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“结绳记事”打新工,胃肠压力显影踪

编者按:

消化道上肌肉的正常收缩可以保证食物顺畅地流动。失去这种动力会导致多种胃肠道疾病,包括便秘、胃酸倒流、肠易激综合征等。然而当前作为黄金标准的检测手段――高分辨率测压技术存在着生产成本高、使用复杂等局限性。那么是否有其他手段可以替代它呢?

今天,我们将共同关注一种新的检测技术。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

① “结绳记事”的启发

当食物进入消化道时,沿消化道收缩的肌肉会使食物顺畅地流动。失去这种动力会导致胃酸倒流、食物无法从胃中排出或产生便秘现象。

当前,通常通过含有能感知胃肠道收缩的压力传感器的导管,来进行胃肠道动力障碍性疾病的诊断。

不过,最近,麻省理工学院的研究人员设计了一种新设备,该设备或可为现有的胃肠道运动障碍诊断提供更便宜且更易于制造的替代方案,其灵感来自于古老的印加技术 quipu(一种结绳记事的方式)。

这一新设备是一个充满液态金属,并在多处打结的硅胶管。在动物实验中,麻省理工学院的研究人员和他们在布莱根妇女医院的合作者表明,新设备产生的测量结果与最先进的诊断技术――高分辨率测压技术产生的测量结果相似。

麻省理工学院机械工程专业的 Karl van Tassel 职业发展助理教授、布里格姆妇女医院的胃肠病学家,同时也是该项研究的主要作者 Giovanni Traverso 说:“这是一个非常简单、便宜的设备,但是它能完成需要花费数千美元制造的设备以及非常复杂的仪器共同才能完成的测量工作。”

这项研究近期发表在Nature Biomedical Engineering上。

② 诊断胃肠道运动障碍

胃肠道的收缩对食物顺利通过胃肠道至关重要,在任何时候中断这些收缩都可能会导致健康问题。当前,作为黄金标准的测压诊断方法是通过检测肌肉收缩产生的波,来确认胃肠道肌肉是否在正常工作的。

Traverso 说:“高分辨率测压技术可以测量收缩波传播的压力和速度,但是这些系统相当昂贵,大约要耗费数万美元,并且需要维护,而且用于不同的患者之前还要进行消毒。”

受到印加人 quipu 技术的启发,Traverso 和该研究的另一位作者 Kewang Nan 提出了一种更为简单的诊断方法。

Quipu 技术是古代印加人的一种结绳记事的方法,它由以不同方式打结的彩色绳索组成,在开发文字之前,印加人和安第斯山脉地区的其他古人就使用它来记录信息和发送信息。

“我们的目标是制造一种可与现有的、市售的、基于导管的压力传感器相媲美的设备,但同时要能够大幅降低成本,并使其更易于生产和使用。”Nan 说。

研究人员从一个由硅胶制成的简单导管开始,他们在导管中填充了镓-铟共晶(一种无毒的液态金属),并将其两端密封。在未打结的状态下,该管可以响应压力变化,但不够灵敏,难以用于检测胃肠道压力的变化。

然而,当他们沿管子每隔一段距离引入结点时,研究人员发现导管对压力变化变得更加敏感,并且可以检测到高达约 200 毫米汞柱的压力,这大约是人类消化道中最高的压力水平。

正如研究人员使用数值模型所显示的那样,增加的灵敏度是由于结拉长了管子的横截面,使其更容易压缩。此外,当管子打结时,管子的三个或四个部分相互堆叠,这将进一步增强它对压力变化的敏感性。

研究人员还表明,压力敏感性会根据结的类型和系结的紧密程度而有所不同。将其用于消化道中时,研究人员使用了间隔约1厘米的结,以匹配压力计中压力传感器的间距,但在其他应用中可以将它们放置得更近。

在动物模型中,研究人员使用这种受 quipu 启发的传感器,测量了吞咽食物时食道中的压力变化。此外,他们还测量了一种称为直肠肛门抑制性反射(RAIR)的反射。结果显示,对于这两项测试,新设备产生的压力测量值与作为黄金标准的测压技术类似。

③ 更简单的选择

研究人员还表明,这些设备可以承受高温,并且可以在高压灭菌器中进行处理,高压灭菌器是一种常用的医疗器械,用于对物品进行加热和压力消毒。而耐高温这一特性将使这些新设备比现有的测压导管具有优势,因为现有的测压导管不能进入高压灭菌器,所以只能采取化学消毒。

此外,这些设备的制造成本非常低,因此即使没有高压灭菌器,它们也可以作为一次性使用品,在使用后丢弃。

“它们制造起来超级快,而且超级便宜,”Nan 说,“要让消化道压力计变得便宜和易于使用的另一个原因是要促进去中心化的分散诊断。降低成本可以促进这一检测的可及性,而一次性使用则可以通过消除维护成本和降低使用过程中的复杂性来进一步帮助公众接受。"

受 quipu 启发的压力传感器可以在无法获得现有测压技术的地方使用,也可以作为更便宜、更易于使用的测压替代品,用于更工业化的领域。

“我认为这种诊断方法可以广泛应用于发展中国家和发达国家,”Traverso 说,“下一步是确定潜在的合作伙伴来帮助我们制造这些产品,然后在患者身上进行测试。”

原文链接:

https://news.mit.edu/2022/gastrointestinal-diagnostic-quipu-0322

作者|Anne Trafton

编译|拍了花宝贝

审校|617

编辑|豫小鱼