麻省理工学院和加州理工学院的工程师展示了一种可食用的传感器，当它在消化道中移动时可以监测其位置，这一进步可以帮助医生更容易地诊断胃肠运动障碍，如便秘、胃食管反流病和胃轻瘫。
这种微型传感器通过检测位于体外的电磁线圈产生的磁场来工作。磁场强度随与线圈的距离而变化，因此可以根据对磁场的测量来计算传感器的位置。
在这项新研究中，研究人员表明，他们可以利用这项技术在传感器穿过大型动物的消化道时对其进行跟踪。这种设备可以替代目前用于诊断运动障碍的更具侵入性的程序，例如内窥镜检查。
“世界上许多人都患有 GI 运动障碍或运动能力差，而不必去医院就能够监测 GI 运动对于真正了解患者发生的情况非常重要，”副教授 Giovanni Traverso 说。麻省理工学院的机械工程和布莱根妇女医院的胃肠病学家。
Traverso 是这项新研究的资深作者之一，其他作者还有加州理工学院电气工程和医学工程教授 Azita Emami 以及加州理工学院化学工程教授和霍华德休斯医学研究所研究员 Mikhail Shapiro。Saransh Sharma，加州理工学院研究生，Khalil Ramadi SM '16, PhD '19，毕业于机械工程系和哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目，现为纽约生物工程助理教授大学，是这篇论文的主要作者，该论文今天发表在《自然电子》杂志上。
影响约 3500 万美国人的 GI 运动障碍可发生在消化道的任何部分，导致食物无法通过消化道。它们通常使用核成像研究或 X 射线进行诊断，或者通过插入包含可感知胃肠道收缩的压力传感器的导管来进行诊断。
麻省理工学院和加州理工学院的研究人员希望提出一种侵入性较小并且可以在患者家中完成的替代方案。他们的想法是开发一种可以吞咽的胶囊，然后发出信号显示它在胃肠道中的位置，从而使医生能够确定胃肠道的哪个部分导致速度减慢，并更好地确定如何治疗患者的病情。
为实现这一目标，研究人员利用了这样一个事实，即随着与线圈的距离增加，电磁线圈产生的磁场会以可预测的方式变弱。他们开发的磁传感器小到可以装入可摄取的胶囊中，它测量周围的磁场并使用该信息计算它与位于体外的线圈的距离。
Sharma 说：“由于磁场梯度对空间位置进行了独特的编码，因此这些小型设备的设计方式可以使其能够感知各自位置的磁场。” “在设备测量场之后，我们可以反算设备的位置。”
为了准确定位设备在体内的位置，该系统还包括第二个传感器，该传感器位于体外并充当参考点。这个传感器可以贴在皮肤上，通过比较这个传感器的位置和传感器在体内的位置，研究人员可以准确地计算出可食用的传感器在胃肠道中的位置。
可食用的传感器内置一个无线发射器，可将磁场测量值发送到附近的计算机或智能手机。该系统的当前版本被设计为在任何时候从智能手机接收到无线触发信号时进行测量，但它也可以被编程为以特定的时间间隔进行测量。
“我们的系统可以同时支持多个设备的定位，而不会影响准确性。它还具有广阔的视野，这对于人类和大型动物研究至关重要，”Emami 说。
当前版本的传感器可以检测 60 厘米或更短距离内的电磁线圈磁场。研究人员设想，可以将线圈放在患者的背包或夹克中，甚至放在马桶后面，让可食用的传感器在线圈范围内进行测量。
研究人员在大型动物模型中测试了他们的新系统，将可食用的的胶囊放入胃中，然后在几天内监测它在消化道中移动时的位置。
在他们的第一个实验中，研究人员提供了两个通过一根小杆相互连接的磁传感器，因此他们知道它们之间的确切距离。然后，他们将磁场测量值与这个已知距离进行比较，发现测量值的精确度约为 2 毫米——远高于之前开发的基于磁场的传感器的分辨率。
接下来，研究人员使用一个可食用的的传感器和一个附着在皮肤上的外部传感器进行了测试。通过测量每个传感器到线圈的距离，研究人员表明他们可以跟踪摄入的传感器，因为它从胃移动到结肠，然后被排出体外。研究人员将他们的策略的准确性与 X 射线测量结果进行了比较，发现它们的准确度在 5 到 10 毫米以内。
“使用外部参考传感器有助于解决每次动物或人类在线圈旁边时，它们的位置可能与上一次不完全相同的问题。在没有 X 射线作为真实情况的情况下，很难准确地绘制出这颗药丸的位置，除非你有一个始终位于同一位置的一致参考，”Ramadi 说。
研究人员说，这种监测可以让医生更容易找出胃肠道的哪个部分导致消化减慢。“我认为无需辐射或更具侵入性的设备放置即可表征运动的能力，我认为这将降低人们接受评估的障碍，”Traverso 说。
研究人员现在希望与合作者合作开发该系统的制造工艺，并进一步表征其在动物身上的性能，以期最终在人体临床试验中对其进行测试。
参考链接：Ingestible sensor could help doctors pinpoint GI difficulties；Demi Xia编译
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