更新于04.02
新技术克服内窥镜检查中的反射和烟雾挑战
当外科医生进行精细的微创手术时，图像常常会被刺眼的亮点所干扰。这些亮点是湿润的组织表面反射的强光，经常会遮挡住关键的血管或神经。另一种情况是，电外科刀切割组织产生的“手术烟雾”会迅速充满视野，使整个图像变得模糊不清，如同隔着一层毛玻璃进行手术。这不仅会给外科医生带来严重的视觉疲劳，还会直接增加手术的风险。
这是全球外科医生每天都面临的挑战。然而，浙江大学和浙江实验室的一个研究团队在著名的《Device》期刊上发表了一项开创性的进展，有望从根本上改变这一现状：偏振保持内窥镜。这项技术使医生能够“看穿”反射和烟雾，将受烟雾影响场景的图像清晰度提高了73%。
一、传统内窥镜下手术视野为何会模糊？
如今医院广泛使用的内窥镜被称为“白光内窥镜”。它们就像微型摄像头一样插入人体深处，发出白光并捕捉彩色图像，这使得它们非常直观。
然而，它们的弱点同样明显——它们容易受到“反射”和“烟雾”的影响。
反射（镜面反射）：
人体组织表面（如湿润的器官）就像一面小镜子。当受到内窥镜强光源的照射时，它会将光线直接反射回镜头，产生明亮、高强度的眩光点。这些镜面高光会完全遮挡下方的组织细节。
烟雾：
当外科医生使用电外科刀或超声波手术刀等能量设备切割组织或止血时，会产生类似于燃烧材料产生的烟雾。这些微小颗粒悬浮在密闭的体腔内，严重散射成像光线。这会导致整个视野的图像对比度显著降低，并丢失精细细节。
为了应对这些挑战，科学家们转向了光的偏振特性。
简单来说，普通光可以理解为一组向四面八方振动和传播的“波”，而偏振光则是由只在一个特定方向上振动的“波”组成的。利用这一特性，理论上可以区分直接从组织表面反射的强光（其偏振性在很大程度上得以保留）和从深层组织散射出来的有用的信号光（其偏振性已被破坏）。这使得系统能够滤除不需要的反射或穿透烟雾。
然而，这个有前景的概念受到了内窥镜本身的严重限制。
为了承受高温高压灭菌以及体内的复杂环境，所有医用内窥镜最前端的镜头都由极其坚硬的蓝宝石玻璃窗口进行密封和保护。问题在于，蓝宝石是一种双折射晶体。当光线穿过它时，光线会分裂成两束以略微不同速度传播的光束，引入“延迟”，从而扰乱偏振方向。
这类似于试图通过一个特殊的过滤器（偏振成像技术）来分析水的纯度，却发现水管（内窥镜）本身会主动搅动并弄浑水。因此，传统内窥镜会固有地干扰偏振成像，使得该技术在临床上不实用。
二、核心技术：运用“负负得正”原理为内窥镜配备“偏振太阳镜”
既然问题出在蓝宝石窗口上，人们可能会问：为什么不直接更换它呢？答案是否定的。蓝宝石的硬度、密封性能和生物相容性是不可替代的，代表着临床安全的一条关键“红线”。
浙江大学团队采取了不同的方法，提出了一个巧妙的解决方案，即“以彼之矛，攻彼之盾”：双折射补偿。
原理并不复杂：由于蓝宝石的双折射效应会扰乱光的偏振态，研究团队在其后方放置了一块具有相反且相等双折射效应的晶体——氟化镁。蓝宝石使光“分裂”并引入一定的延迟，而氟化镁则将其“扭转”回原始状态。
通过精确的计算和模拟，研究人员确定了蓝宝石和氟化镁之间的最佳“黄金比例”厚度（约2.29:1）。当一束偏振光依次通过这对“黄金组合”时，其偏振态几乎完美地得以保持，仿佛从未受到干扰。
更令人印象深刻的是，该解决方案对制造差异具有高容忍度。即使在安装过程中存在高达2度的角度偏差或0.03毫米的厚度误差，其性能仍然远远超过传统内窥镜。这使得该技术非常适合大规模生产。
三、实际表现：“反光瞬间消失”，“烟雾看得见”，“诊断升级”
基于这一原理开发的偏振保持内窥镜（PME）原型在实验中展现了革命性的性能：
1. 实时且完全消除反射
在口腔成像实验中，新型内窥镜实时物理消除了100%的反射区域，无需耗时的计算机处理。
相比之下，目前最先进的AI图像恢复算法也需要大约2秒钟处理单张图像。它们只能部分减少反射，并且经常通过“幻觉”生成不正确的纹理。PME直接捕获的图像显示了组织的真实外观，没有任何眩光。
2. 穿透烟雾，清晰度提升73%
在模拟手术烟雾的小鼠实验中，普通内窥镜图像变得完全模糊。通过结合其独特的偏振成像算法，PME能够准确估计并消除烟雾的影响，将图像质量（峰值信噪比）显著提高了73%。
仅依赖颜色分析的传统“去雾”算法相比之下会出现严重的颜色失真，并且其细节恢复能力远不如 PME 解决方案。
3. 超越颜色：揭示组织的“纹理”
传统内窥镜充当“彩色相机”，只能显示颜色和形态。相比之下，PME 则充当“偏振相机”，能够检测到由微观组织结构（如胶原纤维排列）变化引起的偏振信息差异。
这带来了一种全新的能力：在颜色发生改变之前识别早期病理变化。例如，在某些早期癌变组织中，胶原纤维的排列已经发生改变，但颜色保持不变。PME 可以通过偏振图像突出显示这些差异，为医生提供关键的额外诊断维度。
四、未来展望：为精准手术配备“智慧之眼”
该研究的核心突破在于，在不损害医疗器械基本安全原则（保留蓝宝石窗口）的前提下实现技术创新。通过巧妙的光学设计，它实现了“两全其美”。
对外科医生而言，这意味着：
➤ 更高的安全性：更清晰、更稳定的视野能够实现更精准的操作，显著降低血管和神经意外损伤的风险。
➤ 更高的效率：减少了因视野不清而反复擦拭镜片或等待烟雾消散的时间，从而加快了手术流程。
➤ 更高的精度：通过提供超越传统图像的病理信息，有助于外科医生在手术过程中更准确地确定肿瘤边界，从而实现更彻底的切除。目前，该团队已基于此研究成果申请了专利。通过进一步的工程开发和临床试验，这项“中国制造”的偏振保持内窥镜技术有望在未来几年内进入手术室。它将成为外科医生手中更明亮、更智能的“眼睛”，让更多患者受益于更安全、更精准的微创手术。
这项由宋佳伟、王大千、周长江等研究人员完成的工作，不仅解决了内窥镜成像领域一个长期存在的技难题，也为智能手术系统和增强现实手术导航的发展奠定了重要基础。
论文信息：
Song et al., "一种保持偏振的手术成像内窥镜," Device 3, 100871, 2025年11月21日。
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