Nature Electronics | 一种用于胃电生理学监测的可摄入装置

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前言

关键要点

1. 麻省理工学院和哈佛医学院的科研团队开发了一种可摄入体内，用于监测多种胃电生理学参数的微型无线装置。

2. 该设备可以在大型动物模型中记录电信号（包括胃慢波、呼吸信号和心脏信号），并且可以监测自由移动和进食动物的慢波活动。

记录来自胃肠道和肠神经系统的高质量电生理数据的能力有助于了解各种疾病并通过早期诊断改善医疗保健。然而，这种测量仍然具有挑战性，因为必须通过手术植入电极或将其戴在皮肤上，这会导致信号质量和侵入性之间的权衡。

在这里，作者报告了一种用于胃电生理学监测的可摄入装置。这种非侵入式系统具备以下几点特征：可摄取、在胃中进行、可不受束缚的跟踪监测多模态电生理学，因此也被定义为：MiGUT。由封装的电子设备和传感电极带组成，该电极带在递送后在胃中展开以与粘膜接触。然后，该设备记录生物电位信号并将其无线传输到外部接收器。

文章表明，该设备可以在大型动物模型中记录电信号（包括胃慢波、呼吸信号和心脏信号），并且可以监测自由移动和进食动物的慢波活动。详细工作于本月报道在了《自然·电子学》杂志。

MiGUT 设备概览

a. MiGUT 设备的示意图，其中的电子元件安装在可吞咽的胶囊中，线性记录电极以卷起的形式存放。吞咽后，电极展开，接触粘膜并记录胃生物电，这些电势可以无线传输到外部接收器。记录的数据经过处理可以提取心率、胃慢波和呼吸频率。b. 电极贴着胃粘膜表面展开的示意图。

c. MiGUT 设备与 1000 明胶胶囊的尺寸对比。

d. 由于水溶性粘合剂润湿后聚酰亚胺带的应变导致 MiGUT 电极展开，显示初始位置 (i)、开始展开 (ii) 和电极展开 (iii)。

e. MiGUT 设备的全部范围，总长度为 25 厘米。以 10 美分硬币和 1000 明胶胶囊作为比例。

MiGUT 系统的设计和体内评估

a. 设备横截面示意图。

b. 设备组件和组装的光学图像。

c. 电子结构框图。

d. 配置了不同占空比和采样率的系统的电池寿命。比率 1 表示在设备无休眠的情况下连续记录时的电池寿命。

e. 97 公斤重、自由移动的动物在不同活动期间接收的数据包和通信强度。RSSI，接收信号强度指示器。

用于麻醉动物的多模态测量

a. MiGUT 电极置于胃粘膜上的内窥镜图像。传感电极（⌀ 5 mm）与参考（ref）电极（⌀ 8 mm）的大小不同。插图：电极和参考配置示意图。通道（Ch）0 靠近幽门和胶囊体；通道 7 和 ref 靠近胃体。

b. 在麻醉动物身上记录，显示约 1.5 小时内电活动热图（0.0005 Hz 至 15 Hz 带通滤波器）（i）；通道 0、1 和 2 的电压与时间清除幽门，显示周期约为 500 秒的大波，推测与 MMC 活动有关（ii）。灰色三角形表示通道 2 中的波。

c. 代表性单记录通道，采样率为 62.5 s −1，显示原始收集的数据，200 s（i），“慢波”频带从 0.01 到 0.25 Hz，200 s（ii），“呼吸”频带从 0.25 到 5 Hz，30 s（iii），“心电图尖峰”频带从 5+ Hz（iv）。三阶巴特沃斯滤波器用于提取所有频带。

d. 通过巴比妥类药物混合物对动物实施安乐死后通道中的电活动停止（输送时间用红色虚线表示）。

MiGUT 测量的验证

a. 使用口服 MiGUT 系统、带有皮肤和浆膜电极以及远离胃的外部皮肤参考的 Shimmer3 商业系统（Shimmer A）和带有浆膜电极和内部腹部参考的另一个 Shimmer3（Shimmer B）同时记录的示意图。浆膜电极和腹部参考是在剖腹手术后放置的。

b. 来自同时记录实验的数据显示皮肤、浆膜/C-REF 和两个代表性 MiGUT 通道之间的频率一致性。浆膜/A-REF 记录没有产生胃慢波记录，显示了参考电极位置对于获得高质量信号的重要性。

c. 在一系列频率下对浆膜电极和 MiGUT 记录通道进行 FFT 比较，虚线表示慢波（黑色，每分钟 3.1 个周期）、呼吸（红色，每分钟 18 个周期）和心电图（绿色，每分钟 85 个周期）频率的主频率和高阶峰值。

（i）代表性通道显示麻醉动物在注射阿奇霉素之前和之后的电活动（0.01–0.25 Hz 带通滤波器）。

（ii）热图显示阿奇霉素注射前后慢波（0.01–0.25 Hz）、呼吸（0.25–5 Hz）和心电图（5+ Hz）频率窗口内信号功率的相对差异。

对行走动物进行高分辨率测量

a. 在自由活动的动物进食、走动和打盹活动期间，将 MiGUT 设备固定在猪胃内（0.01–0.25 Hz 带通滤波器），进行 3.5 小时的八通道记录。

b. 在每分钟 1 至 8 个周期的窗口中，频率与时间的归一化功率，显示整个动物活动期间每分钟约 4 个周期的稳定慢波信号。

c. b中显示的通道7在进食、走动和睡眠期间的胃电活动代表性片段。

使用 MiGUT 设备对行走动物进行多日测量

a. 喂食后（第 0 天和第 2 天）和禁食时（第 1 天）代表性窗口的主频率响应。每天记录持续 45 分钟，中间间隔约 22 小时的低功耗睡眠模式。

b. 从第 2 天开始在不同行为期间进行的测量（0.01–0.25 Hz 带通滤波器）。

c. 连续多日测量（0.01–0.25 Hz 带通滤波器），行为标记为b中所示。显示了典型片段。

结论

该可摄入 MiGUT 系统能够记录来自胃环境的高质量电信号，包括胃慢波、呼吸频率和心率。它还可以记录长周期波，这可能与迁移性肌电复合体相关的过程有关。MiGUT 可用于监测重要器官，而无需佩戴或植入皮肤表面的设备，这些设备可以在受试者活动期间取下。此外，虽然可以检测呼吸和心电图的可穿戴商用传感器随时可用，但用于监测胃慢波的可穿戴系统通常需要覆盖大部分腹部的大型表面阵列，并且在体重指数较高的患者中灵敏度明显降低。此外，我们的系统可以区分药物引起的运动变化，并在动物喂养和移动期间测量高质量的粘膜胃慢波，无需任何束缚或可穿戴系统。这些结果说明了长期研究胃电生理学的潜力，以及在不受受试者运动、进餐或日常生活限制的情况下获得高质量记录的策略。

整合可摄取设备和神经植入物领域的其他进展可以解决 MiGUT 系统目前的局限性。例如，可以将自锚定和驻留功能以及无线充电整合到系统中，并且可以通过多路复用和板载数据过滤和处理来增加通道数。此外，还可以与粘膜粘附和组织粘附系统或机械锚定电极整合，以确保电极和胃粘膜之间的紧密接触，从而进一步提高信号保真度。与电刺激系统的整合可以开发出驻留在胃肠道中的新型闭环电药物。可以通过降低薄膜厚度来进一步增强记录带的性能，以提高其与粘膜表面的贴合能力，同时通过集成牺牲弹性背衬来保持其展开能力。还可以考虑使用自定位系统，以使设备能够在胃的特定区域进行自主定位。

凭借这些进展，该系统可用于研究慢性胃肠道疾病中的饥饿感、饱腹感和昼夜节律，从而可用于了解胃轻瘫或功能性消化不良等疾病发作时发生的电信号根本变化。可摄入电子设备与胃肠道电生理学的结合为方便的家庭监测提供了巨大潜力，未来可用于研究神经系统和其他疾病患者的肠脑轴功能障碍。

▼参考资料

You, S.S., Gierlach, A., Schmidt, P. et al. An ingestible device for gastric electrophysiology. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01160-w

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编译 | 刘帅

来源 | Nature Electronics

审核 | 医工学人

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