اولین گزارش در مورد کپسول‌های الکترونیکی قابل بلعیدن در سال 1957 توسط جاکوبسن و ماکای (Jacobson and Mackay) به رشته تحریر درآمد. این کپسول‌ها از فرکانس‌های RF برای خواندن دما و فشار استفاده می‌کردند
سنسورهای دهانی – سیستم‌های تشخیص ثابت
اولین اندام دستگاه گوارشی دهان می‌باشد. همان طور که در مقاله قبلی سنسورهای بلع به آن پرداخته شد، بزاق اولین ماده‌ای است که بررسی آن حائز اهمیت می‌باشد. بزاق حاوی آنزیم‌ها و الکترولیت‌های مخصوصی می‌باشد. سنسورهای مخصوص بزاق می‌توانند در دهان برای مدت زیادی نگه داشته شوند. سنسورهای دهانی نیازی به قابل بلع بودن ندارند. اما از آنجایی که قصد داشتیم دستگاه گوارشی را به کلی مورد بررسی قرار دهیم، این سنسورها را در این مقاله گنجاندیم.
بسیاری از دستگاه‌هایی که برای آنالیز دهان مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای روکش هستند. (شکل A). المان‌های الکترونیکی که شامل باتری‌ها، میکروکنترلرها و گیرنده و فرستنده‌ها می‌شوند، همگی در داخل روکش قرار می‌گیرند. تحقیقات نشان داده که این نوع تکنولوژی می‌تواند مواد شیمیایی در دهان مانند اوریک اسید و میزان PH را‌اندازه گیری کنند. برخی سنسورهای دهانی، بیوسنسور نام دارند که از مواد خوردنی تشکیل شده‌اندو می‌توانند جمعیت میکروب‌ها در غذا یا دهان را تشخیص دهند.
تصویربرداری با کپسول‌های قابل بلع و مجهز به سنسور
اولین گزارش در مورد کپسول‌های الکترونیکی قابل بلعیدن در سال 1957 توسط جاکوبسن و ماکای (Jacobson and Mackay) به رشته تحریر درآمد. این کپسول‌ها از فرکانس‌های RF برای خواندن دما و فشار استفاده می‌کردند. از ابتدا، هدف بر این بود که کپسول‌ها تا جای ممکن کوچک (33 میلی متر طول) باشند تا قادر باشند به صورت پسیو در مسیر گوارشی حرکت کنند. اما تا مدت‌ها هیچ گزارشی در مورد استفاده از این کپسول‌ها برای انسان‌ها در دسترس نبود. سرانجام، در اوایل دهه 90 میلادی، هنگا‌می‌که سایز قطعات الکترونیکی کاهش قابل ملاحظه‌ای داشت، این المان‌ها برای انسان‌ها نیز به کار گرفته شدند.
کپسول‌های تصویربرداری
دستگاه‌های اندوسکوپی (endoscopy)، رایج‌ترین دستگاه در بازار برای بررسی دستگاه گوارشی می‌باشند. اما تا حدودی تهاجمی هستند چرا که یک لوله باید در داخل دهان (در کولونوسکوپی داخل رکتوم) فرو برود. لوله اندوسکوپی سخت می‌باشد و ابعاد بزرگی دارد. به همین دلیل، دسترسی به بسیاری از نقاط دستگاه گوارشی محدود می‌شود و بیماران از این روش چندان استقبال نمی‌کنند. همچنین گاهی اوقات، بیماران دچار درد می‌شوند که باید به آن‌ها مسکن خوراند.
در سال 2000، کپسول‌های اندوسکوپی بی سیم (Wireless Capsule Endoscopy) به بازار آمد که مجهز به یک دوربین کوچک و LED بود که محیط دستگاه گوارشی را روشن می‌کرد. در ضمن، گیرنده- فرستنده، باتری و میکروکنترلرها برای پردازش اطلاعات نیز در این کپسول‌ها تعبیه شده بودند.
به طور کلی، پیش از مصرف کپسول‌های روده بیماران باید دارویی مسهل مصرف کنند و تا 24 ساعت هیچ غذایی مصرف نکنند. همچنین، سدیم فسفات، داروهای پروکینتیک (Prokinetic) و نرم‌کننده‌های رکتوم نیز تجویز می‌شوند تا ضمن تمیز کردن دستگاه گوارشی، حرکت کپسول را نیز روان و راحت کنند.
در این جا، توضیح خلاصه ای در مورد کپسول‌های مختلف داده می‌شود. یکی از کمپانی‌هایی که محصولاتی متنوع تولید می‌کند، کمپانی Medtronic می‌باشد و شرح چند نوع از محصولاتش در زیر داده شده است:
PillCam SB
اولین کپسول کمپانی Medtroinc که قابلیت تصویری برداری از روده کوچک (Small Bowel) را دارد و به همین دلیل SB خوانده می‌شود، در سال 2000 به بازار معرفی شد. (75) از آن به بعد، انواع جدید (PillCam SB2 که در شکل 1C مشاهده می‌کنید.) با ظرفیت بیشتر باتری و کیفیت بهتر تصاویر وارد بازار شدند. این تصاویر توسط گیرنده جمع‌آوری می‌شوند و سپس توسط متخصصان مورد بررسی قرار می‌گیرند. عمر باتری این کپسول‌ها بین 8 تا 10 ساعت می‌باشد.
PillCam ESO
کپسول PillCam ESO که در شکل 1C مشاهده می‌کنید، به سرعت (در کسری از ثانیه) از مری عبور می‌کند و برای کاهش زمان عبور، بیمار در هنگام فرایند تصویربرداری روی شانه دراز می‌کشد. به دلیل اینکه زمان عبور از مری بسیار کم است، دوربین‌ها باید نرخ فریم بالایی داشته باشند و این کپسول دارای 2 دوربین می‌باشد که هر کدام در قسمت‌های انتهایی کپسول واقع شده‌اند تا اطلاعات و تصاویر بیشتری را از دستگاه گوارش در اختیار ما قرار دهند.
PillCam Colon
قطر لوله‌ی کولون بسیار بیشتر از قطر روده کوچک است. در این شرایط، به تصویربرداری با زاویه فوق العاده باز نیاز است تا فوکوس دوربین به هم نریزد. امروزه، از این کپسول به عنوان یک المان مکمل برای کولونسکوپی استفاده می‌شود. برای به دست آوردن تصاویر بهتر، این کپسول بزرگ تر از نوع SB می‌باشد که طولش 3mm و قطر آن 11mm می‌باشد و 2 دوربین در دو سر کپسول به چشم می‌خورد.
کپسول‌های حسگر دما
سنسورهای قابل بلعیدن تشخیص دما، برای پایش دمای بدن مورد استفاده قرار می‌گیرند. سربازان و کارگران معمولا دچار گرمازدگی می‌شوند.کپسول‌هایی مانند CorTemp ( که 23 میلی متر طول و 8.6 میلی متر قطر دارد.) و توسط کمپانی vitalsense ساخته شده، حاوی یک سنسور دمایی هستند که در ساخت آن از ترمیستور استفاده شده و از آن برای اندازه‌گیری دمای بدن استفاده می‌شود. اخیرا، اکثر قرص‌ها و کپسول‌های قابل بلع، مجهز به سنسور دما هستند.
کپسول PH
اسید معده به دلیل وجود HCL، PH پایینی دارد. اگر PH بیش از 3 واحد افزایش پیدا کند، نشان دهنده ورود کپسول به محیط نسبتا قلیایی دوازدهه است و در انتهای روده کوچک PH یک واحد دیگر نیز کاهش می‌یابد تا به روده بزرگ برسد.
کمپانی Medtronic سیستم پایش PH را در اوایل سال 2010 به کپسول‌های دوربین دار اضافه کرد. این سیستم که به سیستم Bravo مشهور است، می‌تواند علاوه بر‌اندازه گیری PH، دما و فشار را نیز اندازه‌گیری کند. باتری کپسول می‌تواند تا چند روز دوام بیاورد. تست هنگا‌می انجام می‌شود که بیماران رژیم غذایی معمول و فعالیت روزمره‌شان را حفظ کرده‌اند. اخیرا تست‌های PH برای پایش رفلاکس معده بسیار معتبر می‌باشد و به پزشکان کمک می‌کند تا بیماری‌های رفلاکس معده – مری را تشخیص و مدیریت کنند.
عبور دستگاه از معده به روده کوچک کمی غیر قابل پیش بینی است. اما رابطه‌ی قوی ای بین تخلیه و دفع غذا با تخلیه کپسول وجود دارد. در چنین شرایطی، کپسول‌های PH می‌توانند برای ارزیابی زمان عبور از مسیر گوارشی به کار روند تا به تشخیص بیماری‌هایی همچون یبوست و تاخیر در تخلیه معده به واسطه ابتلا به دیابت کمک کنند. براساس تحقیقات در بیمارانی که مبتلا به یبوست هستند، زمان عبور غذا از روده بزرگ و تخلیه معده بسیار طولانی می‌شود. همچنین، از کپسول‌های تشخیص PH می‌توان برای تشخیص عملکرد نادرست روده کوچک و بزرگ و سوهاضمه استفاده نمود.
برخی زمان عبور کپسول تشخیص PH از معده را 5 ساعت تخمین می‌زنند و این زمان برای روده ی کوچک 6 ساعت تخمین زده شده. همچنین کپسول به طور نرمال باید در کمتر از 60 ساعت از روده بزرگ عبور کند.
برخی مواقع، کپسول از یک اندام به سرعت عبور می‌کند و برخی مواقع حرکت کند خواهد بود. (شکل زیر) زمانبندی بسته به خصیصه بدن هر فرد دارد. محیط، میزان آب بدن و غذایی که مصرف شده در سرعت عبور کپسول موثر خواهد بود. غذاهایی پراز فیبر حرکت کپسول را در روده‌ی کوچک کند می‌کنند. در حالی که غذاهی ملین حرکت را سریع خواهند کرد. اما غذاهای دارای فیبر باکتری‌ها را در کلون فعال می‌کنند و سرعت عبور غذا در کلون را افزایش می‌دهند.
کپسول‌های فشار بلعیدنی
برخی کپسول‌ها قادر هستند که پروفایل فشار در دستگاه گوارش را نیز به دست بیاورند. میزان فشار در هر نقطه از دستگاه گوارشی هنوز نامشخص است و نیاز به آزمایشات بیشتری می‌باشد. البته برخی مقادیر برای معده و روده‌ی کوچک توسط kloetzer به عنوان مقادیر مرجع گزارش شده. در هر صورت کپسول‌های فشار، اطلاعات خیلی دقیقی را از انقباضات شکمی و پروفایل فشار ارائه نکرده‌اند و باید استانداردهای مناسبی برای کمک به تشخیص الگوهای فشار گوناگون و تشخیص تحرکات معده و روده ارائه شود.
قرص‌های یادآوری مصرف دارو
قرص‌های قابل بلعیدنی توسط Proteus به بازار معرفی شده‌اند که از آن‌ها برای یادآوری زمان مصرف داروها به بیمار استفاده می‌شود. قرص‌های Proteus پسیو می‌باشند و به محض برخورد با الکترولیت‌های اسیدی فعال می‌شوند تا یک سیگنال را به بخشی که به باتری متصل است، ارسال کنند تا اطلاعات از طریق بلوتوث به گوشی موبایلی که در آن حوالی وجود دارد، ارسال شود و به بیمار زمان مصرف دارو را یادآوری کند. این قرص‌ها خیلی کوچک هستند. مداری که به قرص چسبیده (شکل 1B) دارای ابعاد میلی متری می‌باشد.
کپسول‌های پیشرفته قابل بلع
کمپانی Philips Electronics که در آمستردام هلند واقع شده، کپسول‌هایی به نام Intellicap را تولید کرده. این کپسول شامل یک میکروپراسسور، باتری، سنسور PH، سنسور دما، گیرنده و فرستنده RF به منظور دریافت فرمان‌ها، پمپ مایع و مخزن دارو می‌باشد. این سیستم قادر است تا پارامترهای داخلی بدن را اندازه گیری کند و ماده‌ی داوریی را با یک فرمان در زمان مقتضی رهاسازی کند. کپسول‌های ODO نیز نوع جدیدی از کپسول‌ها هستند که می‌توانند محل آسیب‌ها را شناسایی کنند و ویدیو‌های با کیفیتی را از نقاط مختلف روده بگیرند.
پیشرفت‌های زیادی در زمینه کپسول‌های قابل بلعیدن حاصل شده که سنسورهای گاز، اسپکترومتری Raman و فلوئورسنس، توموگرافی، میکروآندوسکوپی چند کانونی و سنسورهای الکتروشیمیایی را در یک کپسول کوچک مجتمع کرده. در این بخش، به سیستم‌هایی که می‌توانند درون یک کپسول مجتمع شوند، نگاهی می‌اندازیم.
کپسول‌های حسگر گاز قابل بلع
کپسول‌های حسگر گاز، یکی از جدیدترین المان‌هایی هستند که به کپسول‌های قابل بلع ضمیمه شده‌اند. تشخیص گازها به عنوان حاصل فعل و انفعالات معده و روده ایده‌ای جدید می‌باشد که می‌تواند بخش دیگری از عملکرد دستگاه گوارش را برای ما هویدا کند. یک نگاه جامع به قوانینی که گازها در دستگاه گوارش دارند، اهمیت بررسی آن‌ها را بر ما روشن می‌کند. در ضمن، تکنولوژی‌ها برای‌اندازه گیری و ارزیابی نوع گاز در بخش‌های قبلی مقاله ذکر شده است.
کپسول‌های الکترونیکی از سال 2011 در حال ارتقا بوده‌اند و روی حیوانات آزمایشات متعددی صورت گرفته. همچنین، اولین فاز آزمایش این کپسول‌ها روی انسان نیز موفقیت آمیز بوده. سنسورهای گاز می‌توانند اکسیژن، هیدروژن، کربن دی اکسید و گاز متان را تشخیص دهند. تغییرات در پروفایل اکسیژن با محلی که کپسول در آن قرار دارد، ارتباط مستقیم دارد. سنسورهای گاز می‌توانند در محیط‌های هوازی و غیر هوازی عملکرد خوبی داشته باشند و توسط غشای یکپارچه ای که برای گازها تراوا می‌باشد، محافظت می‌شوند.
برخی از گازهایی که درون معده وجود دارند به واسطه فعالیت‌های شیمیایی درون دستگاه گوارشی و تقابل آنزیم‌ها با یکدیگر تولید می‌شوند. تقابل مواد شیمیایی می‌تواند پروفایل O2 و CO2 را در معده تغییر دهد. در هر صورت، اکثر تولیدات گاز مربوط به فرایند تخمیری که توسط باکتری‌ها صورت می‌گیرد، می‌باشد. (شکل D) باکتری‌های موجود در قسمت‌های پایین روده کوچک و روده بزرگ می‌توانند مواد غذایی هضم و جذب نشده را تخمیر کنند تا SCFA، هیدروژن، کربن دی اکسید، متان و H2S تولید کنند.
کپسول‌های مجهز به سنسور گاز می‌توانند جایزگین مناسبی برای آنالیز تست‌های تنفس باشند. البته تنفس مهم ترین تست برای تشخیص نارسایی در جذب کربوهیدرات‌ها، IBS و رشد بیش از اندازه باکتری‌ها می‌باشد. اما ممکن است برخی از خطاها در‌اندازه گیری به واسطه غلظت کم این گازها در تنفس به وجود بیاید. همچنین، موانعی از جانب متابولیسم بدن وجود دارد. کپسول‌های مجهز به حسگر گاز می‌توانند غلظت گازها را در منبع تولیدشان اندازه‌گیری کنند و دقت اندازه‌گیری میزان گازها را افزایش دهند. بنابراین، برای تشخیص قابل اعتمادتر از متد آنالیز تنفس می‌باشند.
اسپکترومتری طول موج فروسرخ و مرئی
برخورد نور با بافت‌ها و شیوه عبور یا بازتابش آن‌ها می‌تواند اطلاعات مهمی را در مورد سلامت دستگاه گوارشی در اختیار ما قرار دهد. یکی از پروژه‌های قدیمی در زمینه ارتقا کپسول‌ها با سیستم‌های مرئی، اسپکتروسکوپی پروژه VECTOR می‌باشد. محققان در این پروژه یک کپسول اسپکتروسکوپیک را معرفی کردند که قادر است وجود خون در روده‌ها را تشخیص دهد. اخیرا یک کپسول دیگر که مجهز به LED اسپکترومتر است نیز به بازار آمده که کیفیت کار آن با اسپکترومترهای داخل آزمایشگاه برابری می‌کند. به هر حال، این نوع سیستم‌های اسپکترومتری هنوز در مرحله آزمایش می‌باشند و تست‌های vitro روی آن‌ها در حال انجام است.
سنسورهای الکتروشیمیایی در کپسول‌های قابل بلع
به کار بردن سنسورهای الکتروشیمیایی در داخل کپسول‌های قابل بلع در شکل بالا D نشان داده شده. سنسورهای الکتروشیمیایی حاوی یک سنسور با چند الکترود می‌باشند که مدارات تما‌می‌آن‌ها پتانسیواستاتیک (Potanitiostatic) می‌باشد تا بتوانند ولتامتری را اجرا کنند. این نوع کپسول‌ها در vitro آزمایش شده‌اند و‌اندازه گیری‌ها با واقعیت موجود مطابقت داشته‌اند. سازندگان توانسته‌اند ولتامتری سیکلی و پالسی را به انجام برسانند. اما مشکل اصلی در سنسورهای شیمیایی حفظ یکپارچگی آن‌ها برای‌اندازه گیری‌های پیوسته در محیط مخرب و اسیدی معده و مسیر پرپیج و خم روده می‌باشد.
تصویربرداری فراصوت
Layefal کپسولی را اختراع کرده که sonopill نام دارد. (شکل بالا 7) این کپسول حاوی آرایه‌های مبدل فراصوت است. همچنین، یک IC به طور اختصاصی برای مدارات گیرنده و فرستنده طراحی شده که شامل 4 مبدل پیزوالکتریک می‌باشد که فرکانس عملکردشان بین 15-50 مگاهرتز است. آزمایشات در vivo روی بافت‌ها و اژمایشگاه با استفاده از این کپسول‌ها انجام شده است. همچنین این کپسول می‌تواند با نور سفید فلوئورسنس تصویربرداری داشته باشد و از دتکتورهای بهمنی تک فوتونی (Single Photon Avalanche Detector) بهره ببرد.
آینده سنسورهای قابل بلع
مبحث سنسورهای قابل بلعیدن هنوز نوپا می‌باشد و اطلاعات ما در مورد سیستم گوارشی ناکافی است. اما می‌توان امیدوار بود که با پیشرفت سنسورهای قابل بلع به اطلاعات بیشتری دست پیدا کنیم. به هر صورت، هنوز آزمایشات کمی صورت گرفته. قیمت این گونه دستگاه‌ها بالا می‌باشد و چندان قابل اعتماد نیستند. برخی دولت‌ها قوانینی دارند که انجام آزمایشات را با اختلال مواجه می‌کنند. همچنین، پزشکان و متخصصان تغذیه هنوز با شیوه تحلیل داده‌هایی که از کپسول‌های قابل بلع به دست می‌آیند، آشنا نیستند.
کپسول‌های قابل بلع، قابلیت این را دارند که اطلاعات فوق العاده جامعی را در مورد تاثیر مکمل‌های غذایی در اختیار ما قرار دهند. به علاوه، ما می‌توانیم تاثیر غذاهای مختلف را روی تک تک افراد پایش کنیم تا برای هر شخص رژیم مناسب خودش تجویز شود. پیش بینی می‌شود که این قرص آینده روشنی در بازار پزشکی و تشخیص بالینی داشته باشد.
برخلاف پیش‌بینی‌های قبلی که سنسورهای قابل بلعیدن پس از رونمایی از کپسول‌های مجهز به دوربین انقلاب بزرگی را تجربه خواهند نمود، پیشرفت در این زمینه فوق العاده کند می‌باشد و هیچ کدام از ایده‌های طراحی و ساخت این سنسورها هنوز تجاری نشده است.
