新型系线式磁控胶囊内镜对猪食管和胃检查的可行性和安全性分析

摘要

背景

现有的磁控胶囊胃镜存在诸多不足, 如分辨率和拍摄帧率低, 通过食管时的速度不可控而无法全面观察食管, 且存在胶囊内镜滞留的风险. 新型系线式磁控胶囊内镜可实现高帧率、高分辨率, 能全面观察食管且无胶囊滞留风险.

目的

通过动物实验验证一种新型系线式磁控胶囊内镜对食管和胃检查的可行性和安全性.

方法

对3只巴马小型猪先后行磁控胶囊内镜和传统胃镜检查, 记录食管和胃的检查时间, 评估磁控胶囊内镜在食管和胃的各个部位(食管上、中、下段、齿状线、贲门、胃底、胃体、胃角、胃窦、幽门)的可控性和粘膜可视度.分析实验动物检查前、后的血常规和生化指标, 观察实验过程中的不良反应.

结果

与传统胃镜相比, 磁控胶囊内镜在食管检查时间上无显著差异(104.67 s±7.02 s vs 88.33 s±3.51 s, P = 0.093), 对胃的检查耗时较长(25.67 min±5.69 min vs 6.00 min±1.00 min, P = 0.019). 磁控胶囊内镜的可控性和粘膜可视度在食管、齿状线、胃体、胃窦及幽门处较好, 在贲门和胃底处稍差. 实验动物无明显不良反应发生.

结论

这一新型的系线式磁控胶囊内镜对猪食管和胃的检查具有良好的可行性和安全性.

关键词: 胶囊内镜; 动物实验; 可行性研究

核心提要: 本文通过动物实验验证了一款新型系线式磁控胶囊内镜具有良好的可控性和安全性, 该胶囊内镜具有高拍摄速度(30帧/秒)、高分辨率(1280 ppi×720 ppi)和可取出的特点, 能实现对食管和胃的全面观察, 并且没有胶囊滞留的风险.

Feasibility and safety of a novel string magnetically controlled capsule endoscopy for esophageal and gastric examination in a porcine model

Yan Li, Jing-Shuang Yan, Bin Yan, Ke Meng

Yan Li, Bin Yan, Ke Meng, Department of Gastroenterology and Hepatology, The First Medical Center, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China

Jing-Shuang Yan, School of Medicine, Nankai University, Tianjin 300071, China

Supported by: National Key R&D Program of China, No. 2019YFC0120303.

Corresponding author: Ke Meng, Attending Doctor, Department of Gastroenterology and Hepatology, The First Medical Center, Chinese PLA General Hospital, No. 28 Fuxing Road, Haidian District, Beijing 100853, China. mengke301@126.com

Received: June 29, 2022
Revised: August 22, 2022
Accepted: September 20, 2022
Published online: September 28, 2022

Abstract

BACKGROUND

Currently used magnetically controlled capsule gastroscope has many shortcomings, such as low resolution and frame rate, incomplete examination of the esophagus due to rapid passage, and risk of capsule retention. A novel string magnetically controlled capsule endoscopy with high frame rate and resolution can examine the esophagus comprehensively, and has no risk of capsule retention.

AIM

To verify the feasibility and safety of a novel string magnetically controlled capsule endoscopy for esophageal and gastric examination by animal experiments.

METHODS

Magnetically controlled capsule endoscopy (MCE) and traditional gastroscopy were performed on three Bama minipigs successively. The examination time for the esophagus and stomach was recorded. The MCE maneuverability and mucosal visualization in each part of the esophagus and stomach (upper, middle, and lower part of the esophagus, Z-line, and gastric cardia, fundus, body, angulus, antrum, and pylorus). Routine blood and biochemistry parameters of experimental animals before and after examination were analyzed, and adverse reactions occurring during the experiment were recorded.

RESULTS

Compared with traditional gastroscopy, MCE showed no significant difference in esophageal examination time (104.67 s ± 7.02 s vs 88.33 s ± 3.51 s, P = 0.093). The gastric examination time of MCE was longer than that of traditional gastroscopy (25.67 min ± 5.69 min vs 6.00 min ± 1.00 min, P = 0.019). The MCE maneuverability and mucosal visualization were better in the esophagus, Z-line, and gastric body, antrum, and pylorus than in the gastric cardia and fundus. No obvious adverse reactions occurred in experimental animals.

CONCLUSION

The novel string magnetically controlled capsule endoscopy has satisfactory feasibility and safety for esophageal and gastric examination in the porcine model.

Key Words: Capsule endoscopy; Animal experimentation; Feasibility

0 引言

传统的电子胃镜检查是目前诊断和筛查上消化道疾病的主要手段, 但是作为一种侵入性检查, 其存在患者耐受度差, 合并出血、穿孔、误吸、心脑血管不良事件、交叉感染等风险的缺点. 胶囊内镜于2000年首次被批准用于临床, 由于其无痛苦、风险小、易被患者接受等特点在临床上被广泛用于小肠疾病的检查[1]. 早期的胶囊内镜是通过胃肠自身蠕动而被动地在胃肠道内推进, 其推进速度和方向不受人为控制, 无法对可疑病变或感兴趣区域反复观察, 因而不适用于推进速度特别快的食管和空间较大的胃部检查. 2006年Carpi等[2]首次提出磁控胶囊内镜的概念, 磁控胶囊内镜系统通过外部磁场控制装置操控胶囊内镜的运动, 使其能在胃内主动移动和改变方向, 同时结合患者的体位变化, 实现对胃内各个部位的充分观察, 弥补了传统胶囊内镜在胃腔内检查不可控的缺陷[3]. 目前已用于临床的磁控胶囊内镜系统有日本奥林巴斯和德国西门子公司联合开发的EndoCapsule MGCE系统, 韩国Intromedic公司的MircoCam-Navi系统、中国安翰科技公司的NaviCam系统、中国深圳资福公司的大圣磁控胶囊内镜系统和中国重庆金山公司的OMOM磁控胶囊胃镜系统[4,5]. 尽管现有的磁控胶囊内镜对胃部疾病诊断的特异性和敏感性均较高[5], 但仍存在诸多不足. 目前的磁控胶囊内镜均使用内置电池, 由于电池容量的限制导致其拍摄速度和分辨率均较低, 且现有的磁控胶囊内镜仍无法控制其在食管内的通过速度. 这些不足限制了磁控胶囊内镜探查食管和鉴别消化道黏膜微小病变的能力. 另外, 所有的无线胶囊内镜系统都存在胶囊滞留的风险, 总发生率达1.4%-2.6%[6]. 本研究的目的, 是通过动物实验验证一款新型的系线式、高帧率、高分辨率且无胶囊滞留风险的磁控胶囊内镜系统用于食管和胃检查的可行性和安全性.

1 材料与方法

1.1 材料

本研究中使用的胶囊内镜系统是由北京善行医疗科技有限公司研发的一款新型系线式磁控胶囊内镜系统, 该内窥镜系统由一次性无菌胶囊式内窥镜(图1A)、图像处理器(图1B)和磁控装置(图1C)三部分组成. 其中进入上消化道的一次性无菌胶囊式内窥镜由磁控胶囊内镜和超柔性导线两部分组成, 超柔性导线连接胶囊内镜和外置的电源系统, 为胶囊内镜提供电源, 并在完成检查后将胶囊内镜回收. 该胶囊内镜大小为25.0 mm×4.5 mm, 分辨率为1280 ppi×720 ppi, 拍摄速度为30帧/秒. 研究中使用的传统电子胃镜是由上海成运医疗器械公司生产的兽用电子胃镜(型号: GVE-68Q).

图1 新型系线式磁控胶囊内镜系统, 由一次性无菌胶囊式内窥镜、图像处理器和磁控装置三部分组成. A: 一次性无菌胶囊式内窥镜; B: 图像处理器; C: 磁控装置.

实验用巴马小型猪3只(由北京通和立泰生物科技有限公司提供), 雄性, 体重25 kg±5 kg. 动物术前禁食12 h, 禁水6 h. 手术麻醉: 舒泰50和拜特速眠新肌肉注射诱导麻醉, 采用左侧卧位将实验猪固定于操作台, 手术过程中使用异氟烷吸入麻醉, 术中常规生命体征监护. 动物实验在北京通和立泰生物科技有限公司模型动物中心开展, 动物实验伦理批号: IACUC-2021059.

1.2 方法

实验过程中的磁控胶囊内镜操作和传统胃镜操作由1名经过培训能熟练操作实验中所用的磁控胶囊内镜, 且有10年以上消化内镜操作经验的消化内科医师完成. 具体操作步骤如下: (1)将实验猪麻醉后经口插入胃管, 将祛粘液剂(链霉蛋白酶颗粒20000单位+碳酸氢钠1 g, 北京泰德制药)溶于80 mL温水中后经胃管注入胃内. 适当变换猪的体位, 使祛粘液剂与胃粘膜充分接触; (2)检查前经胃管向胃内缓慢注入清水约1000 mL, 以使胃腔充盈; (3)应用传统胃镜, 在异物钳的辅助下将系线式磁控胶囊内镜送至猪胃内, 然后通过体外磁控装置操控胶囊内镜按照贲门-胃底-胃体-胃角-胃窦-幽门的顺序观察胃粘膜, 通过超柔导线回收胶囊内镜时观察齿状线和食管粘膜(图2); (4)随后应用传统胃镜按上述步骤对实验猪食管和胃进行检查; (5)分别记录磁控胶囊内镜和传统胃镜检查胃和食管的时间.

图2 系线式磁控胶囊内镜检查, 通过带有机械臂的永磁体控制胶囊内镜完成对实验动物食管和胃的检查.

1.3 可行性评价

对食管和胃的10个解剖部位(食管上段、中段、下段、齿状线、贲门、胃底、胃体、胃角、胃窦、幽门)进行胶囊内镜可控性和粘膜可视度评价, 可控性和可视度均按照优秀、良好、中等、较差4个等级进行评分(表1). 全面观察的定义为根据检查需要可随意旋转胶囊内镜观察方向, 且保持相对位置不变, 并能维持足够长的时间停留在目标位置, 以观察感兴趣区域.

表1 磁控胶囊内镜可控性和粘膜可视度评价标准.

评价指标	评价标准	等级	评分
胶囊内镜可控性	目标部位能够靠近并全面观察a	优秀	3
	目标部位能够出现在视野中, 能靠近但无法全面观察	良好	2
	目标部位能够出现在视野中, 但无法靠近和全面观察	中等	1
	无法操控胶囊内镜观察到目标部位	较差	0
粘膜可视度	可视度好, 可观察到目标解剖部位100%的粘膜	优秀	3
	可视度较好, 可观察到目标解剖部位＞75%的粘膜	良好	2
	可视度一般, 可观察到目标解剖部位50%-75%的粘膜	中等	1
	可视度差, 可观察到目标解剖部位＜50%的粘膜	较差	0

^a: 根据检查需要可随意旋转胶囊内镜观察方向, 且保持相对位置不变, 并能维持足够长的时间停留在目标位置, 以观察感兴趣区域.

1.4 安全性评价

术中监测试验动物的生命体征, 观察有无出血、穿孔、误吸等并发症. 在术前及术后第3天分别采血化验血常规和生化指标(肝肾功能相关指标), 记录术前及术后每天的行为活动和精神状态, 术后第3天处死动物, 解剖食管及胃, 评估有无试验相关损伤情况.

统计学处理 采用SPSS 23.0软件进行统计学分析, 检查时间、血常规及血生化指标等计量资料以mean±SD表示, 采用配对t检验进行比较. P＜0.05为差异有统计学意义.

2 结果

2.1 操作时间

磁控胶囊内镜和传统胃镜对实验动物食管的检查时间分别为104.67 s±7.02 s和88.33 s±3.51 s, 无显著差异(P = 0.093). 对胃的检查时间分别为25.67 min±5.69 min和6.00 min±1.00 min, 磁控胶囊内镜对胃的检查时间要显著长于传统胃镜(P = 0.019)(表2).

表2 磁控胶囊内镜和传统胃镜检查食管和胃的时间.

部位	胶囊内镜				传统胃镜				t值	P值
	动物1	动物2	动物3	mean±SD	动物1	动物2	动物3	mean±SD
食管(s)	112	104	98	104.67±7.02	88	85	92	88.33±3.51	3.045	0.093
胃(min)	32	21	24	25.67±5.69	7	5	6	6.00±1.00	7.208	0.019

2.2 可行性评价

所有实验动物均顺利完成了磁控胶囊内镜检查和传统胃镜检查, 磁控胶囊内镜在食管、齿状线、胃窦及幽门处的可控性和粘膜可视度较高, 全部达到了优秀(图3, 视频1). 在贲门和胃底处磁控胶囊内镜的可控性和粘膜可视度稍差. 在粘膜可视度方面, 这两个部位的评分均为2分(良好, 可视度较好, 可观察到>75%的粘膜). 在可控性方面, 这两个部位均有一例仅为1分(中等, 目标部位能够出现在视野中, 但无法靠近和全面观察), 其余两例为2分(良好, 目标部位能够出现在视野中, 能靠近但无法全面观察)(表3).

表3 各例实验动物胶囊内镜可控性和粘膜可视性评分结果.

部位	可控性评分b			可视度评分b
	动物1	动物2	动物3	动物1	动物2	动物3
食管上段	3	3	3	3	3	3
食管中段	3	3	3	3	3	3
食管下段	3	3	3	3	3	3
齿状线	3	3	3	3	3	3
贲门	2	1	2	2	2	2
胃底	2	2	1	2	2	2
胃体	2	3	3	3	3	3
胃角	2	2	3	2	3	3
胃窦	3	3	3	3	3	3
幽门	3	3	3	3	3	3

^b: 3 = 优秀; 2 = 良好; 1 = 中等; 0 = 较差.

图3 磁控胶囊内镜在不同部位的粘膜可视情况. A: 食管; B: 贲门; C: 胃角; D:幽门; E: 胃底; F: 胃体.

2.3 安全性评价

所有实验动物在实验过程中均生命体征平稳, 均未发生出血、穿孔、误吸等并发症. 术后行为活动和精神状态无异常, 术前及术后3 d的血常规和生化指标无显著差异(表4). 解剖动物后显示食管、胃标本外观正常, 粘膜无破损、穿孔、灼伤等实验相关损伤(图4).

表4 各例动物实验前后血清化验指标结果.

化验项目		术前				术后第3天				t值	P值
		动物1	动物2	动物3	mean±SD	动物1	动物2	动物3	mean±SD
血常规	红细胞计数(×1012/L)	7.24	7.35	6.75	7.11±0.32	7.26	6.73	7.85	7.28±0.56	-0.332	0.771
	血红蛋白(g/L)	144	138	140	140.67±3.06	152	134	146	144.00±9.17	-0.898	0.464
	白细胞计数(×109/L)	28.2	21.9	23.4	24.50±3.29	32.0	19.8	21.3	24.37±6.65	0.068	0.952
	血小板计数(×109/L)	341	359	366	355.33±12.90	415	345	382	380.67±35.02	-0.981	0.430
血生化	谷丙转氨酶(U/L)	48.4	38.3	40.3	42.33±5.35	38.6	37.9	36.4	37.63±1.12	1.714	0.229
	总蛋白(g/L)	74.3	76.2	76.9	75.80±1.35	75.8	70.2	71.3	72.43±2.97	1.382	0.301
	白蛋白(g/L)	37.6	37.5	40.1	38.40±1.47	36.7	39.8	38.8	38.43±1.58	-0.029	0.979
	肌酐(umol/L)	97.2	101	112	103.40±7.69	124	152	100	125.33±26.03	-1.195	0.354
	尿素氮(mmol/L)	7.5	6.5	4.8	6.27±1.37	7.0	7.2	5.2	6.47±1.10	-0.555	0.635

图4 解剖后的标本显示食管和胃粘膜无破损、穿孔、灼伤等实验相关损伤. A: 食管标本; B: 胃标本.

3 讨论

本研究通过动物实验, 初步评估了一种新型系线式磁控胶囊内镜对猪食管和胃检查的可行性和安全性. 结果显示该磁控胶囊内镜在食管、齿状线、胃窦及幽门等解剖部位具有很好的可控性和粘膜可视度. 通过外部磁控装置的引导, 能够操控胶囊内镜对上述部位进行全面观察, 能够完整显露上述部位的消化道管壁粘膜. 在贲门和胃底, 该磁控胶囊内镜的可控性和对粘膜的可视度相对较差, 仅能靠近相应部位但无法全面观察. 该磁控胶囊内镜检查食管所用的时间与传统胃镜类似, 而对胃的检查所需时间要大于传统电子胃镜, 在21 min-32 min之间. 在安全性方面, 所有实验动物在术中、术后都未出现与实验相关的并发症, 术后的采血化验显示血常规和肝肾功能相关指标与术前无明显差异.

由于重力和食管蠕动的作用, 传统的胶囊内镜在食管内的通过速度过快而无法对食管粘膜进行全面的检查. 为了克服上述不足, 提高胶囊内镜对食管检查的质量, Eliakim等[7]在2004年推出了具有双摄像头的食管胶囊内镜"PillCam ESO", 改善了胶囊内镜对食管粘膜的可视度. 之后随着技术的改进, 拍摄速度达到35帧/秒的第三代食管胶囊内镜"PillCam UGI"于2016年被验证了用于食管检查的可行性[8]. 虽然上述食管胶囊内镜通过提高拍摄速度改善了对食管的检查质量, 但仍然无法使胶囊内镜在食管内主动运动并对可疑病变进行仔细观察. 国内廖专教授团队对现有的磁控胶囊胃镜进行了改良, 在安翰磁控胶囊胃镜上加装了一根可分离的系线, 通过系线牵拉可反复观察食管[9] . 但由于该胶囊内镜内置电池的限制, 依然存在拍摄速度慢(2帧/秒)和分辨率低(480 ppi×480 ppi)的不足, 限制了其对食管病变探查能力. 本研究中所使用的系线式磁控胶囊内镜, 通过导线提供电源从而摆脱了电池的限制, 实现了高拍摄速度(30帧/秒)和高分辨率(1280 ppi×720 ppi), 同时可以通过导线控制胶囊内镜在食管内通过的速度, 可反复观察和在局部停留仔细观察感兴趣区域, 对食管的检查达到了类似于传统胃镜检查的效果.

胃的结构与小肠相比, 空间更大且不规则, 因而传统的被动式胶囊内镜无法实现对胃腔的全面检查. 随着磁控技术应用到胶囊内镜中, 现有的多款磁控胶囊内镜可通过外部磁体对胶囊内镜进行主动控制, 从而实现对胃内各个方向的全面观察, 其对胃腔检查的安全性和有效性已经得到了充分的验证 [10-13]. 国内廖专教授团队报道的一项多中心临床研究显示, 磁控胶囊胃镜对胃局灶性病变诊断的灵敏度和特异度分别达到了90.4%和94.7%, 验证了磁控胶囊胃镜诊断胃疾病的准确性[10]. 本研究中所使用的系线式磁控胶囊内镜, 通过固定于外部机械臂上的永磁体对胶囊内镜进行操控, 实现了对胃内各个解剖部位良好的可控性和粘膜可视度, 尤其是胃下部区域(胃体下部、胃角、胃窦和幽门). 既往的研究显示, 由于贲门和胃底等胃上部区域解剖位置的特殊性和粘液残留等因素, 磁控胶囊内镜在这些部位的可控性和粘膜可视度要低于胃下部[14], 本研究使用的磁控胶囊内镜在猪胃内的检查情况也是如此, 在胃下部的可控性和可视度要优于胃上部. 在人体检查中, 可通过变化受试者体位、追加饮水、加服袪泡剂等方法改善胃上部的检查效果.

胶囊内镜本身具有较高的安全性, 无创、耐受性好是其突出的特点. 本研究中使用的系线式磁控胶囊内镜显示出了良好的稳定性和安全性, 在实验中无机械故障出现, 实验动物在术中及术后均未出现明显不良反应. 胶囊滞留是目前应用于临床的各型磁控胶囊内镜的主要并发症, 一旦出现胶囊滞留, 则需要通过小肠镜或外科手术来将胶囊取出, 因而限制了合并有胃肠道梗阻、狭窄的患者接收磁控胶囊内镜检查. 本研究中的系线式磁控胶囊内镜在完成上消化道检查后, 可通过导线将胶囊内镜取出, 从而消除了胶囊滞留的风险.

4 结论

综上所述, 本研究通过动物实验, 验证了一款新型的系线式磁控胶囊内镜在对食管和胃的检查方面具有良好的可行性和安全性, 为进一步的临床试验提供了依据.

5 志谢

感谢史岩、王闯、杨菲、杨飞霞在动物试验中给予的大力支持和帮助.

文章亮点

实验背景

传统电子胃镜检查会对患者造成明显的不适感, 患者耐受度差.现有的磁控胶囊内镜安全、舒适, 对胃部病变的检出率接近传统胃镜检查, 但依然存在许多不足, 如由于受到内置电池的限制导致拍摄速度慢, 分辨率低, 由于在食管内通过速度过快而无法全面观察食管等不足, 且存在胶囊内镜滞留的风险.

实验动机

为了克服现有磁控胶囊内镜的不足, 本研究开发了一种新型的系线式磁控胶囊内镜系统.该胶囊内镜由超柔导线连接外置电源提供电力, 能实现高帧率(30帧/秒)和高分辨率(1280 ppi×720 ppi). 并能通过超柔导线控制胶囊内镜通过食管的速度, 从而实现对食管全面的观察. 检查结束后可通过导线将胶囊内镜回收, 消除了胶囊内镜滞留的风险.

实验目标

通过动物实验验证这款新型系线式磁控胶囊内镜对食管和胃检查的可行性和安全性, 为后续的临床试验提供理论基础.

实验方法

采用自身对照的动物实验, 实验动物为巴马小型猪. 对3只猪先后行磁控胶囊内镜和传统电子胃镜检查, 记录食管和胃的检查时间, 评估磁控胶囊内镜在食管和胃的各个部位(食管上、中、下段、齿状线、贲门、胃底、胃体、胃角、胃窦、幽门)的可控性和粘膜可视度. 分析实验动物检查前、后的血常规和生化指标, 观察和记录实验过程中的不良反应.

实验结果

与传统电子胃镜相比, 新型系线式磁控胶囊内镜在食管检查时间上无显著差异(108.00 s± 12.49 s vs 71.67 s±6.51 s, P = 0.242), 对胃的检查耗时较长(25.67 min±5.69 min vs 6.00 min± 1.00 min, P = 0.019). 磁控胶囊内镜的可控性和粘膜可视度在食管、齿状线、胃体、胃窦及幽门处较好, 在贲门和胃底处稍差. 实验动物在检查中和检查后无明显不良反应发生.

实验结论

这款新型系线式磁控胶囊内镜在对猪食管和胃的检查中具有良好的可控性和粘膜可视度, 能够全面观察猪食管和大部分胃粘膜, 对猪食管和胃的检查具有良好的可行性和安全性.

展望前景

本研究通过小样本动物实验验证了新型系线式磁控胶囊内镜对猪食管和胃检查的可行性和安全性, 为以后的临床试验提供了良好的理论基础. 将通过后续大样本的临床实验进一步验证该款磁控胶囊内镜诊断人食管和胃疾病的有效性和安全性, 有望为临床提供一款用于上消化道检查的高清、无痛苦和无胶囊滞留风险的磁控胶囊内镜.

备注

学科分类: 胃肠病学和肝病学

手稿来源地: 北京市

同行评议报告学术质量分类

A级 (优秀): A

B级 (非常好): 0

C级 (良好): C, C

D级 (一般): 0

E级 (差): 0

科学编辑:张砚梁 制作编辑:张砚梁

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