超音波檢測也玩AI? 手持式超音波儀器的佼佼者 ButterflyiQ

撰稿：Wade Lin

審稿：馬蓁華

你一定有這樣的經驗，在診間的診察床上，醫生拿著探頭輕壓著你的肚皮移動，聚精會神地看著儀器螢幕，你的耳邊時不時傳來切換掃描模式的按鍵聲響，想著剛剛醫生抹在肚皮上的東西還真的有點冰。那是超音波儀器，它是醫院診間中最常見的檢查設備之一，可以在短時間內提供醫生許多診斷資訊。你可能不知道它的原理，但依稀可以比劃出它的大小，也肯定對超音波探頭的外觀很有印象。現在，超音波儀器的型態正在經歷一場革新，Butterfly Network Inc. 是這個趨勢的領導者，致力於把超音波儀器變得更小、更單純，他們的理念是讓超音波儀器能更深入人類的生活，觸及世界各個角落，讓貧困的社區也能落實醫療正義 [1]。

超音波技術出現的很早，最早的醫療應用可追溯到1950年代 [2]，其原理是偵測在通過不同密度之介質時聲波的反射程度，以描繪人體組織內的樣貌 [3]。具體來說，兩個相鄰之介質的聲波阻抗 (acoustic impedance) 越大，聲波反射的程度越大，因此會在影像中形成明亮的區域 [3]。傳統醫用超音波儀器的探頭 (probe) 多採用壓電晶體 (piezoelectric crystals) 製成的轉換器 (transducer)。壓電晶體是一種特殊的材料，會因應電壓而產生形變，當給予合適的電壓及頻率時，可震盪出適用於醫療診斷所需的聲波。不同的聲波型態可決定該聲波能傳遞的深度，因此，傳統醫用超音波儀器的臨床應用性，主要取決於探頭中轉換器的構型 [3]，通常需要搭配三種以上不同的探頭，以因應臨床診斷之需求。然而，壓電晶體的轉換器製程複雜且昂貴，大大地阻礙了超音波技術的普及 [4]。

Butterfly Network 的明星超音波產品「 ButterflyiQ」，採用聚合樹脂型電容微機電轉換器 (Polymer-based Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers; polyCMUTs) ，用以取代傳統的壓電晶體 [4]。 CMUT 內包含特殊設計的電容器，由一個真空間隔的薄導電膜與導電基材所組成。該施予該電容器電壓時，該薄導電膜將如同鼓一般產生超音波震動，反射的聲波也可激起該薄導電膜的震動，而產生電子訊號 [5][6]。PolyCMUT 只需要 10 伏特的小電壓即可運作，意即，這類新型的超音波儀器可由智慧型手機供電，擺脫了傳統儀器笨重的缺點 [4]。更驚人的是，CMUT 可透過軟體控制 (programmed) 而產生更廣的頻寬及更多樣的頻率，因此單一探頭即可因應大多數臨床診斷之需求 [5]。ButterflyiQ 在這樣技術基礎上，搭配 Butterfly Network 開發的晶片，研發出世界首個單探頭手持式超音波儀器。

雖然手持式超音波儀器在近年逐漸進入百家爭鳴的階段，在超音波儀器革新的趨勢下，除了 ButterflyiQ，市場上至少已有 VscanTM (General Electric, USA)、Lumify® (Philips, USA)、ClariusTM (Clarius, Canada)及 SonoStarTM (SonoStar, China) 等產品 [5]。但在這些產品中， ButterflyiQ 具有顯著的競爭優勢。ButterflyiQ 是唯一一個單探頭的手持式超音波儀器，也是唯一採用 polyCMUT 的產品 [5]。這樣的設計不但更便於使用，也給予 ButterflyiQ 高度的價格優勢。市面上手持式超音波儀器平均價格落在 21,000 美元左右 (每一探頭的價格約 5,000 至 7,000 美元)，而 ButterflyiQ 的定價爲驚人的 1,900 美元，若需訂閱雲端存取服務，每年也只需要數百美元左右的訂閱費 [5][7]。此外，雖然目前未有具公信力的評比，但ButterflyiQ 已廣泛為市場所接受，可見其影像品質之受信賴度。此外，ButterflyiQ 的新一代產品引進了兩個實用的新功能：Needle VizTM，可在影像中顯示針頭穿入組織的位置 [8][9]；以及 Bladder Volume scan，可自動計算受測者的膀胱容量 [10]。雖然具有以上種種優勢，相較於 ClariusTM 及 SonoStarTM 的無線設計，有線設計的 ButterflyiQ 較為容易在探頭與傳輸線接合處產生耗損，因此在結構設計上，仍有加強的空間。

瞄準超音波影像應用近 8 億美金的全球市場[11]，Butterfly Network 野心勃勃，試圖憑藉自家產品的優勢，在既有市場之外拓展出新的藍海 [7]。手持式超音波儀器的問世，已經讓超音波儀器走入家戶變成可能，ButterflyiQ 親民的價格又讓一切更有可行性。唯一能阻礙 Butterfly Network 普及超音波儀器的主要因素是，影像分析及判讀在現階段仍只有專業人員可以執行。換言之，潛在市場的開發仍取決於醫療從業人員的數量。在 Butterfly Network 的規劃中，現有 四千萬名醫療從業人員 (含一千兩百萬名醫師及兩千八百萬名護理師) 都是潛在的使用者 [7]。然而，從現實面來說，縱使超音波影像在臨床上的應用十分廣泛，多數醫療從業人員在日常執業範圍內，其實鮮少需要使用超音波儀器。再者，雖然搭配智慧型手機螢幕使用有其便利性，醫療從業人員未必會喜歡在手機螢幕上進行影像判讀及分析。

因此，Butterfly Network 想要拓展超音波影像市場，勢必需要另闢蹊徑。Butterfly Network 的商業模式除了包含消費者購買 ButterflyiQ 的一次性費用之外，另含週期性的訂閱費用。消費者訂閱後可獲得 Butterfly Network 雲端服務，以儲存超音波影像。透過消費者自行上傳、存儲影像的模式，將建立龐大的超音波影像資料庫，作為 Butterfly Network 發展人工智慧判讀技術的基石[7]。在將來，AI 自動進行影像分析與判讀的技術成熟，將可以突破現有市場受到醫療從業人員數量限制的天花板。此外，Butterfly Network 同時也在進行軟體開發套件 (Software Development Kit, SDK) 的開發，協助第三方開發端於 ButterflyiQ 上執行應用程式[7]。未來 ButterflyiQ 的角色將更類似於一個開放的平台，使用者可在 ButterflyiQ 上使用第三方開發的軟體，來執行超音波的掃描及診斷。現階段 Butterfly Network 已達成與企業客戶的純軟體銷售交易。在AI及軟體層面的策略佈局與堅強實力，讓諸多投資者對 Butterfly Network 的未來更具信心，也成功吸引了比爾蓋茲基金會（ Bill & Melinda Gates Foundation）與其合作。

2011 年成立、2018 年推出第一代 Butterfly iQ ，到 2020年 的 Butterfly iQ+，Butterfly Network 在 2019 至 2020 年取得 56.2% 的銷售額成長及將近一千九百萬美元的營收增長 [7]，也成功於 2021 年 IPO [12]。這些里程碑在在顯示Butterfly Network 正逐漸實現他們的潛力，並持續實踐其野心。Butterfly Network 致力描繪的那個由消費者自行使用手持式超音波儀器進行常規檢查，並由 AI 進行診斷的未來，已漸漸清晰。

[1] Butterfly Network Inc. 官網 https://www.butterflynetwork.com/

[2] Aladin Carovac et al., Application of Ultrasound in Medicine., Acta Inform Med. 2011 Sep; 19(3): 168–171. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3564184/

[3] Robert W. Cootney., Ultrasound Imaging: Principles and Applications in Rodent Research., ILAR Journal, Volume 42, Issue 3, 2001, Pages 233–247, https://doi.org/10.1093/ilar.42.3.233

[4] Nana Ho., 科學家創造出新型換能器，有望大幅降低超音波設備成本., https://technews.tw/2018/09/16/ubcs-100-ultrasound-sensor/

[5] Joyce Y Lin et al., CMUT/CMOS-based Butterfly iQ - A Portable Personal Sonoscope. https://jdc.jefferson.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1077&context=radiologyfp

[6] Glen Fitzpatrick, Sensors Expo: CMUTs Enable Next-Gen Ultrasound Systems. https://www.fierceelectronics.com/components/sensors-expo-cmuts-enable-next-gen-ultrasound-systems

[7] Butterfly Network, 10K/A form. https://ir.butterflynetwork.com/financials/sec-filings/sec-filings-details/default.aspx?FilingId=14947523

[8] Using the Needle Viz Tool https://support.butterflynetwork.com/hc/en-us/articles/360050525991-Using-the-Needle-Viz-Tool

[9] Ultrasound Reinvented: Needle VizTM. https://fb.watch/8ap4zMCDHW/

[10] Automatically Estimate Bladder Volume. https://support.butterflynetwork.com/hc/en-us/articles/360042212671-Automatically-Estimate-Bladder-Volume

[11] The Global Ultrasound Market is Forecast to Reach USD 8.2 billion by 2025, Growing at a CAGR of 6.1% During 2020-2025 - ResearchAndMarkets.com. https://www.businesswire.com/news/home/20200904005237/en/The-Global-Ultrasound-Market-is-Forecast-to-Reach-USD-8.2-billion-by-2025-Growing-at-a-CAGR-of-6.1-During-2020-2025---ResearchAndMarkets.com

[12] Butterfly Network Goes Public, Taking Portable Ultrasound Device Global. https://finance.yahoo.com/news/butterfly-network-goes-public-taking-110022864.html