
一种新式可穿戴设备有望通过非侵入性地监测胃内电信号来帮助存在消化问题的人们更精确地判断当前的治疗及饮食方案是否合理。
若能得到临床验证,这种胃传感器的应用可以让胃电图技术(EGG)重获新生。胃肠病学家曾非常关注胃电图技术,但由于其在诊断效力方面的争议,导致其在很大程度上已被弃用。
Thomas Abell是路易斯维尔大学的一名胃肠病学家,虽然没有直接参与这项研究,但他经常使用胃电图(EGG)技术。他说:“这是一项很有前途的技术,很有可能成为人们所接受的有效临床工具。”
胃电图(EGG)的工作原理跟心电图相似,只不过它不记录心脏的电活动,而是收集控制胃部肌肉收缩的电信号。
该方法用来检测从胃肠道起搏细胞产生的慢波,健康人大约每分钟规律性产生3次慢波脉冲。但是,皮肤黏着电极采集到的信号通常很微弱,有时还会被人为造成的胃部异动所影响。
胃电图技术在20世纪90年代曾有过短暂的临床应用鼎盛时期,但是国际胃肠病学家们现已基本放弃此技术。“关于胃肠运动,我和Rodney Dangerfield看法一致,”阿贝尔说,“但我们的观点一直没有得到重视。“3CPM是如今市场上唯一一家发售胃电图系统的公司。 据该公司首席执行官Mark Noar介绍,在2010年前,每年胃电图系统的售出量不到10台(虽然他指出,销售量已开始回暖,2017年, 世界各地的客户已购买了45台价值 25000美元的机器)。
加州大学圣地亚哥分校的生物工程学家Todd Coleman和Armen Gharibans正着手修补胃监测技术中的漏洞。首先,他们增加了通道数量,从常规胃电图的单通道(如3CPM所售)增加到25个数据收集通道。同时他们还做了一个更小的8通道版本,方便随身携带。
接着,研究人员对电极的放置位置进行了优化,在胸骨下和脐上区域放置硬币大小的探测器。最重要的是,他们开发出的算法能够在保证胃内部肌肉运动的真实慢波信号被接收的同时,排除源自外部运动的噪声电信号。该算法还对每个电极上的信号清晰度进行加权,以保证得到最符合生理情况的结果。
Coleman和Gharibans与他们在加州大学圣地亚哥分校的同事、Rady儿童医院圣地亚哥分院儿科胃肠病学家Hayat Mousa合作,对11个7到17岁的孩子进行了测试,这些孩子都患有慢性胃病。他们将“高分辨率”胃电图监测仪给这些孩子安装好,同时进行一种更具侵入性的诊断程序,称为测压法,后者将压力传感器的导管通过鼻子或嘴探入胃内以直接测量胃底部的收缩情况。
正如上周在《科学报告》(Scientific Reports)上所报道的那样,每一个孩子在两项不同测试中的评估结果显著相关。相比之下,传统单通道胃电图记录的实验,11个研究对象中只有3个在没有配合测压法信号-噪声滤波器的情况下呈显著相关。
“这个发现值得关注,”匹兹堡大学神经胃肠病学和运动中心主任David Levinthal说,“这显然比我们以前的结果更有说服力。”
不过,这并不意味着测试具备临床意义。
首先,有研究结果表明,高分辨率胃电图能够捕捉到大约三分之一的胃收缩变异,而在测压法中,仍有大量的收缩无法解释。
此外,胃电图中使用多通道主要是为了寻找最佳电信号,而不是为了同时监测不同位置的排列信号。纽约理工学院的生物医学工程师Aydin Farajidavar说,这能帮我们了解测量的慢波节率是否与正常的每分钟3个周期不同,但是它无法告诉我们慢波传播的分布模式。
此外,“胃不只是一根从食道传递收缩波到十二指肠的管道,”Levinthal强调,“它是一个局部的专门的容器、混合器和研磨机”——所有的信号都可能在各种胃病中被单独破坏。
这导致一些批评人士认为,即使是更新和改良的方法,胃电图的诊断价值依然存在争议。卡尔加里大学的生物医学工程师Martin Mintchev说:“自发性胃电图本身具有客观的生理限制,使得它无论如何都不太可靠。”
然而,Levinthal却保持着一种开放的心态,他说:“不同疾病可能产生不同电信号,这是值得我们关注的点。”
Coleman和Gharibans希望通过进一步的实验数据赢得怀疑论者的支持。他们已经与UCSD胃肠病学家David Kunkel合作,在大学的雅各布斯医学中心(Jacobs Medical Center) 利用原型机对25名患有消化系统疾病的成人进行了测试,并在尚未发表的研究中发现,电信号与腹痛、胃灼烧和腹胀等问题是同步的。Coleman说“它与症状的严重程度着实相关”。
与此同时,随着基于医院测试的继续,Gharibans也在努力开发一款应用程序,用于记录饮食、零食、排便、恶心、呕吐或其他胃肠道相关事件。他在家休息期间,还用一个纯灰色的有加速计的3d打印塑料盒、锂聚合物电池、microSD卡和电路板做了个小仪器,用来记录运动模式和胃电信号。
在大约6个月中不连续的8天时间里,Gharibans将迷你光碟播放器大小的装置绑在自己肚子上,做了总时长达24小时的记录。他说:“你甚至注意不到它的存在。只要你不趴着睡觉就没事。”
Gharibans的测量结果揭示了睡眠、饮食和锻炼等日常活动对他胃部电信号的影响。他和Coleman现在希望能做出手持或安置于腹部的便携设备,让更多的病人在家监测胃病。他们的设想是,对于那些长期患有胃病的人,只要戴上高分辨率胃电图仪,以定量、客观的方式实时监测,就可以观察到饮食或药物的改变能否带来胃肠道问题的缓解。Coleman 说“这就是胃电图仪的潜力”。
Dana Lewis, 是除了Gharibans之外第一批尝试者中的一员,同时是开放式人工胰腺系统项目的创始人,该项目希望为那些想自己着手解决1型糖尿病相关问题的人们提供自动血糖管理相关的开源技术。
过去几个星期的大多数晚上,Lewis都会在洗澡后在腹部贴上一打医用胶布,1个用来固定胰岛素泵,1个固定葡萄糖监测仪——这是Lewis控制她的糖尿病所需的两个设备,另外的10个则用来固定UCSD团队的高分辨率胃电图电极。
Lewis希望她能够收集到与她的血糖水平相符合的餐后胃部运动数据,这样可以帮助她改善闭环胰岛素剂量系统的算法。
她说:“有了这些胃部活动和消化的数据,可以进一步消除噪音。希望我们对技术的不断改善,能让检测结果逐渐接近体内真实情况。”
(翻译:刘沙 审校:施怿)