输尿管内窥镜的发展史

Ureteroscopy pp 1-15| Cite as

The History of the Development of Ureteral Endoscopy

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  输尿管和肾内窥镜检查是从最早膀胱镜尝试发展而来的。这些年来，内窥镜检查所需的基本特征已经得到认可和发展。可视化是最基本的基本功能。为了达到这个目的，需要一种机制来传递成像系统、照亮目标区域并扩张目标器官。最早的镜体是刚性的，直到今天仍然保持着自己的优势。使用 输尿管软镜可以最好地进入上尿路的更近端部分。光纤和视频芯片的成像系统使输尿管软镜成为可能并发挥作用。仪器的这些发展使泌尿内窥镜检查从膀胱推进到上尿路。借助小型工作器械，尤其是激光，可以促进治疗工作。一些额外的技术提高了诊断和治疗能力。输尿管镜的研发还需继续，离最终设计还很远。

     人类内窥镜检查的历史是基于需要和渴望，渴望看到体腔，这种需求取决于可以提供设备的内窥镜和适当仪器的开发。在泌尿外科领域，最明显的目标是膀胱，这是许多诊断挑战和身体疾病的根源，女性尿道只有几厘米，男性的尿道更长。超越尿道和膀胱，进入输尿管甚至肾内集合系统的需要和能力只能等待器械的发展，以进入泌尿道的每个更近端部分。

      用于进入泌尿系的内窥镜，从尿道口到肾乳头，都具有共同的功能和设计因素。根据定义，每个镜体都必须有一种成像机制，以将视野扩展到轴的末端。下一级别的特征包括可能来自几个不同来源的照明。还需要一种冲洗结构，以扩张进入和检查的空腔。随着内窥镜经验的增加，对提供工作设备的渠道的需求变得明显。同样，随着输尿管软镜的出现，对偏转的需求也很明显。这些特征是常见的，并且在当前的内窥镜中是必不可少的。随着输尿管镜的功能特征和适当的工作仪器的增加。

      最早开发用于体内可视化的设备是 1806 年 Bozzini 的 Lichtleiter。它由一个带镜子的管子和一个用于照明的蜡烛组成。它的最初目的是用于咽部，但它也可以应用于盆腔器官。值得注意的是，最初的模型是在第二次世界大战后在芝加哥的美国外科学院制作。它随后被归还给维也纳的约瑟芬博物馆，但在芝加哥保留了一份副本。

      19 世纪引入了许多新设计，但巴黎的 Desormeaux（1815-1882 年）设计的一种设计，体现了男性尿道的特点，具有男性尿道器械的形状。它由一个带有镜子的长金属通道组成，用于反射来自石油燃料灯的光线。与其他后来的设计一样，它的尖端有一个有角度的喙，并预示了一个多世纪后，输尿管镜中的有争议的尖端设计。同样，这个仪器不实用，因为它在使用过程中变得很热。   其他设计被引入世界其他地方。美国的 Wales 和 Kern 引入了一种设计，使用来自眼科镜的反射光从中央通道向下看膀胱。尖端再次具有锐角的喙。它在使用中没有变热，但可视化有限。1878 年，尼采与奥地利乐器制造商莱特 (Leiter) 合作，展示了第一个可用的膀胱镜。钨丝通电后会发光，但也会产生热量。内窥镜包括一个水冷系统。其他未来的膀胱镜在该模型中包含许多相同的概念特征。

    纽约罗彻斯特的 Electrosurgical Instruments 开发了 mignon 灯泡，这是另一项重大进步。这些是小到足以安装在膀胱镜尖端的低电流灯泡。尽管灯泡不会因过热而引起问题，但它们可能会烧坏，从而导致内窥镜停电。

     1890 年 Reinhold Wappler 移民到纽约后，他成立了一家生产膀胱镜的公司。事实证明，Tilden Brown 复合膀胱镜是一种实用且经久耐用的设计。它由不同的镜头或观察镜组成，可以以小角度或直角向前看。最初使用带有倾斜尖端的闭孔器穿过护套，然后取出用于随后放置镜片。

    仪器的开发也在欧洲继续进行。导尿膀胱镜是由德国人 Leopold Casper 设计的。虽然它在目镜和轴之间使用了一个镜子系统，但它确实允许输尿管插管，但导管不会偏转。Albarrán 介绍了下一个可以偏转输尿管导管的仪器。它是一种纯粹的机械装置，可以与其他内窥镜的观察镜和护套一起使用。它今天仍在使用和生产中。

      膀胱镜设计的重大改进可追溯到 1910 年，当时纽约的 Burger 以 Tilden Brown 的设计为基础。它被称为 Brown-Buerger 膀胱镜，已使用了半个多世纪（图1.1）。它包括用于灌注和仪器的可互换观察镜和通道，并且可以接受 Albarrán 偏转器。成像系统由多个排列在圆柱轴上的薄透镜（类似于放大镜或光学透镜）组成。。

图 1.1 Brown-Buerger 膀胱镜由几个组件组成

    下一个重要步骤是 1959 年哈罗德·霍普金斯 (Harold Hopkins) 为他的棒状透镜系统申请专利。该系统基本上颠倒了传统透镜系统中玻璃和空气的作用。观察镜轴中的大部分空间都被玻璃棒占据了。杆之间的小空间用作透镜。这提供了更大的光传输、更好的分辨率和更少的镜头对准损失。Karl Storz 成立了一家新的制造公司，获得了专利并开始生产具有明显卓越可视化的内窥镜。光纤在刚性和软性内窥镜中都发挥了重要作用。在刚性仪器中，光纤束可以在一个小包装中提供照明光，对准感兴趣的区域。在软性内窥镜中，它们将负责照明和可视化。

     以平行的方式，首先开发了光纤，然后将其应用于成像。Coladon 在 1840 年代展示了光纤“导光”中的内反射概念。Babinet 展示了一个重要的概念，即光通过弯曲或成角度的玻璃纤维传输。在那个时候，光纤只携带漫射光，这可能对照明有用，但对成像没有用。Baird 和 Hansell 分别于 1927 年和 1930 年在专利中采取了这一步骤。他们的光纤设计提供了图像传输。到 1957 年，柯蒂斯证明了带有另一层玻璃或包层的光纤可提供更好的内部反射率和由此产生的光透射率。同样在 1957 年，Hirschowitz 开发了一种使用玻璃纤维和包层的软性胃镜，正如他在自己身上所展示的那样，它在临床上可用。

      这些内窥镜在整个医疗领域都找到了感兴趣的用户。据传，泌尿科医生使用刚性内窥镜和软性光纤成像设备来检查输尿管。1912 年，Hugh Hampton Young 对一名患有后尿道瓣膜和严重扩张的输尿管的儿科患者进行了第一次输尿管镜检查，该患者很容易接受硬性儿科膀胱镜检查。1929 年在先天性尿道瓣膜的综述中报道了这一点。输尿管镜检查的下一阶段仍然发生在 1961 年，Marshall 通过在开放手术中进行的输尿管切开术检查结石放置了一个 9F 柔性光纤内窥镜。内窥镜既没有通道也没有偏转。两年后，Marshall 报告了 MacGovern 和 Walzak 进行的首例经尿道输尿管软镜检查。9F 输尿管软镜通过 26F McCarthy 鞘进入输尿管以观察结石。

     1968 年，Takagi 等人开始努力开发功能性柔性输尿管镜。开始他们使用输尿管软镜进行经尿道输尿管镜检查的研究。障碍很快变得明显。他们使用的仪器是 70 cm，8F 光纤被动性可偏转输尿管软镜。在尸体和患者身上，他们都可以看到肾盂和乳头，但不能操纵尖端。他们还发现，即使使用膀胱镜护套和软性导引器护套，每个都带有冲洗装置，也很难将内窥镜从膀胱插入输尿管。在这些初步研究中，他们认识到需要主动偏转、灌注渠道和仪器尺寸的限制。

     下一个阶段在十年后开始，致力于硬性输尿管镜检查。两位泌尿科医生独立工作，古德曼 和里昂，使用儿科膀胱镜对女性进行远端输尿管镜检查。里昂随后在男性中使用了更长的青少年膀胱镜。这些器械有 13F 大，需要扩张壁内输尿管。仅此一步就需要大量的技术和仪器发展。首先使用尿道扩张器，然后是无引导的可互换探针、导丝探针，以及随后的球囊。后者被证明是其最终形式中最有效的设备。它需要一个非弹性气球，可以达到 20 巴范围内的高压。

      下一个版本是更长的 41 厘米，专门设计的刚性输尿管镜。如果该器械可以在输尿管髂血管和腰部肌肉上移动时穿过输尿管的弯曲部，则它可以到达肾盂。工作镜体有一个可拆卸的棒状透镜观察镜和一个工作通道 [19]。

     为了有用，输尿管镜必须具有诊断和治疗病变的能力，而不仅仅是将它们可视化。这种能力随着工作通道和合适的工作仪器的增加而成熟。简单的取石是第一个治疗程序。1981 年，Das 进行了第一次经尿道输尿管镜，用取石篮取出结石。次年，Huffman 使用 23 cm 输尿管镜治疗了 16 个远端输尿管结石。由于内窥镜的长度和较大的结石无法治疗，手术仅限于远端输尿管。成功率为69% 。

     1983年，Huffman 等人报道了结石治疗的下一个主要步骤，这是第一次对输尿管和肾盂的较大结石进行输尿管镜超声碎石术。结石处理的这两个步骤也取决于新工作仪器的开发。与输尿管镜端的工作通道兼容的小的取石篮和直径 2.5 毫米的超声碎石探头，足够长以穿过长输尿管镜的鞘，是必不可少的。

     这种最早的技术包括用长而硬的输尿管镜接近结石，然后取出观察镜，超声探头穿过护套接触到结石，启动超声波探头碎石。移除探头后，观察镜被更换以观察结石，并将它的一部分重新定位在鞘的末端。然后重复该过程，直到结石小到可以取出为止。霍夫曼说：“你知道这是什么意思吗？我们可以取出任何可以通过输尿管镜看到的结石”（图1.2）。

图 1.2( a ) 用棒状透镜输尿管镜在输尿管中观察结石。( b ) 结石头被固定篮固定。( c ) 应用超声波探头后，结石上有一个凹槽。( d ) 固定篮拿在手上，可以感觉到超声探头的压力

    下一个合乎逻辑的步骤需要更换内窥镜和碎石机。长输尿管镜设计有直通道，可以接受刚性仪器和偏置目镜。同时，开发了更小的 4F 超声碎石机。因此，当看到结石时，探头可以通过输尿管镜。尽管超声碎石机不如其他设计强大，但它在减小结石大小和去除碎片方面是有效的。

     第二个有效偏移和可视化工作输尿管镜使用固体探头超声碎石机探头或 Goodfriend 设计（图1.3）。这是一种非常强大的碎石机，即使是最坚硬的一水草酸钙结石也能轻松碎裂。探头位于结石旁边，因此引起近端移位的风险要小得多。尽管有效，但当时它在碎石术期间无法去除任何碎片。

图 1.3偏置输尿管镜装配有手柄以固定超声探头并允许其直接通过直通道

     硬性输尿管镜检查的成功也强调了其局限性。通常不可能接近髂血管或腰段的输尿管。在男性患者中强调了这些限制。输尿管软镜可以克服这些障碍，但需要有效的冲洗和偏转能力。输尿管软镜检查的早期尝试见上文。80 年代，奥林巴斯在其儿科支气管镜的基础上开发了一种可偏转的输尿管软镜。它是一种带有工作通道的光纤仪器。最大偏转是在拇指杆向远侧移动时向上的方向，适用于支气管镜，但可能不适用于输尿管镜。最初在美国，由旧金山的 Rob Kahn 和费城的 D Bagley 使用，ACMI 在美国推出了可偏输尿管软镜的生产模型。AUR 系列最初包括两种不同尺寸的内窥镜。9.8F 处较大的具有 3.6F 通道，而 8.5F 处较小的具有 2.5F 通道。它们在一个方向上有 180° 的偏转。这种设计用于最小化外部尺寸。单向偏转足以检查整个集合系统，因为内窥镜可以轻松旋转。轴由带有多个通道的挤压件构成，用于光纤、照明光纤、拉线和灌注。当时甚至现在的其他输尿管软镜都是由针对每个功能的单独管腔构成的，然后将其分组在外部体内。尺寸和成本节约是挤压设计的基础。它还消除了对单独的手动控制排气阀的需要。几年后，这种概念再次出现在一次性输尿管软镜中。

       本系列的下一个是 AUR7。它具有双向偏转，但其尺寸非常显着 - 沿远端 24 cm 的 7.4F 和 3.6F 通道。最初的设计包括一个从手柄底部到尖端逐渐变细的轴。事实证明，它在临床测试中具有弹性，但制造起来太困难且成本太高。因此，在24厘米处改为降压设计。这使得它非常脆弱，当它在输尿管中抵抗一些阻力前进和旋转时，轴会在这一点上扭曲。后来停产了，所有制造商的后续型号都更大。AUR7 仍然是最小的完全可偏转的柔性输尿管镜，成为完整的生产模型。

     输尿管软镜尖端的偏转通常受到通道内器械的限制。这些包括活检钳、激光纤维和各种探头。这在很大程度上已被 Storz Flex X 系列克服。该输尿管镜在每个方向提供 220° 的偏转（图1.4）。尽管此范围很少使用，但它可以补偿通道内有仪器时的偏转损失。该系列于 2012 年推出，然后在数字模型中添加了一个新的设计特征，其轴的横截面为椭圆形。这允许更有效地填充轴内的通道和布线。整体外形尺寸为8.3F，树立了输尿管软镜的新标准。

图 1.4 尖端偏转至大约 220°。此范围有助于校正通道中仪器的偏转损失

图 1.5 VanTec 一次性内窥镜是一种光纤设备，具有可互换的刚性和柔性尖端

     输尿管软镜并没有完全取代刚性模型。刚性内窥镜比输尿管软镜更便宜且更耐用。将它们传送到远端输尿管进行主动手术也更容易。这一发展的主要努力之一是缩小内窥镜的总外部尺寸。可视化系统，棒状透镜望远镜，是轴中主要的空间占用因素，工作通道是第二个主要因素。 采取的第一步是从棒状透镜系统转变为光纤成像，这已在不同专业的许多内窥镜中证明了其价值。它用于 ACMI RigiFlex 或 HTO-5 刚性输尿管镜，以提供一个通道，可以接受 5F 超声探头以及足够的冲洗。目镜被偏移以提供穿过轴的直通道，并在鹅颈形式中携带以允许移动和定位。总的来说，内窥镜保持了接近 12F 的外部尺寸。它的生产持续时间相对较短，因为可以使用其他较小的碎石机来实现更小的内窥镜设计。

      随着激光碎石机的引入，刚性金属内窥镜中的光纤成像概念迅速发展到下一个持久的平台。脉冲激光器是一种有效的碎石机，尽管它是一种相对难以维护且价格昂贵的单一用途激光器。小光纤 (<400 μm) 可以通过 <2F 的通道。Watson 和 Dretler 与激光制造商一起开发了一种设计，设计了一种刚性 7F 内窥镜，具有两个通道，每个通道为 2F。最初的概念是用流体通过一个通道并排出另一个通道进行连续灌溉。该功能不是很有效。然而，小型硬质内窥镜的设计是一个胜利者，其变化一直存在。内窥镜本身并没有被广泛接受，因为激光器制造商只允许向激光器所有者销售，并且渠道不能接受当时存在的任何取石设备。

      更成功的小型硬质输尿管镜是 MR6，它有两个通道，一个 3.4F 和一个 2.3F。这些可以与光纤成像和照明系统一起封装在一个仪器中，通过使用三角形横截面，在尖端具有 7F 的外部尺寸。当时有3F检索装置，可以通过更大的通道。由于宝石在使用脉冲染料激光破碎期间倾向于移动，因此将它们稳定在篮子中是有帮助的。光纤可以很容易地通过较小的通道。与其他硬质输尿管镜一样，它有 33 cm 的较短版本，仅用于远端输尿管，或 41 cm 以到达近端输尿管或肾盂。. 这组内窥镜被称为“半刚性”，但毫无疑问它们是由金属制成并且是刚性的。它们可以忍受一些弯曲，但可以穿过组织。这些内窥镜的成功使用，

      另一项巨大的进步是输尿管软镜成像机制的改变。多年来，标准是光纤。用于成像的小型数字芯片的引入提供了在软性设备中前所未有的清晰度和分辨率的图像。最初被称为“棒上芯片”，数字成像输尿管软镜可从所有主要制造商处获得。 CMOS（互补金属氧化物半导体）和 CCD（电荷耦合器件）芯片都已被使用。最初，数字仪器的尺寸比光纤示波器大约 2F，但随着芯片尺寸的减小，尖端和轴已达到相同的 8.4F 尺寸范围。该图像被普遍认为优于光纤图像，但也可能被视为有其自身的缺陷。颜色、高光或倦怠以及对比度可能会有所不同。当视野中有血液时，人们担心散射。通常当系统出现故障时，它是完全的。要么有图像，要么没有。当单根光纤断裂时，它没有光纤看到的图像质量下降。接受数字成像系统的一个主要障碍是成本。除了内窥镜本身，还需要其他设备来完成成像链。

      由于输尿管软镜的高成本，人们对一次性使用输尿管软镜越来越感兴趣。这并不是什么新鲜事，而是在 1985 年通过 VanTec 一次性软性光纤输尿管镜看到的。一次性轴连接到包含照明和光学成像系统的可重复使用的手柄。有一个通道的尺寸与轴的外部尺寸有关，足以用于灌注，通常是一个工作仪器。它们没有偏转，但也有几种不同版本的刚性轴。当公司被收购时，生产就停止了（图1.5）。

    Bard 还推出了一种一次性输尿管软镜，但具有偏转功能。 遗憾的是，偏转结构是由一个旋转手柄操作的，在握住输尿管软镜时很难使用。 另一个致命缺陷是图像上下颠倒，类似于 19 世纪的内窥镜 （图 1.6）。

Fig. 1.6 Bard 一次性输尿管镜是可偏转的，但使用旋转环进行偏转。 单手使用非常困难，还有其他尝试引入一次性使用的输尿管软镜，但都以失败告终。 没有一个是可偏转的。 不止一个存在扭矩稳定性问题，或者硬度低、脆弱的轴无法推入输尿管。

     第一个灵活、完全可偏转的一次性数字输尿管软镜是波士顿科学公司的 LithoVue，于 2016 年推出。轴的尺寸为 9.6F，带有 3.6F 通道。它使用专有的视频处理单元，并被编程为持续时间不超过 4 小时。体外和临床研究表明，该内窥镜的功能与更标准的可重复使用仪器具有可比性。

其他一次性数字输尿管软镜也已投放市场。来自中国的普森有一个类似尺寸的输尿管镜，正在全球销售。美国制造的 NeoScope 更小，尖端为 9.0F，杆身为 8.4F，也在美国和国际上销售。

     这些一次性输尿管软镜的开发和销售基于可重复使用模型的成本和脆弱性。几项研究发现，只要使用 10-12 次，就进行大修。其他人已高达 40 次用于修复 。来自意大利一家私人诊所的一份报告发现，在修复前使用了 100 例输尿管镜 。总体而言，似乎更准确的比率更接近于 10 到 20 之间的数字。 使用一次性输尿管软镜的经济基础包括经常需要维修、维修成本高以及初始购买成本高可重复使用的仪器。已经使用了各种经济模型，但除了维修外，还必须考虑处理和再处理器械的成本。这样，在某些情况下，一次性输尿管软镜的成本似乎是合理的。

相关仪器

     输尿管镜在没有相关配套仪器的情况下用途有限。在这些仪器的整个开发过程中，已经看到了内窥镜和工作设备之间的共生关系。在上述示例中，第一次超声碎石术需要将结石固定在固定篮中，以通过超声探头施加压力。内窥镜鞘不够大，无法同时容纳探头、固定篮和成像观察镜。如果没有用于碎石术和组织消融的激光功能，那么大约 7F 的小型刚性输尿管镜将毫无价值。小通道可以接受激光纤维和固定篮、抓钳和取石镊。随着输尿管镜检查的发展，这种尺寸的内窥镜在 1980 年代将毫无用处。泌尿科仪器的两个最重要的补充是钬激光 和镍钛诺取石篮，特别是当它们缩小到 <2F 时。

     尽管输尿管镜器械的大部分发展是由治疗尿路结石的需要推动的，但不能忽视上尿路肿瘤的诊断和治疗。里昂的第一位患者患有远端输尿管肿瘤，他通过输尿管镜进行治疗和随访 。这些治疗努力一直延续到当今对直径超过 3 cm 的上消化道肿瘤进行内窥镜检查 。这项工作需要活检设备，包括钳子和篮子，以及包括电极和激光在内的消融设备。钕和钬：YAG 激光器已被采用。同样，更好的采样和烧蚀设备将是有帮助的。

当前发展

内窥镜组织学

     共聚焦显微镜提供了在原位实时观察组织学的机会。这种方法使用进入目标组织的非常细的光束来最小化散射。它已被非常成功地使用，并已成为眼科的标准技术。它已在研究基础上用于泌尿道，包括膀胱和上尿道。它的作用仍有待定义。

诊断彩色成像

    有几种努力在内窥镜成像中使用颜色来强调肿瘤。一般而言，这些技术通过改变照明或通过肿瘤本身的化学鉴定来放大肿瘤脉管系统的可视化。将六氨基乙酰丙酸盐注入膀胱的蓝光膀胱镜检查是研究最彻底的形式。它已被证明可以增强肿瘤和 CIS 的可视化，并已在已发布的指南中得到推荐。由于需要滴注药物并在研究区域保持接触 1 小时，因此尚未在上消化道中对其进行研究，因此存在特定的技术困难。窄带成像 (NBI) 仅使用特定波长的蓝光和绿光来增强肿瘤的可视化。不需要医疗或化学敏化。与白光相比，早期的上束研究表明在检测肿瘤方面具有价值 。Storz 有一个内窥镜视觉增强系统，可以照亮图像的黑暗区域，并可以增强颜色对比度，以帮助区分组织类型。它已被用于膀胱镜检查并广泛用于腹腔镜检查，但仍有待在输尿管镜检查中进行明确研究。

机器人

     机器人输尿管镜的首次公开展示是在 2006 年的世界泌尿外科大会上。可弯曲输尿管镜是一项复杂的手术，学习曲线很长，已成为机器人辅助的可能目标。该仪器的临床使用直到 2011 年才公布。使用了专门设计的软性轴，但在 14F 时对于一般应用来说太大了。它后来被认为是多用途机器人基地的一部分，但尚未商业化。后来的条目是一个机器人，它使用商业上可用的输尿管软镜和专用机械手。该模型可以更经济地生产并受益于已知且设计良好的输尿管镜。它尚未达到商业化和普遍接受。可以预期，机器人技术将在未来某个时候在柔性内窥镜中发挥作用。

理想的输尿管镜

     尽管过去 3 年以上取得了发展，但仍然没有实现完美的输尿管镜，尤其是在灵活的设计方面。小型刚性输尿管镜在耐用性和持续生产方面已证明其使用价值和使用寿命。必须保持这种耐用性。为了便于插入，尺寸应保持在 7F 或更小。使用更细的光纤束或数字芯片可以改善成像。所需的通道数量可能会随着不同工作仪器的发展而变化。

输尿管软镜仍然远非理想。轴尺寸应不大于7.5F。理想的将接近 6F [47]。长度在 65-70 厘米是令人满意的。通道已在 3.6F 标准化，但随着工作仪器变小，较小的流明可能就足够了。整体重量应尽可能轻，以尽量减少操作员的疲劳和长期的手和手臂伤害。同样，手柄可以更换，并且应该符合人体工程学设计，以提高舒适度和可用性，以最大程度地减少拇指疲劳 [48]。高分辨率成像是必不可少的。这些内窥镜应该适用于所有设置（表 1.1）。

表 1.1  理想的输尿管软镜的特点