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检查人体内部及其器官的概念可以追溯到远古时代。现代内窥镜检查的根源可追溯到19世纪的欧洲，在此之前的几个世纪中，设备和技术在不断发展。如今，借助内窥镜和相关技术，可以以微创方式成功治疗各种泌尿系统疾病。远距离传感器“数字”内窥镜有可能改变这一领域，并改变我们使用和思考内窥镜的方式。虚拟内窥镜检查，胶囊内窥镜检查以及从物理学和分子生物学中衍生的一系列其他技术都有望在泌尿道和其他泌尿系统结构的可视化方面取得重大进步。
近年来，由于泌尿结构内窥镜可视化技术的不断进步以及越来越小的内窥镜的发展，内分泌治疗技术取得了进步。曾经依赖于侵入性技术和大切口的绝大部分泌尿外科手术和治疗，目前可以使用基于内窥镜检查的微创技术来进行。纵观整个历史，泌尿外科领域一直是外科手术创新和微创技术应用。如今，它继续沿着内窥镜的前沿应用。在这篇《观点》文章中，我们回顾了现代内窥镜的发展，重点介绍了泌尿科医师的内窥镜中的新功能，并推测了泌尿科内窥镜的光明前景。
检查人体内部及其器官的概念可以追溯到远古时代。在希波克拉底语料库记录可能是成功的内窥镜检查基本功，它使用了直肠镜。尽管可以找到有关研究人体的设备和检查技术的各种历史参考文献，但大多数历史学家认为，内窥镜检查的一次现代尝试是由菲利普·博齐尼（1773-1809；图1a）发起的，他于1806年推出了他的“Lichtleiter”或光导体，以研究空心器官和人体腔（图1b）。Lichtleiter由倾斜的反射镜构成，该反射镜定位为将内部结构的图像投射到人眼。该装置结合了一根蜡烛作为照明人体内部的光源，并将双铝管插入正在研究的人体孔口中。然而，它的泌尿外科功能有限，因为它仅允许检查膀胱粘膜的一小部分，而体外照明不佳损害了有效的器官评估。
图1
Bozzini和Lichtleiter。a|Philipp Bozzini（1773-1809）。b|Lichtleiter或光导体。
法国泌尿科医生Pierre Salomon Segalas（1792-1875）在1826年改进了Lichtleiter，增加了额外的蜡烛作为光源，并制作了新的带导管的导管排空了膀胱，并方便了检查。该装置由树胶弹性材料制成，以提高手术的安全性和舒适性。尽管有所改善，但这种“尿道镜-囊肿” 同样未能有效地检查膀胱。
“内窥镜”一词源于法国泌尿科医生Antonin Jean Désormeaux（1815-1894），并于1853年引入以描述基于Bozzini的Lichtleiter的设备。Désormeaux用燃烧有96％酒精和松节油的溶液代替了明亮的火焰，产生了可聚焦的光束，从而增强了内窥镜检查的能力。Désormeaux还重新配置了系统中使用的镜面角度，以便可以更精确地聚集光，从而可以更好地可视化反射光束所到达的区域。Désormeaux报告了尿道乳头状瘤和尿道狭窄的内窥镜切除术，这是他的系统出色的可视化效果，使他成功完成了内镜手术。尽管有了这种改进，但Désormeaux的内窥镜仍然缺乏足够的照明，只能检查一个毫米的视野。
马克西米利安·尼采（Maximilian Nitze，1848年至1906年）认识到现有内窥镜的局限性，进行了两次出色的修改，以创造出许多历史学家认为是一台成功的现代内窥镜（图2）。1876年，尼采（Nitze）用棱镜和透镜扩充了他的装置，使尿道的尿道可视化成为可能。此外，他使用水冷式电铂丝灯在仪器的顶端引入了一个体内光源。由于复杂且精巧的水冷却系统，Nitze的膀胱镜最初使用起来很麻烦。另外，内窥镜的插入很困难，并且该设备产生了倒置的图像。尽管有这些缺点，但是由于该装置能够实现膀胱内部的可视化，因此它被证明是实用的。Nitze不仅革新了内窥镜，而且他的膀胱镜显然为微创手术铺平了道路。在1910年，克里斯蒂安·雅各布（Christian Jacobaeus）使用尼采膀胱镜进行了一台内窥镜引导的腹腔镜检查。
图2
尼采的膀胱镜
1878年，发明了一种真空灯（一种限制在真空玻璃中的碳丝），从而生产了mignon灯（一种适合于膀胱镜末端的小型真空灯）。1883年，戴维·纽曼（David Newman）率先将白炽灯灯泡用于膀胱镜。这种修改极大地简化了膀胱镜并降低了其制造成本，从而使其得以广泛使用。
马克西米利安·斯特恩（Maximilian Stern，1877–1946）在1926年开发了电切镜，极大地提高了泌尿科内镜治疗的水平。1931年，将活动的切割环并入切除器后，该仪器就适合用于经尿道切除术。这些程序很快成为大多数良性前列腺增生和浅表性膀胱肿瘤的标准治疗方法。
内窥镜检查的另一项重大进步是引入了变焦透镜和杆透镜系统，通常被物理学家Harold Hopkins称为霍普金斯望远镜。玻璃纤维（光纤）的使用首先用于照明，然后用于柔性光学，进一步用于高级内窥镜检查。相干玻璃纤维束的引入及其承载真实视频图像的能力允许创建一批柔性内窥镜。法国研究人员于1956年率先在内窥镜中使用摄像机，从而改善了人体工程学，提高了安全性并提高了成功率。1963年，报道了柔性纤维输尿管镜。
如今，由于内窥镜和相关技术的应用，以微创方式成功治疗了多种泌尿系统疾病（表1）。光纤技术已广泛使用，但仍然是一种“脆弱”的模式，具有独特的成像限制，这些限制本质上是无法克服的。
1970年，博伊尔（Boyle）和史密斯（Smith）创建了电荷耦合器件（CCD），该芯片可以将电荷形式的数据存储在网格中，以备以后使用。尽管它很快就不再用作存储设备，但CCD转移电荷的能力使其适合于以像素网格的形式记录图像。CCD芯片的响应线性，高灵敏度和即时图像生成均优于传统的基于胶片的图像捕获。互补金属氧化物半导体（CMOS）器件是昂贵的CCD芯片的低成本替代产品，并于1967年获得了专利。CMOS芯片可降低成本和减小器件尺寸，并且比CCD更适合批量生产。
从光纤内窥镜向基于CCD和CMOS芯片的远端传感器或基于“数字”图像的内窥镜的转变是这些技术的当前和预期优势的自然结果。当代的远端传感器内窥镜能够满足除最小内窥镜外所有尺寸的尺寸要求。当然，随着远端传感器技术的进步，采用该技术的内窥镜将与当代光纤内窥镜的尺寸相匹配，并且终将变得更小。在重量方面，远距离传感器内窥镜已经优于柔性光纤内窥镜。
任何内窥镜的关键特性是其光学保真度，这包括在目标位置提供足够的光的能力以及提供目标的高质量表示的能力。光纤柔性内窥镜30年的发展产生了质量合理的图像。然而，载有图像的玻璃纤维的有限直径使得像素化的“屏蔽门”效应成为光纤内窥镜无法解决的问题。一台商业远距离传感器内窥镜是ACMI DCN-2010数字柔性膀胱镜（ACMI，美国马萨诸塞州Southborough），于2005年推出。这种膀胱镜结合了数码相机和双发光二极管（LED）驱动的光载体插入膀胱镜的远端，减少了布线的需求并减轻了设备的重量。
Quayle及其同事将这台一台远端传感器膀胱镜与三台当代光纤膀胱镜进行了体外比较。在模拟的不利条件下，远端传感器内窥镜提供了精密的光学性能。Borin及其同事通过研究对比度，分辨率和颜色辨别力，将远端传感器，数字式柔性膀胱镜与两台标准光纤内窥镜进行了比较。在13项光学测试中的12项中，远端传感器膀胱镜优于光纤膀胱镜。作者指出，与光纤内窥镜相比，在远距离处识别小至1mm的病变的能力改善了远端传感器内窥镜的成像能力。他们推测这种光学优势可能会改善临床评估，例如通过增加监视性膀胱镜的敏感性。
Okhunov及其同事对1000例接受了办公室膀胱镜检查的患者进行了远端传感器和光纤膀胱镜的前瞻性临床比较。研究人员评估了这些设备的光学特性，临床性能和耐用性。所有外科医生都发现远端传感器内窥镜更轻巧，更易于操作，并且大多数人都将这些膀胱镜比光纤设备更喜欢。远端传感器膀胱镜的主观光学和功能指标均明显优于光纤。远端传感器视频成像可提供快速，高质量的图像捕获。图像可以通过标准的计算机存储技术轻松存储和传输。光纤和远端传感器膀胱镜都耐用，需要适当的护理。
远端传感器成像的发展促进了越来越小的远端传感器的构造，该技术已扩展到其他泌尿科内窥镜，例如输尿管镜和肾镜。当代数字输尿管镜所捕获的图像质量与刚性霍普金斯透镜所捕获的图像相当。但是，远端传感器输尿管镜可提供出色的照明和分辨率。数字成像的另一个优势是能够将图像数字放大到原始大小的1.35倍。
Andonian及其同事评估了远端传感器成像在肾镜中的应用。该设备具有15 Fr（5 mm）的工作通道，可插入诸如镊子，碎石探针和抽吸设备之类的仪器。产生的图像具有真实色彩，并保持良好的分辨率。
假设远端传感器输尿管镜和肾镜的光学性能优越，可带来出色的手术性能。但是，该理论尚未得到评估，目前尚无证据支持远端传感器输尿管镜在临床环境中的优越性。
仅从成像的角度来看，从光纤内窥镜向远端传感器内窥镜的转变代表了内窥镜历史上的重要但有限的进展。但是，远端传感器技术提供了刚刚开始探索的其他功能。CCD和CMOS芯片对信息进行分层和处理的内在能力已引起内窥镜性质的革命性变化。
内窥镜成像之外的一步是由Gyrus-ACMI（美国马萨诸塞州Southborough）在2008年完成的，他提供了一种软件更新，称为内窥镜保护系统（EPS；图3），用于其Invisio（DUR-D）数字设备。柔性输尿管镜。EPS利用了DUR-D输尿管镜中内置的CMOS传感器检测光场不同部分的颜色的能力，以便检测Dornier DURHL-20激光光纤的蓝色包层。当EPS处于活动状态时，CMOS芯片会在光场的特定部分连续检测激光纤维是否为蓝色。当激光光纤缩回（或遮挡）时，信息从CMOS芯片传输到计算机控制单元。该控制单元连接到激光器，能够在几毫秒内启动系统关机，
图3
内窥镜保护系统（EPS）。通过CMOS芯片不断跟踪激光光纤的存在，可以避免激光的盲目功能，减少内窥镜损坏，并可能降低手术成本。缩写：CCU，摄像机控制单元；CMOS，互补金属氧化物半导体。
这个系统是高度有效的体外，，是在中试临床试验类似地有效的。当激光束占据的部分视场被碎石块遮盖时，确实发生了激光的假阳性关机，但是该系统仍然具有很高的价值。作为对良好激光标准政策的补充，EPS系统很可能会防止由激光损坏引起的输尿管镜故障的大部分发生。因此，EPS系统可能有助于减少输尿管镜检查的成本并减少与培训相关的风险。
信息分层（又是CCD芯片）使信息分层成为可能的另一种技术是窄带成像（NBI），这是奥林巴斯（Olympus）引入的，用于与其膀胱镜和输尿管镜结合使用。NBI使用光学干涉滤光片，将用于成像的光的波长限制在常规白光内窥镜检查所用光谱的狭窄范围内。使用NBI可以改善上皮表面的清晰度并强调粘膜微血管，其表现为深褐色结构（图4和5）。NBI可能会改善肿瘤组织的识别，该组织具有较高的微血管密度，通常比正常黏膜更黑。通过简单地按下内窥镜上的开关以激活光学滤光器并将其从常规成像更改为NBI即可操作该系统。与标准的白光膀胱镜检查相比，NBI已显示出在监视环境中识别复发性扁平和乳头状浅表膀胱肿瘤的超强敏感性。NBI技术还可以提高诊断和早期识别复发高级别肿瘤和癌在原位，但这种能力还有待确定。
图4
NBI系统。a|NBI不是利用整个白光光谱，而是使用光学干涉滤光片来检测特定波长的光。b|该方法改善了上皮表面的清晰度并强调了粘膜微血管，其表现为深褐色结构。缩写：NBI，窄带成像。
图5
使用NBI改善膀胱病变的可视化。a|用白光膀胱镜检查可见病变。b|用NBI观察到相同的病灶。缩写：NBI，窄带成像。
通过NBI增强输尿管镜检查可以提高上尿路移行细胞癌（TCC）的检测灵敏度。Rabbani及其同事研究了接受上尿路TCC长期监视的膀胱癌患者，发现这种疾病的发生率相对恒定，即使在最初诊断癌症后10年也是如此。与白光膀胱镜检查相比，NBI在监视期间实现了更高的膀胱癌复发检测率。因此，尽管在这种情况下需要进一步的临床评估，但远端传感器内窥镜提供的先进成像技术可能会增强这些患者的早期诊断和长期生存。
虚拟内窥镜利用CT和MRI解剖学信息的三维计算机增强重建来生成图像，这些图像可以详细地再现内窥镜透视图（图6）。这种计算机驱动的重建已应用于人体的大部分腔结构，包括尿路。它潜在地代表了一种廉价且无创的技术来评估尿路。
图6
从CT扫描创建的尿路上皮肿瘤的虚拟输尿管镜图像
由于膀胱癌的高复发率，经尿道切除术后的密切膀胱镜监视目前是建立早期诊断复发并改善癌症控制的护理标准。然而，即使使用当代的小型柔性器械，标准的膀胱镜检查也会使患者感到不适，并可能导致发病，例如感染，膀胱穿孔，瘢痕形成和尿道狭窄。
目前，在这种情况下，虚拟内窥镜检查不能提供足够的灵敏度来代替常规的膀胱镜检查。但是，虚拟膀胱镜检查是检测小于5毫米的膀胱病变的可行技术。在多个平面上以360°视角对膀胱进行虚拟成像，目前可以对膀胱的困难区域进行操作。目前，虚拟膀胱镜检查的主要应用是常规膀胱镜检查不适用或禁忌的患者。Kivrak及其同事发现，在选定的患者中，虚拟膀胱镜检查可以成功地用于无创检测膀胱病变，灵敏度为90％，特异性为94％。Lopes和同事报告的结果相似，敏感性为95.1％，特异性为91.2％。然而，这些作者有理由指出，虚拟膀胱镜检查将无法检测到原位癌等扁平病变，也无法为外科医生提供活检可疑病变的机会。
Multidetector CT泌尿系造影是一种精确的，无创的影像学方法，可用于诊断患有严重血尿的TCC。该技术比传统的排泄性尿路造影具有更高的灵敏度。Takebayashi及其同事报道了虚拟CT肾镜检查（一种基于CT尿路造影的方法）的初步临床经验，他们评估了32例可疑肾盂肿瘤患者。CT肾镜检查显示24个肿瘤中有22个（92％），而轴向CT仅检测到20个（83％）病变。虚拟肾镜检查在检查带蒂和浸润性病变方面也优于轴向CT。
在这项研究中看到的输尿管解剖学的精细细节给人留下了深刻的印象，这些相同的作者随后对16名疑似输尿管肿瘤的患者进行了类似的研究。虚拟输尿管镜检查成功地检测到输尿管肿瘤的存在，其敏感性和特异性分别为81％和100％。此外，虚拟输尿管镜检查有助于评估淋巴结病的外在压迫，并可用于区分狭窄与尿路上皮肿瘤。
关于虚拟泌尿科内窥镜检查的当代数据表明，虚拟输尿管镜检查是安全，无创的，并且可以对整个输尿管进行有效的腔内导航。Battista等。得出的结论是，虚拟输尿管镜提供的解剖学信息优于轴向CT获得的解剖学信息。
尽管使用CT尿路造影的虚拟内窥镜检查有许多潜在的优势，但仍然存在局限性。也许关键的是无法识别粘膜质地和颜色的变化以及无法进行治疗。重要病理如癌原位不可能与当代虚拟内窥镜来识别。虽然尿细胞学可用于识别大多数癌原位，CT尿路造影的用于识别膀胱病理敏感性差继续支持在大多数患者中使用膀胱镜检查。
磁共振尿路造影是一种非侵入性的诊断成像技术，与CT尿路造影不同，它不需要电离辐射或碘化造影剂。T 2加权磁共振尿路造影是通过MRI可视化泌尿道的一个相关手段。可视化尿路内的静液，就好像它是人体的结构一样，用于图像重建。使用基于g的造影剂和T 1加权图像的磁共振尿路造影可以产生明亮的尿液外观。在尿量少的情况下，成像效果欠佳。因此，在可能的情况下，建议在可能的情况下静脉内利尿剂给药以提高排泄性磁共振尿路造影图像的质量。
与CT输尿管造影一样，磁共振输尿管造影有很大的局限性，包括与CT相比，对肾结石的检测相对不敏感，漫长的图像采集时间，明显的运动伪影和较低的空间分辨率。
泌尿外科领域的一项新的有前途的技术是无线胶囊内窥镜检查（WCE），其中照相机和无线发射器包含在插入尿路的小胶囊中。胶囊内窥镜包括胶囊装置，具有连接的数据记录器的外部接收天线以及具有用于解释图像的适当软件的计算机工作站。胶囊具有两个主要部分：光学器件，即具有短焦距，狭窄的光圈以增加景深和LED照明的透镜。以及用于辅助设备操纵的磁体组件。
目前，在上消化道内窥镜和下消化道内窥镜未能确定隐匿性出血的起源后，才进行胶囊内窥镜检查。WCE还提出了其他各种适应症，例如无法解释的贫血的调查，克罗恩病患者小肠粘膜的评估以及遗传性息肉综合征，蛋白丢失性肠病或易怒患者的诊断和监测肠综合征。在食道疾病中，WCE可以评估反流疾病和门脉高压的存在。
WCE的局限性包括：由于存在误吸的危险，可能出现假阴性结果以及现代设备无法获取活检标本或进行内窥镜治疗，因此不建议吞咽障碍患者使用。当前，WCE的最佳应用是对常规内窥镜检查的补充，以避免不必要的检查。
WCE仅在实验上用于泌尿科疾病。它已成功用于评估猪模型中的尿路，在其中产生连续的图像并识别出特定的标志。在这种情况下，可以通过外部磁体来操作设备。
将来，WCE可能会通过可主动操纵的胶囊的开发得到显着增强，这将大大提高这种成像方式的灵敏度。同样，可以对胶囊进行修改，以进行组织活检和治疗，甚至可以在膀胱肿瘤切除后提供卡介苗-卡林杆菌或化学疗法等药物。我们可以推测，可以开发出一种自行式的“无束缚体内内窥镜”，该内窥镜可以被引入下尿路，并通过来自器官特异性靶向物质给药的化学信号被引导到“上游”。
将来，通过虚拟内窥镜或先进的WCE进行泌尿外科影像学检查肯定会减少患者的不适感并降低成本。这些进步使得内窥镜检查能够以尽可能少的侵入性方式有效地进行。
内窥镜的未来很难预测。但是，我们很可能看到这一领域的改进，目前看来几乎是不可想象的。来自其他学科的新颖技术的创造性应用始终使内窥镜检查（实际上是微创手术的所有方面）向前发展。成像设备的尺寸肯定会继续减小，因此“微内窥镜”在不久的将来将是可行的。内镜检查任何管腔结构，包括输精管。
纳米技术，包括用新型材料建造的小型机器人，已经被证明是可行的。已经创建了由核苷酸构建的自组装机器人。正如科幻小说中已经设想的那样，不难想象小型“机器人”将巡逻生物结构以不断进行调查并帮助保护正常的解剖学和生理学的时代。
先进的物理学和分子生物学技术的结合几乎可以肯定会补充内窥镜检查，并有可能消除对内窥镜检查的需要。已经做出了将分子生物学技术吸收到内窥镜中的尝试。拉曼内窥镜检查包含一种强大的光散射技术，可用于识别分子和晶体的内部结构。已知频率和偏振的光与样品相互作用并被样品散射。然后分析散射光的频率和偏振，可以提供有关样品特性的信息。
拉曼光谱法可以通过定性和定量的方式测量组织的分子成分，从而极大地改善实时组织学诊断。每种组织类型散射的光都有一个特征光谱，可用于生成伪彩色图。因此，通过分析组织的光谱，我们将能够判断其组成是正常性质还是病理性质。获得此类光谱所需的时间大约为10到20s，这使得可以快速做出决策，从而可以实时决定是否进行保守或根治性手术，定义切除范围或区分良性与肿瘤性组织。
内窥镜检查中物理学的另一项应用是光学相干断层扫描（OCT）。这种成像方式能够通过测量反向散射或反向反射的红外光，对生物系统中的微结构进行高分辨率，横截面，表面层析成像。它的基本物理原理类似于B型超声检查，但OCT代替声音而使用光。
OCT设备使用波长为750–1,300 nm的低功率红外光，并通过测量回波时间延迟和反向散射光的强度来生成图像。OCT成像的穿透深度大约为1-3 mm，这取决于组织结构，聚焦深度和施加到组织表面的压力。膀胱的所有组织层（尿路上皮，固有层和固有肌层）可以根据其不同的光反射特性使用此技术单独显示。
其他病理类型的患者可能会受益于OCT的使用，以改善治疗和手术决策。例如，将来，OCT可能有助于评估前列腺癌患者的神经血管束受累情况，从而为切除决策提供依据。同样，OCT可能会应用于肾脏，输尿管和采集系统肿瘤，以帮助优化切除。
