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當(dāng)食物通過消化道時，沿著消化道收縮的肌肉使食物順暢流動。失去這種動力會導(dǎo)致胃酸倒流、食物無法從胃中排出或便秘。

運(yùn)動障礙性疾病通常通過包含壓力傳感器的導(dǎo)管來診斷，該傳感器可以感知胃腸道的收縮。麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在設(shè)計(jì)了一種新設(shè)備，該設(shè)備可以為現(xiàn)有的胃腸道運(yùn)動障礙診斷提供更便宜且更易于制造的替代方案，其靈感來自古老的印加技術(shù) quipu - 一組用于交流信息的打結(jié)繩索。

在動物試驗(yàn)中，麻省理工學(xué)院的研究人員和他們在布萊根婦女醫(yī)院的合作者表明，他們的簡單設(shè)備是一個充滿液態(tài)金屬并多次打結(jié)的硅膠管，其產(chǎn)生的測量結(jié)果與先進(jìn)的診斷技術(shù)產(chǎn)生的測量結(jié)果相似，稱為高分辨率測壓。

Karl van Tassel 的 Giovanni Traverso 說：“這是一個非常簡單、便宜的設(shè)置，但我們能夠進(jìn)行通常需要花費(fèi)數(shù)千美元的設(shè)備和復(fù)雜得多的儀器的測量�！甭槭±砉�學(xué)院機(jī)械工程職業(yè)發(fā)展助理教授，布萊根婦女醫(yī)院胃腸病學(xué)家，該研究的作者。

麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家 Kewang Nan 和 Sahab Babaee 是該研究的主要作者，該研究今天發(fā)表在Nature Biomedical Engineering上。

診斷運(yùn)動障礙

胃腸道的收縮對于將食物一直通過胃腸道至關(guān)重要，并且在任何時候中斷這些收縮都可能導(dǎo)致健康問題。金標(biāo)準(zhǔn)測壓診斷可用于測量胃腸道肌肉是否正常工作以產(chǎn)生這些波。

“高分辨率測壓儀可以測量收縮波傳播的壓力和速度，但這些系統(tǒng)相當(dāng)昂貴，在數(shù)萬美元的范圍內(nèi)，并且需要在患者之間進(jìn)行維護(hù)和消毒，” Traverso 說。

Traverso（在秘魯長大）和 Nan 認(rèn)為 quipu 的印加技術(shù)可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)更簡單的診斷方法。Quipu 設(shè)備由以不同方式打結(jié)的彩色繩索組成，在開發(fā)文字之前，印加人和安第斯山脈的其他古代文明就使用它來記錄信息和發(fā)送信息。

“我們的目標(biāo)是制造一種可與現(xiàn)有的、市售的、基于導(dǎo)管的壓力傳感器相媲美的設(shè)備，但同時降低成本并使其更易于生產(chǎn)和部署，” Nan 說。

研究人員從一個由硅膠制成的簡單導(dǎo)管開始，他們在導(dǎo)管中填充了鎵-銦共晶（一種少量無毒的液態(tài)金屬），并將其兩端密封。在未打結(jié)的狀態(tài)下，該管可以響應(yīng)壓力變化，但不夠靈敏，無法檢測胃腸道壓力的變化。

然而，當(dāng)他們沿管子每隔一段時間引入結(jié)時，研究人員發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管對壓力變化變得更加敏感，并且可以檢測到高達(dá)約 200 毫米汞柱的壓力，這大約是人類消化道中看到的高壓力.

正如研究人員使用數(shù)值模型所顯示的那樣，增加的靈敏度是由于結(jié)拉長了管子的橫截面，使其更容易壓縮。此外，當(dāng)管子打結(jié)時，管子的三個或四個部分相互堆疊，這進(jìn)一步增強(qiáng)了它對壓力變化的敏感性。

研究人員還表明，壓力敏感性會根據(jù)結(jié)的類型和系結(jié)的緊密程度而有所不同。研究人員說，在消化道中使用時，研究人員使用了間隔約 1 厘米的結(jié)，以匹配壓力計(jì)中壓力傳感器的間距，但在其他應(yīng)用中，它們可以更緊密地放置在一起。

在動物模型測試中，研究人員使用受 quipu 啟發(fā)的傳感器來測量吞咽食物時食道中的壓力。他們還測量了一種稱為直腸yizhi反射 (RAIR) 的反射。對于這兩項(xiàng)測試，新設(shè)備產(chǎn)生的壓力測量值類似于金標(biāo)準(zhǔn)測壓技術(shù)。

更簡單的選擇

研究人員還表明，這些設(shè)備可以承受高溫，并且可以在高壓滅菌器中進(jìn)行處理，高壓滅菌器是一種常用的醫(yī)療器械，用于對物體進(jìn)行加熱和壓力消毒。這使它們比現(xiàn)有的測壓導(dǎo)管具有優(yōu)勢，現(xiàn)有的測壓導(dǎo)管不能進(jìn)入高壓滅菌器并且進(jìn)行化學(xué)消毒。此外，這些設(shè)備的制造成本非常低，如果沒有高壓滅菌器，它們可以在每次使用后丟棄。

“它們的建造速度非�？欤�而且非常便宜，” Nan 說。“使 GI 壓力計(jì)變得便宜和一次性的另一個動機(jī)是促進(jìn)分散診斷。在這里，便宜通過降低成本來促進(jìn)可及性，而一次性通過消除維護(hù)成本和減少使用過程中的并發(fā)癥進(jìn)一步幫助公眾接受�！�

受 quipu 啟發(fā)的傳感器可用于無法使用當(dāng)前測壓技術(shù)的地方，但也可用于更工業(yè)化的地區(qū)，作為測壓的更便宜、更易于使用的替代品。

“我認(rèn)為這種診斷可以廣泛應(yīng)用于發(fā)展中國家和發(fā)達(dá)國家的環(huán)境，”特拉弗索說。“下一步是確定潛在的合作伙伴來幫助我們制造這些產(chǎn)品，然后在患者身上進(jìn)行測試�！�

該文的其他作者包括布萊根婦女醫(yī)院胃腸動力主任 Walter Chan；Johannes Kuosmanen，麻省理工學(xué)院技術(shù)助理；Vivian Feig，麻省理工學(xué)院和布萊根婦女學(xué)院的博士后；麻省理工學(xué)院研究生羅一月；Shriya Srinivasan，麻省理工學(xué)院和布萊根婦女學(xué)院的博士后；克里斯蒂娜帕特森，麻省理工學(xué)院本科生；麻省理工學(xué)院和布萊根婦女學(xué)院的技術(shù)助理 Ahmad Mujtaba Jebran。