堪稱「體內CPU」的微型醫療設備,可以讓醫生自定義診斷方式

不同於現有的微型醫療設備，ATOMS更像是一臺在人體內的微型「主機」，讓你根據需要選擇使用其相應的功能。

關注醫療方面最新科技動態的人都熟知，此前已有技術可以實現「智能藥丸」，即醫療人員可以根據需要治療的位置，設定好其藥物打開時間，然後讓藥丸順著腸胃蠕動，到目標處擴散藥效，以實現針對性治療，從而減少藥物對身體的傷害。

但是一直以來最困難的地方在於，無法實現對身體病發處的精準定位和藥物在體內狀況的實時監測。目前，即便藉助於植入體內的微型醫療設備，也無法脫離線的控制，因此無論從操作難度上還是治療效果上，選用「智能藥丸」進行定向治療，目前來看都不是一項優選。

而近日，加州理工大學對外表示，他們借鑑了核磁共振成像（MRI）原理，研製出了一款名為ATOMS的微型醫療設備，可以解決使用「智能藥丸」中遇到的這一問題。此外，醫療人員可以根據治療需要，通過無線操控設置該設備，以讓其對身體病痛處進行精確定位或實時監測身體狀況。

MRI原理

關於MRI的原理，首先需要知道的是，人體是由原子組成，其中每個原子都有自己的震動頻率。人體內水的含量最多，而水含有氫原子，所以核磁共振主要就是依靠氫原子來成像。

因為人體內每個原子由電子環繞，故都可看做小磁鐵，而平常人體的氫原子都是無序地震動，且由於各方向磁性相互抵消，所以人體整體不體現磁性。

當把人體置於一個強的外磁場中，氫原子雖然仍按照自己的頻率震動，但方向與外界磁場保持一致，整體上體現磁性。此時，加入一個射頻脈衝，那麼與射頻脈衝頻率相同的氫原子就會產生共振，於是其振幅變大，相位也會產生改變，而其他沒有產生共振的氫原子相對來說振幅很小。當這個射頻脈衝消失後，這些共振的氫原子會慢慢恢復到原來的相位和幅度，在恢復過程中會發射出信號，而我們可以利用這個信號畫出人體圖像。

此處值得注意的一點是，關於發出信號氫原子位置的確定。磁共振圖像一般是512*512像素，而我們需要知道每一個像素的值才能畫出人體器官的斷面圖像，確定一個像素的位置，需要知道每一個像素點的三維坐標值。所以磁共振在X、Y、Z軸分別採用三個線性變化的梯度磁場，讓不同頻率的原子以一定梯度產生共振，從而輔助確定每一個像素點的位置。

ATOMS器件

ATOMS，即磁旋轉操作的可尋址發射機，該種微型醫療設備利用的原理恰恰就是磁共振成像中的一個關鍵性原理，即梯度磁場會使不同位置的原子在不同的頻率下共振，從而據此分辨出不同原子的位置。此處，研究人員要讓ATOMS充當的角色就是「原子」。

據了解，該矽晶片包含一組集成的傳感器、諧振器和無線傳輸技術，使其可以模擬具有磁共振性質的原子。

對此，研究人員Shapiro表示：「我們希望將此原理運用到ATOMS晶片上，然後讓其進入體內，這樣就可以通過操控，讓體內的ATOMS器件以設定的頻率發出射頻脈衝。此處，我們可以讓外部磁場與ATOMS的脈衝頻率相同，使ATOMS產生共振，以此識別該器件在體內的位置；或者該晶片本身產生的磁場可以讓其周圍的同頻原子共振，然後通過無線傳輸，我們就可以監測該器件附近的人體組織狀況。」

關於ATOMS核心晶片的工程設計，研究人員Emami指出：「在不改變集成晶片的數量的情況下，除了縮小晶片的大小，我們還希望該晶片的功耗非常小，這在工程製造上是一個很大的挑戰。我們必須得仔細平衡好設備大小、消耗功率及精確定位這三項因素，以使該晶片發揮最佳性能。」

據了解，已經在小鼠體內測試過的原始晶片的表面積為1.4平方毫米，比一分錢小250倍，它目前包含磁場傳感器、集成天線、無線供電裝置和基於磁場強度可調整其射頻信號的無線傳輸電路。

現狀與未來

對於該晶片，研究人員表示，目前的晶片功能是最初級的，隨著不斷的完善，它將會被打造為一種微型機器人，可以用於監測患者的胃腸道、血液或大腦，反映患者的健康狀況，或用於指示精確位置輔助針對性治療，即利用「智能藥丸」。

對此，Shapiro解釋道：「您可以使用數十個不同的設備在身體周圍對身體的不同參數狀況進行監測，但是體內一個ATOMS就可以實現精準定位並與外界輕鬆連接和傳輸所需要的信息。與傳統的微型設備相比，該設備實現了真正意義上的集成功能，使未來的治療過程和監測過程更加方便和精準。」

總結

對於ATOMS，研究參與者Monge這樣評價道：「ATOMS是獨特的，因為它的運行原理使其要遠遠優於現有的任何微型設備。此外，工程上將所有組件集成到非常小的設備中，同時保持低功耗也是前所未有的挑戰。」

暫且不論該晶片技術上的成就，單就晶片的原理這一項亮點，筆者就認為ATOMS已經十分出彩，還是十分期待該晶片最終可以為現有的醫療器械水平帶來一種質的變化，讓醫療領域也變得更加智能化，同時協助實現真正意義上的「定向治療」。

在《自然生物醫學工程》雜誌9月刊上有關於該新設備的詳細信息，主要作者是Emami實驗室的博士生Manuel Monge。

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