Дома и в больнице температуру обычно измеряют оральным или лобным термометром, но они не всегда верно показывают температуру внутренних органов, которое помогло бы понять, не грозит ли человеку опасная для жизни лихорадка. Чтобы такое измерение стало доступнее, инженеры Массачусетского технологического института создали проглатываемый датчик, способный непрерывно передавать данные о температуре прямо из желудочно-кишечного тракта.
По форме и размеру он напоминает крошечную чернику — 6 миллиметров в диаметре и 4 миллиметра в высоту. Это заметно меньше существующих проглатываемых датчиков температуры, которые труднее глотать и которые создают риск закупорки желудочно-кишечного тракта.
«Датчик такого типа дает нам возможность контролировать инфекции и выявлять их на ранней стадии. Это очень актуально, особенно для групп риска, таких как люди с ослабленным иммунитетом из-за химиотерапии или иммуносупрессивных препаратов», — говорит Джованни Траверсо, один из создателей датчика.
За последние годы на рынке появилось несколько проглатываемых датчиков температуры, но большинство из них размером с поливитаминную таблетку или чуть больше, а значит, их сложнее проглотить. Крупный размер еще и повышает риск закупорки желудочно-кишечного тракта. Такие капсулы велики из-за сложных схем внутри, которым нужно много энергии. Энергию дают сравнительно большие встроенные батареи, и они занимают основную часть объема капсулы. Команда MIT хотела сделать датчик, который точно измеряет температуру, но при этом гораздо меньше.
Чтобы уменьшить устройство, исследователи взялись за все главные компоненты сразу — схему измерения температуры, антенну для передачи данных и батарею. Они сделали собственную микросхему, помещающуюся на кремниевом чипе площадью в один квадратный миллиметр. Чтобы снизить ее энергопотребление, разработали генератор на основе тока утечки — небольшого тока, который течет через цепь даже в выключенном состоянии. Частота этого тока меняется в зависимости от температуры вокруг.
Схема определяет температуру с точностью до 0,01 градуса Цельсия и потребляет совсем немного, около 10 нановатт. Ее можно питать от монетной батареи напряжением 1,55 вольта, диаметром 4,8 миллиметра и толщиной около 1,6 миллиметра.
Энергопотребление снижает и способ связи под названием обратное рассеяние. При таком подходе основную нагрузку по мощности берет на себя внешняя антенна, которая находится вне тела, на расстоянии до 30—60 сантиметров от датчика. Эта внешняя антенна излучает радиоволну сверхвысокой частоты, а крошечная антенна внутри датчика видоизменяет ее и отправляет обратно. По изменениям радиоволны внешняя антенна вычисляет температуру. Внутренняя антенна шлет показания раз в секунду, что и обеспечивает непрерывный мониторинг температуры.
«Мы объединили все эти различные компоненты и превратили их в проглатываемую капсулу, которая является самой маленькой проглатываемой капсулой для измерения температуры, которую мы когда-либо видели», — отмечают создатели датчика.
Исследователи видят несколько сценариев применения датчика —отслеживание инфекций и наблюдение за пациентами во время и после анестезии. Анестезия часто сбивает естественную терморегуляцию, и человек рискует переохладиться. Дома такое устройство пригодится, чтобы следить за температурой у ребенка при лихорадке или отслеживать температуру тела как маркер овуляции для определения фертильности. Полезно оно и для контроля за спортсменами, военнослужащими и всеми, кто может оказаться в экстремальных температурах.
Чтобы проверить эти возможности, датчики испытали на животных под анестезией, и они точно определяли и передавали температуру. Точные показания удалось получить и от животных, которые бодрствовали и активно двигались. Сейчас исследователи работают над тем, чтобы объединить датчик температуры с другими, которые могли бы измерять жизненные показатели вроде частоты сердечных сокращений. Клинические испытания они надеются начать в ближайшие несколько лет.
Ранее Китай разработал крошечный датчик мозга, который растворяется сам.