Температура тела считается одним из важнейших показателей здоровья, но измерение во рту или на лбу не всегда даёт полную картину. А получить внутреннюю температуру ректально — далеко не самая приятная процедура.
Источник изображения — popsci.com
Возможно, дни ректальных измерений сочтены. Новый проглатываемый сенсор, разработанный в MIT, способен непрерывно передавать врачам данные о температуре тела прямо из желудочно-кишечного тракта — и уже через несколько лет может дойти до клинических испытаний. Такой постоянный мониторинг облегчит понимание того, болен ли пациент и есть ли риск опасно высокой лихорадки. Пригодится он и тем, кто отслеживает фертильность, и пациентам под наркозом.
Сенсор напоминает небольшую ягоду: всего 4 мм в высоту и 6 мм в поперечнике — он меньше существующих проглатываемых датчиков температуры. Разработка описана в статье, опубликованной в журнале Nature Electronics.
«Такой сенсор даёт нам возможность отслеживать инфекции и выявлять их на ранней стадии, — отметил соавтор исследования, профессор MIT и гастроэнтеролог Джованни Траверсо. — Это особенно важно для уязвимых групп — например, людей с подавленным иммунитетом после химиотерапии или на иммуносупрессивных препаратах».
Удивительный мир проглатываемой электроники
На рынке уже есть несколько проглатываемых датчиков температуры, но большинство из них размером с поливитаминную таблетку или чуть больше. Из-за габаритов их сложнее проглатывать, а риск, что капсула застрянет в ЖКТ, возрастает.
Крупный размер обусловлен сложными внутренними схемами, которым нужно много энергии. Питание дают встроенные батареи, и именно они занимают большую часть «жилплощади» капсулы.
Команда MIT поставила цель сделать проглатываемый сенсор компактнее, не потеряв в точности измерений.
«Причина, по которой он должен быть маленьким, — безопасность, — пояснил Траверсо. — Нам нужно нечто настолько небольшое, чтобы риск закупорки или непроходимости был сведён к минимуму и чтобы капсулу было легко проглотить».
Первым шагом к уменьшению устройства стало сокращение трёх ключевых компонентов — измеряющей температуру схемы, антенны для передачи данных и батареи.
Чтобы ужать схему, исследователи разработали собственную, умещающуюся на кремниевом чипе площадью 1 мм². Они также спроектировали генератор на основе тока утечки — небольшого тока, который течёт через выключенную схему; частота этого тока зависит от температуры окружения чипа, что и позволяет снизить энергопотребление.
Схема определяет температуру с точностью до 0,01 °C и потребляет всего около 10 нановатт. Ей достаточно небольшой батарейки-таблетки на 1,55 В диаметром всего 4,8 мм. В одном из опытов сенсор эндоскопически поместили в желудок находившейся под седацией свиньи, после чего он прошёл через ЖКТ и вышел естественным путём.
Ещё сильнее снизить энергозатраты помогла технология связи под названием обратное рассеяние (backscattering). Она позволяет вынести большую часть энергопотребления на внешнюю антенну вне тела — обычно на расстоянии полуметра-метра от сенсора. Внешняя антенна излучает радиоволну ультравысокой частоты, крошечная антенна внутри капсулы модулирует её и отправляет обратно, а внешняя антенна по изменениям волны вычисляет значение температуры.
«Мы объединили все эти части — кремниевый чип, батарейку и антенну — в проглатываемую капсулу, самую маленькую из виденных нами для задач измерения температуры», — добавил ведущий автор работы, постдок MIT Сарансх Шарма.
Внутренняя антенна передаёт показания раз в секунду, обеспечивая по-настоящему непрерывный мониторинг температуры.
Широкий спектр применения
По мнению команды, такой сенсор пригодится в самых разных ситуациях. Наркоз часто нарушает механизмы терморегуляции и грозит пациенту гипотермией — датчик поможет следить за состоянием и выявлять инфекции как во время, так и после операции. Дома он может контролировать детскую лихорадку, фиксировать базовую температуру тела, сигнализирующую об овуляции у планирующих зачатие пар, а также отслеживать состояние спортсменов, военных и всех, кто рискует оказаться в экстремальных температурных условиях.
Сенсоры испытали на свинье как под наркозом, так и в бодрствующем, подвижном состоянии — в обоих случаях устройство точно определяло и передавало данные о температуре.
Сейчас команда работает над тем, чтобы объединить датчик температуры с сенсорами других показателей — например, частоты сердечных сокращений. Клинические испытания разработчики надеются начать в течение нескольких лет.
Траверсо убеждён, что подобные сенсоры смогут широко использоваться всеми, кому нужно следить за температурой, — при условии, что они докажут эффективность в ситуациях повышенного риска.
«Думаю, это может заменить все термометры, ведь это самый точный способ измерять температуру, — сказал он. — Если у нас есть миниатюрные системы, которые легко проглотить и которые дают очень точные данные, превосходящие нынешние, польза может быть огромной».
