本文与 MIT News合作发布。
麻省理工学院发明的技术有望使医生未来通过让患者吞服一种可电子监测设备，从胃肠道内测量心率和呼吸频率，从而监测患者的生命体征。
研究人员表示，这类传感器可以更方便地评估创伤患者、在战场上监测士兵、对慢性病患者进行长期评估，或改进专业与业余运动员的训练。
这种新型传感器通过识别心脏跳动和肺部吸气、呼气所产生的独特声波，计算心率和呼吸频率。
“通过对从胃肠道不同部位记录的声波进行特征分析，我们发现可以较为准确地同时测量心率和呼吸频率，”麻省理工学院科赫综合癌症研究所的研究附属人员、麻省总医院胃肠病学家、该论文的主要作者之一乔瓦尼·特拉弗索（Giovanni Traverso）说道。该论文描述了这一设备，发表于11月18日出版的《 PLOS One》期刊。
该论文的另一位主要作者是麻省理工学院林肯实验室的副研究员格雷戈里·恰卡雷利（Gregory Ciccarelli）。资深作者为麻省理工学院大卫·H·科赫讲席教授、科赫研究所成员罗伯特·兰格（Robert Langer），以及林肯实验室技术人员阿尔伯特·斯威斯顿（Albert Swiston）。
从体内进行感知
目前，医生使用心电图（ECG）和脉搏血氧饱和度测定等技术测量心率和呼吸频率等生命体征，这些技术需要与患者皮肤接触。这些生命体征也可以通过可穿戴监测设备测量，但这类设备往往佩戴起来不舒适。
受现有可吞服设备的启发（这些设备可测量体温，另一些可拍摄消化道内部图像），研究人员着手设计一种能够从消化道内部测量心率、呼吸频率及体温的传感器。
研究人员认为，实现这一目标最简单的方式是使用一个小型麦克风“聆听”身体。聆听胸腔声音是最古老的医学诊断技术之一，希波克拉底在古希腊时期就已采用。自19世纪起，医生开始使用听诊器来听取这些声音。
斯威斯顿说，研究人员实际上制造出了“一种可以吞服的极其微小的听诊器”。“使用同一个传感器，我们可以同时采集您的心音和肺音。这是我们这一方法的优势之一——只需一个传感器，就能获得两类信息。”
为将这些声学数据转化为心率和呼吸频率，研究人员必须设计信号处理系统，既要将心脏与肺部产生的声音彼此区分，也要将其与消化道及身体其他部位产生的背景噪声区分开来。
整个传感器约有一粒复合维生素片大小，由封装在硅胶胶囊中的微型麦克风，以及用于处理声音并以无线方式向外部接收器发送无线电信号的电子元件组成，其有效通信范围约为3米。
研究人员在猪的胃肠道内进行测试，发现即使消化的食物量等条件发生变化，该设备仍能准确捕捉心率和呼吸频率。
“这些作者提出了一些有趣且截然不同的可穿戴生理状态监测方法：设备不是佩戴在皮肤或衣物上，而是以一种暂时性的方式存在于胃肠道内。由此产生的功能，为传统意义上的可穿戴技术提供了有力补充，”伊利诺伊大学材料科学与工程教授约翰·罗杰斯（John Rogers）说道，他并未参与该研究团队。
提升诊断水平
研究人员预计，该设备仅会在消化道内停留一到两天，因此如需长期监测，患者可根据需要吞服新的胶囊。
研究人员表示，对军方而言，这类可吞服设备可用于监测士兵是否出现疲劳、脱水、心动过速或休克。若与温度传感器结合使用，还可检测体温过低、体温过高或感染引起的发热。
研究人员计划未来设计能够诊断心脏疾病的传感器，例如心律异常（心律失常），或呼吸系统问题，包括肺气肿或哮喘。目前，医生需要患者佩戴长达一周的背带式（Holter）监测仪来发现此类问题，但由于患者无法忍受全天24小时佩戴，这些设备往往无法得出诊断结果。
斯威斯顿说：“如果能够吞服一种设备来倾听这些病理性声音，而不必佩戴电子监测仪，这将提高患者的依从性。”
研究人员还希望开发的传感器不仅能够诊断问题，还能递送药物进行治疗。
特拉弗索说：“我们希望有朝一日能够检测某些分子或病原体，然后递送例如抗生素。这一研发为未来此类系统的开发奠定了基础。”
发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中的观点。
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作者：Anne Trafton，为MIT News撰稿。
图片：密西西比大学医学中心（杰克逊）创伤中心，注册护士丽贝卡·莫克（Rebecca Moak）在该中心摆拍。路透社/Jonathan Bachman