Ogni volta che parlo con gli altri del mio lavoro, dico sempre "uno sguardo al leopardo attraverso il tubo può rivelarne una parte" (Parte 2)

Prodotto da: Science Popularization China

Autore: Xue Yadi, Ran Yue (Istituto di ingegneria e tecnologia biomedica di Suzhou, Accademia cinese delle scienze)

Produttore: China Science Expo

Nota dell'editore: per svelare il mistero del lavoro scientifico e tecnologico, il progetto tecnologico d'avanguardia cinese ha lanciato una serie di articoli intitolata "Io e la mia ricerca", invitando gli scienziati a scrivere i propri articoli, condividere le proprie esperienze di ricerca scientifica e creare un mondo scientifico. Seguiamo gli esploratori all'avanguardia della scienza e della tecnologia e intraprendiamo un viaggio pieno di passione, sfide e sorprese.

Nel mondo della chirurgia mininvasiva, gli endoscopi medici sono i protagonisti indiscussi. Grazie alle sue dimensioni ridotte, può muoversi facilmente nella complessa struttura del nostro corpo, offrendo ai medici un campo visivo senza precedenti, che non solo rende gli interventi chirurgici più precisi, ma riduce anche notevolmente il dolore dei pazienti.

Ti sei mai chiesto come i medici esaminavano gli organi interni prima dell'invenzione dell'endoscopio? In un corpo stretto e senza luce, in che modo un endoscopio aiuta i medici a vedere chiaramente il bersaglio e persino a guidare con precisione l'intervento chirurgico?

A tal fine, abbiamo appositamente pianificato una serie di articoli sugli endoscopi medici, divisa in due articoli per accompagnarvi a comprendere il passato e il presente degli endoscopi medici e ad esplorare i principi scientifici e gli straordinari risultati che li hanno generati. Questo è il prossimo articolo della serie.

Il nostro team è impegnato da lungo tempo nel campo dell'imaging a fluorescenza in vivo, in tempo reale e ad alta risoluzione dei tessuti biologici. Il lavoro svolto comprende l'imaging endoscopico ottico medico, come l'imaging microendoscopico confocale laser, l'imaging laparoscopico a fluorescenza, l'imaging del flusso sanguigno con laser speckle, l'imaging endoscopico a contrasto di fase computazionale, l'imaging con microscopia a super-risoluzione con illuminazione a luce strutturata (SIM), ecc. L'imager per microscopia a fluorescenza confocale è stato approvato per la registrazione di dispositivi medici.

Imaging a banda stretta: consente ai medici di vedere più chiaramente

La Narrow Band Imaging (NBI) è una tecnologia endoscopica che consente ai medici di "vedere più chiaramente".

Gli endoscopi tradizionali utilizzano la luce bianca per l'illuminazione, che consente di vedere la superficie degli organi, ma le piccole lesioni in fase iniziale vengono spesso trascurate. L'imaging a banda stretta utilizza specifiche lunghezze d'onda di luce blu e verde per illuminare in modo mirato i vasi sanguigni e le superfici delle mucose, rendendo "visibili" anche le lesioni più piccole e risultando particolarmente adatto allo screening del cancro in fase iniziale.

In parole povere, l'NBI è come aggiungere un filtro alla "visione" del medico, evidenziando i dettagli della zona malata, un po' come rendere gli indizi nascosti chiaramente visibili sotto una "lente di ingrandimento".

Questa tecnologia è particolarmente indicata per l'esame dell'apparato digerente e respiratorio, consentendo ai medici di individuare precocemente eventuali anomalie e formulare diagnosi più accurate. L'imaging a banda stretta aggiunge un effetto "prospettico" alle capacità di osservazione dell'endoscopio, migliorando notevolmente la precisione del rilevamento e il tasso di successo della diagnosi precoce.

Microdotti con diversi gradi di lesioni sotto NBI

(Fonte dell'immagine: Riferimento 1)

Endoscopia a fluorescenza: illuminare le lesioni nascoste

Gli endoscopi fluorescenti iniettano sostanze fluorescenti per far "brillare" la zona malata sotto una luce specifica, consentendo ai medici una navigazione precisa.

Similmente all'effetto degli occhiali per la visione notturna nei film, gli endoscopi fluorescenti consentono ai medici di vedere lesioni che non sarebbero visibili con le normali ottiche. Soprattutto nella chirurgia oncologica, la chirurgia guidata dalla fluorescenza diventa un "faro" per la rimozione del tumore.

Gli endoscopi fluorescenti sono più comunemente utilizzati per la navigazione chirurgica e il posizionamento preciso delle lesioni. Inietta o applica coloranti fluorescenti per rendere fluorescenti tessuti specifici sotto una luce specifica, in particolare tumori e aree lesionate, rendendoli più visibili durante l'intervento chirurgico. In questo modo, i medici possono identificare e rimuovere con precisione il tessuto malato durante l'intervento chirurgico, evitando di danneggiare accidentalmente il tessuto sano.

Imaging a fluorescenza dei tumori

(Fonte dell'immagine: Riferimento 2)

Gli endoscopi fluorescenti sono simili a "mappe ad alta precisione" per i medici, poiché forniscono una navigazione chiara in ambienti chirurgici complessi, aiutando i medici a garantire la completezza e la sicurezza dell'operazione e a ridurre il rischio di recidiva. Questa tecnologia viene utilizzata principalmente per la guida in tempo reale nella chirurgia oncologica ed è diventata un punto di riferimento per la rimozione dei tumori.

Ecografia endoscopica: ascolta e descrivi

Si può dire che l'ecografia endoscopica (EUS) sia la combinazione perfetta tra endoscopia e tecnologia a ultrasuoni. Non è solo un paio di "occhi", ma può anche ascoltare e rilevare strutture profonde all'interno del corpo, come le "orecchie".

Gli endoscopi tradizionali riescono a vedere solo la superficie degli organi, mentre gli endoscopi a ultrasuoni sono come un "radar" nelle mani dei medici. Emettono onde sonore ad alta frequenza, penetrano la superficie dei tessuti e catturano immagini a livelli più profondi. Quando le onde sonore incontrano tessuti di densità diversa, riflettono segnali diversi, formando immagini dettagliate che consentono ai medici non solo di osservare la superficie, ma anche di "vedere attraverso" organi o tumori adiacenti.

L'endoscopia a ultrasuoni è più comunemente utilizzata per diagnosticare malattie gastrointestinali, come lesioni allo stomaco, al pancreas, al duodeno, ecc. Durante l'operazione, utilizza una sonda a ultrasuoni per "rilevare" le pareti del tratto digerente o degli organi circostanti, come uno strumento di imaging che penetra la "barriera" per aiutare i medici a identificare lesioni profonde.

L'ecografia endoscopica aiuta a diagnosticare con precisione le malattie del tratto digerente

(Fonte foto: Xinhuanet)

Ciò che è ancora più interessante è che l’EUS può essere utilizzata anche insieme alla biopsia aspirativa con ago sottile per ottenere direttamente campioni di tessuto profondo per ulteriori analisi patologiche. La magia di questa tecnologia sta nel fatto che non solo riesce a "vedere", ma anche a "sentire" i cambiamenti nel corpo, ampliando la profondità di imaging degli endoscopi tradizionali e consentendo ai medici di vedere le lesioni nei tessuti profondi.

L'endoscopia ecografica è come un "periscopio" nella medicina moderna, poiché consente ai medici di esplorare più a fondo gli angoli nascosti del corpo e di garantire che nessuna lesione possa sfuggire alla rilevazione.

Endomicroscopia laser confocale: un “esploratore microscopico” che svela i misteri delle cellule

L'endomicroscopia laser confocale (CLE) è una tecnologia endoscopica innovativa che combina la microscopia confocale e l'endoscopia per fornire immagini dei tessuti in tempo reale a livello microscopico.

Questa tecnologia consente ai medici non solo di osservare i dettagli sulla superficie degli organi, ma anche di osservare la morfologia citologica dei tessuti per aiutare a diagnosticare le malattie. È come se un medico potesse portare con sé un microscopio per "esplorare" il corpo del paziente, osservare direttamente i cambiamenti nei tessuti e nelle cellule e ottenere immagini in vivo in tempo reale a livello cellulare.

Il fulcro dell'endoscopia laser confocale risiede nelle due parti "confocale" e "sonda per immagini". L'idea di base è quella di utilizzare un piccolo foro per eliminare la luce diffusa dai piani non focali e dai punti non focali[3], in modo che venga mantenuto solo il segnale luminoso dal punto focale, formando così un'immagine ad alta risoluzione.

Nella CLE, il laser viene introdotto nel corpo umano attraverso la fibra ottica dell'endoscopio. La luce emessa dalla sorgente luminosa illumina accuratamente il tessuto nel punto coniugato e la fluorescenza eccitata viene focalizzata accuratamente nel foro stenopeico per formare un'immagine puntiforme. Questo foro stenopeico è la chiave della capacità di osservazione a livello cellulare del CLE. È coniugato con la sorgente luminosa puntiforme di illuminazione, quindi la luce parassita esterna al fuoco viene filtrata.

La CLE richiede spesso anche l'ausilio di agenti fluorescenti. Prima dell'operazione, i medici inietteranno agenti fluorescenti, come la fluoresceina sodica. Questi agenti fluorescenti possono combinarsi con determinate strutture cellulari nel tessuto per mostrare la struttura vascolare, gli spazi intracellulari, ecc. del tessuto in esame.

A sinistra: Metaplasia intestinale in endoscopia ordinaria

Al centro: Metaplasia intestinale all'endoscopia confocale

A destra: Metaplasia intestinale all'esame istologico

(Fonte dell'immagine: Riferimento 4)

Nella diagnosi tradizionale, solitamente i medici devono asportare un piccolo pezzo di tessuto tramite biopsia per l'analisi patologica. La biopsia non è solo traumatica, ma può anche richiedere più tempo e i risultati del campionamento possono anche essere imprecisi.

Tuttavia, la CLE esegue immagini in tempo reale della superficie luminale ed è un metodo di "biopsia ottica" non invasivo che può eseguire il rilevamento a livello cellulare senza rimuovere il tessuto, consentendo una diagnosi precoce e il trattamento delle lesioni tissutali. Ciò significa che i pazienti subiranno un trauma minore durante l'esame e potranno ottenere risultati diagnostici più rapidamente, riducendo così i tempi e l'incertezza della diagnosi e del trattamento.

Attualmente, l'applicazione clinica della CLE è relativamente matura, ad esempio per l'imaging dell'intestino e dello stomaco. In futuro, con l'ampliamento degli ambiti di applicazione clinica, avrà un ruolo sempre più importante.

Endoscopia capsulare: ingestione di un satellite da ricognizione

Immagina di dover ingoiare solo una capsula, che è come un mini "satellite da ricognizione" che entra nel tuo tratto digerente e inizia il suo viaggio di esplorazione. Questa è la magia dell'endoscopia capsulare.

In passato, i medici potevano "introdursi con la forza" nel corpo solo attraverso lunghi tubi endoscopici, un procedimento che non solo era scomodo, ma che rischiava anche di tralasciare lesioni critiche. Oggi, l'endoscopia capsulare ha completamente liberato questa esperienza. Può viaggiare liberamente attraverso il tratto gastrointestinale umano come un fedele esploratore, scattando foto durante il suo percorso e trasmettendo immagini ad alta definizione a un ricevitore indossato all'esterno del corpo del paziente tramite un trasmettitore wireless integrato.

A sinistra: Immagine del tratto digerente sotto capsula endoscopica A destra: Dimensioni reali della capsula endoscopica

(Fonte immagine: Wikipedia)

Questo ricevitore funziona come una stazione di raccolta dati, registrando l'intero processo di esplorazione del tratto digerente, consentendo ai medici di analizzare le immagini in dettaglio in un secondo momento e di vedere ogni angolo del tratto digerente. Ancora più sorprendente è che l'endoscopia capsulare può esaminare aree difficili da raggiungere con gli endoscopi tradizionali, in particolare l'intestino tenue complesso e tortuoso[5].

Per i medici, l'endoscopia capsulare è come un paio di "occhi" in grado di effettuare scansioni senza soluzione di continuità e di aiutare persino a rilevare lesioni precoci, come il morbo di Crohn e le emorragie gastrointestinali. Per i pazienti si tratta di un progresso rivoluzionario. Non devono più sopportare il dolore dell'intubazione. Basterà ingerire una capsula e la visita sarà semplice come al solito.

In quale direzione si evolveranno gli endoscopi in futuro?

I futuri sistemi di telecamere endoscopiche non solo si svilupperanno nella direzione dell'alta definizione, dell'intelligenza e della minima invasività, ma si concentreranno anche maggiormente sulle innovazioni nella tecnologia di imaging delle microcavità. Grazie al progresso dell'ottica, della microelettronica e delle tecnologie di imaging, le telecamere endoscopiche forniranno immagini in tempo reale ad altissima definizione o addirittura 8K, aiutando i medici a osservare l'area della lesione in modo più accurato in scenari chirurgici complessi. Allo stesso tempo, l'imaging stereoscopico 3D diventerà una configurazione standard, migliorando notevolmente la percezione spaziale dei medici, soprattutto negli interventi chirurgici minimamente invasivi come la laparoscopia, migliorando l'accuratezza e la sicurezza delle operazioni.

Imaging di minuscole cavità naturali: l'imaging di minuscole cavità rappresenta una direzione importante nello sviluppo della tecnologia endoscopica. Permette ai medici di accedere a canali minuscoli che in passato erano difficili da raggiungere con gli endoscopi tradizionali, come il dotto biliare, il dotto pancreatico, le vie urinarie e i vasi sanguigni. In passato, l'ispezione e il trattamento di queste aree si basavano spesso su interventi chirurgici invasivi o immagini radiologiche, ma la sofisticatezza e la miniaturizzazione delle apparecchiature endoscopiche microcavità hanno consentito ai medici di osservare e curare direttamente le patologie in queste cavità attraverso canali estremamente piccoli. Ad esempio, la diagnosi precoce del cancro delle vie biliari e del cancro al pancreas può ora essere effettuata direttamente tramite imaging microcavità, il che migliora notevolmente l'accuratezza della diagnosi e la possibilità di un trattamento precoce.

Tecnologia AI: l’intelligenza artificiale (AI) è anche la forza trainante della futura tecnologia endoscopica[6]. L'intelligenza artificiale può analizzare le immagini endoscopiche in tempo reale, identificare automaticamente i tessuti malati e fornire raccomandazioni diagnostiche. Grazie all'aiuto dell'intelligenza artificiale, i medici possono effettuare diagnosi più rapidamente e ridurre gli errori umani. La tecnologia AI ha mostrato grandi potenzialità in alcuni ambiti, come ad esempio il rilevamento automatico dei polipi del colon. In futuro, la sua applicazione si estenderà a uno screening più approfondito delle malattie e all'analisi precisa di piccole cavità.

Tecnologia di imaging 3D: inoltre, la tecnologia di imaging delle microcavità sarà combinata con l'imaging ad alta definizione e 3D, consentendo ai medici non solo di visualizzare immagini delicate in canali estremamente stretti, ma anche di determinare con precisione la posizione e l'estensione delle lesioni attraverso una prospettiva tridimensionale. Questa innovazione tecnologica apre grandi possibilità alla chirurgia mininvasiva. I medici possono monitorare e intervenire in tempo reale durante l'operazione, riducendo così i danni ai tessuti sani circostanti e riducendo notevolmente i rischi chirurgici.

Lo sviluppo dei dispositivi medici ha un'importanza di vasta portata per la diagnosi e il trattamento della medicina moderna. Gli endoscopi più intelligenti e ad alta definizione non solo migliorano la capacità di rilevare lesioni precoci, ma promuovono anche lo sviluppo di interventi chirurgici mininvasivi, riducendo il dolore dei pazienti e i tempi di recupero postoperatorio.

In futuro, con l'ulteriore sviluppo di queste tecnologie, gli endoscopi continueranno a essere un "super strumento" nelle mani dei medici, aiutandoli a completare complesse attività diagnostiche e terapeutiche con una precisione e un'efficienza senza precedenti.

Riferimenti:

[1] Zhu Yanan, Wang Jun, Wang Juan et al. Manifestazioni di cancro gastrico precoce e neoplasia intraepiteliale sotto ingrandimento con tecnologia di imaging endoscopico a banda stretta[J]. Rivista cinese di endoscopia, 2024, 30(07): 56-62.

[2] Liu Sheng, Yin Xinmin, Liu Yi, et al. Studio sulla sicurezza e la fattibilità dell'epatectomia anatomica destra laparoscopica guidata dalla fluorescenza ICG per il trattamento dei tumori del fegato[J]. Rivista cinese di chirurgia pratica, 2019, 39(09): 944-948.

[3] Giovanni Battista. Ricerca sulle tecnologie chiave di acquisizione ed elaborazione di immagini microendoscopiche confocali basate sul fascio di fibre[D]. Università della scienza e della tecnologia della Cina, 2023.

[4] Yu Xiaoyun, Chen Jie, Zheng Liduan et al. Valore diagnostico dell'endoscopia confocale laser per la gastrite atrofica cronica e la metaplasia intestinale[J]. Rivista di malattie digestive cliniche, 2013, 25(05): 280-282.

[5] Liao Zhuan, Li Zhaoshen. Sviluppo ventennale e prospettive dell'endoscopia capsulare[J]. Rivista cinese di medicina interna pratica, 2022, 42(01): 1-7.

[6] Sun Jiawei, Chen Zhaoqing, Zhao Bin et al. Progressi nell'applicazione dell'apprendimento profondo nell'imaging in fibra ottica (invitato) [J]. Progressi nel laser e nell'optoelettronica, 2024, 61(16): 70-85.