未来医学：采用微芯片技术追踪智能药丸

导读

美国加州理工学院的科研人员开发出一款原型的微型医疗设备，能够作为“智能药丸”诊断和治疗疾病。这项技术的关键在于：它可以在体内精准定位。

关键字

医疗、半导体、机器人

背景

随着医疗技术的创新发展，一些可吞服进入消化道的医疗设备引起了我们的关注。例如，笔者曾经介绍过美国麻省理工学院林肯实验室发明的新技术，它使用可吞服的传感器，来检测心率以及胃肠道内的呼吸。

（图片来源：Albert Swiston/麻省理工学院林肯实验室）

另外，笔者还介绍过麻省理工学院，谢菲尔德大学，东京工业大学的研究人员开发出一个微型折纸机器人，可以从一个可吞咽的胶囊中打开自身，且通过外部磁场控制在胃壁上爬动，用于移除误吞的纽扣电池或者修复伤口。

（图片来源：Melanie Gonick/MIT）

创新

美国加州理工学院（Caltech ）的科研人员开发出一款原型的微型医疗设备，能够作为“智能药丸”诊断和治疗疾病。这项技术的关键，或者说是它与其他微型医疗设备的不同之处在于：它可以在体内精准定位。这一点以前一直是非常具有挑战性的。

（图片来源：Ella Marushchenko/Caltech）

传统医学研究所研究员、电气工程和医学工程教授 Azita Emami 与化学工程系助理教授、传统医学研究所的研究员 Mikhail Shapiro 一起领导了这项研究。Azita Emami 表示：

“我们的梦想是拥有一种能够漫步于我们身体，进行诊断或者治疗的微型设备。在这之前的挑战就是难以指出设备在体内的位置。”

描述这种新型设备的论文发表于9月份的《自然生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）期刊。论文的领导作者是 Manuel Monge，他也是加州理工学院 Emami 实验室的博士生、罗森生物工程中心的学者，现在工作在一家称为“Neuralink”的公司。另外，Shapiro 实验室的科研技术人员 Audrey
Lee-Gosselin 也是作者之一。

技术

这种设备称为“ATMOS”，它是“以磁自旋方式工作的可寻址发射机”（addressable transmitters operated as magnetic
spins）的缩写。这种新型硅芯片设备借用了磁共振成像（MRI）的原理。在MRI中，病患体内原子的位置通过磁场来判断。同样，使用磁场也可以判读这种微型设备在体内的位置。然而并不是依靠身体的原子，这种芯片含有一种集成的传感器、谐振器、和无线通信技术，模仿原子的磁共振特性。

（图片来源于：Shapiro and Emami Labs/Caltech）

Shapiro 表示：

“MRI的关键原理就是磁场梯度引起两个位置的原子以两种不同的频率共振，从而很容易判断出他们在那里。我们想要将这一简洁的原理引入到小型集成电路中去。ATMOS设备也可以在它们所处的磁场中，以不同的频率共振。”

Emami 表示：

“我们想要让这个芯片变成小尺寸、低功耗，可是遇到了许多工程设计方面的挑战。我们必须仔细平衡设备的尺寸、功耗大小、精准定位程度之间的关系。”

ATOMS的想法在一次晚宴上出现。Shapiro
与 Emami 当时正在讨论他们各自的领域，Shapiro 主要设计了医疗成像技术（例如MRI）的单元，而Emami
则设计出用于医学感知和在体内执行任务的微芯片，然后他们有了将各自的专长结合到一个设备中的想法。他们知道在体内定位微型设备，是这个领域的一项长期挑战，并且意识到结合Shapiro在MRI技术领域的知识和Emami
设计微芯片方面的专长，可以解决这个问题。 Monge 也参与并帮助他们以硅芯片形式实现这个想法。

Monge 表示：

“这种芯片是完全独特的，没有其他芯片能够按这些原理操作。将所有这些组件集成到一个非常小的设备中，并且保持低功耗，是一个艰巨的任务。”

最终的原型芯片在老鼠身上得到了测试和验证。这款芯片的表面积是1.4平方毫米，不足一美分硬币的1/250。它含有一个磁场传感器、集成天线、无线供电装置以及一个电路，该电路可以基于磁场强度调整无线射频信号，无线传输传输芯片位置。Monge 表示：

“在传统的MRI中，所有这些功能都是原子固有的。我们必须为我们的芯片创造出一种架构在功能上模仿它们。”

价值

研究人员称，这个设备仍然处于初步阶段，未来它将作为微型机器人守护我们的身体，监测病患的胃肠道、血液和大脑。设备也可以测量与病人健康状况相关的因素，例如pH值、温度、血压、血糖浓度，并且将这些信息提供给医生。或者，设备接收指示释放药物。

Shapiro 表示：

“你将拥有几十个微型设备在体内监测或者治疗疾病。这些设备可以全部相同，但是ATOMS设备能让你立刻知道它们所在的位置，并且与和它们全部进行交流。”

他将这个与1966年的科幻电影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）相比。在电影中，一艘潜艇和它的船员缩小为微观尺寸，注入到病患的血液中，从内部治疗他们。但是，Shapiro表示，“你可以派去一个小型舰队，而不是单艘潜艇。”

参考资料

【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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