nm的光波通過,結合圖像增強處理技術,與WLI比較,以更高的對比度顯示血管、腺管及黏膜的表面結構。OE有兩種模式,模式1適于強調黏膜表面上的血管的415 nm附近波長的光波和適于強調黏膜內部的血管的540 nm附近波長的光波構建圖像,產生連續的波長光譜,實現更高的透光率,在充足的光線下改善微血管的可見性;模式2中加入紅色光波與模式1中光波相組合,使整體圖像的色調更接近WLI模式的圖像,有利于篩查。一項單中心、前瞻性、隨機對照試驗納入302例受試者并將其隨機分為高清WLI組和OE組(OE模式2),OE組的腺瘤檢出率高于高清WLI組,但差異無統計學意義(38.8%比29.3%,P=0.082),OE組檢出的直徑<6 mm的腺瘤多于高清WLI組(76比45,P=0.038),且在無蒂腺瘤的檢出率上同樣具有優勢(68比39,P=0.042)[18]。OE的原理與NBI相近,優勢也主要體現在小型腺瘤和無蒂腺瘤。其中,OE模式2較模式1由于加入了紅色信號,圖像更接近WLI,有利于篩查。

4 LCI

LCI利用4LED燈的組合,在白光的基礎上,增加易被血紅蛋白吸收的短波長窄帶光(410 nm)的照射強度,在保證與WLI相同亮度的同時,提高黏膜與表層血管的對比度;同時,加入顏色擴張技術,通過軟件擴大不同黏膜之間相近顏色的鮮明度、飽和度差異,使得黏膜的微小色差得到增強。血管在黏膜中所處的深度和組織結構不同,對照射光的吸收和反射也有差異,因此,觀察到的顏色也隨之改變。在白光下同樣表現為紅色的早期腫瘤和炎癥,在LCI下會表現為不同的顏色(早期腫瘤為橙色,炎癥表現為紅色至紫色)。LCI與NBI、BLI相比具有以下優勢:(1)NBI、BLI內鏡下圖像表現為棕色調,且圖像亮度較WLI暗,不利于發現病變,而LCI由于具有與WLI相當的亮度和色調,更能幫助經驗不足的內鏡初學者提高腺瘤檢出率[19];(2)約20%～25%的腸鏡檢查患者腸道準備不充分[20],殘留的糞水在其他IEE中顯示為紅色,類似血液的顏色,影響腸鏡觀察,而在LCI中顯示為淡黃色[21];(3)無蒂鋸齒狀病變常更難用IEE(如BLI、NBI)檢測,因其為乏血管病變,圖像更暗,而LCI會增加乏血管區域的白色,可能對無蒂鋸齒狀病變診斷帶來優勢[22]。LCI提供的顏色增強清晰地劃分了小、扁平和淺色調息肉的邊界,如無蒂鋸齒狀病變和被認為難以檢測的非顆粒型側向發育腫瘤[19,23],LCI增強了結腸直腸扁平病變的可見性,有利于這些病變的檢出。多項研究顯示,LCI可提高腺瘤檢出率[22-24]。Shinozaki等[23]的meta分析共納入7項研究,結果顯示,LCI相比于WLI可以檢出更多的息肉(平均差0.27,95%可信區間0.01～0.53,P=0.040),有更高的腺瘤檢出率(平均差0.22,95%可信區間0.08～0.36,P=0.002),且在扁平息肉中,LCI優于WLI(平均差0.14,95%可信區間0.01～0.27,P=0.040)。Hasegawa等[25]的一項前瞻性隨機對照研究納入了700例受試者,結果顯示,LCI與WLI相比雖不能提高腺瘤檢出率(69.6%比63.2%,P=0.074),但可使腺瘤漏診率顯著降低(20.6%比31.1%,P<0.001)。Miyaguchi等[26]的一項多中心隨機對照研究共納入了995例受試者并將其隨機分為WLI組(494例)和LCI組(501例),結果顯示,LCI組和WLI組的腺瘤檢出率比較,差異無統計學意義(47.1% 比46.9%,P=0.93),但LCI能增加每位患者的平均腺瘤檢出數量(1.07比0.88,P=0.04)。目前研究對于LCI能否提高腺瘤檢出率的觀點不一,但LCI更容易檢出直徑≤5 mm、右半結腸、扁平型和鋸齒狀腺瘤的觀點較為一致。大部分研究的對象是存在消化道癥狀或大便潛血陽性的患者,對于無癥狀的篩查人群,LCI能帶來怎樣的優勢尚不明確。因此,有必要探究LCI在篩查人群中的腺瘤檢出率,特別是微小、扁平、淺顏色的病變的檢出率。

5 AFI

AFI的原理是基于腫瘤組織與其周圍正常組織在一定波長的光照射下產生的不同化學成分產生的不同熒光光譜。AFI通過濾光片過濾掉部分綠光,余下的藍光、紅光及組織釋放的物質形成實時偽彩色圖像,腫瘤性病變通常呈紫紅色,區別于非腫瘤性病變的綠色[27]。但AFI的內鏡圖像分辨率低,使病變相較于WLI更模糊,不利于病變的發現。胃腸道黏膜炎癥和增生性病變也可使黏膜層增厚,并表現出與AFI下腫瘤病變相似的色調,影響炎癥病變與腫瘤病變的鑒別診斷[28]。一項前瞻性多中心隨機對照研究將入組患者分配至AFI組(398例)和WLI組(404例),結果顯示,AFI與WLI相比改善了扁平結直腸病變(199比144,P<0.001)的檢測結果,而總體(249比243,P=0.510)和隆起型病變(137比159,P=0.150)的檢測結果的組間比較,差異無統計學意義(P>0.05)[29]。與其他IEE相比,AFI在腺瘤檢測方面無明顯優勢[30]。目前,AFI在腺瘤篩查上較其他內窺鏡技術并未表現出優勢,其通常依賴與NBI的配合應用于消化道早癌的篩查。

6 TXI

TXI是2020年新出現的內鏡IEE,其通過增強紋理、亮度及色彩,突出顏色和結構的變化,以更清晰地區分細微的組織差異。在Nishizawa等[31]的研究中,3位內鏡專家對29例鋸齒狀息肉患者的TXI、NBI、WLI圖像進行可見性評分,TXI的評分高于WLI(2.93比2.27,P<0.001)。Sakamoto等[32]的一項多中心回顧性研究納入了470名患者,TXI組和WLI組的平均腺瘤數量為1.5(95%可信區間1.3～1.6)比1.0(95%可信區間0.9～1.1),腺瘤檢出率為58.2%(95%可信區間51.7%～64.6%)比46.8%(95%可信區間40.2%～53.4%),息肉檢出率為80.2%(95%可信區間74.5%～85.0%)比63.9%(95%可信區間57.4%～70.1%),扁平息肉檢出率為66.2%(95%可信區間59.8%～72.2%)比49.8%(95%可信區間43.2%～56.4%),即與WLI比較,TXI提高了對結直腸腺瘤的檢測效果。

7 總結

內鏡主要通過觀察顏色、血管結構及表面結構的差異發現結直腸病變。NBI、0E、BLI、LCI均利用血紅蛋白吸收光譜吸收峰來強調血管形態,415 nm附近光波穿透較淺,凸顯黏膜表面血管,540 nm附近光波穿透較深,強調黏膜內部血管,但也正因此會產生較暗的圖像。NBI通過濾光器對光波進行過濾,允許415、540 nm波長光波透過,通過增強血管及表面結構來發現病變,獲益體現在扁平病變的檢出,但NBI的缺點在于內鏡圖像呈棕色調,亮度較暗,干擾對黏膜的觀察,對操作者的經驗要求更高;BLI通過410 nm附近光波與白光相組合來達到增強血管結構同時提升視野亮度的效果,但在腸道準備欠佳時,殘留的糞水在NBI、BLI中顯示為紅色,影響觀察,對腸道準備的要求更高[21];OE模式2和LCI圖像更接近WLI,減少干擾的同時更有利于內鏡初學者提高腺瘤檢出率,且LCI通過加入顏色擴張技術,增強黏膜顏色對比度,提供更好的黏膜病變可見性;AFI利用各種組織類型的熒光發射差異檢出病變,有利于區分增生性息肉與腺瘤,但并不準確,且AFI的圖像分辨率低,不利于病變的檢出,不適合用于結直腸病變的篩查;TXI通過增強紋理和顏色及調整黑暗區域亮度,提高輕微色差處的顏色對比度,增強黏膜隆起和凹陷區域的變化,提高黏膜病變的可見性。

隨著內鏡IEE的不斷改進及新技術的出現,內鏡醫師可用于篩查和診斷的手段越來越多,腺瘤檢出率和診斷準確性也越來越高。結直腸腺瘤是結直腸癌主要的癌前病變,提高腺瘤檢出率并對病變進行治療是預防結直腸癌發生的重要方式。新技術的應用可以使更多的癌前病變和早期病變盡早發現,有利于減輕我國結直腸癌疾病的經濟負擔。內鏡醫師應對這些技術、設備的優劣點進行了解,在應用時評估患者的身體狀況、腸道準備情況及病變情況,權衡可能的經濟負擔、學習成本和額外成本、潛在收益,選擇合適的技術或設備。同時,需要更多高質量的臨床研究以制定新技術內鏡成像診斷標準或量表和相關技術的培訓計劃,盡可能減少早期病變的漏診,達到早發現、早治療的目的。