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建立無線內窺鏡的能力。自成立以來，膠囊內窺鏡在現有技術和新元件的引入上均取得了進步。隨著膠囊內窺鏡的不斷髮展，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式，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透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裝置，是一種能夠對患者的胃腸道成像的小型無線裝置。
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。
第一臺膠囊內窺鏡裝置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™”。膠囊裝置包含幾個元件，包括外部膠囊，透明光學視窗，LED（發光二極體），透鏡，影象感測器，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資料。然後，使用帶有專用軟體的計算機對資訊進行處理和儲存。
膠囊內窺鏡元件
典型的膠囊內窺鏡包含幾個主要元件：
外殼，光學視窗，LED陣列，光學透鏡，CMOS影象感測器，射頻發射器，天線和電源。
以下是對膠囊內窺鏡元件中每個元件用途的大致分析。
圖2：普通膠囊內窺鏡中包含的元件的分解圖
內窺鏡的最外部是外殼和光學窗。光學視窗允許整合LED發出的光照亮區域性環境。外殼可防止電氣元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。成像系統的第一個元件是光學透鏡。透鏡是將光線聚焦到影象感測器上的手段。膠囊內窺鏡利用短焦距（透鏡中心與影象感測器之間的距離），從而提供了寬廣的視角。
膠囊內窺鏡中最常用的影象感測器是CMOS（互補金氧半導體）感測器。CMOS感測器可以在一個晶片上包含多個電子元件，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）感測器，後者需要多個單獨的晶片才能實現相同的功能。CMOS感測器的整合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資料。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訊。接收器是戴在患者腰部的裝置，由於內窺鏡沒有板載儲存裝置，因此需要收集影象。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，內部元件的大小有一定的侷限性。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效能。膠囊尺寸，影象質量（解析度），視野（視角），幀頻和電池壽命。
影象的質量會嚴重影響醫生做出正確診斷的能力。PillCam™SB（小腸）的第一次迭代具有256x256畫素的影象感測器解析度。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畫素。競爭的膠囊內窺鏡還使用了各種感測器解析度，例如Olympus的ENDOCAPSULE解析度為512x512，或IntroMedic的MiroCam®解析度為320x320畫素。
內窺鏡的視角取決於透過透鏡的光量。較寬的視角可提供更大的觀察範圍。原始的PillCam™SB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訊對於資料收集至關重要。膠囊內窺鏡內部沒有任何資料儲存手段，這意味著必須將資訊傳輸出去。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，不斷向外傳送以與接收器通訊。PillCam™SB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張影象。
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感測器解析度，幀速率，光量和傳輸頻率。當比較表1中的PillCam™SB和PillCam™ESO時，這種折衷是顯而易見的。兩臺內窺鏡均具有256x256畫素解析度的CMOS影象感測器。但是，ESO的幀速率為每秒14幀，而SBs的每秒為2幀。ESO還使用雙攝像頭設定，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定使得ESO的電池壽命比SB的電池壽命短24倍。
該裝置利用多種不同的最佳化技術來降低功耗。一種技術是使用針對特定應用進行了最佳化的專用膠囊內窺鏡。例如，PillCam™ESO僅用於檢視食道。短暫的旅行時間和立即進入食道使PillCam™ESO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和影象感測器之間連續切換。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影象。
膠囊內窺鏡的發展現狀
自從2001年膠囊內窺鏡首次釋出以來，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，通常只能視覺化小腸的一小部分。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使用單攝像機設定，ESO2和COLON 2具有雙攝像頭設定。
儘管膠囊內窺鏡具有許多優點，但也有其侷限性。
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，患者保留了該裝置。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PillCam™SB以來，Given Imaging已進行了多次迭代。PillCam™SB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。PillCam™COLON包含兩個攝像頭，使其能夠從其正面和背面捕獲影片。PillCam™COLON也比同類產品更長，外形尺寸為31 mm x 11 mm。PillCam™ESO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定。PillCam™ESO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裝置的可操縱性。
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裝置的整體功耗。從外部控制裝置節省下來的功率隨後可用於改善功能，例如影象收集和傳輸。
IntroMedic的MiroCam®Navi提供了這種功能的良好示例。MiroCam®Navi是一種膠囊內窺鏡，能夠在整個患者中進行引導，該裝置透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PillCam™SB3和COLON 2和UGI使用生物相容性塑膠。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透過人體，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，常規內窺鏡的外部佈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。這種外部佈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裝置最顯著的缺點之一，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影象感測器等MEMS技術和無線射頻發射器等其他小技術的使用，在很多方面都使該裝置比傳統的同類裝置更具通用性。
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侷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
可能是該裝置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裝置的應用範圍。
雖然它還不是理想的分析裝置，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式的首選。