高时空精度的胃肠道无线微器件定位与跟踪具有较高的临床价值。它可以对胃肠道进行连续监测和运输时间评估，这对于胃轻瘫、肠梗阻和便秘等胃肠动力障碍的准确诊断、治疗和管理至关重要。胃肠道动力障碍也越来越多地与各种代谢和炎症性疾病（如糖尿病和炎症性肠病）相关。这些胃肠道疾病影响了全球三分之一以上人口的生活质量，并给医疗保健系统带来了相当大的负担。胃肠道无线微设备的高分辨率和实时跟踪还有益于靶向传感和治疗、局部药物输送、药物依从性监测、选择性电刺激、手术疾病定位、用于术前计划和微创胃肠道手术的胃肠道解剖结构的三维映射。
上述这些程序的金标准解决方案，包括侵入性技术或重复使用X射线辐射的程序。这些技术还需要在医院环境中重复评估。理想的替代方法将允许在日常活动下监测真实世界中的胃肠道动力学。近日，美国加州理工大学电气与医学工程教授Azita Emami与麻省理工学院机械工程及哈佛医学院布莱根妇女医院胃肠病科教授Giovanni Traverso共同报道了一项用于胃肠道动力学评估无线微设备的工作。Azita Emami教授致力于半导体芯片相关的医学工程器件开发，而Giovanni Traverso教授则致力于肠道相关纳米机器人与可摄入器件的研究。这次合作实现了大型动物中实时毫米级分辨率的无线可摄入设备的三维定位与跟踪，以实现对胃肠道动力学的定量评估、胃肠道病灶精确定位甚至实施微创手术治疗。
设计理念：
作者团队设计的系统使用高效二维电磁线圈在整个胃肠道的视场（FOV）中生成3D磁场梯度。场梯度以时间复用序列生成，使得在任何给定时间，主磁场可以沿着单个轴形成梯度。使用三个正交轴的场进行测量，可以明确地解码设备的3D位置。完整的iMAG系统可以方便地部署在各种非临床环境中，例如智能马桶、可穿戴夹克或便携式背包，从而在不干扰患者日常活动的情况下实现实时胃肠道监测。
图 设计理念
iMAG器件架构和表征：
iMAG设备由一个3D磁传感器组成，该传感器可以测量磁场值并将其数字化为16位数字矢量。低功耗蓝牙（BLE）微处理器通过内部集成电路（I2C）协议与传感器连接。微处理器接收的数字化场矢量被发送到2.4GHz蓝牙天线，以便无线传输到外部接收器。iMAG是通过将这些低成本市售组件组装在定制设计的印刷电路板（PCB）上并封装到可摄入胶囊大小的聚二甲基硅氧烷模具中制造的。为了测量iMAG的3D位置，外部智能手机发送无线ping信号。接收器将ping信号中继到iMAG设备，以在其适当的时间触发磁场测量。从连接的iMAG接收到测量的磁场数据值后，接收器运行搜索算法以检索对应于磁场数据的3D空间坐标，并传输到显示器上。
通信范围定义为iMAG和接收器之间在失去连接之前的最长距离，并在各种体外情景下进行评估。首先，将iMAG浸没在HCl溶液中，以模拟酸性和充满液体的胃腔。典型胃液pH值为1.2-3.5，通信范围从30 cm-1 m。在较低的pH值下，溶液中自由解离的离子浓度呈指数增加。这些离子吸收2.4 GHz射频信号，吸收与离子浓度成比例，并导致接收器处的信号强度降低。肠道环境pH值为4.5-6.5，通信范围>1m。其次，在不同浓度的NaCl溶液中测试范围。对于0.2%w/v的NaCl浓度（类似于胃液），范围大于1m。NaCl浓度为0.6至1.0%w/v（类似于肠液）时，范围从60 cm至>1 m。在250 ml模拟胃液（SGF）中获得的通信范围为50 cm。而250 ml模拟肠液（SIF）的范围>1 m。进一步评估体内环境对通信范围的干扰，当iMAG经内镜放置在麻醉猪的胃腔内时，通信范围>1 m。因此，iMAG实现了用于在大型动物模型中进行评估的充足通信范围。
图 iMAG器件架构和表征
形成三维磁场梯度的电磁线圈：
设计电磁线圈以产生≥3 mT/m梯度的GX、GY和GZ三轴，确保整个视场的三维空间分辨率达到 1 mm。为了形成GZ轴磁场梯度，设计一个平面圆形线圈以逆时针方向承载电流。随着与线圈的Z轴距离增加，产生递减磁场。GX轴相关线圈由两个半线圈组成，它们在相反方向上输送电流，以产生磁场BX。当计算BX的大小时，矢量信息丢失，导致两边数值相同。由于Z线圈产生一个始终为正的场，因此可以使用它来校正X线圈场中的非单调性。当两个线圈在GX轴磁场测量同时通电时，沿X轴的合成磁场在整个GX轴FOV上严格递减。Y线圈与X线圈原理。
该系统的一个主要安全因素是线圈梯度切换可能引起周围神经刺激（PNS）。这项工作中梯度上升时间为10 ms，比快速MRI扫描仪中使用的0.1-1.0 ms上升时间慢得多。PNS 阈值通常定义为峰值 d|B|/dt 值，报告为43.0–57.0 T/s，比设计线圈的峰值1.5 T/s高出一个数量级。梯度线圈的另一个安全因素是测量期间产生的热量。经过胃、小肠和结肠这些器官平均每分钟收缩8次，即每分钟测量一次就足以准确监测传输时间和运动，同时单个测量周期持续时间小于300 ms。对于这种分散测量，线圈中产生的平均热量仅为3.3 W、这很容易被线圈面积消散。
图 磁场梯度的产生和表征
时空分辨和系统表征：
使用3D磁传感器通过实验发现的ΔB值为15μT，对应于Δx，范围从 5 mm到<1 mm。iMAG仅在FOV的边界平面表现出5.0 mm的最低分辨率，其他区域为1.0-2.0 mm。梯度的精度和重复性对误差性能有着重要影响。对于更高空间分辨率的需求，可以在单个位置重复测量以减少噪声的影响。同样可以通过增加梯度来实现，但伴随着更高的电流和更多的线圈层。对于胃肠道监测应用，亚厘米分辨率是可以接受的，因为即使在外部静止条件下，胃肠道系统仅表现出厘米级的相对运动。iMAG的时间分辨率由发送无线ping和3D位置解码之间的总延迟决定，即<300 ms，这可以为应用程序提供足够实时位置更新。
首先在体外测试该系统，以证明其功能并验证理论定位分辨率。设定线圈原点，定位浸没在盐水中的单个iMAG位置。误差被定义为实际位置和解码位置之间的差。X、Y和Z的绝对峰值和平均误差幅度分别为≤5.0 mm和≤1.2 mm。为了消除固定参考的干扰添加另一个iMAG作为相对参考，主要和参考iMAG之间解码距离的峰值和平均误差分别为≤5.0 mm和≤1.4 mm。随后猪模型中进行了体内测试，两个线圈组需要产生40 × 40 × 40 cm3 的FOV以跨越猪胃肠道。夹具通过内窥镜部署到胃腔中，设定为间距81.12 mm，两个设备的解码距离为83.6 ± 0.7 mm，落在期望的5.0 mm误差范围内。
图 急慢性症状下iMAG在胃肠道的体内定位
体内评价：
iMAG在内镜下给药并实时评估电气和机械完整性。当iMAG位于胃和小肠时，信号强度为–80至–100 dBm，当小于–95 dBm时接近接收器的本底噪声。当位于结肠或直肠时，信号强度增加到–70 dBm以上。与从X线扫描获得的距离相比，摄取和参考iMAG设备之间的解码距离误差在胃和直肠<5 mm，结肠<10 mm。摄入的iMAG装置在排泄时仍保持功能，从而证实了它们对长期使用的适用性。
接下来，评估该系统在大便失禁（FI）模型中的应用。为了监测远端结肠粪便的运动，于远端结肠管腔内放置自由移动的iMAG，以及位于肛门括约肌附近皮肤表面放置参考iMAG。目的是检测在肛门括约肌的特定距离内是否存在移动的iMAG。iMAG以5 mm的增量拉出并进行测量，当 iMAG 在内部10 cm时，参考和移动 iMAG 之间的距离误差<3 mm，这验证了系统可准确检测排便指标，同时也可以构建结肠解剖结构。最后，评估iMAG作为胃肠道内预标记位置的体内传感器。将磁性钡珠放置在结肠中的特定位置，并使用系统来感知摄入的iMAG何时通过该位置。当iMAG距离磁珠5厘米以内时，解码位置形成明显误差，从而证明了系统对磁性标记的特异性。标签产生的磁场可以通过iMAG感应，并与相对较低背景磁场区分。
图 iMAG在FI和磁标签跟踪中的应用。
小结：
作者团队构建的系统可以提供宽视场、高三维空间分辨率和可摄取微器件的完全无线操作。它还支持多设备使用。使用由移动平面线圈产生的安全磁场，并在大型动物中展示了系统功能，说明了其在非临床环境中使用的潜力，而无需有害辐射。先前定位胃肠道内移动磁铁的磁跟踪系统使用外部阵列来重建磁体的位置。由于重建基于传感器接收磁场强度和方向，因此容易受到附近磁性材料的影响。当同时使用多个磁体时，由于每个移动磁体产生的磁场而失真，因此这些方法在磁体数量上缺乏可扩展性。对于单磁体定位，平均空间分辨率约为5 mm，随着与传感器阵列的距离增加到15 cm以上，平均空间分辨率会迅速降低到1 cm以上，从而限制了有效视场。此外，实现厘米级精度所需的磁铁尺寸接近胶囊体积，几乎没有空间容纳额外的组件（用于驱动或刺激）。
本系统主要限制是当iMAG位于胃肠道深处时接收信号的距离（≤50厘米），这是由于厚厚的胃壁和肠壁导致2.4 GHz RF信号过度损失导致。未来的设备可以使用401-406 MHz（医疗植入通信系统频段）或915 MHz（工业，科学和医疗无线电频段）的低频率进行通信，以实现从接收到设备的更长距离。组织吸收在较低频率下衰减，导致接收器处的信号强度更高。iMAG的整体尺寸也可以通过使用具有3D磁传感和无线通信功能的定制设计的专用集成电路（ASIC）来减小。这种ASIC可用于制造高度小型化和低功耗的设备，这些设备可以利用胃肠道液体中的能量收集，并消除对电池供电的需求。
未来该系统的成功转化需要在大型动物模型中进行广泛的安全性研究，进而实现人体试验。从制造的角度来看，iMAG可以以较低成本批量生产，因为所有组件都是现成的且价格低廉。通过ASIC集成电路，可以进一步降低成本。iMAG电池寿命为慢性环境中应用提供足够的时间，并且可以通过使用更高能量密度的电池进一步增强。线圈还可以根据各种患者特定要求进行定制。例如，保形线圈结构定制成夹克或合并到背包中并由电池供电。线圈也可以连接到马桶盖板或安装在刚性墙上，以便适用于监测佩戴或携带线圈不舒服的患者。.因此，iMAG技术可用于提高当前胃肠道监测，诊断和治疗的能力。
参考文献：
Saransh Sharma, Khalil B. Ramadi, Nikhil H. Poole, et al. Location-aware ingestible microdevices for wireless monitoring of gastrointestinal dynamics. Nat Electronics. 2023.Feb 13.
https://www.nature.com/articles/s41928-023-00916-0
