當(dāng)傳感器在胃腸道中移動(dòng)時(shí)，它會(huì)發(fā)出它的位置，從而揭示可能發(fā)生消化減慢的位置。

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攝入傳感器，當(dāng)它在消化道中移動(dòng)時(shí)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動(dòng)力障礙，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(duì)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(dòng)物的消化道時(shí)對(duì)其進(jìn)行跟蹤。這種設(shè)備可以替代目前用于診斷運(yùn)動(dòng)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(dòng)障礙或運(yùn)動(dòng)能力差，而不必去醫(yī)院就能夠監(jiān)測 GI 運(yùn)動(dòng)對(duì)于真正了解患者正在發(fā)生的事情非常重要，”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。加州理工學(xué)院研究生 Saransh Sharma 和現(xiàn)任紐約大學(xué)生物工程助理教授的 Khalil Ramadi SM '16, PhD '19 是該論文的主要作者，該論文今天發(fā)表在 Nature Electronics上。

磁性傳感器

影響約 3500 萬美國人的 GI 運(yùn)動(dòng)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(hào)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(gè)部分導(dǎo)致速度減慢，并更好地確定如何患者的病情。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員利用了這樣一個(gè)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(huì)以可預(yù)測的方式變?nèi)酢?/span>他們開發(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(duì)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?！?/span>

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(gè)傳感器，該傳感器位于體外并充當(dāng)參考點(diǎn)。這個(gè)傳感器可以貼在皮膚上，通過比較這個(gè)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)算出可攝入傳感器在胃腸道中的位置。

可攝入傳感器還包括一個(gè)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(shí)候從智能手機(jī)接收到無線觸發(fā)信號(hào)時(shí)進(jìn)行測量，但它也可以被編程為以特定的時(shí)間間隔進(jìn)行測量。

“我們的系統(tǒng)可以同時(shí)支持多個(gè)設(shè)備的定位，而不會(huì)影響準(zhǔn)確性。它還具有廣闊的視野，這對(duì)于人類和大型動(dòng)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，甚至放在馬桶后部，讓可攝入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(dòng)物模型中測試了他們的新系統(tǒng)，將可攝入的膠囊放入胃中，然后在幾天內(nèi)監(jiān)測它在消化道中移動(dòng)時(shí)的位置。

在他們的個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員提供了兩個(gè)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(gè)已知距離進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)測量值的度約為 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，研究人員使用單個(gè)可攝入傳感器和附著在皮膚上的外部傳感器進(jìn)行了測試。通過測量每個(gè)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?dòng)到結(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以下問題：每次動(dòng)物或人類在線圈旁邊時(shí)，它們的位置都可能與上一次不完全相同。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(gè)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(gè)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(dòng)的能力，我認(rèn)為這將降低人們接受評(píng)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(dòng)物身上的性能，以期終在人體臨床試驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行測試。