遥控高清胶囊内窥镜在犬膀胱检查中的应用

在这里，我们提出了一种使用高清胶囊内窥镜检查犬膀胱的方案，该内窥镜通过手术植入和纵以捕获膀胱壁和排尿动力学的图像。该程序为开发精确的尿动力学研究提供了见解。

本研究调查了胶囊内窥镜检查使用犬模型进行膀胱检查的可行性和潜在应用。3 只成年雄性比格犬接受了胶囊膀胱镜手术植入，分为三组，每组有一只比格犬：A 组（比格犬 A）保持固定仰卧位 8 h，B 组（比格犬 B）自由移动 8 h，C 组（比格犬 C）手动调整姿势（俯卧、仰卧、蹲下）各 20 min。植入胶囊内窥镜在所有狗中都成功发挥作用。A 组主要捕获膀胱底部的图像 （6 小时 27 分钟）。B 组获取了膀胱颈和膀胱底的图像 （7 h 12 min），包括自然排尿期间膀胱颈、前列腺窝和尿道外括约肌的动态可视化。C 组产生膀胱颈、基部和心尖的图像 （56 min）。这项研究的结果证明了胶囊内窥镜检查能够提供犬膀胱壁的动态、高质量图像，并表明其在开发准确的尿动力学评估方面的潜力。

经尿道膀胱镜检查是泌尿外科手术中常用的诊断工具，在临床上被广泛使用，不仅是诊断膀胱癌的可靠方法，也是治疗和术后随访的重要手段¹。然而，传统的膀胱镜检查，无论是刚性还是柔性，往往会引起患者的不适，并可能导致尿道损伤和逆行感染等并发症²。此外，传统的尿动力学测试通过干扰尿路的正常生理活动以及患者的心理和心理活动，不可避免地在结果中引入某些错误 ^3,4,5。因此，小型化、舒适、无盲点和更准确的诊断方法的发展代表了膀胱镜检查发展的未来方向。

胶囊内窥镜检查，也称为无线内窥镜检查，已广泛应用于胃肠道检查，具有方便、无痛、无交叉感染、不干扰患者正常活动等优点。通过胶囊内窥镜检查无痛获取全面的胃肠道成像数据已成为一种标准方法 ^6,7,8。鉴于膀胱是一个通过尿道与外部环境相连的中空器官，因此可以通过尿道将适当大小的胶囊引入膀胱。

基于此，我们提出了胶囊膀胱镜的概念，并通过动物实验探索其作为新型诊断工具的优势和潜在应用，从而为胶囊内窥镜技术的未来发展提供新的见解。在此背景下，我们假设胶囊膀胱镜可以在生理排尿过程中获得清晰的膀胱内图像并捕捉不同结构的动态变化，为开发更准确的尿动力学测试提供见解。这可能会最大限度地减少未来患者的不适，并扩大膀胱镜检查的适应症。

本研究经江苏大学附属昆山医院医学伦理委员会批准，严格遵守《实验动物伦理与福利指南》。伦理批准文件编号为 2021-06-008-K01。

1. 主题

1. 使用三只健康的成年雄性比格犬进行研究。将它们随机分为 A、B 和 C 组，每组一只狗。
2. 纳入标准：包括 24 个月大、体重约 12 公斤且没有心血管、肾脏疾病和其他慢性病的动物。
3. 排除标准：排除在实验前一周内接受过任何药物治疗的动物。

2. 实验材料

1. 使用胶囊内窥镜系统进行膀胱检查，包括高清智能胶囊、图像记录仪和工作站。胶囊内窥镜尺寸约为 11 毫米× 25 毫米，以每秒 2 帧 （FPS） 的速度捕获图像，运行 8-10 小时，可传输约 60,000 帧。

3. 实验设计

1. 术前准备
   1. 手术前将 Beagle 狗禁食 8 小时，并停止饮水 2 小时。
   2. 手术前 30 分钟皮下注射氨苄西林 （22 mg/kg） 作为预防性抗生素。
   3. 用剪刀去除左前肢内侧和下腹部的毛发。用无菌盐水清洁手术部位，并用无菌纱布擦干。用聚维酮碘对手术部位进行消毒。
   4. 在左前肢的头静脉中放置一根 20 G 静脉导管。将 Beagle 犬固定在手术台上。
2. 麻醉
   1. 监测生命体征。静脉注射盐酸右美托咪定 （0.005 mL/kg） 镇静，然后丙泊酚 （1.0 mL/kg） 诱导麻醉。
   2. 使用喉镜将 8 毫米气管插管插入气管。通过听诊确认正确放置并用胶带固定管子。
   3. 将 Beagle 犬连接到兽医麻醉机，并通过吸入氧气中 1.5% 至 3% 的异氟醚保持麻醉。
3. 胶囊内窥镜植入术
   1. 将 Beagle 犬置于仰卧位，并将图像记录器放在附近。
   2. 用聚维酮碘消毒下腹部 3 次，并贴上无菌手术单。
   3. 使用 #10 手术刀手柄和 #3 刀片在阴茎附近做一个 10 厘米的纵向切口。切开皮肤和皮下组织，钝剖剖腹肌。使用两个止血钳提起和缩回腹膜。
   4. 找到膀胱并用无创镊子轻轻抓住它。提起并固定气囊以防止损坏。
   5. 在膀胱上做一个 1 cm 的切口。
   6. 取出胶囊内窥镜。使用专用的通用串行总线 （USB） 电缆将录像机连接到工作站，然后按住录像机上的电源按钮 3 秒以打开其电源。
   7. 双击工作站桌面上的 OMOM Ove 图标。输入用户名和密码以登录工作站软件。单击 Add Patient 并输入 Beagle 的信息，然后单击 Save。
   8. 在工作站软件的 Patient Information（患者信息）部分，输入胶囊内窥镜序列号和通道号以激活胶囊。单击 Next，然后单击 Create New Case。当系统提示格式化设备时，选择 Yes（是）。
   9. 检查胶囊内窥镜是否正常工作。单击 Real-time View 显示胶囊内窥镜图像。
      注意： 在正常作中，录像机上的 ACE 指示灯和胶囊上的 LED 应同步闪烁。
   10. 用聚维酮碘对胶囊内窥镜进行消毒，然后将其放入膀胱中。
   11. 用连续的 4-0 可吸收缝合线闭合膀胱切口。闭合腹壁层，然后用 2-0 丝缝合线闭合皮肤。手术后将 Beagle 犬转移到笼子里。转移过程中，将图像记录仪保持在距离 Beagle dog 1 m 以内，以免与胶囊内窥镜断开连接。
4. 图像采集
   1. 将录像机固定在笼子顶部并确保其安全。
   2. 单击工作站上的 设置 按钮，然后选择 重新启动图像记录器 以重新激活图像记录器并确认胶囊内窥镜的运行状态和连接。
   3. 将 Beagle A 限制在小狗笼中 8 小时以保持静止。让 Beagle B 自由移动 8 小时。
   4. 让 Beagle C 使用温和的物理支持保持俯卧、仰卧和蹲下姿势，并观察每个姿势 20 分钟，确保动物的舒适并最大限度地减少痛苦。
   5. 使用图像记录器监测和记录来自 Beagle C 的膀胱图像。单击 Real-time View 以访问胶囊的实时视频源，然后单击 Start Recording 按钮以启动图像采集，单击 Stop Recording 按钮以终止图像采集。获取足够的数据后，手动按下录像机上的电源按钮将其关闭。
   6. 大约 8 小时后，当 A 组和 B 组图像记录仪上的 ACT 指示灯停止闪烁 10 分钟时，结束检查并关闭记录仪。
   7. 在 A 组和 B 组的 8 小时实验期结束时，在 C 组的图像采集后，按照第 3.2 节中概述的程序再次麻醉狗。
   8. 通过膀胱切开术手术从膀胱中取出胶囊内窥镜。如第 3.3 节所述关闭膀胱和腹部切口。
      让狗在干净、安静的笼子里和柔软的床上用品中恢复体力。根据需要进行抗感染和液体治疗。
   9. 将影像录制机连接到工作站。打开录像机的电源并登录到工作站软件。单击 Case Review（案例审查）;然后，系统将自动下载图像数据。下载完成后，将图像数据保存到工作站的硬盘驱动器中。
   10. 分析采集的图像数据。

在这项研究中，每只 Beagle （n = 3） 接受了 1 个胶囊内窥镜手术植入其膀胱，所有动物都表现出正常的术后恢复。正如影像学研究所证实的那样，胶囊内窥镜功能正常并安全地留在狗体内（图 2）。在远程控制下，这些设备在各个阶段捕捉了膀胱所有解剖区域的清晰图像，包括圆顶、后壁、前壁、颈部以及左右侧壁。在 Beagle A 中，内窥镜采集了 6 小时 27 分钟的图像，主要是膀胱底部的图像（图 2A）。在 Beagle B 中，内窥镜获得了 7 小时和 12 分钟的图像，包括静息状态下的膀胱颈（图 2D）、排尿后（图 2H）和膀胱底部（图 2I）的图像。该组成功捕捉了犬类正常生理排尿过程中膀胱颈-前列腺窝-尿道外括约肌的动态变化。主要观察结果是： 1. 排尿开始时膀胱颈张开（图 2E）。2. 随后，前列腺窝扩张，然后打开尿道外括约肌以允许尿液流动（图 2F）。3. 排尿后，尿道外括约肌首先闭合，其次是前列腺窝，最后是膀胱颈（图 2G），标志着排尿结束（收集的生理排尿过程视频可作为 补充视频 1 获得）。Beagle C 以俯卧、仰卧和下蹲姿势各定位 20 分钟，总共 56 分钟的图像采集，包括膀胱颈（图 2J）、底部（图 2K）和圆顶（图 2L）的图像。

图 1：将内窥镜插入膀胱的过程。 （A） 胶囊内窥镜的切开和插入。（B） 胶囊的激活。（C） 膀胱的缝合 请点击此处查看此图的较大版本。

图 2：从胶囊内窥镜检查和胶囊内窥镜的放射学定位获得的图像。 （A） A 组膀胱底部图像（钱包缝出血）。（B） A 组比格犬的腹部 X 光片显示位于膀胱内的胶囊。（C） A 组比格犬的 CT 图像，胶囊位于膀胱内。（D） B 组膀胱颈（静息状态）的图像。（E） B 组比格犬膀胱颈扩张、开始排尿的图像。（F） B 组比格犬的图像显示膀胱颈和前列腺窝扩张、尿道外括约肌开口、尿液排出以及胶囊内窥镜随着尿液流向膀胱颈移动。（G） B 组中一只小猎犬膀胱颈闭合的图像，标志着排尿完成。（H） B 组排尿后膀胱颈的图像 （I） B 组膀胱底部图像 （J） C 组膀胱颈图像 （K） C 组膀胱中部底部图像 （L） C 组膀胱顶点图像 请点击此处查看此图的较大版本。

补充视频 1：使用内窥镜获取的生理排尿过程视频。请点击此处下载此文件。

近年来，随着内窥镜技术的进步，硬式和软式膀胱镜在临床实践中得到了广泛的应用。硬质膀胱镜检查的常规应用通常很麻烦，有许多盲点和严重的创伤。患者在手术过程中会经历很高的心理压力，可能会遇到不适或疼痛，以及心率加快、血压升高和心理应激反应等生理反应⁷。另一方面，软式膀胱镜检查在作上提供了更大的灵活性，与硬质膀胱镜检查相比减轻了患者的不适，并且几乎消除了盲点。然而，它仍然有缺点，包括交叉感染的风险和易受损害⁹。此外，传统的膀胱镜检查缺乏对膀胱粘膜状态进行长时间动态观察的能力，严重依赖医生的个人经验，这可能导致误诊。此外，由于探查时间有限、探查角度受限，传统膀胱镜的诊断效率有待进一步提高^10,11。因此，临床迫切需要一种方便且可持续的检查方法。

胶囊的植入和取出在这项研究中提出了重大挑战。目前临床上广泛使用的胶囊内窥镜直径超过 1 厘米。在我们的实验中，使用的胶囊内窥镜直径为 1.1 厘米，比 Beagle 尿道最窄的部分还要宽。因此，采用开放手术方式植入胶囊内窥镜。人类尿道的平均直径男性为 5-7 毫米，女性为 6 毫米，没有扩张，扩张后扩大到 1 厘米¹²。尿道表现出闭合阻力，阻止目前可用的胶囊内窥镜进入膀胱。因此，通过尿道引入和取出胶囊内窥镜需要更小的胶囊尺寸。值得注意的是，尿道后结石可以通过静水压力从膀胱中排出，小结石可以通过尿道¹³。我们推断，可以通过液体或导管将足够小的胶囊引入膀胱，并随尿液排出。然而，用当前的技术实现如此小的尺寸似乎具有挑战性。鉴于胶囊内窥镜所需的尺寸较小，因此不需要较长的电池寿命。C 组研究结果支持了这一点，其中大多数膀胱图像是通过改变 Beagle 的身体位置快速获得的。因此，减小电池尺寸可能是将来减小胶囊膀胱镜整体尺寸的可行方法。无线充电技术在各个领域也正在迅速发展¹⁴。此外，如果将来可以同时解决胶囊尺寸和电池寿命的挑战，就可以将胶囊内窥镜长时间留在膀胱中。这种能力将允许长期监测膀胱恶性肿瘤的复发和进展，从而可能使患者免于膀胱癌手术后反复膀胱镜检查的不适。

在这个实验中，三组，命名为 A、B 和 C，总共获得了 24 小时的视频数据。A 组的镜头仅限于膀胱底部的视图;B 组的镜头包括膀胱底部和颈部的视图，而 C 组的镜头包括膀胱颈部、底部和圆顶的视图。进行此分析的原因如下。在标准胶囊内窥镜中，摄像头端（前端）比尾端重，尾端包含空气，以确保摄像头端在液体中保持与地面垂直对齐。A 组的镜头证明了这一点，该镜头始终与膀胱的底部对齐。B 组的实验显示，在蹲姿下，摄像头与膀胱的颈部对齐，在躺卧姿势下，它与膀胱的底部对齐，没有捕捉到膀胱圆顶的图像。在 C 组的实验中，通过手动将狗置于仰卧位，成功捕获了膀胱圆顶的图像。

三个实验组的比较清楚地表明，当狗处于自然状态时，标准胶囊内窥镜的观察范围存在盲点，难以捕捉到完整的图像。通过手动改变狗的位置，可以捕获膀胱的大部分内壁。为了解决胶囊内窥镜无法独立移动的限制，当前的解决方案包括磁控制系统和电动螺旋桨系统。磁性胶囊最初由 Given Imaging 设计和开发，现在广泛用于临床环境，克服了传统胶囊内窥镜无法捕获胃部完整图像的问题¹⁵。螺旋桨驱动的胶囊最初由 CRIM 实验室于 2009 年开发。它由三部分组成：无线控制器、电池和包含四个引擎的支撑壳。通过无线控制，胶囊可以在充满液体的胃中以高达 7 cm/s 的速度移动。配备运动辅助系统的内窥镜胶囊现已证明可以在充满液体的胃中移动，并捕获超过 75% 的图像数据¹⁶。由于膀胱缺乏蠕动，与胃相比具有更稳定的内部环境，因此这种运动辅助系统将来也可以应用于膀胱胶囊，以获得更全面的膀胱成像数据。

除了观察膀胱异常外，膀胱镜检查还能够使用异物钳取出病理材料。目前，胶囊内窥镜仅具有观察能力，缺乏进行活检或治疗干预的方法。然而，胶囊内窥镜检查的未来发展正逐渐朝着作和治疗功能发展。2017 年，Son 等人 ¹⁷.推出了一种用于胶囊内窥镜检查的新型磁驱动系统，该系统利用胶囊内的一根细空心针刺穿和抽吸组织进行采样。

在这项研究中，Beagle B 成功接受了胶囊内窥镜检查，捕捉了排尿过程中膀胱颈、前列腺尿道和尿道外括约肌的动态变化。排尿开始时，膀胱颈打开，然后是前列腺尿道扩张，最后是尿道外括约肌打开。排尿结束后，尿道外括约肌首先闭合，然后是前列腺尿道，最后是膀胱颈。这代表了对犬膀胱颈-前列腺尿道-尿道外括约肌复合体动态变化的首次观察。我们相信，通过引入新方法，这对未来的尿动力学研究具有重要意义。未来的发展可能会将压力传感器集成到胶囊内窥镜中。在通过尿道排出的过程中，可以获得来自膀胱和泌尿道各个部分的动态成像和压力数据。这减少了对尿路的干扰并减轻了患者的心理压力。

这项研究证明了使用胶囊内窥镜捕捉犬膀胱图像的可行性，从而为其在精确尿动力学评估中的应用奠定了基础。它强调了通过胶囊膀胱镜检查在临床环境中进行长期动态监测的潜力。然而，局限性包括样本量小和对犬类模型的依赖，由于泌尿系统的生理差异，这可能会限制对人类的直接适用性。目前胶囊内窥镜检查在膀胱检查中面临的技术挑战包括胶囊小型化、延长电池寿命和改进控制机制。此外，胶囊在膀胱中的长时间滞留可能会影响排尿动力学，广泛的多角度观察可能会产生大量数据。尽管如此，技术和人工智能的持续进步有望克服这些障碍，提高胶囊内窥镜检查用于膀胱评估的准确性和可行性。最终，这项研究不仅减少了检查过程中对正常尿路功能的破坏，还促进了诊断技术的进步。这可能会彻底改变膀胱疾病的早期检测和治疗策略，为医疗创新和患者护理提供新的途径。

作者没有什么可披露的。

资金： 这项工作得到了昆山市科学技术发展专项项目 （KS18062）、江苏大学临床科技发展项目 （JLY20180110） 和昆山市第一人民医院科学教育与健康促进项目 （CXTD21-D02） 的支持。

作者贡献：
杨远构思了这项研究，进行了实验，并起草了手稿。Leyi Liu 分析了这些数据。Dingli 胡 和 Shihao Zhang 提供了关键资源并帮助进行数据解释。Bing Wang 对文献综述和手稿编辑做出了贡献。李云龙作为通讯作者，负责监督项目方向和手稿定稿。所有作者都讨论了结果并批准了手稿的最终版本以供发表。

数据可用性：
本研究期间生成或分析的所有数据都包含在本文中。