مهندسان با الهام از یک فناوری قدیمی، سنسوری طراحی کردند که می تواند فشار داخل دستگاه گوارش را اندازه گیری کند —

اختلالات ناتوانی حرکتی معمولاً با یک کاتتر حاوی مبدل های فشار تشخیص داده می شود که می تواند انقباضات دستگاه گوارش را حس کند. محققان MIT اکنون دستگاه جدیدی طراحی کرده‌اند که می‌تواند جایگزین ارزان‌تر و آسان‌تری برای تشخیص‌های موجود برای اختلال حرکتی دستگاه گوارش باشد، که از طراحی یک فناوری باستانی اینکا، quipu – مجموعه‌ای از طناب‌های گره‌دار استفاده می‌شود که برای ارتباط اطلاعات استفاده می‌شود. .

در آزمایشات حیوانی، محققان MIT و همکارانشان در بیمارستان زنان و بریگهام نشان دادند که دستگاه ساده آنها، یک لوله سیلیکونی پر شده از فلز مایع و چندین بار گره خورده، اندازه‌گیری‌هایی مشابه با روش‌های تشخیصی پیشرفته تولید می‌کند. ، به عنوان مانومتری با وضوح بالا شناخته می شود.

جووانی تراورسو، کارل ون تاسل، می‌گوید: «این یک راه‌اندازی واقعاً ساده و ارزان است، اما ما می‌توانیم اندازه‌گیری کنیم که معمولاً به دستگاه‌هایی نیاز دارد که هزاران دلار هزینه دارند و به ابزاری بسیار پیچیده‌تر نیاز دارند». توسعه شغلی استادیار مهندسی مکانیک در MIT، متخصص گوارش در بیمارستان زنان بریگهام و نویسنده ارشد این مطالعه.

کوانگ نان و سحاب بابایی از دانشمندان MIT، نویسندگان اصلی این مطالعه هستند که امروز در مهندسی زیست پزشکی طبیعت.

تشخیص ناتوانی حرکتی

انقباضات دستگاه گوارش برای جابجایی غذا در تمام مسیر بسیار مهم است و قطع شدن این انقباضات در هر نقطه می تواند باعث مشکلات سلامتی شود. تشخیص مانومتری استاندارد طلایی را می توان برای اندازه گیری اینکه آیا عضلات دستگاه گوارش به درستی برای تولید این امواج کار می کنند یا خیر استفاده کرد.

تراورسو می‌گوید: «مانومتری با وضوح بالا می‌تواند فشار و سرعت حرکت امواج انقباضی را اندازه‌گیری کند، اما این سیستم‌ها نسبتاً گران هستند، در محدوده ده‌ها هزار دلار، و نیاز به نگهداری و استریل کردن بین بیماران دارند».

تراورسو (که در پرو بزرگ شد) و نان فکر کردند که فناوری اینکای کیپو می‌تواند طراحی یک تشخیص ساده‌تر را راهنمایی کند. دستگاه های Quipu که از طناب های رنگی به روش های مختلف گره خورده تشکیل شده است، قبل از توسعه نوشتن، توسط اینکاها و سایر تمدن های باستانی آند برای ثبت اطلاعات و ارسال پیام استفاده می شد.

نان می‌گوید: «هدف ما ساختن دستگاهی قابل مقایسه با مبدل‌های فشار موجود، تجاری موجود و مبتنی بر کاتتر بود، اما در عین حال، هزینه را کاهش داد و تولید و استقرار آن را آسان‌تر کرد.»

محققان با یک کاتتر ساده ساخته شده از سیلیکون شروع کردند که آن را با گالیوم-ایندیوم یوتکتیک، یک فلز مایع که در مقادیر کم غیر سمی است، پر کردند و آن را در دو انتها مهر و موم کردند. در حالت بدون گره، این لوله می تواند به تغییرات فشار پاسخ دهد اما برای تشخیص تغییرات فشار در دستگاه گوارش به اندازه کافی حساس نیست.

با این حال، زمانی که آنها گره هایی را در فواصل زمانی در امتداد لوله ایجاد کردند، محققان دریافتند که کاتتر به تغییرات فشار بسیار حساس تر می شود و می تواند فشارهایی را تا حدود 200 میلی متر جیوه تشخیص دهد که در حدود بالاترین فشار مشاهده شده در دستگاه گوارش انسان است. .

همانطور که محققان با استفاده از مدل‌های عددی نشان دادند، این افزایش حساسیت به این دلیل است که گره‌ها سطح مقطع لوله را کشیده و فشرده‌سازی آن را آسان‌تر می‌کنند. همچنین، هنگامی که لوله گره خورده است، سه یا چهار بخش از لوله بر روی یکدیگر قرار می گیرند، که حساسیت آن را به تغییرات فشار بیشتر می کند.

محققان همچنین نشان دادند که حساسیت فشار می تواند بر اساس نوع گره و میزان محکم بسته شدن آنها متفاوت باشد. محققان می‌گویند برای استفاده در دستگاه گوارش، از گره‌هایی با فاصله حدود 1 سانتی‌متر برای تطبیق فاصله مبدل‌های فشار در یک مانومتر استفاده کردند، اما به گفته محققان، می‌توان آنها را برای کاربردهای دیگر نزدیک‌تر به هم قرار داد.

در آزمایش‌هایی که روی مدل‌های حیوانی انجام شد، محققان از حسگر الهام‌گرفته از quipu برای اندازه‌گیری فشار در مری هنگام بلعیدن غذا استفاده کردند. آنها همچنین یک رفلکس به نام رفلکس مهاری رکتوآنال (RAIR) را اندازه گیری کردند. برای هر دو آزمایش، دستگاه‌های جدید اندازه‌گیری فشار مشابه با روش مانومتری استاندارد طلا را ایجاد کردند.

جایگزین ساده تر

محققان همچنین نشان دادند که این دستگاه‌ها می‌توانند دمای بالا را تحمل کنند و می‌توانند در اتوکلاو، یک ابزار پزشکی رایج که برای استریل کردن اشیا با گرما و فشار استفاده می‌شود، درمان شوند. این به آنها برتری نسبت به کاتترهای مانومتری موجود می دهد، که نمی توانند در اتوکلاو قرار بگیرند و باید از نظر شیمیایی ضد عفونی شوند. به‌علاوه، ساخت این دستگاه‌ها آنقدر ارزان است که در صورت در دسترس نبودن اتوکلاو، پس از هر بار استفاده دور انداخته می‌شوند.

نان می‌گوید: «ساخت بسیار سریع و بسیار ارزان هستند. “یک انگیزه دیگر برای ارزان و یکبار مصرف کردن مانومترهای GI، ترویج تشخیص غیرمتمرکز است. در اینجا، ارزان بودن با کاهش هزینه، دسترسی را تسهیل می کند، و یکبار مصرف بودن با حذف هزینه نگهداری و کاهش عوارض در حین استفاده، به پذیرش عمومی کمک می کند.”

سنسورهای الهام گرفته شده از quipu می‌توانند در مکان‌هایی که دسترسی به فناوری مانومتری فعلی وجود ندارد، اما همچنین در مناطق صنعتی‌تر به‌عنوان جایگزینی ارزان‌تر و آسان‌تر برای مانومتری مفید باشند.

تراورسو می‌گوید: «من فکر می‌کنم این نوع تشخیص را می‌توان هم در محیط‌های در حال توسعه و هم در محیط‌های توسعه‌یافته جهان به کار برد. گام بعدی شناسایی شرکای بالقوه برای کمک به ما در ساخت این و سپس آزمایش آنها در بیماران است.

از دیگر نویسندگان مقاله می توان به والتر چان، مدیر مرکز حرکت دستگاه گوارش در بیمارستان زنان و بریگهام اشاره کرد. یوهانس کوسمانن، یکی از همکاران فنی MIT؛ ویویان فیگ، فوق دکترای MIT و Brigham and Women. یییو لو، دانشجوی کارشناسی ارشد MIT؛ شریا سرینیواسان، فوق دکترای MIT و Brigham and Women. کریستینا پترسون، دانشجوی کارشناسی MIT؛ و احمد مجتبی جبران، کاردان فنی MIT و Brigham and Women.

این تحقیق توسط دپارتمان مهندسی مکانیک MIT تامین مالی شد.