Cell Rep. Phys. Sci | 基于人工智能的可吞服和可穿戴电子设备对肠道进行3D气体定位测量

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前言

关键要点

• 文章设计了一款可穿戴、支持人工智能的可摄取物品毫米级定位平台

• 可吞服的电子药丸可以测量胃肠道的氧气和氨气浓度

• 系统提供了一种评估胃肠道气体概况的便捷方法

胃肠道 (GI) 中的气体测量有助于诊断和持续监测肠易激综合征、炎症性肠病和食物不耐症等疾病。测量和定位这些气体的传统方法通常是侵入性的，通常需要在医院进行。

可摄入电子设备提供了更方便的解决方案，但定位这些设备仍然具有挑战性。作者介绍了一个可穿戴平台，该平台实现了基于磁场的可摄入物 3D 定位，分辨率达到毫米级：查表法的精度小于2.2 毫米，基于神经网络的算法小于4.2毫米。可吞服药丸配备光电气体传感器，可检测0~20% 的氧气(O2)和0~100ppm浓度范围内的氨 (NH3)。NH3测量值可作为识别幽门螺杆菌的替代指标，幽门螺杆菌是一种与消化性溃疡、胃炎和胃癌有关的细菌。

这项工作旨在让患者能够在家中舒适地方便地评估他们的胃肠道气体状况并管理消化健康。详细工作于6月12日报道在了《细胞·物质科学》杂志。

3D气体定位可吞服药丸的系统级概览

a. 基于磁场的定位平台。患者吞下药丸后手机应用程序通过蓝牙连接到药丸，并发送命令以启动目标气体和磁场测量。可穿戴线圈产生磁场，药丸上的磁传感器会捕获该磁场，然后使用基于神经网络的定位算法解码药丸的位置。药丸连接到手机应用程序，数据可以在其中可视化。

b. 利用发光二极管 (LED)、光电二极管 (PD) 和气敏膜的光吸收光谱法，可以在药丸位于肠道时测量O2和NH3等气体。

c. 药丸照片，长 26 毫米，宽 10 毫米。

d. 整个装置的照片，包括可服用的药丸、带有弯曲传感器的可穿戴磁线圈（用于测量线圈的弯曲度）以及用于捕获传感器数据的手机应用程序。

e. 气敏可吞服药丸的原型和系统级图示。药丸由透气膜、光学气敏膜、光学滤光片和容纳所有电子元件的 PCB 组成。药丸封装在由生物相容性树脂制成的 3D 打印外壳中。

光电传感器和气体膜的表征

a~b. 光学气敏元件（LED、PD、气敏膜和气体渗透膜）的示意图和照片。

c~d. 分别为O2和NH3传感膜的照片。

e. 膜的吸收光谱（每个样本的平均值）和药丸中使用的LED的功率光谱。

f. 药丸中使用的 PD 响应度，以及分别用 440 和 530 nm 光激发时O 2 – 和 NH 3 -传感膜（每个取三个样品的平均值）的荧光。

g~h. 不同气体浓度下O2和 NH3传感膜荧光引起的PD电流。对于每个数据点，误差线定义为n=10 (g) 和n=5 (h) 测量值的标准偏差。

可穿戴定位线圈和弯曲传感器

a. 附在腹部衣服上的可穿戴定位线圈的图片。

b. 用于产生 X、Y 和 Z 轴磁场梯度的线圈堆叠。

c. 带有弯曲传感器的线圈图片，用于测量线圈的弯曲角度。

d. 定位过程中线圈开启/关闭序列的时序图。

e. |Bz|在不同的Y坐标和X=0厘米。

f. |Bx+z|在Z=5厘米处。

g. |By+z|在Z=5厘米处。

h. 从(e)中提取的分析定位分辨率ΔZ。

i. 从 (f) 中提取出的 Z=5cm处的X分析定位分辨率ΔX。

j. 从(g)中提取出的Z=5cm处的分析定位分辨率ΔY 。

k. 弯曲传感器的打印过程。

l. 印刷弯曲传感器的照片。

m. 弯曲传感器在不同弯曲情况下的电阻变化。

3D定位算法和测量分辨率

a. 基于查找表 (LUT) 的定位算法。该算法使用从药丸和弯曲传感器的电阻接收的磁场数据，将其与预先生成的 LUT 中的值进行比较，并输出磁场最接近输入值的 X、Y 和 Z 坐标。

b. 基于神经网络 (NN) 的定位算法。该算法使用从药丸接收的磁场数据和弯曲传感器的电阻作为输入，并根据预先训练的 NN 模型预测 X、Y 和 Z 坐标。

c~d. 分别基于 NN 和 LUT 搜索算法，得到药丸在线圈 FoV 内的 100 个不同位置的实际位置和解码位置。

e. 使用 LUT 和 NN 搜索算法对药丸解码位置的定位误差摘要。

3D 定位和气体测量

a~b. 使用 3D 打印人体胃模型和幻影胃肠道液体进行定位设置。

c. 使用基于 NN 的算法解码药丸的 3D 位置。

d. 根据（c）解码后的药丸位置，以 2D（XY 平面）形式显示。

e. 将牛肠放入真人大小的人体模型中。

f. 带有可穿戴平面 3D 定位线圈的人体模型。

g. 使用基于 LUT（红色）和基于 NN（蓝色）的算法解码药丸的 3D 位置。

h. 根据（G）解码后的药丸位置，以 XY 平面上的 2D 图像显示。

i. 用琼脂模型溶液进行定位设置。

j. 使用基于 LUT（红色）和基于 NN（蓝色）的算法解码药丸的 3D 位置。

k. 根据（j）解码后的药丸位置，在 XZ 平面上以 2D 形式显示。

l. 具有各种磁线圈弯曲角度的定位测量实验装置。药丸的位置是固定的。使用万用表测量弯曲传感器的电阻。

m. 使用基于 NN 的算法解码不同弯曲角度下药丸的 3D 位置。

n. 根据（M）解码后的药丸位置，以 2D（XZ 平面）形式显示。

o. 牛肠道氧气感应测量装置。

p. 药丸和商用传感器测得的O2浓度。

q. 药丸和商用仪表测量的O2值的差异。

结论

胃肠道内 3D 气体映射技术的进步对改善消化系统疾病的诊断和持续监测具有重要意义。在这项研究中，作者引入了一个基于 AI 的可穿戴线圈平台，该平台利用基于磁场的技术实现胃肠道气体的毫米级 3D 定位。模块化传感器设计使我们能够轻松更换光学传感膜或同时使用多个膜进行多气体传感，只要膜被不同的 LED 激发即可。

定位平台本身可以独立地被各种其他可摄取设备应用所采用，其中靶向药物输送正成为一个特别有前景的领域。可在包括克罗恩病在内的一些肠道疾病下应用。将本文提出的定位系统与目前的最新技术进行比较，该设计是第一个可用作可穿戴平台的设计，患者可以舒适地在家中使用它。与同样依赖磁场梯度的工作相比，作者将定位系统的电流消耗降低了 60 倍。

后续进行动物模型实验是该研究转化为临床工作的关键一步。特别是，动物体内实验能够证明药丸可以经受住胃肠道的蠕动运动并保持密封。此外，还需要验证气体传感在生物组织中是否能正常工作，以及胃肠道液体和食物颗粒的堵塞或覆盖是否会导致传感器污染并影响测量精度。

▼参考资料

3D gas mapping in the gut with AI-enabled ingestible and wearable electronics, Cell Reports Physical Science (2024). DOI: 10.1016/j.xcrp.2024.101990.

*本文仅分享医疗科技前沿进展，不代表平台利益。如涉及版权问题，请联系我们删除。

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编译 | 刘帅

来源 | Cell Reports Physical Science

审核 | 医工学人

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