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麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院的工程師展示了一種可食用的傳感器，當(dāng)它在消化道中移動時可以監(jiān)測其位置，這一進(jìn)步可以幫助醫(yī)生更容易地診斷胃腸運(yùn)動障礙，如便秘、胃食管反流病和胃輕癱。
這種微型傳感器通過檢測位于體外的電磁線圈產(chǎn)生的磁場來工作。磁場強(qiáng)度隨與線圈的距離而變化，因此可以根據(jù)對磁場的測量來計(jì)算傳感器的位置。
在這項(xiàng)新研究中，研究人員表明，他們可以利用這項(xiàng)技術(shù)在傳感器穿過大型動物的消化道時對其進(jìn)行跟蹤。這種設(shè)備可以替代目前用于診斷運(yùn)動障礙的更具侵入性的程序，例如內(nèi)窺鏡檢查。
“世界上許多人都患有 GI 運(yùn)動障礙或運(yùn)動能力差，而不必去醫(yī)院就能夠監(jiān)測 GI 運(yùn)動對于真正了解患者發(fā)生的情況非常重要，”副教授 Giovanni Traverso 說。麻省理工學(xué)院的機(jī)械工程和布萊根婦女醫(yī)院的胃腸病學(xué)家。
Traverso 是這項(xiàng)新研究的資深作者之一，其他作者還有加州理工學(xué)院電氣工程和醫(yī)學(xué)工程教授 Azita Emami 以及加州理工學(xué)院化學(xué)工程教授和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員 Mikhail Shapiro。Saransh Sharma，加州理工學(xué)院研究生，Khalil Ramadi SM '16, PhD '19，畢業(yè)于機(jī)械工程系和哈佛-麻省理工學(xué)院健康科學(xué)與技術(shù)項(xiàng)目，現(xiàn)為紐約生物工程助理教授大學(xué)，是這篇論文的主要作者，該論文今天發(fā)表在《自然電子》雜志上。


磁性傳感器
影響約 3500 萬美國人的 GI 運(yùn)動障礙可發(fā)生在消化道的任何部分，導(dǎo)致食物無法通過消化道。它們通常使用核成像研究或 X 射線進(jìn)行診斷，或者通過插入包含可感知胃腸道收縮的壓力傳感器的導(dǎo)管來進(jìn)行診斷。
麻省理工學(xué)院和加州理工學(xué)院的研究人員希望提出一種侵入性較小并且可以在患者家中完成的替代方案。他們的想法是開發(fā)一種可以吞咽的膠囊，然后發(fā)出信號顯示它在胃腸道中的位置，從而使醫(yī)生能夠確定胃腸道的哪個部分導(dǎo)致速度減慢，并更好地確定如何治療患者的病情。
為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員利用了這樣一個事實(shí)，即隨著與線圈的距離增加，電磁線圈產(chǎn)生的磁場會以可預(yù)測的方式變?nèi)酢Ｋ麄冮_發(fā)的磁傳感器小到可以裝入可攝取的膠囊中，它測量周圍的磁場并使用該信息計(jì)算它與位于體外的線圈的距離。
Sharma 說：“由于磁場梯度對空間位置進(jìn)行了獨(dú)特的編碼，因此這些小型設(shè)備的設(shè)計(jì)方式可以使其能夠感知各自位置的磁場。” “在設(shè)備測量場之后，我們可以反算設(shè)備的位置。”
為了準(zhǔn)確定位設(shè)備在體內(nèi)的位置，該系統(tǒng)還包括第二個傳感器，該傳感器位于體外并充當(dāng)參考點(diǎn)。這個傳感器可以貼在皮膚上，通過比較這個傳感器的位置和傳感器在體內(nèi)的位置，研究人員可以準(zhǔn)確地計(jì)算出可食用的傳感器在胃腸道中的位置。
可食用的傳感器內(nèi)置一個無線發(fā)射器，可將磁場測量值發(fā)送到附近的計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)。該系統(tǒng)的當(dāng)前版本被設(shè)計(jì)為在任何時候從智能手機(jī)接收到無線觸發(fā)信號時進(jìn)行測量，但它也可以被編程為以特定的時間間隔進(jìn)行測量。
“我們的系統(tǒng)可以同時支持多個設(shè)備的定位，而不會影響準(zhǔn)確性。它還具有廣闊的視野，這對于人類和大型動物研究至關(guān)重要，”Emami 說。
當(dāng)前版本的傳感器可以檢測 60 厘米或更短距離內(nèi)的電磁線圈磁場。研究人員設(shè)想，可以將線圈放在患者的背包或夾克中，甚至放在馬桶后面，讓可食用的傳感器在線圈范圍內(nèi)進(jìn)行測量。
位置追蹤
研究人員在大型動物模型中測試了他們的新系統(tǒng)，將可食用的的膠囊放入胃中，然后在幾天內(nèi)監(jiān)測它在消化道中移動時的位置。
在他們的第一個實(shí)驗(yàn)中，研究人員提供了兩個通過一根小桿相互連接的磁傳感器，因此他們知道它們之間的確切距離。然后，他們將磁場測量值與這個已知距離進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)測量值的精確度約為 2 毫米——遠(yuǎn)高于之前開發(fā)的基于磁場的傳感器的分辨率。
接下來，研究人員使用一個可食用的的傳感器和一個附著在皮膚上的外部傳感器進(jìn)行了測試。通過測量每個傳感器到線圈的距離，研究人員表明他們可以跟蹤攝入的傳感器，因?yàn)樗鼜奈敢苿拥浇Y(jié)腸，然后被排出體外。研究人員將他們的策略的準(zhǔn)確性與 X 射線測量結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)它們的準(zhǔn)確度在 5 到 10 毫米以內(nèi)。
“使用外部參考傳感器有助于解決每次動物或人類在線圈旁邊時，它們的位置可能與上一次不完全相同的問題。在沒有 X 射線作為真實(shí)情況的情況下，很難準(zhǔn)確地繪制出這顆藥丸的位置，除非你有一個始終位于同一位置的一致參考，”Ramadi 說。
研究人員說，這種監(jiān)測可以讓醫(yī)生更容易找出胃腸道的哪個部分導(dǎo)致消化減慢。“我認(rèn)為無需輻射或更具侵入性的設(shè)備放置即可表征運(yùn)動的能力，我認(rèn)為這將降低人們接受評估的障礙，”Traverso 說。
研究人員現(xiàn)在希望與合作者合作開發(fā)該系統(tǒng)的制造工藝，并進(jìn)一步表征其在動物身上的性能，以期最終在人體臨床試驗(yàn)中對其進(jìn)行測試。