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膠囊內視鏡︰肚子裡的變形金剛
人體探險不再是夢想！新型膠囊機器人將可能用來進行手術、給藥，以及幫助疾病診斷。
撰文╱達里奧（Paolo Dario）曼西亞西（Arianna Menciassi）翻譯╱林雅玲
重點提要
■膠囊內視鏡可用來檢視整個消化道的內部，但是這種被動型膠囊的便利性與精確度有限。
■研究人員正在研發主動型膠囊機器人，希望用來掃描人體、診斷疾病和參與治療。
■利用微型化機器設備在體內執行任務，為工程學帶來了全新的挑戰，可激發許多創造性的解決方案，也將影響機器人學和其他醫學科技的發展。
1966年電影「聯合縮小軍」（Fantastic Voyage），描述能在人體血液裡行動的微型醫療團隊，在病人腦中進行救命的手術，在當時這純粹是部科幻電影。好萊塢在1987年重拍這部影片，改名為 「驚異大奇航」（Innerspace），這時真實世界的工程師已經開始打造膠囊大小的機器人原型，可以在醫生的操作下，航行於病人的胃腸道中。到了 2000年，終於有病人吞下商業製造的膠囊內視鏡，從那時起，醫生開始利用膠囊內視鏡一窺人體的奧秘，包括以往得靠手術才能觀察到的小腸內褶構造。
「聯合縮小軍」裡其中一個重要卻仍屬幻想的概念，就是這種膠囊內視鏡可以靠自己的動力移動、游到腫瘤處採樣、檢視小腸的發炎部位，或者以藥物治療潰瘍。不 過近年來研究人員也有長足的進展，將被動型膠囊內視鏡的基本元件，改良為主動型的迷你機器人。進階版的膠囊機器人原型現在正進行動物試驗，它們有腳、推進 器、精巧的影像鏡頭和遙控系統。現在研究人員正測試迷你機器人的極限，很快地，迷你機器人可能就能進行臨床試驗。
化被動為主動
消化道是第一個被一窺究竟的人體疆域。以色列基文影像公司（Given Imaging）在1999年首先發表可遙控的藥丸攝影機M2A，隨後也證實可用無線設備來檢視胃腸道，現在這種名為「膠囊內視鏡」的技術已經普遍用於醫 學。遺憾的是，藥丸攝影機是被動的，我們無法操控，因此常常導致偽陰性的結果，也就是攝影機沒有找出有問題的地方，這是診斷工具的致命傷。如果我們窺視人 體內部是為了找出病灶或進一步檢視可能有問題的區域，那麼攝影機最好能停在特定地點，並仔細檢查周圍。
將被動型膠囊改良成更可靠的設備來進行胃腸道掃描，就需要幫膠囊加裝附肢（也就是致動器），讓膠囊在人體內時可以推動自己，或是處理組織。操作這些可移動 的元件，需要高速且雙向以無線方式傳輸影像和指令。這個膠囊實際上必須是能夠快速回應技術人員指令的小型機器人，元件也需要足夠的能量，才可能在長達12 個小時的旅程中完成任務。而且所有的元件必須能裝配到一個兩立方公分的容器裡，大約是一顆小熊軟糖的大小，病人才可以順利吞下。
M2A初次登場的那年，韓國首爾的智能微系統中心（IMC）也展開一個10年計畫，要發展功能先進的新一代膠囊內視鏡。這種膠囊機器人具有感應器和攝影用 的光源，它也可能用來投送治療藥物並採取檢體，而且在檢驗人員的遙控之下移動。從2000年開始，有更多的公司與研究團隊投入這個領域。舉例來說，有18 個歐洲研究團隊和IMC組成聯盟，一起發展檢驗與治療癌症用的膠囊機器人。我們的團隊（義大利聖安娜大學）由德國杜賓根的novineon公司的舒爾提供 醫學指導，負責在名為VECTOR的計畫中整合科學與技術，該計畫的全名是「檢驗與治療胃腸腫瘤的多功能內視鏡膠囊」。
這些學術與業界的團隊激盪出許多新的點子，特別是針對最主要的挑戰，也就是如何控制膠囊在體內的移動，他們提出各種解決方案，大部份都採取以下兩個基本策略之一。
第一個策略是利用機載的致動器讓膠囊移動，無論是機器槳、腳、推進器或類似的附加元件，將這些致動器整合到膠囊的外殼上，而且一旦膠囊進入消化道，就能展 開運作。致動器由小型馬達推動，大部份是用來控制膠囊移動方向，不過在某些設計中，機器腳也可以推開環繞在四周的組織，以獲取更好的影像，或幫助膠囊穿越 腸道中阻塞的區段。相較於膠囊的大小，馬達和致動器等裝置（例如齒輪）顯得相當大，很難與影像偵測器或治療設備（如採樣工具）這些重要元件整合在一起。此 外，要撐開組織，膠囊必須耗費很多力量：相當於膠囊重量的10倍或20倍。這些動作需要馬達提供很大的轉矩，因此會消耗可觀的動力（大約0.5瓦特），膠 囊在體內運作的時間會因而縮短，這種狀況對電池技術來說是嚴苛的考驗。
【欲閱讀完整的豐富內容，請參閱科學人2010年第103期9月號】
人體探險不再是夢想！新型膠囊機器人將可能用來進行手術、給藥，以及幫助疾病診斷。撰文╱達里奧（Paolo Dario）曼西亞西（Arianna Menciassi）翻譯╱林雅玲
重點提要
■膠囊內視鏡可用來檢視整個消化道的內部，但是這種被動型膠囊的便利性與精確度有限。
■研究人員正在研發主動型膠囊機器人，希望用來掃描人體、診斷疾病和參與治療。
■利用微型化機器設備在體內執行任務，為工程學帶來了全新的挑戰，可激發許多創造性的解決方案，也將影響機器人學和其他醫學科技的發展。
1966年電影「聯合縮小軍」（Fantastic Voyage），描述能在人體血液裡行動的微型醫療團隊，在病人腦中進行救命的手術，在當時這純粹是部科幻電影。好萊塢在1987年重拍這部影片，改名為 「驚異大奇航」（Innerspace），這時真實世界的工程師已經開始打造膠囊大小的機器人原型，可以在醫生的操作下，航行於病人的胃腸道中。到了 2000年，終於有病人吞下商業製造的膠囊內視鏡，從那時起，醫生開始利用膠囊內視鏡一窺人體的奧秘，包括以往得靠手術才能觀察到的小腸內褶構造。
「聯合縮小軍」裡其中一個重要卻仍屬幻想的概念，就是這種膠囊內視鏡可以靠自己的動力移動、游到腫瘤處採樣、檢視小腸的發炎部位，或者以藥物治療潰瘍。不 過近年來研究人員也有長足的進展，將被動型膠囊內視鏡的基本元件，改良為主動型的迷你機器人。進階版的膠囊機器人原型現在正進行動物試驗，它們有腳、推進 器、精巧的影像鏡頭和遙控系統。現在研究人員正測試迷你機器人的極限，很快地，迷你機器人可能就能進行臨床試驗。
化被動為主動
消化道是第一個被一窺究竟的人體疆域。以色列基文影像公司（Given Imaging）在1999年首先發表可遙控的藥丸攝影機M2A，隨後也證實可用無線設備來檢視胃腸道，現在這種名為「膠囊內視鏡」的技術已經普遍用於醫 學。遺憾的是，藥丸攝影機是被動的，我們無法操控，因此常常導致偽陰性的結果，也就是攝影機沒有找出有問題的地方，這是診斷工具的致命傷。如果我們窺視人 體內部是為了找出病灶或進一步檢視可能有問題的區域，那麼攝影機最好能停在特定地點，並仔細檢查周圍。
將被動型膠囊改良成更可靠的設備來進行胃腸道掃描，就需要幫膠囊加裝附肢（也就是致動器），讓膠囊在人體內時可以推動自己，或是處理組織。操作這些可移動 的元件，需要高速且雙向以無線方式傳輸影像和指令。這個膠囊實際上必須是能夠快速回應技術人員指令的小型機器人，元件也需要足夠的能量，才可能在長達12 個小時的旅程中完成任務。而且所有的元件必須能裝配到一個兩立方公分的容器裡，大約是一顆小熊軟糖的大小，病人才可以順利吞下。
M2A初次登場的那年，韓國首爾的智能微系統中心（IMC）也展開一個10年計畫，要發展功能先進的新一代膠囊內視鏡。這種膠囊機器人具有感應器和攝影用 的光源，它也可能用來投送治療藥物並採取檢體，而且在檢驗人員的遙控之下移動。從2000年開始，有更多的公司與研究團隊投入這個領域。舉例來說，有18 個歐洲研究團隊和IMC組成聯盟，一起發展檢驗與治療癌症用的膠囊機器人。我們的團隊（義大利聖安娜大學）由德國杜賓根的novineon公司的舒爾提供 醫學指導，負責在名為VECTOR的計畫中整合科學與技術，該計畫的全名是「檢驗與治療胃腸腫瘤的多功能內視鏡膠囊」。
這些學術與業界的團隊激盪出許多新的點子，特別是針對最主要的挑戰，也就是如何控制膠囊在體內的移動，他們提出各種解決方案，大部份都採取以下兩個基本策略之一。
第一個策略是利用機載的致動器讓膠囊移動，無論是機器槳、腳、推進器或類似的附加元件，將這些致動器整合到膠囊的外殼上，而且一旦膠囊進入消化道，就能展 開運作。致動器由小型馬達推動，大部份是用來控制膠囊移動方向，不過在某些設計中，機器腳也可以推開環繞在四周的組織，以獲取更好的影像，或幫助膠囊穿越 腸道中阻塞的區段。相較於膠囊的大小，馬達和致動器等裝置（例如齒輪）顯得相當大，很難與影像偵測器或治療設備（如採樣工具）這些重要元件整合在一起。此 外，要撐開組織，膠囊必須耗費很多力量：相當於膠囊重量的10倍或20倍。這些動作需要馬達提供很大的轉矩，因此會消耗可觀的動力（大約0.5瓦特），膠 囊在體內運作的時間會因而縮短，這種狀況對電池技術來說是嚴苛的考驗。
【欲閱讀完整的豐富內容，請參閱科學人2010年第103期9月號】
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