吞下的传感器
帕特里克·l·肯尼迪
多亏了助理教授Rabia Yazicigil （ECE）和她在麻省理工学院的同事们的工作，克罗恩病和其他肠道疾病患者可能有一天会跳过一年一度的内窥镜检查，而是吞下一个药丸大小的设备，这将真正揭示胃肠道内发生的事情。
麻省理工学院的澳门威尼斯人注册网站研究人员之前开发了一种1.5英寸的胶囊，其中包含一个计算机芯片，一个无线发射器和基因工程细菌，当它们接触血液时就会发光。这种胶囊可以检测胃肠道出血，并向智能手机发送警报。
Yazicigil和她在波士顿大学无线集成系统和极端电路实验室（WISE-Circuits）的学生们与麻省理工学院合作，通过在芯片上设计一个超灵敏的纳米瓦级功率集成光电探测器和读出系统，将胶囊的大小缩小到鹰嘴豆大小。这种变革性的体积缩小使这种智能药丸在通过消化系统时更加安全。
该团队在今年春天举行的2021年电气和电子工程师协会（IEEE）定制集成电路会议上展示了其概念验证。该项目的主要澳门威尼斯人注册网站研究者是Yazicigil和麻省理工学院的澳门威尼斯人注册网站研究员Timothy Lu和Giovanni Traverso。Yazicigil的博士生刘启军在IEEE会议上发表了这篇论文。
美国约有300万成年人患有炎症性肠病（IBD），如克罗恩病或溃疡性结肠炎。这些情况会导致严重的腹泻、疲劳、体重减轻和营养不良，还会增加患结肠癌的风险。
医生可以通过结肠镜检查来搜索胃肠道的警告信号，但这种检查每一两年才会发生一次，而且准备工作并不愉快。此外，Yazicigil说：“内窥镜检查是一种基于图像的系统，它并不能真正测量分子疾病的生物标志物。”
粪便样本确实可以测量生物标记物，或者它应该这样做——但是一些最重要的生物标记物在它们离开人体系统时已经降解或被吸收了，所以测试无法检测到它们。
这种可食用的监测器是无创的——应用就像吞下一粒药丸一样简单——它们可以实时监测肠道。当细菌传感器感应到目标生物标志物时，它们就会发光；芯片将这种生物发光转化为电信号；数据被发送到附近的智能手机或平板电脑上。Yazicigil说：“把这个小玩意想象成可穿戴的，但是在体内使用。”
波士顿大学智能电路实验室面临的主要挑战是该设备的功耗。为了节省电力，他们设计了一种芯片，每10分钟开启一次，持续16秒进行测量，传输数据仅需12毫秒。
“这种离散时间方法比连续时间方法节省了我们一些能量，”工程学博士生刘说。
WISE-Circuits Lab团队与麻省理工学院（MIT）研发这种胶囊的团队合作，已经完成了这种流线型胶囊的体外测试，并计划在动物模型上进行体内测试。麻省理工学院的澳门威尼斯人注册网站研究科学家米格尔·希门尼斯（Miguel Jimenez）说：“体内测试对安全性至关重要，之前使用现成组件和大电池的尝试使设备太大而不安全。”“Yazicigil团队定制的低功耗设计是应对这一挑战的优雅解决方案。”
该项目是一个真正的跨学科合作，包括麻省理工学院的小组努力将监测器包裹在半透性涂层中，保护细菌免受恶劣的胃肠道环境的影响，同时允许目标生物标记物进入。其他合作者包括麻省理工学院工程学院院长阿南塔·钱德拉卡桑和模拟设备公司高级澳门威尼斯人注册网站研究科学家菲利普·纳多。
“我认为这是非常强大的，”Yazicigil说。“通过与不同背景的人合作，我们可能会为社会做出贡献，帮助人们更好地管理自己的状况。”