本記事は MIT Newsとの協働により掲載されています。
MITで発明された技術を用いることで、医師はいつの日か、消化管内から心拍数と呼吸数を測定する経口摂取型の電子デバイスを患者に飲み込んでもらい、患者のバイタルサインをモニターできるようになるかもしれません。
研究チームによると、この種のセンサーは、外傷患者の評価、戦闘中の兵士のモニタリング、慢性疾患患者の長期的な評価、あるいはプロおよびアマチュアのアスリートのトレーニング改善を、より容易にする可能性があります。
この新しいセンサーは、心臓の拍動と肺の吸気・呼気によって生じる特徴的な音波から、心拍数と呼吸数を算出します。
“消化管のさまざまな部位から記録された音響波を分析したところ、心拍数と呼吸数の両方を高い精度で測定できることがわかりました”と語るのは、MITのKoch Institute for Integrative Cancer Researchの研究員であり、マサチューセッツ総合病院の消化器科医でもあるジョバンニ・トラベルソ氏です。同氏は、本デバイスについて説明した論文の筆頭著者の一人であり、同論文は11月18日号の学術誌 PLOS Oneに掲載されました。
同論文のもう一人の筆頭著者は、MITのLincoln Laboratoryの準スタッフであるグレゴリー・チッカレッリ氏です。シニア著者は、MITのDavid H. Koch Institute Professorであり、Koch Instituteのメンバーでもあるロバート・ランガー氏と、Lincoln Laboratoryの技術スタッフであるアルバート・スウィストン氏です。
体内からのセンシング
医師は現在、心拍数や呼吸数などのバイタルサインを、心電図（ECG）やパルスオキシメトリーといった手法を用いて測定しています。これらの手法では患者の皮膚との接触が必要です。これらのバイタルサインはウェアラブルモニターでも測定できますが、それらは装着時に不快なことが多いという問題があります。
体温を測定できる既存の経口摂取型デバイスや、消化管内の画像を撮影する他のデバイスに着想を得て、研究チームは、消化管内から心拍数と呼吸数に加え体温も測定できるセンサーの設計に取り組みました。
研究チームは、これを実現する最も単純な方法は、小型マイクロフォンで体の音を聴くことだと判断しました。胸部の音を聴診することは、古代ギリシャでヒポクラテスも実践していた、最も古い医療診断技法の一つです。1800年代以降、医師は聴診器を使ってこれらの音を聴いてきました。
研究チームは実質的に、“飲み込める極めて小型の聴診器”を作り上げたのです。とスウィストン氏は語ります。“同じセンサーで、心音と肺音の両方を収集できます。これがわれわれのアプローチの利点の一つです。一つのセンサーで二つの情報を得られるのです。”
これらの音響データを心拍数と呼吸数に変換するため、研究チームは、心臓と肺が発する音を互いに区別し、さらに消化管や体の他の部位が発する背景ノイズとも区別する信号処理システムを考案する必要がありました。
センサー全体は、マルチビタミン錠剤とほぼ同じ大きさで、シリコーン製のカプセルに封入された小型マイクロフォンと、音を処理して外部受信機へ無線で電波信号を送信する電子回路で構成されています。通信範囲は約3メートルです。
ブタの消化管での試験では、消化されている食物の量などの条件を変えた場合でも、本デバイスが心拍数と呼吸数を正確に検出できることがわかりました。
“著者らは、ウェアラブル生体状態モニターに対する、興味深く根本的に異なるアプローチをいくつか提示しています。これらのデバイスは皮膚や衣服に装着されるのではなく、一時的に消化管内に留まります。その結果得られる機能は、従来想定されてきたウェアラブル技術が持つ機能を強力に補完するものです。”と語るのは、イリノイ大学の材料科学工学の教授で、本研究チームには参加していないジョン・ロジャース氏です。
より優れた診断
研究チームは、本デバイスは消化管内に一日か二日しか留まらないと見込んでいます。そのため、長期的なモニタリングでは、必要に応じて患者が新しいカプセルを飲み込むことになります。
研究チームによると、軍事分野では、この種の経口摂取型デバイスは、兵士の疲労、脱水、頻脈、またはショックをモニターするのに役立つ可能性があります。体温センサーと組み合わせると、低体温症、高体温症、あるいは感染症による発熱も検出できる可能性があります。
今後、研究チームは、不整脈などの心疾患や、肺気腫や喘息を含む呼吸器系の問題を診断できるセンサーの設計を計画しています。現在、医師はこうした問題を検出するために、患者に最長一週間、ハーネス（ホルター）型モニターを装着してもらうことを求めていますが、患者が1日24時間の装着に不快感を覚えるため、診断に至らないことが多いのが現状です。
“電気式モニターを装着する代わりに、そうした病的な音を聞き取るデバイスを飲み込めるなら、患者のコンプライアンスは向上するでしょう。”とスウィストン氏は語ります。
研究チームはまた、問題を診断するだけでなく、その治療のための薬剤を送達するセンサーの開発も目指しています。
“いつの日か、特定の分子や病原体を検出し、その後、例えば抗生物質を送達できるようになることを期待しています。”とトラベルソ氏は語ります。“この成果は、将来そのようなシステムを実現するための基盤を提供するものです。”
掲載されたことは、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：Anne Trafton（MIT News執筆）
画像：ミシシッピ州ジャクソンにあるUniversity of Mississippi Medical Centerの外傷センターで写真撮影に応じる登録看護師のRebecca Moak。REUTERS/Jonathan Bachman