nature electronics：一种用于胃电生理学的柔性可吞服电子设备

现有技术缺点

1. 侵入性与信号质量的权衡：现有的胃肠道电生理监测技术通常需要手术植入电极或通过皮肤佩戴设备，导致信号质量和侵入性之间的权衡。

2. 日常活动干扰：传统监测方法难以区分日常活动与疾病病理变化，且佩戴式设备在被测试者活动时容易脱落或受干扰。

文章亮点

1. 可吞服设备设计：作者提出了一种非侵入性的可吞服设备（MiGUT），能够实时监测胃部多模态电生理信号，包括胃慢波、呼吸信号和心脏信号。

2. 高质量信号记录：该设备在大动物模型中展示了记录高质量生物电信号的能力，并且能够在自由移动和进食状态下持续监测胃部电活动。

3. 无线传输与非束缚监测：MiGUT设备通过无线方式传输信号，避免了任何佩戴或植入设备的需求，不受日常活动和饮食的限制。

应用场景

1. 疾病诊断与监测：MiGUT可用于长期监测胃肠道电生理活动，有助于早期诊断胃肠道疾病及其电活动异常。

2. 临床研究：该设备为研究胃肠道电生理提供了一种非侵入性的高质量数据采集方法，可用于各种临床和研究场景。

3. 自由活动监测：MiGUT可以在不影响被测试者日常生活的情况下，持续监测胃部电信号，适用于需要长期监测的疾病管理。

总结

    作者提出的可吞服MiGUT系统，通过非侵入性的方式成功实现了胃部电生理信号的高质量记录，包括胃慢波、呼吸频率和心率等重要生理信号。该系统避免了传统方法中的信号质量与侵入性之间的权衡，提供了一种能够在日常活动中使用的、无需佩戴或植入的监测手段。虽然目前已展示了在动物模型中的有效性，但在临床应用前仍需进一步验证设备的安全性和改进设备设计。MiGUT系统有望为胃肠道疾病的早期诊断和长期监测提供革命性工具。

文章名称：An ingestible device for gastric electrophysiology

期刊：nature electronics

文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-024-01160-w

通讯作者：美国麻省理工学院David H. Koch 综合癌症研究所的 Giovanni Traverso

MiGUT器件

图1  MiGUT器件概览。a，MiGUT器件示意图，包含电子设备存放在可吞服胶囊中，线性记录电极以卷曲方式存放。摄入后，电极展开，与黏膜接触并记录胃生物电位，可以通过无线传输到外部接收器。可以对记录的数据进行处理，提取心率、胃慢波和呼吸频率。b，放置在胃黏膜表面的电极示意图。c，MiGUT器件与1000个明胶胶囊的大小对比。d，在润湿水溶性胶粘剂后，MiGUT电极由于聚酰亚胺带应变而展开，初始位置（i），开始展开（ii）和电极的展开（iii）。e，MiGUT器件的完整长度，总长25cm。用一美分硬币和1000个明胶胶囊作为比例尺。

器件设计与表征

图2  MiGUT系统的设计和体内评估，用于多天、高质量记录。a，器件横截面示意图。b，器件组件和组装的光学图像。c，电子器件的系统结构示意图。d，配置了不同占空比和采样率的系统的电池寿命。占空比为1表示在没有设备休眠的情况下连续记录期间的电池寿命。e，在一个97kg的自由移动的动物中，在不同活动期间接收到的数据包和通信强度。RSSI，接收信号强度指示器。

 麻醉动物的多模态测量

    在一只麻醉的Yorkshire猪体内，将装置送入胃内，电极展开并与胃黏膜沿胃弯曲线共形贴附（图3）。

图3  在麻醉动物中使用MiGUT器件进行记录。 a，放置在胃粘膜上的MiGUT电极的内窥镜图像。b，在麻醉动物中的记录显示了约1.5小时内电活动的热图（0.0005 Hz至15 Hz带通滤波器）。d，动物通过使用barbiturate cocktai安乐死后，通道中电活动停止（递送时间由虚线红线表示）。

 使用现有技术验证MiGUT测量结果

    为了比较非侵入性MiGUT系统的记录质量与其他方法，作者设计了一个实验，同时使用MiGUT器件以及浆膜和皮肤电极进行记录。

图4 验证MiGUT测量的结果。a，使用MiGUT系统同时记录的示意图。b，同时记录实验的数据显示皮肤、浆膜/C-REF和两个代表性MiGUT通道之间的频率一致性。浆膜/A-REF记录未产生胃慢波记录，这表明参考电极位置对获得高质量信号的重要性。c，FFT比较浆膜电极和MiGUT记录通道在一系列频率上的情况，虚线表示慢波（黑色，每分钟3.1个周期）、呼吸（红色，每分钟18个周期）和心电（绿色，每分钟85个周期）频率的主导频率和高阶峰值。d，代表性通道显示使用阿奇霉素给药（0.01-0.25 Hz带通滤波器）前后的电活动情况（i）。热图显示阿奇霉素给药前后慢波（0.01-0.25 Hz）、呼吸（0.25-5 Hz）和心电图（5+ Hz）频率窗口中信号功率的相对差异（ii）。

 在促动力药物输送后进行MiGUT测量

    受MiGUT系统检测胃慢波活动能力的启发，作者设计了一个实验，以测试胃动力的变化或调节是否也能被检测到。MiGUT系统再次被放置在麻醉动物猪的胃中，在基线记录之后，通过耳静脉导管静脉注射（总剂量为1mg/kg）阿奇霉素（azithromycin），在5分钟内逐渐给药（图4d(i)）。在八个记录通道中，有五个通道在接下来的25分钟内观察到慢波频率范围内的功率明显增加（图4d(ii)），与给药前25分钟相比。作者将观察到的慢波功率增加归因于阿奇霉素输给药起的胃动力改变。EKG和呼吸窗中的功率保持恒定，表明电极接触在阿奇霉素注射后保持稳定（图4d（ii））

在自由移动的大型动物中进行MiGUT测量

    为了进一步展示MiGUT系统在自由移动和进食动物中监测胃电生理的潜力。将MiGUT送入麻醉猪的胃中，并使用内窥镜夹固定。当动物经历进食、行走和打盹等阶段时，可以测量慢波频率窗口中的活动（图5a）。在整个测量期间，所有通道中的慢波频率都在3.5至4个周期每分钟之间（图5b）。慢波的幅度取决于动物的活动，显示在进食时比在睡眠或行走时高3-6倍的慢波幅度（图5c）。

图5  利用MiGUT器件对行走动物进行高分辨率测量。a，从固定在猪胃内中MiGUT器件0.01-0.25 Hz带通滤波器）中记录的八通道记录，持续3.5小时，记录了一个自由移动的动物在进食、行走和打盹活动期间的情况。b，频率与时间的归一化功率，在每分钟1到8个周期的窗口内，显示了大约4个周期每分钟的稳定慢波信号，贯穿整个动物活动过程。c，显示了在进食、行走和睡眠期间的情况，来自通道7的胃电活动的代表性节段如图b所示。

图6  使用MiGUT器件对行走动物进行多天测量。a，在进食后（第0天和第2天）和禁食时（第1天）的主要频率响应。每天记录持续45分钟，之间间隔约22小时的低功耗睡眠模式。b，标注不同行为时（第2天）采集的测量数据（0.01-0.25 Hz带通滤波器）。c，连续多天测量（0.01-0.25 Hz带通滤波器），行为标记如b所示。显示了代表性片段。

You, S.S., Gierlach, A., Schmidt, P. et al. An ingestible device for gastric electrophysiology. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01160-w

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