29 شهریور 1401

سنسور بلعیدنی چیست؟

بازدید: 933

29 شهریور 1401

سنسور بلعیدنی چیست؟

بازدید: 933

استفاده از سنسورهای بلعیدنی که به صورت کپسول هستند، به سرعت در حال افزایش است و به عنوان یک تکنولوژی ضروری محسوب ‌می‌شود که قابلیت تاثیرگذاری زیادی در نظام سلامت، تغذیه و معاینه‌های بالینی دارد

سنسورهای بلعیدنی، خوراکی یا قابل خوردن (Ingestible Sensors) المان‌هایی غیر تهاجمی‌هستند. بنابراین، برای پزشکان و بیماران بسیار جذاب و مقبول ‌می‌باشند. به واسطه‌ی دسترسی فراگیر به گوشی‌های هوشمند که به اینترنت متصل ‌می‌شوند، داده‌های تولید شده توسط این تکنولوژی ‌می‌توانند بر روی گوشی‌ها به نمایش دربیایند و به صورت آنلاین دیده شوند تا به سهولت برای پزشکان و بیماران قابل دسترس باشند. این دستگاه‌ها اطلاعات بی نظیری را در مورد وضعیت سلامت معده و روده و بیماری‌های مختلف دستگاه گوارشی در اختیار ما قرار ‌می‌دهند. همچنین، ‌می‌توان تاثیر غذاها، مکمل‌های پزشکی و تغییرات محیطی روی دستگاه گوارشی را مورد بررسی قرار داد.

یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد این سنسورها این است که ‌می‌توانند به‌اندام‌هایی دسترسی پیدا کنند که به سهولت قابل دسترسی نیستند. بنابراین، سنسورهای بلعیدنی ‌می‌توانند از‌ اندام‌های گوارشی عکس برداری کنند و موادی که در قسمت‌های مختلف روده و معده قرار دارند و شامل الکترولیت‌ها، آنزیم‌ها، متابولیت‌ها، هورمون‌ها و میکروب ‌می‌شوند را مانیتور کنند. در این شرایط، اطلاعات با ارزشی در مورد عملکرد و وضعیت سلامت یک انسان به دست ‌می‌آید. این مقاله نگاهی به ساختار دستگاه گوارش دارد و در مورد تکنولوژی‌های موجود برای بررسی دستگاه گوارش اطلاعاتی را ارائه ‌می‌دهد. در این مقاله سعی شده اطلاعات جامعی در مورد کپسول‌های بلعیدنی ارائه شود. ضمنا، علاوه بر تکنولوژی‌های موجود در این زمینه، فیزیولوژی بدن نیز مورد بررسی قرار گرفته و نوع اطلاعاتی که توسط سنسورها تولید ‌می‌شوند، به طور مشروح توضیح داده شده‌است.

المان‌های الکترونیکی پایش بدن

پیشرفت در قطعات الکترونیکی، دستگاه‌های الکترونیکی را ضمن افزایش کارایی، خیلی کوچک کرده که توان تلفاتی کمتری نیز دارند. میکروپروسسورها کاهش‌اندازه قابل توجهی داشته‌اند و در حال حاضر ‌می‌توانند عملکردهای گوناگونی داشته باشند. علاوه بر این، پیشرفت قابل توجه در تکنولوژی‌های ساخت باتری، ظرفیت شارژ باتری‌ها را افزایش داده و باعث شده که ضمن کاهش سایز، باتری مدت بیشتری دوام بیاورد که منجر به تله‌متری با کیفیت بالا و آنالیز داده بسیار دقیق شده که علاوه بر کاهش ابعاد، کاهش توان مصرفی را نیز به ارمغان آورده‌است.

جدا از المان‌های الکترونیکی که بیشترین پیشرفت را در سال‌های اخیر داشته‌اند، با اتکا به پیشرفت‌های علوم اپتیک، مواد و شیمی، در حال حاضر سنسورها عملکرد قابل اعتمادتری دارند و میزان حساسیت‌شان به طرز قابل توجهی افزایش یافته‌است. به علاوه، افزایش کارایی میکروکنترلرهای جدید و پردازش سیگنال به ما اجازه ‌می‌دهد که حتی نویزدارترین سیگنال‌ها را نیز در بازه‌ی زمانی فوق‌العاده کمی‌ بازسازی کنیم.

پیشرفت‌هایی که بیان شد، باعث شده که سنسورهای پوشیدنی الکترونیکی به وجود بیایند که از آن‌ها برای اهداف گوناگونی استفاده ‌می‌شود. مانند ردیاب‌ها، دستگاه‌های مسیریابی، مترهای مغناطیسی و فشارسنج‌ها که در وسایل گوناگونی وجود دارند. اخیرا اغلب دستگاه‌های پوشیدنی بر اساس احساس پارامترهای حیاتی فیزیکی شکل گرفته‌اند که شامل سرعت حرکت و نرخ تنفس ‌می‌شوند یا پارامترهای الکتروفیزیولوژی مانند ECG و EEG. در هر صورت، مارکرهای شیمیایی که با سلامت ارتباط دارند، بسیار مورد توجه هستند. اخیرا پیشرفت قابل توجهی در گسترس سنسورهای الکترومغناطیسی قابل پوشیدن صورت گرفته که این سنسورها ‌می‌توانند متابولیت‌ها و الکترولیت‌های موجود در عرق را تشخیص دهند.

دستگاه‌های پوشیدنی بر اساس احساس سیگنال‌های الکتریکی، تغییرات مکانیکی و دما بنا شده‌اند که موفقیت تجاری بزرگی محسوب ‌می‌شوند. به هر حال، دستاوردهای مشابهی برای تشخیص مواد شیمیایی رخ داده‌است. به عنوان مثال، تشخیص مواد شیمیایی موجود در عرق به تشخیص برخی از بیماری‌ها کمک چشمگیری کرده؛ اما برای اینکه فرایند تشخیص از کیفیت بالایی برخوردار باشد، باید دما و فعالیت بدن را نیز مدنظر قرار داد. برخی سنسورها دارای سوزن‌های کوچکی هستند که پوست را سوراخ ‌می‌کنند و با عبور از لایه اپی درم به طور مستقیم به مایعات بدن دسترسی پیدا ‌می‌کنند.

در هر صورت، مشکلات عملی زیادی در این مورد وجود دارد. از جمله مدت زمانی که این سنسورها ‌می‌توانند داخل پوست دوام بیاورند و میزان درستی‌اندازه گیری‌هایشان. درضمن، ممکن است سوزن‌های کوچک داخل پوست باقی بمانند که باعث ‌می‌شود از محبوبیت این سنسورها به میزان قابل توجهی کاسته شود.

سنسورهای قابل کاشت (implantable)

یکی دیگر از دسته‌های ادوات پایش بدن، دستگاه‌های قابل کاشت ‌می‌باشند. سنسورهای قابل کاشت در برخی موارد بسیار موفق عمل کرده‌اند. به عنوان مثال، تحریک کننده‌های اعصاب. با این وجود، تهاجمی بودن این گونه سنسورها باعث ‌می‌شود تا حد زیادی از محبوبیت آن‌ها در میان بیماران کاسته شود.

3. نمونه‌هایی از سنسورهای قابل کاشت در بدن

اگر بخواهیم به صورت غیرتهاجمی‌ و امن به مایعات بدن دسترسی داشته باشیم، ‌می‌توانیم از سنسورهای قابل بلعیدن استفاده کنیم در این صورت، به دستگاه گوارش دسترسی خواهیم داشت. غشای مخاطی سیستم گوارشی باعث ‌می‌شود که مواد شیمیایی به سرعت در معده و روده عبور و مرور کنند. بنابراین، گروه بزرگی از مارکرهای بیولوژیکی برای‌اندازه‌گیری قابل دسترس خواهند بود.

برخی از این مواد شیمیایی که در داخل دستگاه گوارشی مبادله ‌می‌شوند، شامل الکترولیت‌ها، متابولیت‌ها و آنزیم‌ها ‌می‌شوند. علاوه بر موارد بالا، دستگاه گوارشی ما مامن بسیاری از میکروب‌ها و میکروارگانیسم‌هاست که با فعالیت شان مواد شیمیایی گوناگونی تولید ‌می‌کنند و ‌می‌توانند در وضعیت سلامت دستگاه گوارشی تاثیرگذار باشند.

پیشرفت‌های حاصل شده در سنسورهای بلعیدنی مرهون ترقی‌هایی است که در زمینه الکترونیک و علم مواد صورت گرفته‌است. این پیشرفت‌ها به ما اجازه ‌می‌دهد تا پاسخ سریع‌تری را از سنسورها دریافت کنیم و در عین حال حساسیت، دقت و تشخیص سنسورها را نیز بهبود ببخشیم.

یکی از بزرگ ترین موانع برای ساخت سنسورهای بلعیدنی منبع تغذیه این سنسورها ‌می‌باشد. عمدتا، از باتری استفاده ‌می‌شوند که گاهی اوقات باید برای چند روز شارژ خود را در مسیر گوارشی حفظ کنند. خوشبختانه تکنولوژی‌های ساخت باتری نیز پیشرفت قابل توجهی را تجربه کرده‌اند.

در حال حاضر، کپسول‌های خوردنی ‌می‌توانند اطلاعات جامعی را در مورد شرایط مری، معده و روده در اختیار ما قرار دهند. از جمله، فراهم آوردن تصاویر رنگی از دستگاه گوارش، میزان PH‌اندام‌های گوارشی مختلف،‌اندازه گیری فشار و دما و … بر اساس گزارش‌هایی که از بازار تکنولوژی قرص‌های هوشمند بین سال‌های 2012 تا 2017 به دست آمده و در سایت http;//www.marketsandmarkets.com موجود ‌می‌باشد، این بازار در سال 2017 یک میلیارد دلار سرمایه جمع کرده و روی پایش بی‌سیم بیماران و تصویربرداری تشخیصی تمرکز دارد.

اندام‌های دستگاه گوارشی

دستگاه گوارشی شامل دهان، مری، روده کوچک و روده بزرگ ‌می‌شود. (شکل زیر) روده کوچک نیز به چند بخش تقسیم ‌می‌شود که تفاوت‌های چشمگیر و اساسی با یکدیگر دارند. از جمله دوازدهه (duodenum)، روده تهی (jejunum) و دراز روده (ileum).

برای درک اهمیت و عملکرد سنسورهای بلعیدنی، در ابتدا باید با‌ اندام‌های دستگاه گوارشی آشنا شویم و بیولوژی و ساختار شیمیایی هر کدام را درک کنیم. (شکل پایین) در این بخش، فیزیولوژی ارگان‌های مختلف دستگاه گوارشی نشان داده شده و اهدافی که باید احساس شود، مورد بحث قرار ‌می‌گیرد.

تصاویر‌اندوسکوپی، بخش‌های مختلف دستگاه گوارشی و قسمت‌های مخاطی برای هر بخش (پنل‌های میانی) را نشان ‌می‌دهد. شماتیک قسمت‌های مختلف مخاط برای بخش‌های مختلف دستگاه گوارش در پنل پایین دیده ‌می‌شود. دوازدهه دارای مژک‌های دراز و باریکی ‌می‌باشد. سلول‌های سطحی این ارگان از نوع اپیتلیوم (epithelium) ‌می‌باشد. همچنین مژک‌های فوق العاده کوچکی آنزیم‌های هضم کننده را پخش ‌می‌کنند.

سلول‌های بنیادی، سلول‌های کوچک ترشح کننده مخاط را به وجود ‌می‌آورند که روی مژک‌ها قرار گرفته‌اند. همچنین سلول‌های پانت (Paneth Cells) با مواد آنتی سپتیک (AMPs) در این ناحیه یافت ‌می‌شوند. حداکثر سلول‌های ایمنی روده در بخش مرکزی مژک‌ها موجود ‌می‌باشد. در حالیکه لنفوسیت‌های intraepithelial (IELs) در سطح مژک‌ها به چشم ‌می‌خورند. روده ی بزرگ و روده ی کور (cecum) دارای مژک نیستند و مخاط تنها روی بخش‌های مسطحی از سطح آن‌ها به چشم می‌خورد. سلول‌های جام مانند (Goblet Cells) در این نواحی به وفور به چشم میخورند. اما سلول‌های پانت بسیار نایاب هستند. روده ی بزرگ حتی یک مژک نیز ندارد و وظیفه تولید مخاط برای محافظت از سطح روده تماما برعهده سلول‌های Goblet ‌می‌باشد. سلول‌های پانت و IEL‌ها در روده‌ی بزرگ کمیاب هستند.

فضای دهان

اولین بخش که غذا برای هضم وارد آن ‌می‌شود، دهان ‌می‌باشد. عمل جویدن به همراه ترشح آنزیم‌ها و مواد شیمیایی (جدول زیر را ببینید.) اولین مرحله برای آماده سازی غذا برای جذب شدن توسط بدن ‌می‌باشد. بزاق مایعی است که در دهان یافت ‌می‌شود و از اهمیت فیزیولوژیکی زیادی برخوردار است. چرا که شامل مجموعه ای از الکترولیت‌ها، مخاط، گلبول‌های سفید، سلول‌های اپیتلیال، گلیکوپروتئین و آنزیم‌هایی مانند آمیلاز (Amylase) و Lipase (لیپاز) ‌می‌باشد. به جدول یک نگاه کنید. همچنین آنتی سپتیک‌هایی مانند IgA و Lysozyme نیز در این ناحیه به چشم می‌خورند.

در اینجا آنزیم‌ها ‌می‌توانند کربوهیدرات‌ها را تجزیه کنند تا تبدیل به قندهای ساده‌تری بشوند. همچنین، بزاق دهان شامل KCL ، KH₂PO₄، NaHCO₃، NaCl، MgCl₂(H₂O)₂ و (NH₄)₂(CO₃) ‌می‌باشد بیماری‌های وجود دارند که مختص دهان هستند. مانند زخم‌های دهانی، عفونت‌های قارچی، مشکلات لثه و آفت دهان.

جدول 1- آنزیم‌های هضم کننده معده، مواد هدف آن‌ها و حاصل واکنش‌ها

مایعات و آنزیم‌های هضم کننده	توسط مایعات هضم می‌شوند	نتیجه هضم
بزاق	-	-
آمیلاز	کربوهیدرات‌های زنجیره دراز	کربوهیدرات‌های زنجیره کوتاه
اسید معده	-	-
پپسین	پروتئین	پروتئین های تجزیه شده
مایع لوزالمعده	-	-
Trypsin	پروتئین	پپتید و آمینواسیدها
لیپاز	امولسیون‌کننده مایع صفرا با چربی‌ها	گلیسرول و اسیدهای چرب
آنزیم‌های روده	-	-
peptidases	پتیدها	آمینو اسیدها
ساکاریز	ساکاروز	گلوکوز و فرکتوز
اکتیز	لاکتوز	گلوکوز و گلاکتوز
مالتیز	مالتوز	گلوکوز

با بررسی دهان به چه نتایجی می‌توان رسید؟

بررسی شرایط دهان ‌می‌تواند به سهولت توسط پزشکان عمو‌می‌ انجام بگیرد تا انواع و اقسام آفت، زخم غیرعادی و التهاب تشخیص داده شود. خوشبختانه برای بررسی دهان نیازی به روش‌های تهاجمی نمی‌باشد. همچنین ‌می‌توان نمونه DNA را از بزاق استخراج کرد. در ضمن، گاهی اوقات، مواد موجود در بزاق خبر از شرایط درونی و متابولیسم بدن ‌می‌دهند و به وضوح ‌می‌توان عدم تعادل الکترولیت‌های بدن را از بزاق دریافت. به علاوه، مشکلات هورمونی، سرطان، عفونت‌هایی مانند HIV و هپاتیت ویروسی و انواع آلرژی‌ها نیز قابل تشخیص هستند. البته استفاده از بزاق به عنوان مارکر بیولوژیکی مشکلاتی را به همراه دارد. یکی از مشکلات این است که غلظت مواد موجود در بزاق فوق العاده پایین است و آنالیز آن چندان قابل اعتماد نیست.

از بررسی مری چه نکاتی به دست خواهد آمد؟

مری، دهان را به معده متصل ‌می‌کند. به طور کلی حرکت غذا در مری بسیار سریع ‌می‌باشد. (در حد چند ثانیه) و هضم غذا در این ناحیه بسیار کم ‌می‌باشد. به هر حال، مشکلات گوارشی بی‌شماری این ناحیه را تحت تاثیر خودش قرار ‌می‌دهد؛ مانند رفلکس معده.

یکپارچه بودن دیواره ی مری از اهمیت زیادی برخوردار است و اکثر کپسول‌های تصویربرداری، توموگرافی‌های اپتیکال و سیستم‌های‌اندوسکوپی طوری طراحی شده‌اند که التهاب و زخم این ناحیه را تشخیص ‌می‌دهند. به علاوه، مخاط مری برای تشخیص بیماری‌هایی که کیفیت مخاط را تحت تاثیر قرار ‌می‌دهند، مورد آزمایش‌می‌گیرند. از جمله این بیماری‌ها ‌می‌توان به التهاب eosinophilic مری اشاره کرد.

معده

معده عضلانی، تو خالی و قابل انعطاف ‌می‌باشد که در بالای روده‌ها و زیر دیافراگم واقع شده‌است.(شکل 4) و لوزالمعده در جلوی آن قرار دارد. لوزالمعده آنزیم‌هایی که برای هضم غذا مورد نیاز هستند را تولید ‌می‌کند. اسید (HCl) که توسط غدد معده ترشح ‌می‌شود، PH این ناحیه را پایین نگه ‌می‌دارد (شکل زیر – A) تا غذاها به راحتی هضم شوند. همچنین، اسیدها ‌می‌توانند برخی از باکتری‌ها که از طریق غذا به معده نفوذ کرده‌اند را نابود کند. غده‌های دیواره معده (شکل 2) آنزیم‌ها و اسیدهایی را ترشح ‌می‌کنند.(جدول1) تا به هضم غذا کمک کنند. البته معده، ترکیبات شیمیایی فراوانی را ترشح ‌می‌کند. مانند لیپاز (Lipase) و پروتئاز (Protease). در ضمن، هورمون‌هایی مانند گاسترین (Gastrin)، هیستامین (Histamine)،‌اندورفین (endorphin)، سروتونین (Serotonin) و … نیز در این ناحیه ترشح ‌می‌شوند.

مایع معده ترکیبی از اسیدکلریک (HCl)، پتاسیم کلراید (KCl) و سدیم کلراید (NaCl) ‌می‌باشد. در ضمن، یک نوع باز به نام بی کربنات روی سطح معده قرار دارد تا آن را از محیط اسیدی مصون بدارد. در معده غذا توسط انقباضات شکمی‌ هم زده ‌می‌شود. برخی از مواد غذایی ‌می‌توانند از طریق مخاط معده جذب شوند. مانند آب، داروهایی با مولکول‌های کوچک، آمینو اسیدها و متانول و کافئین. شایع‌ترین بیماری‌های معده سرطان، التهاب و زخم معده ‌می‌باشد که اکثرشان به واسطه عفونتی که توسط هلیکوباکتر (Helicobacter Pylori) حادث ‌می‌شود، رخ ‌می‌دهند.

متابولیت‌هایی مانند رتینوئیک اسید (Retinoic Acid) و گیرنده آریل هیدروکربن (Aryl Hydrocarbon receptor) (AHR) در معده و با غلظت بالاتر در روده کوچک به چشم میخورند. رتینوئیک اسید یکی از متابولیت‌های ویتامین A (رتینول) ‌می‌باشد که در ساخت ویتامین A نقش دارد. ویتامین A نیز به رشد و تکثیر سلول‌ها کمک ‌می‌کند. AHR در تنظیم پاسخ‌های بیولوژیکی به هیدروکربن‌ها نقش دارد و در مسیرهای سیستم لنفاوی، سلول‌های T و نورون‌ها مشاهده ‌می‌شود.

در معده چه المان‌های مهمی‌ برای تشخیص وجود دارد؟

کیفیت اسید معده از اهمیت زیادی برخوردار است. پارامترهایی مانند PH، غلظت متابولیت‌ها، تولید الکترولیت‌ها (مانند بی کربنات) و آنزیم باید مورد پایش و‌اندازه‌گیری قرار بگیرند. همچنین کیفیت مخاط، زخم‌های احتمالی و آنومالی‌های موجود نیز تشخیص داده شوند و در صورت وجود هلیکوباکتر که عامل اکثر زخم‌ها و مشکلات معده است، پزشکان را آگاه سازند.

چه مواردی برای تشخیص در روده کوچک وجود دارند؟

طول روده‌ی کوچک (Small Bowel) بین 3 تا 11 متر ‌می‌باشد. اما به طور میانگین، 6 متر ‌می‌باشد که قطری بین 2.5-3 سانتی متر دارد. این بخش به 3 بخش مجزا تقسیم می‌شود: دوازدهه، روده تهی و دراز روده. (شکل 4)

دوازدهه کوتاه ترین بخش روده کوچک ‌می‌باشد که در مجاورت پانکراس، کیسه صفرا و کبد (شکل 4) قرار دارد. پانکراس آنزیم هضم کننده ای را تولید ‌می‌کند که در جدول 1 نام برده شده و کیسه صفرا تولید صفرا را بر عهده دارد. صفرا مایعی به رنگ سبز تیره یا قهوه ای مایل به زرد است که شامل بیلی روبین، کلسترول، اسیدهای چرب، لیسیتین و نمک‌های غیرارگانیک است. (در این جا منظور موادی است که در ساختارشان کربن مشاهده نمی‌شود.)

همچنین غدد برانر (Brunner’s Glands) در دوازدهه مشاهده ‌می‌شوند و در خنثی سازی اسیدی که از معده به این قسمت سرازیر شده نقش دارند. دوازدهه، هورمون‌هایی را ترشح ‌می‌کند که باعث ‌می‌شود کبد و کیسه صفرا، آنزیم‌های هضم کننده و صفرا تولید کنند. همچنین، دوازدهه قادر به تولید هورمونی به نام سکرتین (Secretin) ‌می‌باشد که نشانگر رهاسازی سدیم بی کربنات برای رساندن PH ناحیه به 7 ‌می‌باشد.

سپس به روده تهی ‌می‌رسیم که تقریبا 2.5 متر طول دارد و لایه ی مخاطی آن مژک‌های بسیار کوچکی دارد (شکل1) که نرخ سطح به حجم را افزایش ‌می‌دهند. شکرهای ساده، آمینواسیدها و اسیدهای چرب در این ناحیه جذب ‌می‌شوند.

بخش نهایی روده کوچک، دراز روده ‌می‌باشد که طول آن به 3 متر ‌می‌رسد. در این ناحیه بخش اعظ‌می‌از اسیدهای صفرا جذب ‌می‌شوند. مژک‌هایی که در این ناحیه وجود دارند، به هضم غذا و جذب شدن آن کمک ‌می‌کنند. (در این ناحیه اسیدهای چرب، شکرهای ساده مانند گلوکوز و فروکتوز، گلیسرول و … جذب ‌می‌شوند.) آنزیم‌های هضم کننده در روده ی کوچک، شامل پروتئین‌های کاتالیز (مانند پپسین (Pepsin))، لیپیدها (مانند لیپاز (lipase)) و کربوهیدرات‌ها (مانند Glucoamylase و Dextrinase)) ‌می‌شوند.

در روده تهی به طور نرمال تراکم میکروب <10⁵CFU/mL‌می‌باشد و در دراز روده تراکم میکروب به 10⁷ ‌می‌رسد. باکتری‌های گوناگونی در روده کوچک زندگی ‌می‌کنند که لیست کوتاهی از آن‌ها در شکل (4) نشان داده شده. باکتری‌های دستگاه گوارشی به صورت مسالمت آمیز در این ناحیه زندگی ‌می‌کنند و از فیبرهای هضم نشده برای تولید اسیدهای چرب زنجیره کوتاه (SCFAs) استفاده ‌می‌کنند که این اسیدهای چرب توسط مخاط روده بزرگ، دراز روده و دوازدهه جذب ‌می‌شوند.

همچنین، باکتریها ‌می‌توانند سبب تولید گازهایی شوند که ناشی از تخمیر فیبرها و فعالیت شان ‌می‌باشد. این گازها، ‌می‌توانند توسط مخاط یا مسیرهای مختلف جذب شوند. اما بخش اعظم این گازها از طریق رکتوم دفع ‌می‌شوند.

تقریبا بین 10 تا 15 درصد جمعیت دنیا در طول زندگی شان مبتلا به بیماری‌های مربوط به روده کوچک ‌می‌شوند. رشد بیش از‌اندازه باکتری‌ها، سندرم روده تحریک پذیر (IBS)، مشکل در جذب کربوهیدرات‌ها و انواع مختلف سرطان از جمله بیماری‌های روده ی کوچک ‌می‌باشد.

بالانس الکترولیت‌ها، گازها و متابولیت‌ها، پارامترهای ارزشمندی برای ارزیابی عملکرد هر بخش از روده کوچک ‌می‌باشد. یکپارچگی مخاط و زخم‌ها و التهاب‌های احتمالی، فاکتورهای پراهمیتی ‌می‌باشند که از طریق عکس برداری ‌می‌توانند مورد پایش قرار بگیرند. همچنین، تراکم باکتری‌ها و پروفایل taxonomic به ارزیابی میکروب‌های موجود در روده کوچک کمک ‌می‌کند.

در روده بزرگ چه چیزی برای تشخیص وجود دارد؟

در ابتدای روده بزرگ (Colon)، بخش روده کور قرار گرفته که ابتدا کمی‌ بالا ‌می‌رود و سپس به سمت پایین متمایل ‌می‌شود تا به رکتوم و محل دفع متصل شود. (شکل 4) روده بزرگ 1.5 متر طول دارد و غلظت باکتری‌ها در این ناحیه بین 10¹⁰CFU/ml تا 10¹²CFU/ml ‌می‌باشد. روده بزرگ، آب و باقی مانده مواد را جذب ‌می‌کند و مواد غیرقابل هضم به رکتوم سرازیر ‌می‌شوند. در این ناحیه، بین 1000 تا 1150 گونه باکتری مختلف وجود دارد. (شکل 4) همچنین، تغییر رژیم غذایی باعث ایجاد تغییر در گونه‌های باکتری‌های موجود در دستگاه گوارش ‌می‌شود. محیط روده ی بزرگ دارای هوا نیست (anaerobic). (Figure 6-A) بنابراین، در این ناحیه باکتری‌های غیرهوازی به رشد و تکثیر ‌می‌پردازند.

3 SCFA اصلی (butyrate, propionate, acetate) که توسط باکتری‌های روده بزرگ تولید ‌می‌شوند، سدیم روده و جذب مایع را تحریک ‌می‌کنند. (شکل 6B را ببینید.) همچنین این مواد به تکثیر سلول‌های اپیتلیال دستگاه گوارشی کمک ‌می‌کنند. Acetate ‌می‌تواند جریان خون روده بزرگ را بهبود ببخشد که متعاقبا باعث افزایش تحرکات دستگاه گوارشی خواهد شد. Butyrate به رشد سلول‌های اپیتلیال کمک ‌می‌کند.

اگر در رژیم غذایی، فیبر به میزان کافی موجود نباشد، غلظت butyrate کم خواهد شد و در نتیجه بیماری‌های روده بزرگ شایع ‌می‌شود. همانند تخمیری که در روده کوچک رخ ‌می‌دهد، گازهایی در روده بزرگ نیز ساخته ‌می‌شوند و غلظت این گازها خیلی بیشتر از گازهایی است که در روده کوچک تولید ‌می‌شود.

آنالیز مدفوع به تشخیص بسیاری از بیماری‌ها کمک خواهد کرد. به عنوان مثال، عفونت ویروسی، انگلی یا باکتریایی،، جذب نامناسب غذا یا سرطان ‌می‌تواند از طریق آزمایش مدفوع تشخیص داده شود. وجود خون، چربی، پروتئین و فیبر در مدفوع امری غیر نرمال ‌می‌باشد که نشان دهنده عملکرد نادرست و عیب در یکی از اعضای دستگاه گوارش ‌می‌باشد. همچنین، حالت الکترولیت‌های روده بزرگ در ارزیابی عملکرد آن بسیار مهم ‌می‌باشد.

کولونسکوپی (colonoscopy) روش خوبی برای ارزیابی مخاط روده بزرگ و سطح آن ‌می‌باشد و به وسیله آن ‌می‌توان التهاب یا زخم را تشخیص داد. بررسی ترکیب ژنی میکروب‌های موجود در این ناحیه و آنالیز آن‌ها برای تشخیص بسیاری از بیماری‌ها ضروری ‌می‌باشد.

کولونسکوپی (colonoscopy)

فاکتورهای مهم طراحی سنسور بلعیدنی

فاکتورهای زیادی وجود دارند که در طراحی سنسورهای بلعیدنی و کپسول‌های الکترونیکی باید مدنظر قرار بگیرند. این فاکتورها، شامل ابعاد فیزیکی، آیرودینامیکی و تراکم ‌می‌شوند که بلعیدن این دستگاه‌ها را راحت ‌می‌کند. همچنین، حرکت پسیو یا اکتیو دستگاه و مقاومت آن در برابر اسید معده باید مورد توجه قرار بگیرد.

فاکتورهای مهم برای حسگرهای قابل بلعیدن عبارتند از:

ارسال تصاویر با کیفیت
انتقال داده از کپسول‌ها به یک گیرنده خارجی
طول عمر باتری
توان مصرفی کم

همچنین، موادی که برای ساخت کپسول مورد استفاده قرار گرفته باید با بدن سازگار باشند. در این بخش به نیازهای کلی سنسورهای قابل بلعیدن برای داشتن عملکردی دقیق و با دوام خواهیم پرداخت.

منابع تغذیه سنسور بلعیدنی

بازه زمانی عملکرد دستگاه باید کافی باشد. در ضمن، سنسور علاوه بر جمع کردن اطلاعات، باید قادر به ارسال آن نیز باشد. توان مصرفی سنسورهای قابل بلعیدن باید تا حد ممکن پایین باشد. اکثر سنسورهای خوراکی موجود در بازار از باتری‌های اکسید نقره که شبیه به سکه هستند استفاده ‌می‌کنند. این باتری‌ها ‌می‌توانند اختلاف پتانسیل 3 ولت با ظرفیت 80mAh داشته باشند و 8 میلی متر قطر و 2.5 میلی متر ضخامت دارند.

باتری‌های لیتیوم یون ظرفیت بالاتری دارند. اما در برخورد با اسید معده مشکلاتی را برای انسان به وجود ‌می‌آورند. به همین دلیل، برای اینگونه مقاصد مناسب نیستند. به طور کلی، باتری‌های زیادی در کپسول‌ها مورد استفاده قرار ‌می‌گیرند. برخی از این باتری‌ها ‌می‌توانند 8 ساعت دوام بیاورند که در این بازه زمانی به اکثر قسمت‌های روده کوچک دست یافته‌اند.

ارتباطات حسگرهای خوراکی

پهنای باند گسترده برای کپسول‌های تصویر بردار مورد نیاز ‌است. چرا که این کپسول‌ها باید داده‌های زیادی را مورد پردازش قرار دهند و سپس آن‌ها را ارسال کنند. در این کپسول‌ها، کیفیت بالای تصاویر و نرخ فریم بالا بسیار مهم ‌می‌باشد. به طور کلی از سیستم‌های فشرده کننده عکس برای کاهش حجم عکس‌ها و افزایش سرعت تبادل اطلاعات استفاده ‌می‌شود. برخی از کپسول‌ها دارای پهنای باند 433MHz هستند که ‌می‌توانند داده را با سرعت 2.7Mb/s ارسال کنند.

این طور به نظر ‌می‌رسد که این فرکانس یکی از مناسب‌ترین فرکانس‌ها ‌می‌باشد. چرا که امواج الکترومغناطیسی با این فرکانس ‌می‌توانند با حداقل افت توان از‌ اندام‌های بدن عبور کنند. رمزنگاری داده‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است تا اطلاعات بیماران به بیرون درز نکند. همچنین، تلاش‌هایی برای افزایش نرخ انتقال داده صورت گرفته و اگر فرکانس حامل افزایش یابد، متعاقبا نرخ انتقال نیز افزایش پیدا خواهد کرد. به علاوه، انواع مختلفی از آنتن‌ها ‌می‌توانند درون کپسول قرار بگیرند.

میکروکنترلر پراسسورهای سنسور بلع

میکروکنترلر و پردازندهها مسئولیت فرستادن دستورات به سنسورها و فرستنده‌ها را بر عهده دارند. در کپسول‌های دارای دوربین، پردازنده‌ها تصاویر را فشرده ‌می‌کنند تا از پهنای باند استفاده بهینه‌تری به عمل بیاید و انتقال داده مطمئن تر باشد. پردازنده‌ها ‌می‌توانند بر اساس نیاز به صورت سفارشی طراحی شوند.

کلید روشن و خاموش

معمولا از سوییچ‌های مغناطیسی برای روشن کردن دستگاه پیش از فرستادن آن به بدن استفاده ‌می‌شود.

روکش سنسورهای بلعیدنی

روکش دستگاه‌های الکترونیکی قابل بلعیدن باید از موادی ساخته شود که با شرایط بیولوژیکی بدن سازگاری داشته باشند و در طول مسیرشان در دستگاه گوارشی دچار تغییرات نشوند. اگر سنسورهای شیمیایی مورد استفاده قرار ‌می‌گیرند، باید دارای غشایی باشند که به ماده‌ی هدف اجازه نفوذ دهد و تعادل سریع بین محیط دستگاه گوارشی و محیط پیرامون سنسورها برقرار گردد.

سنسورها

سنسورهایی که برای تشخیص پارامترهای شیمیایی یا فیزیکی مورد استفاده قرار ‌می‌گیرند، نحوه عملکرد کپسول‌های الکترونیکی قابل بلعیدن را تعیین ‌می‌کنند. انواع مختلف سنسورها و مدار راه اندازشان که در کپسول‌های زیادی مورد استفاده قرار ‌می‌گیرد، با جزئیات بیشتری در بخش کاربردها شرح داده ‌می‌شود.

حرکت پسیو یا اکتیو کپسول‌ها

اکثر کپسول‌های قابل بلعیدن حرکتی پسیو در دستگاه گوارشی دارند. ارتباط مستقیم و قوی ای بین گذر مواد غذایی و کپسول‌ها در معده وجود دارد. در هر صورت، ‌می‌توان از راه دور، حرکت دستگاه‌های قابل بلعیدن را در دستگاه گوارشی کنترل نمود. همچنین، باید این قضیه را در نظر داشت که حرکات در مسیر گوارشی غیرقابل پیش بینی هستند. بنابراین، ممکن است تشخیص را در 20 درصد موارد دچار خطا کنند. برای حل این مشکل کنترل اکتیو کپسول‌های الکترونیکی در نظر گرفته شده.

یکی از متدهای رایج برای کنترل اکتیو سنسور، استفاده از یک آهنربای دائمی‌ داخلی در کپسول است که به ژنراتور میدان مغناطیسی خارجی پاسخ ‌می‌دهد. این سیستم ‌می‌تواند برای هدایت کنترل و چرخش کپسول مورد استفاده قرار بگیرد و حتی تصویربرداری در 360 درجه را تجربه کنیم. این نوع کپسول‌ها، توسط کمپانی‌هایی مانند زیمنس (siemens)، اولیمپوس (Olympus) و جینشان (Jinshan science and technology) ساخته شده‌اند.

مکان یابی کپسول‌های الکترونیکی

داشتن اطلاعات دقیق از موقعیت و جهت کپسول هنگا‌می‌که در مسیر گوارشی حرکت ‌می‌کند بسیار مهم خواهد بود تا قادر باشیم پروفایل سنسور یا تصویر را آنالیز کنیم و اطمینان حاصل شود که پارامترها به درستی با محل کپسول گوارشی تطابق دارد.

میدان‌های مغناطیسی و آرایه‌های آنتن برای مکان یابی کپسول مورد استفاده قرار ‌می‌گیرند و ‌می‌توان از آهنرباهای دائمی‌ یا مقاومت‌ها با خاصیت مغناطیسی استفاده نمود. همچنین، ‌می‌توان سیم پیچ‌هایی را در کپسول‌ها جایگزین نمود تا به یک میدان الکتریکی مغناطیسی خارجی پاسخ دهند.

همچنین، مکان یابی ‌می‌تواند بر اساس امواج مغناطیسی منتشر شده یا جذب شده انجام بگیرد. امواج الکترومغناطیسی در فرکانس‌های مختلف از اشعه X گرفته تا فرکانس‌های رادیویی ‌می‌توانند توسط کپسول یا فرستنده‌ها ساطع شوند. البته اگر فرکانس امواج از حد معینی تجاوز کند، انرژی امواج افزایش چشمگیری پیدا ‌می‌کند که ‌می‌تواند به بدن آسیب برساند. بنابراین، معمولا از امواج فراصوت برای تشخیص محل کپسول استفاده ‌می‌کنند. متد دیگر برای مکان یابی دستگاه قابل بلعیدن، بهره بردن از پارامترهای محیطی ‌می‌باشد که ‌می‌تواند با عبور سنسور از یک نقطه به نقطه ی دیگر تغییر کند. همان طور که در گذشته دیدیم (شکل 6A) محیط دستگاه گوارش شرایط متفاوتی را از نظر میزان PH و اکسیژن تجربه ‌می‌کنند. بنابراین، سنسورهای اکسیژن، PH و پروفایل خروجی ‌می‌توانند در داخل کپسول‌ها مجتمع شوند تا گذر کپسول از یک ناحیه به ناحیه دیگر را احساس کنند.

جذب کپسول‌ها توسط بدن و میزان امنیت آن‌ها

عدم دفع کپسول در افراد سالم معمولا گزارش نمی‌شود. در افراد سالم، بسته به غذای مصرفی یک هفته طول ‌می‌کشد تا کپسول از بدن دفع شود. کپسول‌هایی با قطر کمتر از 11mm و طول کمتر از 28mm بسیار امن هستند و گیر نخواهند کرد.

به هر حال، نرخ ضبط کپسول توسط بدن، در بیماران با مشکلات گوارشی تفاوت شایانی با افراد سالم دارد. ممکن است موانعی در روده وجود داشته باشد که باعث شود کپسول به آن‌ها گیر کند و ضمن ماندن در روده، مسیر روده را تنگ تر کند که در این صورت، ممکن است شرایط مخاطره آمیزی برای بیمار رقم بخورد.

گزارشی از کمپانی‌های ساخت کپسول نشان ‌می‌دهد که در 0.33 در صد موارد کپسول داخل بدن گیر کرده است. به این معنا که از هر 6000 بیمار کپسول در بدن 20 نفر گیر کرده. گیر کردن کپسول ممکن است مشکل جدی برای بیمارانی باشد که دچار گرفتگی در مسیر گوارشی شان هستند. کپسول‌ها برای استفاده در افرادی که از باتری قلب استفاده ‌می‌کنند مناسب نیست. چرا که با میدان مغناطیسی خود ‌می‌توانند در کار باتری قلب اخلال ایجاد کنند و در نتیجه، قلب دچار آریتمی‌ شود.

کاربرد سنسورهای بلعیدنی

همان طور که در بخش قبل به آن پرداخته شد، المان‌های فیزیکی و شیمیایی زیادی وجود دارند که ‌می‌توانند در مسیر گوارش احساس شوند.

نوعی از سنسورهای قابل بلع وجود دارند که برای‌اندازه گیری پارامترهای فیزیکی مانند دما و فشار ساخته شده‌اند. همچنین، اجزای شیمیایی و بیوشیمیایی زیادی وجود دارند که وابسته به تعادل در عملکرد سیستم گوارشی هستند. مارکرهای مهمی‌ که باید مورد پایش قرار بگیرند عبارتند از: الکترولیت‌ها که باید PH مناسب برای محیط دستگاه گوارشی را حفظ کنند؛ متابولیت‌های هضم و تخمیر مواد غذایی که نقش مه‌می‌را در عملکرد بدن و سیستم گوارشی بازی ‌می‌کنند؛ آنزیم‌ها که کاتالیزور فرایند هضم غذا هستند و عملکردهای مختلفی در دستگاه گوارشی دارند. به علاوه، گونه‌های مختلفی از میکروب در دستگاه گوارشی زیست ‌می‌کنند. سنسورهای قابل بلعیدن ‌می‌توانند به طور مستقیم تمام موارد بالا را‌ اندازه‌گیری کنند و فعالیت و محصولات باکتری‌ها را نیز مورد پایش قرار دهند.

سنسورهای قابل بلعیدن ‌می‌توانند همراه با غذا یا نوشیدنی بلعیده شوند تا عملکرد و هضم غذا را مورد بررسی قرار دهند. این نوع سنسورها، ممکن است قبل از مصرف به آماده سازی خاصی نیاز داشته باشند. به عنوان مثال، دستگاه گوارشی باید از مواد غیر شفاف عاری باشد. به همین دلیل، چند روز پیش از مصرف کپسول جز مایعات نباید غذای دیگری مصرف شود.