堪稱(chēng)“體內CPU”的微型醫療設備，可以讓醫生自定義診斷方式

不同于現有的微型醫療設備，ATOMS更像是一臺在人體內的微型“主機”，讓你根據需要選擇使用其相應的功能。

關(guān)注醫療方面最新科技動(dòng)態(tài)的人都熟知，此前已有技術(shù)可以實(shí)現“智能藥丸”，即醫療人員可以根據需要治療的位置，設定好其藥物打開(kāi)時(shí)間，然后讓藥丸順著(zhù)腸胃蠕動(dòng)，到目標處擴散藥效，以實(shí)現針對性治療，從而減少藥物對身體的傷害。

但是一直以來(lái)最困難的地方在于，無(wú)法實(shí)現對身體病發(fā)處的精準定位和藥物在體內狀況的實(shí)時(shí)監測。目前，即便借助于植入體內的微型醫療設備，也無(wú)法脫離線(xiàn)的控制，因此無(wú)論從操作難度上還是治療效果上，選用“智能藥丸”進(jìn)行定向治療，目前來(lái)看都不是一項優(yōu)選。

而近日，加州理工大學(xué)對外表示，他們借鑒了核磁共振成像（MRI）原理，研制出了一款名為ATOMS的微型醫療設備，可以解決使用“智能藥丸”中遇到的這一問(wèn)題。此外，醫療人員可以根據治療需要，通過(guò)無(wú)線(xiàn)操控設置該設備，以讓其對身體病痛處進(jìn)行精確定位或實(shí)時(shí)監測身體狀況。

MRI原理

關(guān)于MRI的原理，首先需要知道的是，人體是由原子組成，其中每個(gè)原子都有自己的震動(dòng)頻率。人體內水的含量最多，而水含有氫原子，所以核磁共振主要就是依靠氫原子來(lái)成像。

因為人體內每個(gè)原子由電子環(huán)繞，故都可看做小磁鐵，而平常人體的氫原子都是無(wú)序地震動(dòng)，且由于各方向磁性相互抵消，所以人體整體不體現磁性。

當把人體置于一個(gè)強的外磁場(chǎng)中，氫原子雖然仍按照自己的頻率震動(dòng)，但方向與外界磁場(chǎng)保持一致，整體上體現磁性。此時(shí)，加入一個(gè)射頻脈沖，那么與射頻脈沖頻率相同的氫原子就會(huì )產(chǎn)生共振，于是其振幅變大，相位也會(huì )產(chǎn)生改變，而其他沒(méi)有產(chǎn)生共振的氫原子相對來(lái)說(shuō)振幅很小。當這個(gè)射頻脈沖消失后，這些共振的氫原子會(huì )慢慢恢復到原來(lái)的相位和幅度，在恢復過(guò)程中會(huì )發(fā)射出信號，而我們可以利用這個(gè)信號畫(huà)出人體圖像。

此處值得注意的一點(diǎn)是，關(guān)于發(fā)出信號氫原子位置的確定。磁共振圖像一般是512*512像素，而我們需要知道每一個(gè)像素的值才能畫(huà)出人體器官的斷面圖像，確定一個(gè)像素的位置，需要知道每一個(gè)像素點(diǎn)的三維坐標值。所以磁共振在X、Y、Z軸分別采用三個(gè)線(xiàn)性變化的梯度磁場(chǎng)，讓不同頻率的原子以一定梯度產(chǎn)生共振，從而輔助確定每一個(gè)像素點(diǎn)的位置。

ATOMS器件

ATOMS，即磁旋轉操作的可尋址發(fā)射機，該種微型醫療設備利用的原理恰恰就是磁共振成像中的一個(gè)關(guān)鍵性原理，即梯度磁場(chǎng)會(huì )使不同位置的原子在不同的頻率下共振，從而據此分辨出不同原子的位置。此處，研究人員要讓ATOMS充當的角色就是“原子”。

據了解，該硅芯片包含一組集成的傳感器、諧振器和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，使其可以模擬具有磁共振性質(zhì)的原子。

對此，研究人員Shapiro表示：“我們希望將此原理運用到ATOMS芯片上，然后讓其進(jìn)入體內，這樣就可以通過(guò)操控，讓體內的ATOMS器件以設定的頻率發(fā)出射頻脈沖。此處，我們可以讓外部磁場(chǎng)與ATOMS的脈沖頻率相同，使ATOMS產(chǎn)生共振，以此識別該器件在體內的位置；或者該芯片本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以讓其周?chē)耐l原子共振，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸，我們就可以監測該器件附近的人體組織狀況。”

關(guān)于A(yíng)TOMS核心芯片的工程設計，研究人員Emami指出：“在不改變集成芯片的數量的情況下，除了縮小芯片的大小，我們還希望該芯片的功耗非常小，這在工程制造上是一個(gè)很大的挑戰。我們必須得仔細平衡好設備大小、消耗功率及精確定位這三項因素，以使該芯片發(fā)揮最佳性能。”

據了解，已經(jīng)在小鼠體內測試過(guò)的原始芯片的表面積為1.4平方毫米，比一分錢(qián)小250倍，它目前包含磁場(chǎng)傳感器、集成天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)供電裝置和基于磁場(chǎng)強度可調整其射頻信號的無(wú)線(xiàn)傳輸電路。

現狀與未來(lái)

對于該芯片，研究人員表示，目前的芯片功能是最初級的，隨著(zhù)不斷的完善，它將會(huì )被打造為一種微型機器人，可以用于監測患者的胃腸道、血液或大腦，反映患者的健康狀況，或用于指示精確位置輔助針對性治療，即利用“智能藥丸”。

對此，Shapiro解釋道：“您可以使用數十個(gè)不同的設備在身體周?chē)鷮ι眢w的不同參數狀況進(jìn)行監測，但是體內一個(gè)ATOMS就可以實(shí)現精準定位并與外界輕松連接和傳輸所需要的信息。與傳統的微型設備相比，該設備實(shí)現了真正意義上的集成功能，使未來(lái)的治療過(guò)程和監測過(guò)程更加方便和精準。”

總結

對于A(yíng)TOMS，研究參與者M(jìn)onge這樣評價(jià)道：“ATOMS是獨特的，因為它的運行原理使其要遠遠優(yōu)于現有的任何微型設備。此外，工程上將所有組件集成到非常小的設備中，同時(shí)保持低功耗也是前所未有的挑戰。”

暫且不論該芯片技術(shù)上的成就，單就芯片的原理這一項亮點(diǎn)，筆者就認為ATOMS已經(jīng)十分出彩，還是十分期待該芯片最終可以為現有的醫療器械水平帶來(lái)一種質(zhì)的變化，讓醫療領(lǐng)域也變得更加智能化，同時(shí)協(xié)助實(shí)現真正意義上的“定向治療”。

在《自然生物醫學(xué)工程》雜志9月刊上有關(guān)于該新設備的詳細信息，主要作者是Emami實(shí)驗室的博士生Manuel Monge。

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