电子内窥镜设备在微创手术中起到了至关重要的作用，为医生传输清晰的患者体内影像，便于术中观察 、病灶导航、以及诊疗操作。以镜体是否弯曲和进入人体的方式可以将内窥镜分为硬镜和软镜。
医用内镜从原理上分类，大致上可分为光学和电子，我们分别以光学硬景和电子软镜为例，介绍其具体特点和差异。
1、光学硬镜：光学硬镜由机械系统，光学系统，和导光系统三部分组成。光学硬镜的成像原理是先通过物镜采集图像，再由柱状镜片传递图像，最后用目镜放大图像。
1）机械系统：不锈钢合金镜外管、内管、镜体、光锥、目镜腔、眼罩是主要组成部分。镜内组成中，机械系统中的镜体、镜外管、内管、光锥和目镜腔的主要制作材料都是不锈钢合金，而黑色眼罩的制作材料则是高分子耐高温材料。镜外组成中，激光无缝焊接而成的镜外管和各镜体的连接处，可以保证境内成像不受外界环境和光线的干扰，提高了物镜的密封性。其中，镜体和眼罩通过精密仪器密封，镜管和物镜由胶粘或焊接密封，保证了使用过程中不会脱落，液体不会渗漏，气体不会进入。
2）光学系统：物镜，柱透镜组和目镜组成了硬镜的光学系统。其中，物镜负责收集图像，且其镜片参数对内镜的视角和视野起了决定性作用，柱透镜组的功能是传输图像，目镜的功能则是放大图像并经由眼罩传出图像。
3）导光系统：光学硬镜的导光系统由传输光线的光纤组成，直径通常为 0.03mm。光线先从物镜端射出，照亮腔道，再通过物镜镜体将图像传导至光纤系统另一端的光锥处成像。
▲ 光学硬镜组成部分 （资料来源：SCHÖLLYFIBEROPTICGMBH、安信证券研究中心）
2、电子软镜：主要由先端 CCD/CMOS 芯片、腔内光源系统、软镜机械部分组成。从组成部件来看，电子软镜由先端、插入管和操作部三大模块构成，并由连接部将各模块进行串联。电子软镜传输图像的过程是由先端的微型图像传感器采集图像，并将光信号转变为电信号，再通过镜身线路传至摄像系统，最终形成图像。电子软镜比硬镜的可探测深度更深，细小的镜片可以使镜体轻松进入鼻腔、耳道等细窄腔道，这是硬镜无法触及的区域，为医生提供更准确的患者信息。
▲ 电子软镜系统组成部分 （资料来源：SCHÖLLYFIBEROPTICGMBH、安信证券研究中心）
▲ 软镜系统结构图 （资料来源：奥林巴斯官网、安信证券研究中心）
电子内镜和光学内镜的区别是，电子内镜通过先端 CCD/CMOS 芯片采集图像，镜身传导的是数字信号。而纤维软镜则是通过光学纤维，传导物理图像，没有芯片电路。电子内窥镜在医院内镜室的诊断和治疗中起到非常重要的作用，具有灵活定好、分辨率高、易于诊断、管径细等优点。
▲ 电子内窥镜结构拆分 （资料来源：SCHÖLLYFIBEROPTICGMBH、安信证券研究中心）
医用内窥镜从前端到后端所囊括的配件依次是：光源、镜体、导线、主机、显示器等，下面我们分别来看不同组成部分的主要功能和特点。
光源照明：传统的电子内镜使用氙灯（白光）作为照明光，白光的宽带光谱实际上是由 R/G/B（红/绿/蓝）3 种光组成的，其波长分别为 605nm、540nm、415nm；可以使用 LED 光源，为冷光源且不产生热效应，即开即用。
病灶组织：传统方法通过白光照射病灶可叠加色素内镜检查，用不同的色素溶液，对黏膜进行喷洒或口服，通过黏膜表面轮廓显示或吸收特性的不同，区分癌变与非癌黏膜；目前多数通过叠加荧光剂（荧光内镜）将吲哚菁绿（ICG）注入目标血管或组织，通过吸收近红外光后释放出不同波长荧光的特性，再利用图像传感器捕捉荧光信号。
镜体：（1）图像传感器：彩色 CCD/CMOS 将不同的光信号转为数字电信号形式，多张捕捉到的图片高速切换实现动态视频。（2）透镜：标配普通光学镜头放大 10 倍，即大于 10mm 的视线范围；可叠加变焦镜头放大内镜（ME），增加高倍率的变焦镜头，使黏膜组织光学放大，目前厂家所使用的变焦倍数多在 80~120 倍以上。（3）镜体可叠加：可叠加超声探头以观察表层以下的组织结构，同时可叠加共焦显微镜（共聚焦内镜镜头、细胞学内镜），通过共聚焦探头，获取各层面的组织学图像。并有望明显减少活检的次数，增加病理的检查率。
导线：编码电路通过导线将信号输送到图像处理器。
主机：（1）图像处理功能：双荧光处理；全彩荧光处理；4K 处理；3D 技术；除雾功能；血管增强；高动态范围；曝光修正等特殊图像处理；（2）AI 算法处理：包括 AI ISP 图像处理。
显示器：可配备 4K 分辨率/高清分辨率。
▲ 医用内窥镜主要构成部分 （资料来源：沙利文、安信证券研究中心）
在上述内窥镜主要构成部件中，最核心的技术壁垒主要包括光学镜头集成、图像传感器、镜体设计与集成技术、图像处理技术(包括降噪、边缘增强技术等)。其中：
（1）成像镜头：内窥镜图像分辨率决定了内窥镜成像的清晰度，是保障临床疾病筛查检出率和准确率的关键。光学镜头是获得光信号的关键，日企多凭借相机等光学业务起家，在变焦镜头、实现多停光学放大目分辨率不变等领域有丰富专利积累，而中国厂商高端数控机床加工、技术专利积累等还与进口品牌有较大差距。
（2）图像传感器：图像传感器是把光学信息转换为电信号，现主要有 CCD 和 CMOS 传感器。CCD 技术长期被日本垄断，2019 年 CCD 产业前七大厂商皆为日系厂商，占据全球 98.5%市场份额。相比于 CCD，CMOS 具备体积小、耗电量低、成本低、系统整合度高特点，CMOS 有望代替 CCD 图像传感器在内镜中的使用。相较 CCD 技术中国企业几乎无影响力的现状，在 CMOS 领域，中国韦尔股份 2019 年收购的豪威科技在 CMOS 领域市占率约 11.5%;澳华内镜、开立医疗先后推出的 AQ-200、HD-550 均采用 CMOS 传感器，新光维获批的“4K 超高清内窥镜摄像系统”，使用的也是 CMOS 传感器。中国与海外企业在 CMOS 技术研发差距有望逐渐缩小
（3）图像显示：中国厂家在图像后处理方面也实现突破，澳华内镜自研光学染色的 CBI 分光染色技术，使得医生能更好观察病变黏膜下的微血管结构。开立医疗自研的光电复合染色成像 VIST 技术，保证画面亮度和高分辨率图像同时，凸显早期病变的细微结构变化。综合来看，边缘增强技术瓶颈被攻克，国产厂家与进口厂家的技术差距已经缩小，未来国产厂商在高端技术领域有望持续攻克。
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▲ 医用内窥镜核心技术 （资料来源：头豹研究院、安信证券研究中心）
▲ 医用内窥镜产业链 （资料来源：海泰新光招股书、安信证券研究中心）
▲ 内窥镜核心模块 （资料来源：头豹研究院、安信证券研究中心）
图像传感器：电子内镜中安装的图像传感器能将光学信息转换为电信号，当前主流的传感器为 CCD 和 CMOS 两大类。CCD 是采用耦合方式传输信号的探测元件，通常装置在内镜前端，用于接收体腔内黏膜面的反射光，并将这些光信号转化为数字电信号。随后将捕捉到的图片以高速切换的形式转换为动态视频，最终在显示器上展示受检病灶的彩色黏膜图像。相比之下，CMOS 则是将反射光先转换为电子，再转换为电压，然后通过芯片上的 ADC 模拟转换器转换为数字值，其所示图像具有高帧率的特点。CMOS 由于体积小、耗电量低、成本低以及系统整合度高等一系列优点，成为了突破技术掣肘的关键一环。
CCD 向 CMOS 迭代的技术革新带来新一轮洗牌和格局重塑。CCD 图像传感器技术在全球范围内长期由少数日系厂家主导，曾是“卡脖子”技术之一。但随着 CMOS 传感器的替代，国内厂商在自主研发高端软性和硬性内窥镜方面取得了重大突破。回顾国内 CMOS 的发展历程，韦尔股份在 2019 年时收购了豪威科技，率先进行了产业链整合，随后澳华推出的 AQ-200、开立推出的 HD-550 内镜系统以及新光维的 4K 超高清内窥镜摄像系统，均采用了 CMOS 传感器。国内 CMOS 工业供应链正在不断完善，且随着国产厂商加大对 CMOS 图像处理技术的投入，其使用性能及产品覆盖率也在不断接近甚至超越 CCD。CMOS 也逐渐成为越来越多国产内镜厂商对CCD 的首选替代。
▲ CCD和CMOS技术对比 （资料来源：CNKI、融汇研究、安信证券研究中心）
图像处理：2023上海医疗器械创新展Medtec创新展意识到，国产龙头拥有了自主研发的染色成像技术，突破了外资技术垄断。内镜光学染色技术原理是通过改变光波波长的多种光谱组合，获得更清晰的观测黏膜不同层次的微血管和微结构内镜图像，辅助发现早期癌及癌前病变。内镜染色和放大技术的应用对临床早期癌症的检出发挥了重要作用。国产龙头也逐步在光学染色上拥有了自主研发的能力并建立起自身优势。例如，开立医疗的 VIST 光电复合染色成像技术和澳华内镜的 CBI 分光染色技术。根据《国产内镜新光学染色技术应用价值的多中心研究》：进口品牌内镜光学染色技术需要联合放大内镜才能获得对胃内肠上皮化生较好的诊断价值，而国产内镜新光学染色 VIST 模式结合自身 40 倍弱放大在检查过程中无需更换放大内镜延长检查时间，也未增加内镜检查费用，具有一定优势；且国产内镜新光学染色组相比对照组有更高的准确率，总体正确率达到进口内镜的判断水平。
▲ 主要电子染色技术对比 （资料来源：中国消化内镜杂志，各公司官网、安信证券研究中心）
▲ 开立VIST技术图示 （资料来源：开立医疗官网、安信证券研究中心）
▲ 澳华CBI技术图示 （资料来源：澳华内镜官网、安信证券研究中心）
文章来源：Medactive
