Ein verschluckbarer Sensor könnte Ärzten dabei helfen, Magen-Darm-Beschwerden zu lokalisieren

Bilder zum Herunterladen auf der Website des MIT News-Büros werden nichtkommerziellen Unternehmen, der Presse und der Öffentlichkeit unter einer Creative Commons-Lizenz „Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung“ zur Verfügung gestellt. Sie dürfen die bereitgestellten Bilder nicht verändern, außer sie auf die richtige Größe zuzuschneiden. Bei der Reproduktion von Bildern muss eine Kreditlinie in Anspruch genommen werden; Wenn dies unten nicht angegeben ist, nennen Sie die Bilder „MIT“.

Vorheriges Bild Nächstes Bild

Ingenieure am MIT und am Caltech haben einen einnehmbaren Sensor vorgestellt, dessen Position überwacht werden kann, während er sich durch den Verdauungstrakt bewegt. Ein Fortschritt, der Ärzten dabei helfen könnte, gastrointestinale Motilitätsstörungen wie Verstopfung, gastroösophageale Refluxkrankheit und Gastroparese einfacher zu diagnostizieren.

Der winzige Sensor erkennt ein Magnetfeld, das von einer elektromagnetischen Spule außerhalb des Körpers erzeugt wird. Die Stärke des Feldes variiert mit der Entfernung von der Spule, sodass die Position des Sensors anhand seiner Messung des Magnetfelds berechnet werden kann.

In der neuen Studie zeigten die Forscher, dass sie diese Technologie nutzen könnten, 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 unter Motilitätsstörungen oder schlechter Motilität des Gastrointestinaltrakts. Die Möglichkeit, die Motilität des Gastrointestinaltrakts zu überwachen, ohne ein Krankenhaus aufsuchen zu müssen, ist wichtig, um wirklich zu verstehen, was mit einem Patienten passiert“, sagt Giovanni Traverso, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT und Gastroenterologe am Brigham and Women's Hospital.

Traverso ist einer der leitenden Autoren der neuen Studie, zusammen mit Azita Emami, Professorin für Elektrotechnik und Medizintechnik am Caltech, und Mikhail Shapiro, Professor für Chemieingenieurwesen am Caltech und Forscher am Howard Hughes Medical Institute. Saransh Sharma, ein Doktorand am Caltech, und Khalil Ramadi SM '16, PhD '19, Absolvent der Fakultät für Maschinenbau und des Harvard-MIT-Programms für Gesundheitswissenschaften und Technologie, der jetzt Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen in New York ist University, sind die Hauptautoren des Artikels, der heute in Nature Electronics erscheint.

Ein magnetischer Sensor

Störungen der Magen-Darm-Motilität, von denen etwa 35 Millionen Amerikaner betroffen sind, können in jedem Teil des Verdauungstrakts auftreten und dazu führen, dass die Nahrung nicht mehr durch den Verdauungstrakt transportiert werden kann. Die Diagnose erfolgt in der Regel mithilfe nuklearer Bildgebungsuntersuchungen oder Röntgenaufnahmen oder durch das Einführen von Kathetern mit Druckwandlern, die Kontraktionen des Gastrointestinaltrakts erfassen.

Die Forscher des MIT und des Caltech wollten eine Alternative finden, die weniger invasiv ist und beim Patienten zu Hause durchgeführt werden kann. Ihre Idee bestand darin, eine Kapsel zu entwickeln, die geschluckt werden kann und dann ein Signal aussendet, das anzeigt, wo sie sich im Magen-Darm-Trakt befindet. Dadurch können Ärzte feststellen, welcher Teil des Trakts eine Verlangsamung verursacht, und besser bestimmen, wie der Zustand des Patienten behandelt werden kann.

Um dies zu erreichen, machten sich die Forscher die Tatsache zunutze, dass das von einer elektromagnetischen Spule erzeugte Feld auf vorhersehbare Weise mit zunehmendem Abstand von der Spule schwächer wird. Der von ihnen entwickelte Magnetsensor, der klein genug ist, um in eine einnehmbare Kapsel zu passen, misst das umgebende Magnetfeld und berechnet anhand dieser Informationen seinen Abstand zu einer Spule außerhalb des Körpers.

„Da der Magnetfeldgradient die räumlichen Positionen eindeutig kodiert, können diese kleinen Geräte so konzipiert werden, dass sie das Magnetfeld an ihren jeweiligen Standorten erfassen können“, sagt Sharma. „Nachdem das Gerät das Feld vermisst, können wir den Standort des Geräts zurückberechnen.“

Um den Standort eines Geräts im Körper genau zu bestimmen, verfügt das System außerdem über einen zweiten Sensor, der außerhalb des Körpers verbleibt und als Referenzpunkt fungiert. Dieser Sensor könnte auf die Haut geklebt werden, und 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 verfügt außerdem über einen drahtlosen Sender, der die Magnetfeldmessung an einen Computer oder ein Smartphone in der Nähe sendet. Die aktuelle Version des Systems ist so konzipiert, dass es jedes Mal eine Messung durchführt, wenn es einen drahtlosen Auslöser von einem Smartphone empfängt, es kann aber auch so programmiert werden, dass es in bestimmten Intervallen Messungen durchführt.

„Unser System kann die Lokalisierung mehrerer Geräte gleichzeitig unterstützen, ohne dass die Genauigkeit darunter leidet. Außerdem verfügt es über ein großes Sichtfeld, was für Studien an Menschen und Großtieren von entscheidender Bedeutung ist“, sagt Emami.

Die aktuelle 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 platziert werden könnten, sodass der verschluckbare Sensor immer dann Messungen vornehmen kann, wenn er sich in Reichweite der Spulen befindet.

Standortverfolgung

Die Forscher testeten ihr neues System in einem großen Tiermodell, indem sie die einnehmbare Kapsel in den Magen platzierten und dann ihre Position überwachten, während sie sich mehrere Tage lang durch den Verdauungstrakt bewegte.

In ihrem ersten Experiment lieferten die Forscher zwei Magnetsensoren, die durch einen kleinen Stab miteinander verbunden waren, sodass sie den genauen Abstand zwischen ihnen kannten. Dann verglichen sie ihre Magnetfeldmessungen mit dieser bekannten Entfernung und stellten fest, dass die Messungen eine Genauigkeit von etwa 2 Millimetern hatten – viel höher als die Auflösung zuvor entwickelter magnetfeldbasierter Sensoren.

Als nächstes führten die Forscher Tests mit einem einzelnen einnehmbaren Sensor zusammen mit einem externen, an der Haut befestigten Sensor durch. Indem sie den Abstand jedes Sensors zu den Spulen maßen, zeigten die Forscher, dass sie den aufgenommenen Sensor verfolgen konnten, während er sich vom Magen zum Dickdarm bewegte und dann ausgeschieden wurde. Die Forscher verglichen die Genauigkeit ihrer Strategie mit Röntgenmessungen und stellten fest, dass sie innerhalb von 5 bis 10 Millimetern genau waren.

„Die Verwendung eines externen Referenzsensors trägt dazu bei, das Problem zu lösen, dass jedes Mal, wenn sich ein Tier oder ein Mensch neben den Spulen befindet, die Wahrscheinlichkeit besteht, dass diese sich nicht mehr genau in der gleichen Position befinden wie beim vorherigen Mal. Da keine Röntgenstrahlen als Grundlage zur Verfügung stehen, ist es schwierig, genau zu bestimmen, wo sich diese Pille befindet, es sei denn, man hat eine konsistente Referenz, die sich immer am selben Ort befindet“, sagt Ramadi.

Diese Art der Überwachung könnte es Ärzten viel einfacher machen, herauszufinden, welcher Abschnitt des Magen-Darm-Trakts eine Verlangsamung der Verdauung verursacht, sagen die Forscher. „Die Möglichkeit, die Motilität ohne die Notwendigkeit einer Bestrahlung oder einer invasiveren Platzierung von Geräten zu charakterisieren, wird meiner Meinung nach die Hürde für die Untersuchung von Menschen senken“, sagt Traverso.

Die Forscher hoffen nun, mit Partnern zusammenzuarbeiten, um Herstellungsverfahren für das System zu entwickeln und seine Leistung an Tieren weiter zu charakterisieren, in der Hoffnung, es schließlich in klinischen Studien am Menschen testen zu können.

Die Forschung wurde von der National Science Foundation, der Rothenberg Innovation Initiative und dem Heritage Medical Research Institute finanziert.

Forscher am MIT und Caltech haben ein einnehmbares, pillenförmiges Sensormodul entwickelt, das seinen Standort lokalisieren kann, während es sich durch den Körper bewegt, berichtet Andrew Paul für Popular Science. Diese Methode „könnte eines Tages ein wirksames Mittel zur Beurteilung von Problemen wie Verstopfung, gastroösophagealer Refluxkrankheit und Gastroparese sein“, schreibt Paul.

Forscher vom MIT und Caltech haben einen pillenförmigen einnehmbaren Sensor entwickelt, der überwacht werden kann, während er sich durch den Magen-Darm-Trakt bewegt, was es Ärzten ermöglicht, Magen-Darm-Erkrankungen einfacher zu diagnostizieren, berichtet Brian Heater für TechCrunch. „Die Möglichkeit, die Motilität ohne die Notwendigkeit einer Bestrahlung oder einer invasiveren Platzierung von Geräten zu charakterisieren, wird meiner Meinung nach die Hürde für die Untersuchung von Menschen senken“, sagt Prof. Giovanni Traverso.

Prof. Gio Traverso und seine Kollegen am Caltech und der NYU haben einen intelligenten einnehmbaren Sensor entwickelt, der möglicherweise eine weniger invasive Möglichkeit zur Diagnose von Magen-Darm-Erkrankungen bietet. „Die Hoffnung besteht darin, dass das Gerät Ärzten, die den genauen Ort einer Störung des Magen-Darm-Trakts kennen, eine gezieltere Behandlung ermöglichen wird – und den Patienten eine Diagnoseoption bietet, die sie zu Hause nutzen können“, berichtet Lizzy Lawler für STAT.

Eine neue intelligente Pille in der Größe eines Vierteldollars, die von einem Forscherteam des MIT, des Caltech und der NYU entwickelt wurde, könnte Ärzten eines Tages dabei helfen, Probleme im Verdauungstrakt eines Patienten leichter zu erkennen. „Ein solches Gerät könnte eine Alternative zu invasiveren Verfahren beim Menschen wie der Endoskopie bieten, die derzeit zur Diagnose von Motilitätsstörungen eingesetzt werden“, schreibt Nina Massey für The Independent.

Vorheriger Artikel Nächster Artikel

Vorheriger Artikel Nächster Artikel