未來醫學：採用微晶元技術追蹤智能藥丸

導讀

美國加州理工學院的科研人員開發出一款原型的微型醫療設備，能夠作為「智能藥丸」診斷和治療疾病。這項技術的關鍵在於：它可以在體內精準定位。

關鍵字

醫療、半導體、機器人

背景

隨著醫療技術的創新發展，一些可吞服進入消化道的醫療設備引起了我們的關注。例如，筆者曾經介紹過美國麻省理工學院林肯實驗室發明的新技術，它使用可吞服的感測器，來檢測心率以及胃腸道內的呼吸。

（圖片來源：Albert Swiston/麻省理工學院林肯實驗室）

另外，筆者還介紹過麻省理工學院，謝菲爾德大學，東京工業大學的研究人員開發出一個微型摺紙機器人，可以從一個可吞咽的膠囊中打開自身，且通過外部磁場控制在胃壁上爬動，用於移除誤吞的紐扣電池或者修復傷口。

（圖片來源：Melanie Gonick/MIT）

創新

美國加州理工學院（Caltech ）的科研人員開發出一款原型的微型醫療設備，能夠作為「智能藥丸」診斷和治療疾病。這項技術的關鍵，或者說是它與其他微型醫療設備的不同之處在於：它可以在體內精準定位。這一點以前一直是非常具有挑戰性的。

（圖片來源：Ella Marushchenko/Caltech）

傳統醫學研究所研究員、電氣工程和醫學工程教授 Azita Emami 與化學工程系助理教授、傳統醫學研究所的研究員 Mikhail Shapiro 一起領導了這項研究。Azita Emami 表示：

「我們的夢想是擁有一種能夠漫步於我們身體，進行診斷或者治療的微型設備。在這之前的挑戰就是難以指出設備在體內的位置。」

描述這種新型設備的論文發表於9月份的《自然生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）期刊。論文的領導作者是 Manuel Monge，他也是加州理工學院 Emami 實驗室的博士生、羅森生物工程中心的學者，現在工作在一家稱為「Neuralink」的公司。另外，Shapiro 實驗室的科研技術人員 Audrey Lee-Gosselin 也是作者之一。

技術

這種設備稱為「ATMOS」，它是「以磁自旋方式工作的可定址發射機」（addressable transmitters operated as magnetic spins）的縮寫。這種新型硅晶元設備借用了磁共振成像（MRI）的原理。在MRI中，病患體內原子的位置通過磁場來判斷。同樣，使用磁場也可以判讀這種微型設備在體內的位置。然而並不是依靠身體的原子，這種晶元含有一種集成的感測器、諧振器、和無線通信技術，模仿原子的磁共振特性。

（圖片來源於：Shapiro and Emami Labs/Caltech）

Shapiro 表示：

「MRI的關鍵原理就是磁場梯度引起兩個位置的原子以兩種不同的頻率共振，從而很容易判斷出他們在那裡。我們想要將這一簡潔的原理引入到小型集成電路中去。ATMOS設備也可以在它們所處的磁場中，以不同的頻率共振。」

Emami 表示：

「我們想要讓這個晶元變成小尺寸、低功耗，可是遇到了許多工程設計方面的挑戰。我們必須仔細平衡設備的尺寸、功耗大小、精準定位程度之間的關係。」

ATOMS的想法在一次晚宴上出現。Shapiro 與 Emami 當時正在討論他們各自的領域，Shapiro 主要設計了醫療成像技術（例如MRI）的單元，而Emami 則設計出用於醫學感知和在體內執行任務的微晶元，然後他們有了將各自的專長結合到一個設備中的想法。他們知道在體內定位微型設備，是這個領域的一項長期挑戰，並且意識到結合Shapiro在MRI技術領域的知識和Emami 設計微晶元方面的專長，可以解決這個問題。 Monge 也參與並幫助他們以硅晶元形式實現這個想法。

Monge 表示：

「這種晶元是完全獨特的，沒有其他晶元能夠按這些原理操作。將所有這些組件集成到一個非常小的設備中，並且保持低功耗，是一個艱巨的任務。」

最終的原型晶元在老鼠身上得到了測試和驗證。這款晶元的表面積是1.4平方毫米，不足一美分硬幣的1/250。它含有一個磁場感測器、集成天線、無線供電裝置以及一個電路，該電路可以基於磁場強度調整無線射頻信號，無線傳輸傳輸晶元位置。Monge 表示：

「在傳統的MRI中，所有這些功能都是原子固有的。我們必須為我們的晶元創造出一種架構在功能上模仿它們。」

價值

研究人員稱，這個設備仍然處於初步階段，未來它將作為微型機器人守護我們的身體，監測病患的胃腸道、血液和大腦。設備也可以測量與病人健康狀況相關的因素，例如pH值、溫度、血壓、血糖濃度，並且將這些信息提供給醫生。或者，設備接收指示釋放藥物。

Shapiro 表示：

「你將擁有幾十個微型設備在體內監測或者治療疾病。這些設備可以全部相同，但是ATOMS設備能讓你立刻知道它們所在的位置，並且與和它們全部進行交流。」

他將這個與1966年的科幻電影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）相比。在電影中，一艘潛艇和它的船員縮小為微觀尺寸，注入到病患的血液中，從內部治療他們。但是，Shapiro表示，「你可以派去一個小型艦隊，而不是單艘潛艇。」

參考資料

【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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