Verschluckbarer Sensor

Der winzige Sensor funktioniert, indem er ein Magnetfeld erfasst, das von einer elektromagnetischen Spule außerhalb des Körpers erzeugt wird. Die Stärke des Feldes variiert mit dem Abstand zur Spule, so dass die Position des Sensors anhand der Messung des Magnetfeldes berechnet werden kann.

In der neuen Studie [2] zeigten die Forscher, dass sie diese Technologie nutzen können, um den Sensor zu verfolgen, während er sich durch den Verdauungstrakt großer Tiere bewegt. Ein solches Gerät könnte eine Alternative zu invasiveren Verfahren wie der Endoskopie darstellen, die derzeit zur Diagnose von Motilitätsstörungen eingesetzt werden.

Viele Menschen auf der ganzen Welt leiden an Dysmotilität oder schlechter Motilität des Verdauungstrakts, und die Möglichkeit, die Motilität des Verdauungstrakts zu überwachen, ohne ein Krankenhaus aufsuchen zu müssen, ist wichtig, um wirklich zu verstehen, was mit einem Patienten geschieht.

GI-Motilitätsstörungen, von denen etwa 35 Millionen Amerikaner betroffen sind, können in jedem Teil des Verdauungstrakts auftreten und dazu führen, dass die Nahrung nicht durch den Trakt transportiert werden kann. Sie werden in der Regel mit Hilfe von nuklearmedizinischen Untersuchungen oder Röntgenstrahlen diagnostiziert oder durch das Einführen von Kathetern mit Druckwandlern, die Kontraktionen des Magen-Darm-Trakts messen. Die Forscher des MIT und des Caltech wollten eine Alternative entwickeln, die weniger invasiv ist und beim Patienten zu Hause durchgeführt werden kann. Ihre Idee war es, eine Kapsel zu entwickeln, die geschluckt werden kann und dann ein Signal aussendet, das zeigt, wo sie sich im Magen-Darm-Trakt befindet, so dass die Ärzte feststellen können, welcher Teil des Trakts eine Verlangsamung verursacht, und besser bestimmen können, wie der Zustand des Patienten zu behandeln ist (Abb. 1).

Um dies zu erreichen, machten sich die Forscher die Tatsache zunutze, dass das von einer elektromagnetischen Spule erzeugte Feld in vorhersehbarer Weise schwächer wird, wenn der Abstand zur Spule zunimmt. Der von ihnen entwickelte Magnetsensor, der klein genug ist, um in eine einnehmbare Kapsel zu passen, misst das umgebende Magnetfeld und nutzt diese Information, um den Abstand zu einer außerhalb des Körpers befindlichen Spule zu berechnen. Da der Magnetfeldgradient die räumlichen Positionen eindeutig kodiert, können diese kleinen Geräte so konstruiert werden, dass sie das Magnetfeld an ihrem jeweiligen Standort erfassen können. Nachdem das Gerät das Feld gemessen hat, kann der Standort des Geräts zurückberechnet werden.

Abb. 2: Der Sensor könnte zur Überwachung von GI-Motilitätsstörungen wie Verstopfung oder gastroösophagealer Refluxkrankheit eingesetzt werden (mit freundlicher Genehmigung der Forscher)

Um den Standort eines Geräts im Körper genau zu bestimmen, umfasst das System auch einen zweiten Sensor, der außerhalb des Körpers verbleibt und als Referenzpunkt dient. Dieser Sensor könnte auf die Haut geklebt werden. Durch den Vergleich der Position dieses Sensors mit der Position des Sensors im Körper können die Forscher genau berechnen, wo sich der einnehmbare Sensor im Magen-Darm-Trakt befindet.

Der einnehmbare Sensor enthält auch einen drahtlosen Sender, der die Magnetfeldmessung an einen Computer oder ein Smartphone in der Nähe sendet. Die derzeitige Version des Systems ist so konzipiert, dass es jedes Mal eine Messung vornimmt, wenn es einen drahtlosen Auslöser von einem Smartphone empfängt, aber es kann auch so programmiert werden, dass es in bestimmten Abständen Messungen vornimmt.

Das System kann mehrere Geräte gleichzeitig lokalisieren, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Außerdem hat es ein großes Sichtfeld, was für Studien an Menschen und großen Tieren entscheidend ist (Abb. 2).

Die derzeitige Version des Sensors kann ein Magnetfeld von elektromagnetischen Spulen in einer Entfernung von 60 Zentimetern oder weniger erkennen. Die Forscher stellen sich vor, dass die Spulen im Rucksack oder in der Jacke des Patienten oder sogar auf der Rückseite einer Toilette angebracht werden könnten, so dass der einnehmbare Sensor Messungen vornehmen kann, sobald er sich in Reichweite der Spulen befindet.

Die Forscher testeten ihr neues System in einem großen Tiermodell, indem sie die einnehmbare Kapsel in den Magen einbrachten und dann ihre Position auf ihrem Weg durch den Verdauungstrakt über mehrere Tage beobachteten.

In ihrem ersten Experiment brachten die Forscher zwei Magnetsensoren an, die durch einen kleinen Stab miteinander verbunden waren, so dass sie den genauen Abstand zwischen ihnen kannten. Dann verglichen sie ihre Magnetfeldmessungen mit diesem bekannten Abstand und stellten fest, dass die Messungen mit einer Auflösung von etwa 2 Millimetern genau waren – viel genauer als die Auflösung früher entwickelter Magnetfeldsensoren.

Als Nächstes führten die Forscher Tests durch, bei denen sie einen einzelnen Sensor zum Einnehmen und einen externen, auf der Haut angebrachten Sensor verwendeten. Durch Messung des Abstands zwischen jedem Sensor und den Spulen konnten die Forscher zeigen, dass sie den verschluckten Sensor auf seinem Weg vom Magen zum Dickdarm und dann zur Ausscheidung verfolgen konnten. Die Forscher verglichen die Genauigkeit ihrer Strategie mit Röntgenmessungen und stellten fest, dass sie mit einer Genauigkeit von 5 bis 10 Millimetern auskamen.

Die Verwendung eines externen Referenzsensors löst das Problem, dass jedes Mal, wenn sich ein Tier oder ein Mensch neben den Spulen befindet, die Wahrscheinlichkeit besteht, dass sie sich nicht genau in der gleichen Position befinden wie beim letzten Mal. Wenn man keine Röntgenbilder als Grundlage hat, ist es schwierig, genau zu bestimmen, wo sich die Pille befindet, es sei denn, man hat eine konsistente Referenz, die sich immer an der gleichen Stelle befindet.

Diese Art der Überwachung könnte es den Ärzten viel leichter machen, herauszufinden, welcher Abschnitt des Magen-Darm-Trakts eine Verlangsamung der Verdauung verursacht, sagen die Forscher. Die Möglichkeit, die Motilität zu charakterisieren, ohne dass eine Bestrahlung oder eine invasivere Platzierung von Geräten erforderlich ist, wird die Hürde für die Untersuchung von Menschen senken.

Die Forscher hoffen nun, in Zusammenarbeit mit Partnern Herstellungsverfahren für das System zu entwickeln und seine Leistung bei Tieren weiter zu charakterisieren, in der Hoffnung, es schließlich in klinischen Versuchen am Menschen zu testen.

Literatur

[1] Quelle : https://news.mit.edu/2023/
[2] Sharma, S.; Ramadi, K.B.; Poole, N.H. et al.: Location-aware ingestible microdevices for wireless monitoring of gastrointestinal dynamics, Nat Electron 6, 242–256 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-00916-0