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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。
為了節省電池能量，最佳的平衡點可能是只在推進時才啟動致動器，並且也要研發其他擴張組織的方法。舉例來說，病人在吞下膠囊之前，先喝下500毫升的透明液體，在液體進入小腸之前能讓胃部擴張約20分鐘。同一時間，便可遙控膠囊在胃中游動，並且檢視胃的內膜。
機載致動器的大體積與能量需求，讓一些研究人員將焦點轉移到另一個策略：從身體外部利用磁場控制膠囊移動。2005年，奧林巴斯公司和西門子公司合作導入磁場導引系統，以控制被動型膠囊內視鏡旋轉。根據西門子發表的文件，螺旋式的移動會產生輕微的摩擦力，幫助膠囊在狹窄的消化道（例如小腸）裡鑽動。
雖然利用磁力導引膠囊內視鏡穿越腸道的概念非常單純，但是僅僅利用磁力很難有效的控制。磁力隨著距離增加而減弱，而且在腸道的不規則空間裡，磁場強度突然改變可能會導致膠囊亂跳，或者失去對膠囊的控制。實際操作時，這種不穩定性可能會讓膠囊與操作人員喪失聯繫，甚至再也無法找到它。增加磁鐵的數量也許可以提高控制性與穩定性，但是也可能會讓電磁線圈的設計過於繁複。
從內部和外部控制膠囊移動的策略各有局限，我們相信得合併兩者，好找出便於使用也提供可靠診斷的解決方案。如果要讓膠囊到達腸道中大致的位置，可以依靠外部磁場帶動，而類似腳的致動器則用於調整位置或者移動以取得更好的影像。
我們的研究團隊設計出一種複合型膠囊，它有四組馬達帶動的機器腳，並且已在豬身上進行測試（豬腸直徑與人類的相當）。當膠囊被吞下並通過消化道時，機器腳在大部份時間都是關閉的狀態。外部磁場產生器放置在腹腔附近，可以引導膠囊前進。當膠囊到達腸道阻塞的區段，它的腳可以伸展並將附近組織抬起，於是可以沿著打開的通道，繼續前進。
複合型移動系統可以讓醫生深度檢視小腸和大腸大部份區域的影像，但是不同的狀況會需要不同的解決方案。舉例來說，VECTOR計畫研發三種概念的小腸膠囊，一種是一般掃描用的被動型膠囊內視鏡；第二種是診斷型膠囊，能主動移動，並且備有光譜影像系統，能夠偵測組織下的異常。第三種膠囊除了攜帶光譜偵測器，還整合了可以採樣儲存的設備，當膠囊排出體外時，就可以回收進行檢驗。
能夠採樣與執行其他更複雜的治療行為（例如進行手術），膠囊內視鏡機器人如今成為更有用的醫學工具。但是諸如能量供應、空間限制和有限的轉矩等關鍵問題，使得一個兩立方公分的膠囊，無法達成很多更具野心、但是需要精細動作與許多致動器才能完成的治療任務。
【完整內容請見《科學人》2010年第103期9月號】
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