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悠遊人體內的 drone(無人機)– 無線膠囊內視鏡

Olympus_WCE

我們最不了解的,往往是我們自己。

這句話不僅在心靈勵志書裡成立,在生理上也完全正確。19 世紀內視鏡發明以前,沒人能看見自己的內在。

傳統的內視鏡彷彿地底探險一般;探險者一端繫了繩索,從口腔垂吊進入食道,一路向人體深處前進。對患者來說,這樣的診斷過程相當不舒服。三十多年前,一位以色列工程師 Gavriel Iddan 想到,不如乾脆撤掉繩索,設計一艘小潛艇,鑽進腸胃,用無線傳輸將拍到的照片傳到體外。

他等了二十多年,盼著光學、照明、影像壓縮、電池、無線通信等各項技術進步。終於,十年前,無線膠囊內視鏡(Wireless capsule endoscopy)通過美國食品藥物管理局審核,成功商品化。

圖片來源:Mehmet R. Yuce , Tharaka Dissanayake, "Easy-to-swallow Wireless Telemetry", IEEE microwave magazine, Sep/Oct 2012, pp.90-101

市面上的膠囊內視鏡

直徑 1 公分,長度約 2 公分的膠囊,內建鏡頭、影像處理晶片、LED 燈照明、氧化銀電池、無線發射器。吞下肚後將以每秒兩張的頻率,八小時內嚴密監控,對你的腸胃拍下五萬七千六百張照片。這樣的高規格狗仔待遇,就算是「飢餓遊戲」女主角 Jennifer Lawrence 也不曾享受過。

圖:市面上販賣的各款無線膠囊內視鏡。(a-c)以色列 Given Imaging Inc. 的 Pillcam 系列 (d) 韓國 Intromedic 的 MiroCam (e) 日本 Olympus 的 EndoCapsule (f) 中國重慶金山科技的 OMOM

現在,無線膠囊內視鏡已經算普及。台灣醫院也有提供,但健保不給付,單次檢測要價好幾萬元。嗯,不錯的發明,可以取代不舒服的傳統內視鏡,希望將來成本能降低一點就很完美了。

如果這是你對無線膠囊內視鏡的期許,那就太小看它了。

當通信技術從市內電話演進成黑金剛時,我們壓根沒想過,十幾年後可以邊走邊上網,還能在搭捷運時線上看日劇。無線膠囊也一樣,它的潛能就跟《灌籃高手》裡的櫻木花道一樣沒有極限。內視鏡,只是輔助而已。

無限潛力的無線膠囊

現在正在開發,或剛推出的無線膠囊,除了拍照及通信,還具備三項新功能「移動、定位、診斷治療」。試想,具備這些功能的無線膠囊可以做哪些事情?

移動(locomotion)

傳統的膠囊內視鏡,吞下後就像每天下肚的食物一樣,隨著腸壁蠕動,從食道、胃、小腸、大腸,一路往下。幾天後排出體外,這樣的過程稱為被動移動(passive locomotion)。

被動移動有許多缺點。例如,受限於電力只有八小時,要想拍攝大腸內壁,就得讓膠囊先休眠一陣子,推估大約抵達大腸的時間,再用計時器啟動。有時候醫生可能還希望在某處停留久一點,做更詳細的檢查。這點就算肚子不好的人有辦法做到,也沒辦法隨心所欲控制要停在哪裡。

因此未來的膠囊內視鏡將具備主動移動(active locomotion)的功能。

主動移動技術有很多種:例如在膠囊裝上好幾隻腳;或利用腸胃中的液體,替膠囊裝上螺旋槳;仿生技術(bio-inspired)也參上一腳,設計出長得像線蟲或蚯蚓的膠囊。這些各式各樣的膠囊宛如深海魚,為了適應環境,發展出各式各樣奇怪的外表。

只是,這次的演化不是大自然,而是工程師的傑作。

各式各樣的主動式移動膠囊。圖:Gastone Ciuti, Member,IEEE, Arianna Menciassi, Member, IEEE, and Paolo Dario, Fellow, IEEE,"Capsule Endoscopy: From Current

另一種移動技術跟各位小時候玩過的遊戲有關:平放一張紙,紙上擺一片磁鐵,紙下也擺一片磁鐵,便可以用底下的磁鐵操控上面的磁鐵移動。

磁力,即是第二類體內移動的關鍵。Olympus+Siemens Healthcare 兩間公司合作,利用了 Siemens 頂尖的磁共振影像技術(MRI-,推出了磁力式的主動控制。這項技術的優點在於可減少膠囊的電力需求,節省的電池空間能騰出來做別的事情。

定位(localization)

傳統膠囊就像一位閉著眼睛的攝影師,分不清楚哪裡重要,就這麼一直亂按快門,拍下許多無意義的照片。關鍵部分反而又拍得不夠多。因此,新一代的膠囊需要定位系統,知道此刻身在何處,才能拍到想要的照片,降低不必要的相關能量耗費。

更重要的是,讓醫生不用一直看沒用的照片。腸壁這種部位,不管用甚麼角度都稱不上值得欣賞吧。目前學術界已經可以利用無線電波或磁場,搭配患者身上的感應器三點定位,誤差範圍在5公厘左右。

診斷暨治療(diagnosis and therapy)

未來的無線膠囊不僅能拍照,還能提供進一步的診斷或治療。

重慶金山科技即推出了膠囊機器人,宣稱醫生除了可以自由操作移動膠囊外,還能灑藥、採集病變組織樣本。Vector project 研究計畫也設計了不同功能的膠囊。第一顆掃描腸胃整體狀況,找出病狀所在。第二顆膠囊對局部做更精密的診斷、分析。第三顆膠囊則負起治療的工作。

有些人可能會擔心一次得吞這麼多顆膠囊很恐怖,但別擔心,這些膠囊是分開在不同時段服用。而且吃維他命時,不也一次吞好幾顆嗎?

Philips 推出的 IntelliCap 同樣具有治療功能。一顆膠囊內整合了微處理器、電池、PH 感應器、溫度感應器、微型液體幫浦。醫生可以操縱膠囊到特定的位置給藥,並監測施放藥物後的生理變化。

原有技術升級

除了從被動變成主動,增加許多功能外,下一代的膠囊內視鏡的原有功能也大幅提升。

好比現在的傳輸大多使用較低頻的頻帶,因為低頻信號比較容易穿透肌膚與人體組織。但低頻信號的可用頻寬較窄,傳輸速率較低,目前只能每秒傳兩張照片,畫質也不是很好。更糟糕的是,接收低頻信號的天線比較大,會增加膠囊體積。

因此目前趨勢是改用高頻信號,不但可以改善傳輸速率,還能縮小天線體積。已經有韓國團隊利用了 1.2 GHz 的頻帶,20 MHz 的頻寬,實現 20 Mbps 的傳輸速率,相當於每秒可以傳 20 張 Full HD 的無壓縮圖片。未來加入多天線技術,或是動態功率調整(體內某些部位比較厚,例如我的鮪魚肚,要用比較強的功率)等先進的無線通信技術,將可以更有效地提升傳輸速率。

展望

科幻小說和電影常預言未來。1987 年的科幻電影「驚異大奇航(Innerspace)」即是例子。電影裡有兩位男主角,一位坐在一艘縮小的潛艇,潛艇則在另一位主角的體內。

未來幾年內,或許真的可以擁有這麼一艘潛艇,自由自在地遨遊於食道、大腸、小腸之間。它的無線傳輸速率很高,因為具備了無線充電,可以無限時間地使用。它還有影像辨識技術,能自動分辨出異常的部位,做進一步資訊蒐集、分析、治療、動微型手術。

甚至在將來,還可以縮到更小,進入血管系統,來一場真正的驚異大奇航。

1969 年阿姆斯壯登陸月球,留下一段名言:『這是一個人的一小步,卻是人類的一大步。(That's one small step for a man, one giant leap for mankind.)。』

十幾年前,Gavriel Iddan 博士施放膠囊潛艇,成功探索人體。當第一張照片傳回螢幕時,他的心裡,或許也浮起了這句話吧。

資料來源:

G. Ciuti, A. Menciassi, and P. Dario, “Capsule endoscopy: From current achievements to open challenges,”IEEE Rev. Biomed. Eng., vol. 4, pp. 59-72, 2011.

M. R. Yuce and T. Dissanayake, “Easy-to-swallow wireless telemetry,” IEEE Microwave, vol. 13, no. 6, pp. 90-101, Sept., 2012.

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