導(dǎo)讀
美國加州理工學(xué)院的科研人員開發(fā)出一款原型的微型醫(yī)療設(shè)備，能夠作為“智能藥丸”診斷和治療疾病。這項技術(shù)的關(guān)鍵在于：它可以在體內(nèi)精準(zhǔn)定位。
關(guān)鍵字
醫(yī)療、半導(dǎo)體、機(jī)器人
背景
隨著醫(yī)療技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，一些可吞服進(jìn)入消化道的醫(yī)療設(shè)備引起了我們的關(guān)注。例如，筆者曾經(jīng)介紹過美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室發(fā)明的新技術(shù)，它使用可吞服的傳感器，來檢測心率以及胃腸道內(nèi)的呼吸。
（圖片來源：Albert Swiston/麻省理工學(xué)院林肯實驗室）
另外，筆者還介紹過麻省理工學(xué)院，謝菲爾德大學(xué)，東京工業(yè)大學(xué)的研究人員開發(fā)出一個微型折紙機(jī)器人，可以從一個可吞咽的膠囊中打開自身，且通過外部磁場控制在胃壁上爬動，用于移除誤吞的紐扣電池或者修復(fù)傷口。
（圖片來源：Melanie Gonick/MIT）
創(chuàng)新
美國加州理工學(xué)院（Caltech ）的科研人員開發(fā)出一款原型的微型醫(yī)療設(shè)備，能夠作為“智能藥丸”診斷和治療疾病。這項技術(shù)的關(guān)鍵，或者說是它與其他微型醫(yī)療設(shè)備的不同之處在于：它可以在體內(nèi)精準(zhǔn)定位。這一點以前一直是非常具有挑戰(zhàn)性的。
（圖片來源：Ella Marushchenko/Caltech）
傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究所研究員、電氣工程和醫(yī)學(xué)工程教授 Azita Emami 與化學(xué)工程系助理教授、傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究所的研究員 Mikhail Shapiro 一起領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。Azita Emami 表示：
“我們的夢想是擁有一種能夠漫步于我們身體，進(jìn)行診斷或者治療的微型設(shè)備。在這之前的挑戰(zhàn)就是難以指出設(shè)備在體內(nèi)的位置。”
描述這種新型設(shè)備的論文發(fā)表于9月份的《自然生物醫(yī)學(xué)工程》（Nature Biomedical Engineering）期刊。論文的領(lǐng)導(dǎo)作者是 Manuel Monge，他也是加州理工學(xué)院 Emami 實驗室的博士生、羅森生物工程中心的學(xué)者，現(xiàn)在工作在一家稱為“Neuralink”的公司。另外，Shapiro 實驗室的科研技術(shù)人員 Audrey Lee-Gosselin 也是作者之一。
技術(shù)
這種設(shè)備稱為“ATMOS”，它是“以磁自旋方式工作的可尋址發(fā)射機(jī)”（addressable transmitters operated as magnetic spins）的縮寫。這種新型硅芯片設(shè)備借用了磁共振成像（MRI）的原理。在MRI中，病患體內(nèi)原子的位置通過磁場來判斷。同樣，使用磁場也可以判讀這種微型設(shè)備在體內(nèi)的位置。然而并不是依靠身體的原子，這種芯片含有一種集成的傳感器、諧振器、和無線通信技術(shù)，模仿原子的磁共振特性。
（圖片來源于：Shapiro and Emami Labs/Caltech）
Shapiro 表示：
“MRI的關(guān)鍵原理就是磁場梯度引起兩個位置的原子以兩種不同的頻率共振，從而很容易判斷出他們在那里。我們想要將這一簡潔的原理引入到小型集成電路中去。ATMOS設(shè)備也可以在它們所處的磁場中，以不同的頻率共振。”
Emami 表示：
“我們想要讓這個芯片變成小尺寸、低功耗，可是遇到了許多工程設(shè)計方面的挑戰(zhàn)。我們必須仔細(xì)平衡設(shè)備的尺寸、功耗大小、精準(zhǔn)定位程度之間的關(guān)系。”
ATOMS的想法在一次晚宴上出現(xiàn)。Shapiro 與 Emami 當(dāng)時正在討論他們各自的領(lǐng)域，Shapiro 主要設(shè)計了醫(yī)療成像技術(shù)（例如MRI）的單元，而Emami 則設(shè)計出用于醫(yī)學(xué)感知和在體內(nèi)執(zhí)行任務(wù)的微芯片，然后他們有了將各自的專長結(jié)合到一個設(shè)備中的想法。他們知道在體內(nèi)定位微型設(shè)備，是這個領(lǐng)域的一項長期挑戰(zhàn)，并且意識到結(jié)合Shapiro在MRI技術(shù)領(lǐng)域的知識和Emami 設(shè)計微芯片方面的專長，可以解決這個問題。 Monge 也參與并幫助他們以硅芯片形式實現(xiàn)這個想法。
Monge 表示：
“這種芯片是完全獨特的，沒有其他芯片能夠按這些原理操作。將所有這些組件集成到一個非常小的設(shè)備中，并且保持低功耗，是一個艱巨的任務(wù)?！?/p>
最終的原型芯片在老鼠身上得到了測試和驗證。這款芯片的表面積是1.4平方毫米，不足一美分硬幣的1/250。它含有一個磁場傳感器、集成天線、無線供電裝置以及一個電路，該電路可以基于磁場強(qiáng)度調(diào)整無線射頻信號，無線傳輸傳輸芯片位置。Monge 表示：
“在傳統(tǒng)的MRI中，所有這些功能都是原子固有的。我們必須為我們的芯片創(chuàng)造出一種架構(gòu)在功能上模仿它們。”
價值
研究人員稱，這個設(shè)備仍然處于初步階段，未來它將作為微型機(jī)器人守護(hù)我們的身體，監(jiān)測病患的胃腸道、血液和大腦。設(shè)備也可以測量與病人健康狀況相關(guān)的因素，例如pH值、溫度、血壓、血糖濃度，并且將這些信息提供給醫(yī)生?；蛘?，設(shè)備接收指示釋放藥物。
Shapiro 表示：
“你將擁有幾十個微型設(shè)備在體內(nèi)監(jiān)測或者治療疾病。這些設(shè)備可以全部相同，但是ATOMS設(shè)備能讓你立刻知道它們所在的位置，并且與和它們?nèi)窟M(jìn)行交流?！?/p>
他將這個與1966年的科幻電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）相比。在電影中，一艘潛艇和它的船員縮小為微觀尺寸，注入到病患的血液中，從內(nèi)部治療他們。但是，Shapiro表示，“你可以派去一個小型艦隊，而不是單艘潛艇?！?/p>
參考資料
【1】http://www.caltech.edu/news/medicine-future-new-microchip-technology-could-be-used-track-smart-pills-79601
【2】Monge, Manuel and Lee-Gosselin, Audrey and Shapiro, Mikhail G. and Emami, Azita (2017) Localization of Microscale Devices In Vivo using Addressable Transmitters Operated as Magnetic Spins. Nature Biomedical Engineering, 1 (9). pp. 736-744. ISSN 2157-846X. http://resolver.caltech.edu/CaltechAUTHORS:20170731-162137444
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