Фиброоптический эндоскоп

Фиброоптический эндоскоп — это медицинский прибор для визуального осмотра внутренних полостей организма (эндоскопии), в котором изображение передаётся по гибкому световоду, состоящему из упорядоченного пучка оптических волокон (фиброскопа). Относится к классу гибких эндоскопов, в отличие от жёстких (ригидных) конструкций, и позволяет проводить диагностику и малоинвазивные вмешательства в труднодоступных анатомических областях.

История

Предпосылки создания

Первые попытки осмотра внутренних органов с помощью трубок предпринимались ещё в XIX веке (например, цистоскоп Филипа Боззини, 1806 год). Однако жёсткие металлические трубки были травматичны и имели ограниченный угол обзора. Развитие гибкой эндоскопии стало возможным после изобретения оптического волокна. В 1950-х годах британский физик Гарольд Хопкинс и инженер Нариндер Капани независимо друг от друга разработали принципы передачи изображения по упорядоченным пучкам стеклянных волокон.

Первые фиброскопы

В 1957 году американский врач Бэзил Хиршовиц и инженер Ларри Кёртис из компании American Cystoscope Makers, Inc. (ACMI) создали первый прототип фиброоптического гастроскопа, который позволял осматривать желудок без значительного дискомфорта для пациента. В 1960-х годах японские компании (Olympus, Fujinon, Pentax) начали серийное производство фиброскопов, что привело к революции в гастроэнтерологии, пульмонологии и урологии. К 1970-м годам фиброоптические эндоскопы практически вытеснили жёсткие модели в большинстве диагностических процедур.

Переход к видеоэндоскопии

С 1980-х годов фиброоптические эндоскопы начали вытесняться видеоэндоскопами, в которых изображение передаётся с помощью миниатюрной ПЗС-матрицы (CCD), установленной на дистальном конце прибора. Тем не менее, фиброскопы продолжают применяться в ситуациях, где требуется высокая гибкость, малый диаметр или работа в условиях сильных электромагнитных помех (например, при МРТ-совместимых процедурах).

Устройство и принцип работы

Оптическая система

Основой фиброоптического эндоскопа является фиброволоконный жгут — пучок из десятков тысяч стеклянных или кварцевых волокон диаметром от 5 до 15 мкм. Каждое волокно покрыто оболочкой с меньшим показателем преломления, что обеспечивает полное внутреннее отражение света. Волокна уложены строго упорядоченно: взаимное расположение торцов на входе и выходе жгута совпадает, что позволяет передавать изображение без искажений. Разрешение фиброскопа определяется числом волокон в жгуте: чем их больше, тем выше детализация.

Освещение

Для освещения полости используется отдельный световод, по которому подаётся свет от внешнего источника (галогеновой или ксеноновой лампы). В современных моделях применяются светодиоды (LED). Световод не передаёт изображение, а только доставляет свет к дистальному концу.

Каналы и управление

Фиброскоп содержит:

• Рабочий канал — для введения инструментов (биопсийных щипцов, щёток, лигатур) или подачи жидкости/газа.
• Канал подачи воздуха/воды — для раздувания полости (например, желудка) и промывки объектива.
• Управляемый дистальный конец — с помощью тросиков и рукоятки врач может изгибать кончик прибора в двух или четырёх плоскостях (угол изгиба обычно от 180° до 210°).

Окуляр и адаптация

Изображение с выходного торца жгута рассматривается через окуляр с увеличением. Для документирования или видеонаблюдения к окуляру может подключаться видеокамера (CCD-адаптер). В отличие от видеоэндоскопов, фиброскопы не имеют встроенного экрана.

Классификация

По назначению

• Гастроскопы — для осмотра пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки.
• Колоноскопы — для осмотра толстой кишки (длина до 160–180 см).
• Бронхоскопы — для осмотра трахеи и бронхов (диаметр 5–6 мм).
• Цистоскопы — для осмотра мочевого пузыря.
• Артроскопы — для осмотра суставов (чаще жёсткие, но есть гибкие модели).
• Назофарингоскопы — для осмотра носоглотки и гортани (диаметр 2–3 мм).

По типу волокна

• Стекловолоконные — наиболее распространены, обеспечивают хорошее качество изображения при умеренной стоимости.
• Кварцевые — более дорогие, но с меньшим затуханием света и лучшей химической стойкостью.
• Пластиковые — используются в дешёвых одноразовых моделях (например, для ларингоскопии).

По возможности стерилизации

• Многоразовые — требуют сложной химической или газовой (этиленоксид) стерилизации.
• Одноразовые — изготавливаются из пластика, предназначены для однократного использования, снижают риск перекрёстного инфицирования.

Применение

Медицина

Фиброоптические эндоскопы широко используются в диагностике и лечении заболеваний желудочно-кишечного тракта, дыхательных путей, мочевыводящей системы и ЛОР-органов. Основные процедуры:

• Гастроскопия — выявление язв, полипов, опухолей, гастритов.
• Колоноскопия — скрининг колоректального рака, удаление полипов.
• Бронхоскопия — забор мокроты, удаление инородных тел, биопсия лёгких.
• Цистоскопия — диагностика циститов, камней, опухолей мочевого пузыря.

Промышленность и техника

Фиброскопы применяются для неразрушающего контроля (НК) труднодоступных узлов: осмотр внутренних полостей двигателей, трубопроводов, теплообменников, авиационных конструкций. Промышленные фиброскопы обычно имеют большую длину (до 10 м) и усиленную оболочку, устойчивую к маслам и вибрации.

Ветеринария

Используются для осмотра пищеварительного тракта и дыхательных путей у животных, особенно у лошадей и крупного рогатого скота.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Гибкость — возможность осмотра извитых каналов (например, толстой кишки).
• Малый диаметр — от 2 до 10 мм, что позволяет проникать в узкие проходы.
• Отсутствие электричества на дистальном конце — безопасность при работе в взрывоопасных средах (например, в лёгких при анестезии).
• Сравнительно низкая стоимость по сравнению с видеоэндоскопами.
• Возможность использования с любым источником света и видеокамерой.

Недостатки

• Низкое разрешение — изображение состоит из точек (волокон), что даёт эффект «сетки» (мозаичности).
• Потеря яркости — часть света теряется в волокнах, особенно при изгибах.
• Хрупкость — волокна могут ломаться при сильных перегибах, что приводит к появлению тёмных точек в изображении.
• Сложность ремонта — замена повреждённого жгута требует высокой квалификации.
• Ограниченный срок службы — волокна деградируют под воздействием ультрафиолета и химических реагентов.

Интересные факты

• Первый фиброоптический эндоскоп Хиршовица имел длину 1,2 м и диаметр 12 мм, а его волоконный жгут содержал всего 2000 волокон.
• В 1960-х годах советские учёные под руководством В. Н. Шабалина разработали фиброскоп для осмотра желудка, который выпускался на Ленинградском оптико-механическом объединении (ЛОМО).
• Современные фиброскопы могут содержать до 100 000 волокон, что обеспечивает разрешение до 10 000 пикселей (приблизительно 0,1 мегапикселя).
• В промышленности фиброскопы используются для осмотра ядерных реакторов и топливных стержней, где высокая радиация делает невозможным применение электроники.

Критика и альтернативы

Основной недостаток фиброскопов — низкое качество изображения по сравнению с видеоэндоскопами, которые обеспечивают разрешение до 4K и отсутствие «сетки». Видеоэндоскопы также позволяют записывать видео и передавать изображение на монитор в реальном времени. Однако фиброскопы остаются востребованными в условиях ограниченного бюджета, при необходимости малого диаметра (например, для осмотра желчных протоков) и в ситуациях, где требуется высокая гибкость (например, в бронхоскопии у детей).

Источники

• Hirschowitz B. I. et al. Demonstration of a new gastroscope, the fiberscope // Gastroenterology. — 1958. — Vol. 35, № 1. — P. 50–53.
• Капани Н. С. Волоконная оптика: принципы и применения. — М.: Мир, 1965.
• Шабалин В. Н. Фиброоптическая эндоскопия // Вестник хирургии им. И. И. Грекова. — 1968. — Т. 100, № 3. — С. 45–49.
• Olympus Corporation. History of Endoscopy. — Tokyo, 2005.
• Медицинская эндоскопия: руководство для врачей / под ред. В. В. Соколова. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2018. — 480 с.