加州理工学院的研究人员开发出一种原型微型医疗设备，最终可用于“智能药丸”来诊断和治疗疾病。新技术的关键 - 以及它在其他微型医疗设备中的独特之处 - 在于它的位置可以在体内精确识别，这在以前证明是具有挑战性的。
“我们的梦想是，我们将拥有漫游我们身体的微型设备，无论是诊断问题还是修复问题，”安德鲁和佩吉切恩电气工程和医学工程和遗产医学研究所研究员教授Azita Emami说。与化学工程助理教授和遗产医学研究所研究员Mikhail Shapiro一起领导了这项研究。“在此之前，其中一个挑战是很难说出它们在体内的位置。”
一篇描述新设备的论文刊登在9月出版的“ 自然生物医学工程 ”杂志上。主要作者是Manuel Monge(MS '10，博士'17)，他是Emami实验室的博士生和加州理工学院的罗森生物工程中心学者，现在在一家名为Neuralink的公司工作。Shapiro实验室的研究技术人员Audrey Lee-Gosselin也是一名作家。
这种新的硅片设备被称为ATOMS，是可磁性自旋操作的可寻址发射器的缩写，它借鉴了磁共振成像(MRI)的原理，其中使用磁场确定患者体内原子的位置。微型设备也将使用磁场定位在体内 - 但不是依靠身体的原子，芯片包含一组集成的传感器，谐振器和无线传输技术，可以让它们模仿原子的磁共振特性。
“磁共振成像的一个关键原则是磁场梯度使两个不同位置的原子在两个不同的频率上产生共振，从而很容易分辨出它们的位置，”夏皮罗说。“我们希望在紧凑的集成电路中体现这一优雅原理.ATOMS器件还可以根据它们在磁场中的位置在不同频率下产生共振。”
“我们希望这款芯片非常小，功耗低，而且还面临很多工程挑战，”Emami说。“我们必须仔细权衡设备的尺寸，消耗多少功率以及确定其位置的精确程度。”
研究人员表示，这些设备仍处于初步状态，但有一天可能成为我们身体的微型机器人监护人，监测患者的胃肠道，血液或大脑。这些装置可以测量指示患者健康状况的因素 - 例如pH，温度，压力，糖浓度 - 并将这些信息传递给医生。或者，甚至可以指示设备释放药物。
“你可能会有数十个微型设备围绕身体进行测量或干预疾病。这些设备都可以完全相同，但ATOMS设备可以让你知道它们的位置，并立即与所有设备通信，”夏皮罗。他把它与1966年的科幻电影Fantastic Voyage相比较，其中一艘潜艇及其船员缩小到微观尺寸并注入患者的血液中以从内部治愈他 - 但正如Shapiro所说，“而不是发送一艘潜艇，你可以派遣一支舰队。“
ATOMS的想法来自晚宴。Shapiro和Emami正在讨论他们各自的领域--Shapiro工程师细胞用于医学成像技术，例如MRI，当Emami想到将他们的兴趣结合到新设备中时，他们创建了用于医疗感知和在身体中执行行动的微芯片。他们知道在体内定位微器件是该领域长期存在的挑战，并意识到将Shapiro的MRI技术知识与Emami在创建微器件方面的专业知识相结合，可以解决这个问题。Monge被邀请以硅芯片的形式帮助实现这一想法。
“这款芯片非常独特：没有其他芯片可以按照这些原则运行，”Monge说。“将所有组件集成在一个非常小的设备中，同时保持低功耗是一项艰巨的任务。” Monge作为博士论文的一部分进行了这项研究，该论文最近获得了加州理工学院电气工程系的Charles Wilts奖。
最终的原型芯片经过测试并证明适用于老鼠，其表面积为1.4平方毫米，比一分钱小250倍。它包含一个磁场传感器，集成天线，一个无线供电设备，以及一个根据磁场强度调整其射频信号以无线中继芯片位置的电路。
“在传统的MRI中，所有这些特征都是在原子中发现的，”Monge说。“我们必须创建一个在功能上模仿我们芯片的架构。”
虽然目前的原型芯片可以在身体中传递其位置，但下一步是建立一个既能传递其位置又能感知身体状态的芯片。
“我们希望建立一种可以通过胃肠道的设备，不仅可以告诉我们它在哪里，还可以传达有关身体各个部位以及它们如何做的信息。”