許多現有的內窺鏡檢查方法可能會使患者非常不舒服，甚至可能會感到痛苦。同時，使用常規內窺鏡的可用範圍也受到限制，無法進入大部分小腸。
LED，光學設計和MEMS(微機電系統)技術的最新發展提供了創建無線內窺鏡的能力。自成立以來，膠囊內窺鏡在現有技術和新組件的引入上均取得了進步。隨著膠囊內窺鏡的不斷發展，更多的應用可能性也會增加。
什麼是膠囊內窺鏡?
內窺鏡檢查是一種程序，其中使用裝有照相機的長撓性管進入人體，以調查在食道，胃，小腸小部分和結腸中出現的異常症狀。該過程可能具有很高的侵入性，因為它涉及將內窺鏡通過患者的口腔或肛門插入。內窺鏡的性質還導致受累器官受損或病變的機會增加。
膠囊內窺鏡的開發和應用解決了傳統內窺鏡中常見的許多問題。這種可消化的相機是在稱為膠囊內窺鏡的過程中使用的主要醫療設備，是一種能夠對患者的胃腸道成像的小型無線設備。
圖1：普通膠囊內窺鏡
膠囊內窺鏡包裝了傳統內窺鏡的許多功能，並將其置於可吞服的藥丸形式。
第一臺膠囊內窺鏡設備是由一家以色列公司Given於2000年推出的。Given Imaging最初將其內窺鏡命名為「M2A」或「口對肛門」，但後來將其更改為「PillCam」。膠囊裝置包含幾個組件，包括外部膠囊，透明光學窗口，LED(發光二極體)，透鏡，圖像傳感器，電池，射頻發射器和天線。患者攜帶的接收器收集從藥丸攝像機傳輸的數據。然後，使用帶有專用軟體的計算機對信息進行處理和存儲。
膠囊內窺鏡組件
典型的膠囊內窺鏡包含幾個主要組件：外殼，光學窗口，LED陣列，光學透鏡，CMOS圖像傳感器，射頻發射器，天線和電源。以下是對膠囊內窺鏡組件中每個組件用途的大致分析。
圖2：普通膠囊內窺鏡中包含的組件的分解圖
內窺鏡的最外部是外殼和光學窗。光學窗口允許集成LED發出的光照亮局部環境。外殼可防止電氣組件接觸任何可能損壞的體液。在膠囊內部，LED陣列圍繞攝像頭鏡頭放置。LED的數量因型號而異，但通常在4-8之間。成像系統的第一個組件是光學透鏡。透鏡是將光線聚焦到圖像傳感器上的手段。膠囊內窺鏡利用短焦距(透鏡中心與圖像傳感器之間的距離)，從而提供了寬廣的視角。
膠囊內窺鏡中最常用的圖像傳感器是CMOS(互補金屬氧化物半導體)傳感器。CMOS傳感器可以在一個晶片上包含多個電子組件，使其成為首選。CMOS晶片在同一晶片上包含曝光和定時控制等功能的能力使其特別優於CCD(電荷耦合器件)傳感器，後者需要多個單獨的晶片才能實現相同的功能。CMOS傳感器的集成曝光控制使其可以更好地適應弱光環境。CMOS的低功耗也使其成為該應用的絕佳選擇。
射頻發射器和天線從內窺鏡發射數據。射頻發射器和天線的組合使內窺鏡和接收器之間可以進行通信。接收器是戴在患者腰部的設備，由於內窺鏡沒有板載存儲設備，因此需要收集圖像。兩個氧化銀電池為膠囊內窺鏡的電氣系統供電。
膠囊越小，總體患者舒適度越高。但是，內部組件的大小有一定的局限性。當前所有可用的PillCam膠囊的外徑均為11mm。整體長度存在差異，介於26mm和32mm之間。
膠囊內窺鏡特性
幾種不同的特性定義了膠囊內窺鏡的性能。膠囊尺寸，圖像質量(解析度)，視野(視角)，幀頻和電池壽命。
圖像的質量會嚴重影響醫生做出正確診斷的能力。PillCamSB(小腸)的第一次迭代具有256x256像素的圖像傳感器解析度。在SB的最新迭代SB3之前，此解析度一直是所有PillCam膠囊的標準。SB3將解析度提高到340x340像素。競爭的膠囊內窺鏡還使用了各種傳感器解析度，例如Olympus的ENDOCAPSULE解析度為512x512，或IntroMedic的MiroCam解析度為320x320像素。
內窺鏡的視角取決於通過透鏡的光量。較寬的視角可提供更大的觀察範圍。原始的PillCamSB的視角為140度。在以後的型號(SB2和SB3)中，視角增加到156度。
膠囊與接收器之間的通信對於數據收集至關重要。膠囊內窺鏡內部沒有任何數據存儲手段，這意味著必須將信息傳輸出去。射頻發射器和天線的結合使之成為可能。發射器的工作頻率約為432 MHz，不斷向外發送以與接收器通信。PillCamSB的幀速率為2 fps，電池壽命為8小時，理論上可以在整個過程中傳輸57,600張圖像。
膠囊內窺鏡最困難的挑戰之一是有限的電源。決定電池壽命的方面包括傳感器解析度，幀速率，光量和傳輸頻率。當比較表1中的PillCamSB和PillCamESO時，這種折衷是顯而易見的。兩臺內窺鏡均具有256x256像素解析度的CMOS圖像傳感器。但是，ESO的幀速率為每秒14幀，而SBs的每秒為2幀。ESO還使用雙攝像頭設置，每側包含6個LED或總共12個LED。這種更高的幀頻和雙攝像頭設置使得ESO的電池壽命比SB的電池壽命短24倍。
該設備利用多種不同的優化技術來降低功耗。一種技術是使用針對特定應用進行了優化的專用膠囊內窺鏡。例如，PillCamESO僅用於查看食道。短暫的旅行時間和立即進入食道使PillCamESO的電池壽命大大縮短，幀速率更高。延長電池壽命的另一種技術是在LED和圖像傳感器之間連續切換。此開關可防止LED穩定地消耗功率，同時仍提供足夠的照明以捕獲清晰的圖像。
膠囊內窺鏡的發展現狀
自從2001年膠囊內窺鏡首次發布以來，腸胃鏡的使用量不斷增加。在患者舒適度方面，膠囊內窺鏡已被證明優於標準內窺鏡。常規的內窺鏡檢查對於患者可能是痛苦的，並且通常需要中度至深度的鎮靜作用。然而，另一種選擇可以在患者清醒時完成。常規內窺鏡的可用範圍也受到限制，通常只能可視化小腸的一小部分。但是，膠囊內窺鏡能夠對整個胃腸道成像。
圖3：幾種不同的PillCam型號的視角。SB和SB2使用單攝像機設置，ESO2和COLON 2具有雙攝像頭設置。
儘管膠囊內窺鏡具有許多優點，但也有其局限性。
膠囊內窺鏡的缺點之一是可能會保留在體內。在不到2%的檢查中，患者保留了該設備。膠囊內窺鏡的另一個問題是它不能被引導或控制。
自2001年推出PillCamSB以來，Given Imaging已進行了多次迭代。PillCamSB具有兩個後續型號;SB2和SB3，分別是對最後一個的改進。Given Imaging還生產結腸膠囊和小腸膠囊。PillCamCOLON包含兩個攝像頭，使其能夠從其正面和背面捕獲視頻。PillCamCOLON也比同類產品更長，外形尺寸為31 mm x 11 mm。PillCamESO的尺寸和形狀與SB模型相似。但是，ESO還包含一個雙攝像頭設置。PillCamESO有助於發現和調查食道組織中的眼淚。
Given Imaging的PillCam並非市場上唯一的膠囊內窺鏡。一些競爭對手的模型包括：奧林巴斯的膠囊。
膠囊內窺鏡在過去的20年中取得了長足的進步，但仍顯示出巨大的未來改進潛力。這些潛在的改進之一包括設備的可操縱性。
使膠囊能夠在患者體內全程引導，可以進行有針對性的檢查。這一功能也為直接將藥物輸送到感興趣的區域提供了可能。從外部控制膠囊內窺鏡可以幫助減少設備的整體功耗。從外部控制設備節省下來的功率隨後可用於改善功能，例如圖像收集和傳輸。
IntroMedic的MiroCamNavi提供了這種功能的良好示例。MiroCamNavi是一種膠囊內窺鏡，能夠在整個患者中進行引導，該設備通過一個外部磁力控制器來進行操縱。
為了安全攝取，膠囊內窺鏡必須使用生物相容性材料。最新的PillCamSB3和COLON 2和UGI使用生物相容性塑料。PillCam內窺鏡還使用無汞氧化銀電池，以避免膠囊受到任何危險的汙染。內窺鏡還可以抵抗2至8個pH範圍內的酸度水平，從而可以抵抗人體內部的大多數酸度水平。
與常規內窺鏡相比，處於當前狀態的膠囊型內窺鏡具有許多優勢。膠囊內窺鏡能夠無創地通過人體，這與傳統常規內窺鏡有明顯區別。
但在某些方面，常規內窺鏡仍然佔據優勢。一方面，常規內窺鏡的操縱能力允許對關注點進行更直接的檢查;另一方面，常規內窺鏡的外部布線在使用過程中為內窺鏡提供了連續的電源，從而使其具有更高的電壓。這種外部布線也導致內窺鏡無法被留在體內——膠囊內窺鏡殘留在體內是該設備最顯著的缺點之一，並且常常需要額外的步驟才能將其取出。
膠囊內窺鏡未來的發展趨勢
CMOS圖像傳感器等MEMS技術和無線射頻發射器等其他小技術的使用，在很多方面都使該設備比傳統的同類設備更具通用性。
目前膠囊內窺鏡還沒有發揮出最大的潛力，科學家們每天都在研究創新技術。膠囊內窺鏡在電池壽命、幀率和可控性方面的局限性仍有很多不足之處。
此外，膠囊內窺鏡執行諸如活檢等能力可能是該設備的另一個潛在的未來應用。這些功能的實現將有助於進一步減少侵入性手術的總體數量。
隨著技術的進步，膠囊內窺鏡的功能也在不斷提升。其新穎、無創、安全的內窺鏡檢查方法使其受到消化科醫生的歡迎。未來膠囊內窺鏡的功能，如自動移動和靶向藥物輸送，甚至可以進一步擴大該設備的應用範圍。雖然它還不是理想的分析設備，但膠囊內窺鏡的不斷改進和創新將有助於它最終成為所有消化道診斷程序的首選。
來源：《(2020)膠囊內窺鏡技術的當前和未來技術分析》
作者：Brown AP，Jayatissa AH
原文地址：https://www.peertechz.com/articles/APM-5-116.php
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