O2E胶囊内镜系统用于无标记、高分辨率地检测巴雷特食管及其瘤变
2025-09-17 来源:本站 点击次数:37该重要研究由Qian Li、Zakiullah Ali、Christian Zakian等研究人员共同完成，研究成果发表于《Nature Biomedical Engineering》期刊。这项工作经过五年开发周期完成的重要临床前研究，为下一代内窥镜检测技术奠定了坚实基础。
重要发现
01技术原理与成像机制
O2E胶囊内镜系统整合了两种互补的光学成像技术：光学相干断层扫描(OCT)和光声成像(OAI)。OCT主要基于组织微观结构界面折射率差异来呈现形态学特征，成像深度可达2.5毫米，轴向分辨率达到10微米。光声成像则基于组织内光学吸收体的非侵入式可视化，采用532纳米波长激光，对血红蛋白具有高吸收特性，能够提供全新的对比机制。
研究团队研发的空心球形超宽带锂铌酸盐超声换能器是O2E系统的核心元件，中心频率为68.5兆赫，-6分贝带宽达到100兆赫。这种设计使得光声成像的轴向分辨率达到17微米，横向分辨率为30微米。胶囊通过微型电机驱动换能器组件进行360度 circumferential成像，同时通过回拉胶囊产生螺旋式扫描，实现对组织段的三维成像。
02实验设计与验证过程研究首先在健康志愿者口腔黏膜和猪食管模型上验证了O2E系统的成像性能。实验结果显示，OCT能够清晰分辨黏膜层状结构，包括鳞状上皮、固有层和黏膜肌层。光声成像则成功显示了黏膜血管网络，包括垂直于表面的浅表毛细血管环和位于固有层/黏膜下层的较大血管。
随后进行的临床试点研究纳入了14个来自10名患者的 endoscopic mucosal resection (EMR)标本，这些标本被怀疑患有巴雷特食管瘤变。研究人员通过组织钉标记实现了O2E成像与组织病理学的精确关联，共分析了61个感兴趣区域(ROI)，涵盖正常黏膜、胃化生、肠化生、异型增生和黏膜内癌等各种黏膜类型。
03成像特征与诊断价值研究发现不同黏膜类型在O2E成像中表现出显著不同的特征。正常鳞状黏膜呈现清晰的层次结构，具有均匀的无血管上皮层和高散射的固有层，两者之间有明显的基底膜分隔。肠化生和异型增生的特征则是表面上皮隐窝和深层腺体，在OCT中表现为低反射管状结构和空隙。
特别值得注意的是，光声成像揭示了不同黏膜类型间血管分布模式的显著差异。正常黏膜仅包含上皮层以下的深部血管，而柱状化的异常黏膜在其上皮层内具有密集的血管分布。定量分析显示，异常ROI中的血管深度显著浅于正常ROI(P < 0.001)。
在en face成像中，OCT在100-200微米深度生成的图像显示了正常和异常黏膜间上皮模式的明显对比。正常食管黏膜呈现均匀上皮，而异常黏膜则显示明显不同的不均匀上皮。高频段光声成像结合深度编码方案，能够以绿色和黄色显示0-0.3毫米深度的上皮血管，以红色和洋红色显示更深组织中的血管，异常黏膜因其柱状上皮中密集的血管分布而得到突出显示。
创新与亮点
01突破性技术难题
O2E胶囊内镜系统解决了当前内窥镜检测中的多个关键技术难题。传统白光内窥镜即使结合靶向活检，也难以检测早期瘤变，随机四象限活检协议会漏检30%-50%的早期瘤变病变。现有的染色内镜、窄带成像和共聚焦激光内镜等技术都存在视野小、检查时间长、仅能获取浅表对比等局限性。
O2E技术的创新之处在于将两种互补的成像模式集成于一个仅12.5毫米直径的胶囊中，实现了深度分辨的横截面和en face食管成像。特别是研究的超宽带换能器设计，使光声成像的分辨率-深度比超越了其他光学模态，在成像食管瘤变所需的几毫米深度范围内，分辨率与OCT相当。
02诊断性能提升研究通过分类测试验证了O2E特征的临床价值。8名评分者(3名胃肠病学家和5名非临床科学家)使用基于流程图的O2E分类系统对48个ROI进行分类测试。结果显示，单独使用OCT时，识别 neoplasia 的总体灵敏度为77%，特异性为80%。结合OCT和OPAM后，识别 neoplasia 的每ROI灵敏度和特异性分别显著提高至94%和92%，每患者灵敏度为94%，特异性达到100%。
这一性能达到了美国胃肠内镜学会为替代随机活检的监测新技术设定的阈值(每患者灵敏度≥90%，特异性≥80%)。特别值得注意的是，光声成像能够解密肿瘤血管模式，这对于区分黏膜内癌和胃化生类型2至关重要，而仅靠OCT难以区分这两种情况。
03临床转化价值O2E技术提供了丰富且互补的组织信息，支持准确快速定位异常区域并通过横截面图像进行详细检查以确定实际黏膜类型。该系统能够无标记地可视化长段黏膜的详细形态学和血管架构，通过试点临床研究证明了其在识别巴雷特食管局灶病变方面的独特价值。
胶囊的可消毒重复使用特性降低了筛查成本，而无需镇静剂的吞咽耐受性(与现有OCT胶囊相当)进一步增强了其临床转化潜力。深度超过1毫米的成像能力非常适合早期癌变形态学和功能特征的体积研究，未来可能扩展到可视化食管癌病变浸润的能力。
总结与展望
本研究开发的O2E胶囊内镜系统代表了内窥镜成像技术的重要进步，通过结合光学相干断层扫描和光声成像的优势，为巴雷特食管瘤变的检测提供了快速、无标记、高分辨率的三维成像解决方案。该技术不仅解决了当前临床检测中的关键局限性，还展示了优异的诊断性能，达到了替代随机活检的临床标准。
未来研究将聚焦于多项技术优化：采用全光学超声检测的新型微型化探测器可能进一步减小胶囊尺寸；增加多波长照明将实现组织色团分化，通过测量血红蛋白氧饱和度绘制缺氧图；胶原蛋白映射可能揭示癌症相关的胶原重塑过程。此外，良好的胶囊与食管壁接触机制、远端纵向扫描机制以及对不同食管尺寸的适应性都是临床主流应用需要考虑的关键因素。
O2E技术具有转化为精准、微创的巴雷特食管筛查和监测工具的潜力，有望显著提高早期食管腺癌的检测率，最终改善患者预后和生存率。随着进一步的技术优化和临床验证，这一创新成像平台可能成为消化道疾病诊断的重要工具。
论文信息声明：本文仅用作学术目的。
Li Q, Ali Z, Zakian C, di Pietro M, Honing J, O'Donovan M, Flisikowski K, Sarantos V, Pierre G, Gloriod J, Drexler W, Ntziachristos V. Tethered optoacoustic and optical coherence tomography capsule endoscopy for label-free assessment of Barrett's oesophageal neoplasia. Nat Biomed Eng. 2025 Aug 6.
DOI:10.1038/s41551-025-01462-0.