不同于現(xiàn)有的微型醫(yī)療設(shè)備，ATOMS更像是一臺在人體內(nèi)的微型“主機”，讓你根據(jù)需要選擇使用其相應(yīng)的功能。

關(guān)注醫(yī)療方面最新科技動態(tài)的人都熟知，此前已有技術(shù)可以實現(xiàn)“智能藥丸”，即醫(yī)療人員可以根據(jù)需要治療的位置，設(shè)定好其藥物打開時間，然后讓藥丸順著腸胃蠕動，到目標處擴散藥效，以實現(xiàn)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于，無法實現(xiàn)對身體病發(fā)處的精準定位和藥物在體內(nèi)狀況的實時監(jiān)測。目前，即便借助于植入體內(nèi)的微型醫(yī)療設(shè)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(yōu)選。

而近日，加州理工大學(xué)對外表示，他們借鑒了核磁共振成像（MRI）原理，研制出了一款名為ATOMS的微型醫(yī)療設(shè)備，可以解決使用“智能藥丸”中遇到的這一問題。此外，醫(yī)療人員可以根據(jù)治療需要，通過無線操控設(shè)置該設(shè)備，以讓其對身體病痛處進行精確定位或?qū)崟r監(jiān)測身體狀況。

MRI原理

關(guān)于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(nèi)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(nèi)每個原子由電子環(huán)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，且由于各方向磁性相互抵消，所以人體整體不體現(xiàn)磁性。

當(dāng)把人體置于一個強的外磁場中，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(xiàn)磁性。此時，加入一個射頻脈沖，那么與射頻脈沖頻率相同的氫原子就會產(chǎn)生共振，于是其振幅變大，相位也會產(chǎn)生改變，而其他沒有產(chǎn)生共振的氫原子相對來說振幅很小。當(dāng)這個射頻脈沖消失后，這些共振的氫原子會慢慢恢復(fù)到原來的相位和幅度，在恢復(fù)過程中會發(fā)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(guān)于發(fā)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軸分別采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(chǎn)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(zhuǎn)操作的可尋址發(fā)射機，該種微型醫(yī)療設(shè)備利用的原理恰恰就是磁共振成像中的一個關(guān)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(jù)此分辨出不同原子的位置。此處，研究人員要讓ATOMS充當(dāng)?shù)慕巧褪恰霸印薄?/span>

據(jù)了解，該硅芯片包含一組集成的傳感器、諧振器和無線傳輸技術(shù)，使其可以模擬具有磁共振性質(zhì)的原子。

對此，研究人員Shapiro表示：“我們希望將此原理運用到ATOMS芯片上，然后讓其進入體內(nèi)，這樣就可以通過操控，讓體內(nèi)的ATOMS器件以設(shè)定的頻率發(fā)出射頻脈沖。此處，我們可以讓外部磁場與ATOMS的脈沖頻率相同，使ATOMS產(chǎn)生共振，以此識別該器件在體內(nèi)的位置；或者該芯片本身產(chǎn)生的磁場可以讓其周圍的同頻原子共振，然后通過無線傳輸，我們就可以監(jiān)測該器件附近的人體組織狀況?！?/span>

關(guān)于ATOMS核心芯片的工程設(shè)計，研究人員Emami指出：“在不改變集成芯片的數(shù)量的情況下，除了縮小芯片的大小，我們還希望該芯片的功耗非常小，這在工程制造上是一個很大的挑戰(zhàn)。我們必須得仔細平衡好設(shè)備大小、消耗功率及精確定位這三項因素，以使該芯片發(fā)揮最佳性能?！?/span>

據(jù)了解，已經(jīng)在小鼠體內(nèi)測試過的原始芯片的表面積為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、無線供電裝置和基于磁場強度可調(diào)整其射頻信號的無線傳輸電路。

現(xiàn)狀與未來

對于該芯片，研究人員表示，目前的芯片功能是最初級的，隨著不斷的完善，它將會被打造為一種微型機器人，可以用于監(jiān)測患者的胃腸道、血液或大腦，反映患者的健康狀況，或用于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(shù)十個不同的設(shè)備在身體周圍對身體的不同參數(shù)狀況進行監(jiān)測，但是體內(nèi)一個ATOMS就可以實現(xiàn)精準定位并與外界輕松連接和傳輸所需要的信息。與傳統(tǒng)的微型設(shè)備相比，該設(shè)備實現(xiàn)了真正意義上的集成功能，使未來的治療過程和監(jiān)測過程更加方便和精準?！?/span>

總結(jié)

對于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(yōu)于現(xiàn)有的任何微型設(shè)備。此外，工程上將所有組件集成到非常小的設(shè)備中，同時保持低功耗也是前所未有的挑戰(zhàn)?！?/span>

暫且不論該芯片技術(shù)上的成就，單就芯片的原理這一項亮點，筆者就認為ATOMS已經(jīng)十分出彩，還是十分期待該芯片最終可以為現(xiàn)有的醫(yī)療器械水平帶來一種質(zhì)的變化，讓醫(yī)療領(lǐng)域也變得更加智能化，同時協(xié)助實現(xiàn)真正意義上的“定向治療”。

在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》雜志9月刊上有關(guān)于該新設(shè)備的詳細信息，主要作者是Emami實驗室的博士生Manuel Monge。