最後更新 04.02
新技術克服內視鏡檢查中的反光與煙霧挑戰
當外科醫生進行精細的微創手術時，影像經常會被刺眼的亮點所干擾。這些亮點是從濕潤的組織表面反射出來的強光，經常會遮蔽重要的血管或神經。或者，電外科刀切割組織時產生的「手術煙霧」會迅速充滿視野，使整個影像變得模糊不清，如同在毛玻璃後操作。這不僅會導致外科醫生嚴重的視覺疲勞，還會直接增加手術的風險。
這是全球外科醫生每天面臨的挑戰。然而，浙江大學和浙江實驗室的一個研究團隊在著名的《Device》期刊上發表了一項開創性的進展，有望從根本上改變這種狀況：偏振保持內視鏡。這項技術使醫生能夠「看穿」反射和煙霧，將受煙霧影響場景的圖像清晰度提高了 73%。
一、傳統內視鏡的手術視野為何會變得模糊？
現今醫院廣泛使用的內視鏡稱為「白光內視鏡」。它們就像微型攝影機，能深入人體內部，發出白光並捕捉彩色影像，因此非常直觀。
然而，它們的弱點同樣明顯——它們同時容易受到「反射」和「煙霧」的影響。
反射（鏡面反射）：
人體組織的表面（例如濕潤的器官）就像一面小鏡子。當受到內視鏡強大光源的照射時，會將光線直接反射回鏡頭，產生明亮、高強度的眩光點。這些鏡面反光會完全遮蔽底層組織的細節。
煙霧：
當外科醫生使用電刀或超音波刀等能量儀器切割組織或止血時，會產生類似燃燒物質的煙霧。這些微小顆粒懸浮在密閉的體腔內，嚴重散射成像光線。這導致影像對比度顯著降低，並在整個視野中損失精細細節。
為了應對這些挑戰，科學家們轉向了光的偏振特性。
簡單來說，普通光可以理解為一群向四面八方振動傳播的「波」，而偏振光則是由僅在一個特定方向上振動的「波」組成的。利用這個特性，理論上可以區分直接從組織表面反射的強光（其偏振性很大程度上得以保留）和從更深層組織散射出來的有用訊號光（其偏振性已被破壞）。這使得系統能夠濾除不需要的反射或穿透煙霧。
然而，這個充滿潛力的概念卻受到內視鏡本身的嚴重限制。
為了承受高溫高壓的滅菌以及人體內複雜的環境，所有醫療內視鏡最前端的鏡頭，都會以極其堅硬的藍寶石玻璃視窗進行密封和保護。問題在於，藍寶石是一種雙折射晶體。當光線穿過它時，光會分裂成兩束以略微不同速度傳播的光束，引入一種「延遲」，進而擾亂偏振方向。
這就好比試圖透過一個專門的濾鏡（偏振成像技術）來分析水的純度，卻發現水管（內視鏡）本身會主動攪動並弄髒水。因此，傳統內視鏡本質上會干擾偏振成像，使得該技術在臨床應用上不切實際。
二、核心技術：運用「負負得正」原理，為內視鏡配備「偏振太陽眼鏡」
由於問題是由藍寶石窗口引起的，人們可能會問：為什麼不直接更換它？答案是否定的。藍寶石的硬度、密封性能和生物相容性是不可替代的，代表著臨床安全的一條關鍵的「紅線」。
浙江大學團隊採取了另一種方法，並提出了一個巧妙的解決方案，該方案利用了「以子之矛，攻子之盾」的原理：雙折射補償。
原理並不複雜：由於藍寶石的雙折射效應會擾亂光的偏振狀態，因此研究團隊在其後方放置了一種具有相反且相等雙折射效應的晶體——氟化鎂。藍寶石會使光「分裂」並引入一定的延遲，而氟化鎂則將其「扭轉」回原始狀態。
透過精確的計算和模擬，研究人員確定了藍寶石和氟化鎂之間最佳的厚度「黃金比例」（約為 2.29:1）。當偏振光束依序通過這對「黃金組合」時，其偏振狀態幾乎完美地得以保留，彷彿從未受到干擾。
更令人印象深刻的是，該解決方案對製造誤差具有高度容忍度。即使在安裝過程中存在高達 2 度的角度偏差或 0.03 毫米的厚度誤差，其性能仍然遠遠超過傳統內視鏡。這使得該技術對於大規模生產具有高度可行性。
三、實際表現：「反光瞬間消失」、「煙霧看得見」、「診斷升級」
基於此原理開發的偏振保持內視鏡（PME）原型，在實驗中展現了革命性的性能：
1. 即時且完整地消除反射
在口腔影像實驗中，新型內視鏡即時物理性地消除了 100% 的反射區域，無需任何耗時的電腦處理。
相比之下，目前最先進的人工智慧影像還原演算法也需要大約 2 秒鐘來處理單張影像。它們只能部分減少反射，並且經常透過「幻覺」產生不正確的紋理。PME 直接擷取的影像顯示了組織的真實外觀，沒有任何眩光。
2. 穿透煙霧，清晰度提升 73%
在模擬手術煙霧的小鼠實驗中，普通內視鏡影像變得完全模糊。透過結合其獨特的偏光成像演算法，PME 能準確估計並消除煙霧的影響，顯著將影像品質（峰值訊噪比）提升 73%。
僅依賴顏色分析的傳統「去霧」演算法相比之下會出現嚴重的顏色失真，且其細節恢復能力遠不如 PME 解決方案。
3. 超越顏色：揭示組織「紋理」
傳統內視鏡如同「彩色攝影機」，僅能顯示顏色和形態。相比之下，PME 則扮演「偏振攝影機」的角色，能偵測到由微觀組織結構（例如膠原纖維排列）變化所引起的偏振資訊差異。
這帶來了全新的能力：在顏色改變發生之前識別早期病理變化。例如，在某些早期癌組織中，膠原纖維的排列已經改變，但顏色保持不變。PME 可透過偏振影像突顯這些差異，為醫生提供關鍵的額外診斷維度。
IV. 未來展望：為精準手術配備「智慧之眼」
本研究的核心突破在於，它能在不損害醫療器材基本安全原則（保留藍寶石視窗）的前提下，實現技術創新。反之，透過巧妙的光學設計，它達成了「兩全其美」。
對外科醫生而言，這意味著：
➤ 更高的安全性：更清晰穩定的視野，使操作更精準，顯著降低對血管和神經造成意外損傷的風險。
➤ 更高的效率：減少了因視野不清而反覆擦拭鏡頭或等待煙霧消散的時間，從而加快手術流程。
➤ 更精確：透過提供傳統影像以外的病理資訊，有助於外科醫生在手術過程中更精確地確定腫瘤邊緣，從而實現更徹底的切除。目前，該團隊已就此研究成果提交專利申請。隨著進一步的工程開發和臨床試驗，這項「中國製造」的偏振保持內窺鏡技術預計將在未來幾年內進入手術室。它將成為外科醫生手中更明亮、更智慧的「眼睛」，讓更多患者受益於更安全、更精確的微創手術。
這項由宋嘉偉、王大千、周長江等研究人員完成的工作，不僅解決了內窺鏡成像領域一個長期存在的技術難題，也為智能手術系統和增強現實手術導航的發展奠定了重要基礎。
論文資訊：
Song 等人，「用於手術成像的偏振保持內窺鏡」，Device 3, 100871, 2025 年 11 月 21 日。
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