图像增强技术对结直肠腺瘤检出率影响研究进展

王龙腾, 张海燕,, 张嫚嫚, 侯思慧, 刘 益

1.蚌埠医学院 研究生院,安徽 蚌埠 233000;2.徐州医科大学 临床学院,江苏 徐州 221000;3.徐州市中心医院 消化科,江苏 徐州 221000

结直肠癌是最常见的消化系统恶性肿瘤之一[1-2],早诊早治对患者预后十分重要。结肠镜是对结直肠癌患者进行筛查、诊断及治疗的有效手段。1951年,Jackman首次将结直肠癌的腺瘤-癌序列提出,在90%的患者中,早期诊断和切除息肉、腺瘤等癌前病变可以预防结肠癌[3],腺瘤检出率是结肠镜筛查效果的关键质量控制指标[4]。结肠镜在进入肠道后可通过末端镜头看到结直肠内壁黏膜的图像,直观看到肠腔内壁的病变,但由于肠道的特殊解剖结构、一些病变的外观与周围黏膜差异很小、肠道准备不充分等因素,在结肠镜检查过程中,仍有一定病变被遗漏。有研究报道,腺瘤检出率每提高1%,在随后10年,患者患结直肠癌的风险降低3%,患间期癌的风险降低5%[5]。结肠镜下对腺瘤性息肉进行切除可以有效预防结直肠癌,因此,积极提高内镜医师的腺瘤检出率对于降低结直肠癌的发生及相关死亡风险尤其重要。内镜医师的腺瘤检出率与结肠镜检查术前、术中及术后的多种因素密切相关[6]。术前主要指肠道准备,充分的肠道准备会为内镜医师提供良好的检查视野,腺瘤检出率明显优于不充分准备者[4];术中因素主要指变换体位、二次检查、退镜时间、图像增强技术(image-enhanced endoscopy,IEE)及附加设备使用等;术后的因素主要是指内镜医师接受自身腺瘤检出率信息反馈及培训学习[6]。随着IEE的不断发展,多项新技术被应用于临床,包括窄带光成像(narrow-band imaging,NBI)、蓝色激光成像(blue-laser imaging,BLI)、光学增强内镜(optical enhancement,OE)、联动成像(linked color imaging,LCI)、自体荧光成像(autofluorescence imaging,AFI)、纹理和色彩增强成像(texture and color enhancement imaging,TXI)。本文将对不同的IEE对腺瘤检出率的影响作一综述。

1 NBI

传统白光成像(white light imaging,WLI)的光源发出的光线是由红绿蓝3种光组成的宽带光谱,NBI利用滤光器对光波进行过滤,仅留下蓝色、绿色光波用于诊断消化道各种疾病。蓝光(415 nm)、绿光(540 nm)位于血红蛋白吸收光谱的两个吸收峰,因此显得较暗。其中,蓝色穿透较浅,使浅层黏膜毛细血管以棕色显示;绿色波段穿透较深,使深层黏膜及黏膜下血管以青色显示,与周围黏膜形成对比[7]。一项随机对照研究将入组患者分配至WLI组(121例)和NBI组(122例),结果显示,与WLI比较,第一代NBI可以显著增加检测到的腺瘤总数(102比65,P=0.046),且对于直径<5 mm的腺瘤,NBI具有更高的检出率(30%比17%,P=0.011)[8]。但有meta分析显示,第一代NBI未提高腺瘤或息肉的检出率[9-10]。第一代NBI虽然增强了黏膜和血管在内镜下的表现,但亮度低于WLI,较暗的图像可能会影响病变检出的能力。第二代NBI的亮度和分辨率进一步提高,可提供更清晰明亮的画面。一项多中心随机对照研究共纳入了431例受试者,结果显示,与WLI比较,第二代NBI可以检测到更多扁平、凹陷的病变(0.91比0.65,P=0.047),但不能增多腺瘤检出率(1.68比1.36,P=0.104)[11]。Atkinson等[12]的meta分析纳入了11项研究,共4 491例患者,结果显示,第二代NBI的腺瘤检出率优于WLI(52.7%比46.7%,P=0.020)。Kim等[13]的背靠背随机对照研究将入组患者分配至高清WLI组(59例)和NBI组(58例),结果显示,与高清WLI相比,新一代NBI系统结肠镜并未显著提高息肉和腺瘤的检出率(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侧结肠息肉的漏检率(14.3%比60.0%,P=0.009;28.6%比75.0%,P=0.009)。综上,第二代NBI的优势主要体现在可减少扁平型病变的漏检率,但对于是否能够提高腺瘤检出率仍需进一步的研究。

2 BLI

BLI把传统的氙灯光源更换为半导体激光光源,将410 nm强激光与白光相结合,且可精确调节光功率,改变激光强度,更清晰地观察到浅表微血管和黏膜表面结构,以增强黏膜不规则处与周围正常黏膜的对比,并使表面图像的对比度更高。BLI-bright模式增强白光波段,削弱410 nm波段,以达到更高的亮度,有望用于肿瘤检测[14],但由于削弱410 nm波段,微血管的对比度不如BLI。另有一种基于4LED的蓝光成像技术,4个LED光源独立控制,蓝紫色LED产生短波长窄带光成分,红色、绿色、蓝色LED结合为白光,再互相结合达到图像增强作用。Ang等[15]的一项随机对照研究共纳入180例患者并将其随机分入BLI组(90例)和WLI组(90例),与WLI比较,BLI可显著提高腺瘤检出率(46.2%比27.8%,P=0.010),但需要良好的肠道准备,因为由于外观较暗,肠道准备不充分会比WLI更干扰内窥镜可视化。Shimoda等[16]的一项随机对照研究共纳入了127例患者,将患者分入BLI-WLI组和WLI-WLI组(均进行两次检查,第一次两组分别用BLI、WLI进行检查,之后重新进镜,WLI模式下再次检查),第一次检查结果显示,BLI-WLI组和WLI-WLI组的腺瘤检出率比较,差异无统计学意义(62.5%比63.5%,P=0.910),第二次检查结果显示,BLI-WLI组的漏诊率低于WLI-WLI组(1.6%比10.0%,P=0.001)。Ikematsu等[17]的一项多中心随机对照研究共纳入了963例患者,将患者随机分为BLI组(489例)和WLI组(474例),结果显示,与WLI比较,使用BLI-bright模式可以提高检测到的每个患者的平均腺瘤数量[(1.01±1.36)比(1.27±1.73),P=0.008],但不能增加腺瘤检出率(52.7%比54.8%,P=0.521)。总体来说,BLI虽然提高了亮度,但相比WLI模式仍较暗,可能会限制病变的检出率;但BLI模式在良好的肠道准备下可以提高腺瘤检出率,降低漏诊率。

3 OE

OE通过光学滤片仅允许415、540、570 nm的光波通过,结合图像增强处理技术,与WLI比较,以更高的对比度显示血管、腺管及黏膜的表面结构。OE有两种模式,模式1适于强调黏膜表面上的血管的415 nm附近波长的光波和适于强调黏膜内部的血管的540 nm附近波长的光波构建图像,产生连续的波长光谱,实现更高的透光率,在充足的光线下改善微血管的可见性;模式2中加入红色光波与模式1中光波相组合,使整体图像的色调更接近WLI模式的图像,有利于筛查。一项单中心、前瞻性、随机对照试验纳入302例受试者并将其随机分为高清WLI组和OE组(OE模式2),OE组的腺瘤检出率高于高清WLI组,但差异无统计学意义(38.8%比29.3%,P=0.082),OE组检出的直径<6 mm的腺瘤多于高清WLI组(76比45,P=0.038),且在无蒂腺瘤的检出率上同样具有优势(68比39,P=0.042)[18]。OE的原理与NBI相近,优势也主要体现在小型腺瘤和无蒂腺瘤。其中,OE模式2较模式1由于加入了红色信号,图像更接近WLI,有利于筛查。

4 LCI

LCI利用4LED灯的组合,在白光的基础上,增加易被血红蛋白吸收的短波长窄带光(410 nm)的照射强度,在保证与WLI相同亮度的同时,提高黏膜与表层血管的对比度;同时,加入颜色扩张技术,通过软件扩大不同黏膜之间相近颜色的鲜明度、饱和度差异,使得黏膜的微小色差得到增强。血管在黏膜中所处的深度和组织结构不同,对照射光的吸收和反射也有差异,因此,观察到的颜色也随之改变。在白光下同样表现为红色的早期肿瘤和炎症,在LCI下会表现为不同的颜色(早期肿瘤为橙色,炎症表现为红色至紫色)。LCI与NBI、BLI相比具有以下优势:(1)NBI、BLI内镜下图像表现为棕色调,且图像亮度较WLI暗,不利于发现病变,而LCI由于具有与WLI相当的亮度和色调,更能帮助经验不足的内镜初学者提高腺瘤检出率[19];(2)约20%～25%的肠镜检查患者肠道准备不充分[20],残留的粪水在其他IEE中显示为红色,类似血液的颜色,影响肠镜观察,而在LCI中显示为淡黄色[21];(3)无蒂锯齿状病变常更难用IEE(如BLI、NBI)检测,因其为乏血管病变,图像更暗,而LCI会增加乏血管区域的白色,可能对无蒂锯齿状病变诊断带来优势[22]。LCI提供的颜色增强清晰地划分了小、扁平和浅色调息肉的边界,如无蒂锯齿状病变和被认为难以检测的非颗粒型侧向发育肿瘤[19,23],LCI增强了结肠直肠扁平病变的可见性,有利于这些病变的检出。多项研究显示,LCI可提高腺瘤检出率[22-24]。Shinozaki等[23]的meta分析共纳入7项研究,结果显示,LCI相比于WLI可以检出更多的息肉(平均差0.27,95%可信区间0.01～0.53,P=0.040),有更高的腺瘤检出率(平均差0.22,95%可信区间0.08～0.36,P=0.002),且在扁平息肉中,LCI优于WLI(平均差0.14,95%可信区间0.01～0.27,P=0.040)。Hasegawa等[25]的一项前瞻性随机对照研究纳入了700例受试者,结果显示,LCI与WLI相比虽不能提高腺瘤检出率(69.6%比63.2%,P=0.074),但可使腺瘤漏诊率显著降低(20.6%比31.1%,P<0.001)。Miyaguchi等[26]的一项多中心随机对照研究共纳入了995例受试者并将其随机分为WLI组(494例)和LCI组(501例),结果显示,LCI组和WLI组的腺瘤检出率比较,差异无统计学意义(47.1% 比46.9%,P=0.93),但LCI能增加每位患者的平均腺瘤检出数量(1.07比0.88,P=0.04)。目前研究对于LCI能否提高腺瘤检出率的观点不一,但LCI更容易检出直径≤5 mm、右半结肠、扁平型和锯齿状腺瘤的观点较为一致。大部分研究的对象是存在消化道症状或大便潜血阳性的患者,对于无症状的筛查人群,LCI能带来怎样的优势尚不明确。因此,有必要探究LCI在筛查人群中的腺瘤检出率,特别是微小、扁平、浅颜色的病变的检出率。

5 AFI

AFI的原理是基于肿瘤组织与其周围正常组织在一定波长的光照射下产生的不同化学成分产生的不同荧光光谱。AFI通过滤光片过滤掉部分绿光,余下的蓝光、红光及组织释放的物质形成实时伪彩色图像,肿瘤性病变通常呈紫红色,区别于非肿瘤性病变的绿色[27]。但AFI的内镜图像分辨率低,使病变相较于WLI更模糊,不利于病变的发现。胃肠道黏膜炎症和增生性病变也可使黏膜层增厚,并表现出与AFI下肿瘤病变相似的色调,影响炎症病变与肿瘤病变的鉴别诊断[28]。一项前瞻性多中心随机对照研究将入组患者分配至AFI组(398例)和WLI组(404例),结果显示,AFI与WLI相比改善了扁平结直肠病变(199比144,P<0.001)的检测结果,而总体(249比243,P=0.510)和隆起型病变(137比159,P=0.150)的检测结果的组间比较,差异无统计学意义(P>0.05)[29]。与其他IEE相比,AFI在腺瘤检测方面无明显优势[30]。目前,AFI在腺瘤筛查上较其他内窥镜技术并未表现出优势,其通常依赖与NBI的配合应用于消化道早癌的筛查。

6 TXI

TXI是2020年新出现的内镜IEE,其通过增强纹理、亮度及色彩,突出颜色和结构的变化,以更清晰地区分细微的组织差异。在Nishizawa等[31]的研究中,3位内镜专家对29例锯齿状息肉患者的TXI、NBI、WLI图像进行可见性评分,TXI的评分高于WLI(2.93比2.27,P<0.001)。Sakamoto等[32]的一项多中心回顾性研究纳入了470名患者,TXI组和WLI组的平均腺瘤数量为1.5(95%可信区间1.3～1.6)比1.0(95%可信区间0.9～1.1),腺瘤检出率为58.2%(95%可信区间51.7%～64.6%)比46.8%(95%可信区间40.2%～53.4%),息肉检出率为80.2%(95%可信区间74.5%～85.0%)比63.9%(95%可信区间57.4%～70.1%),扁平息肉检出率为66.2%(95%可信区间59.8%～72.2%)比49.8%(95%可信区间43.2%～56.4%),即与WLI比较,TXI提高了对结直肠腺瘤的检测效果。

7 总结

内镜主要通过观察颜色、血管结构及表面结构的差异发现结直肠病变。NBI、0E、BLI、LCI均利用血红蛋白吸收光谱吸收峰来强调血管形态,415 nm附近光波穿透较浅,凸显黏膜表面血管,540 nm附近光波穿透较深,强调黏膜内部血管,但也正因此会产生较暗的图像。NBI通过滤光器对光波进行过滤,允许415、540 nm波长光波透过,通过增强血管及表面结构来发现病变,获益体现在扁平病变的检出,但NBI的缺点在于内镜图像呈棕色调,亮度较暗,干扰对黏膜的观察,对操作者的经验要求更高;BLI通过410 nm附近光波与白光相组合来达到增强血管结构同时提升视野亮度的效果,但在肠道准备欠佳时,残留的粪水在NBI、BLI中显示为红色,影响观察,对肠道准备的要求更高[21];OE模式2和LCI图像更接近WLI,减少干扰的同时更有利于内镜初学者提高腺瘤检出率,且LCI通过加入颜色扩张技术,增强黏膜颜色对比度,提供更好的黏膜病变可见性;AFI利用各种组织类型的荧光发射差异检出病变,有利于区分增生性息肉与腺瘤,但并不准确,且AFI的图像分辨率低,不利于病变的检出,不适合用于结直肠病变的筛查;TXI通过增强纹理和颜色及调整黑暗区域亮度,提高轻微色差处的颜色对比度,增强黏膜隆起和凹陷区域的变化,提高黏膜病变的可见性。

随着内镜IEE的不断改进及新技术的出现,内镜医师可用于筛查和诊断的手段越来越多,腺瘤检出率和诊断准确性也越来越高。结直肠腺瘤是结直肠癌主要的癌前病变,提高腺瘤检出率并对病变进行治疗是预防结直肠癌发生的重要方式。新技术的应用可以使更多的癌前病变和早期病变尽早发现,有利于减轻我国结直肠癌疾病的经济负担。内镜医师应对这些技术、设备的优劣点进行了解,在应用时评估患者的身体状况、肠道准备情况及病变情况,权衡可能的经济负担、学习成本和额外成本、潜在收益,选择合适的技术或设备。同时,需要更多高质量的临床研究以制定新技术内镜成像诊断标准或量表和相关技术的培训计划,尽可能减少早期病变的漏诊,达到早发现、早治疗的目的。