Miniaturowa kapsułka z MIT mierzy temperaturę organizmu od środka

Inżynierowie z Massachusetts Institute of Technology (MIT) opracowali niezwykle mały czujnik temperatury przeznaczony do połknięcia, który umożliwia ciągły pomiar temperatury wewnętrznej organizmu bezpośrednio z przewodu pokarmowego. Urządzenie wielkości niewielkiej jagody może znaleźć zastosowanie w monitorowaniu infekcji, opiece nad pacjentami wysokiego ryzyka, medycynie sportowej, anestezjologii oraz diagnostyce płodności.

W artykule:

• Dlaczego temperatura wewnętrzna organizmu jest ważniejsza niż pomiary zewnętrzne
• Jak działa nowy miniaturowy czujnik opracowany przez MIT
• Technologie pozwalające zmniejszyć rozmiar kapsułki
• Dokładność pomiarów i możliwości ciągłego monitorowania
• Potencjalne zastosowania kliniczne i domowe
• Plany dalszego rozwoju oraz badań klinicznych

Pomiar temperatury ciała należy do podstawowych parametrów wykorzystywanych w diagnostyce medycznej. W warunkach szpitalnych i domowych najczęściej wykorzystuje się termometry doustne, pachowe, douszne lub czołowe. Metody te nie zawsze jednak odzwierciedlają rzeczywistą temperaturę głęboką organizmu, która stanowi bardziej wiarygodny wskaźnik stanu zdrowia pacjenta.

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology opracowali nową generację miniaturowych czujników do połknięcia, które mogą na bieżąco monitorować temperaturę wewnątrz przewodu pokarmowego i bezprzewodowo przesyłać wyniki pomiarów.

Dlaczego pomiar temperatury głębokiej ma znaczenie?

Temperatura głęboka organizmu jest jednym z najważniejszych wskaźników fizjologicznych. Jej zmiany mogą sygnalizować rozwijającą się infekcję, stan zapalny, zaburzenia metaboliczne lub problemy związane z regulacją termiczną organizmu.

Według prof. Giovanniego Traverso z MIT, Brigham and Women’s Hospital oraz Broad Institute, możliwość ciągłego monitorowania temperatury wewnętrznej może umożliwić wcześniejsze wykrywanie infekcji, szczególnie u pacjentów należących do grup wysokiego ryzyka.

Dotyczy to między innymi osób otrzymujących chemioterapię, pacjentów przyjmujących leki immunosupresyjne po przeszczepach narządów oraz chorych z osłabioną odpornością.

Najmniejsza kapsułka pomiarowa tego typu

Dotychczas dostępne na rynku czujniki temperatury do połknięcia miały zwykle wielkość kapsułki multiwitaminy lub nawet większą. Utrudniało to ich połykanie i zwiększało ryzyko zatrzymania w przewodzie pokarmowym.

Nowe urządzenie opracowane przez MIT ma zaledwie 6 milimetrów średnicy i 4 milimetry wysokości. Badacze porównują jego rozmiar do niewielkiej borówki amerykańskiej.

Tak znaczące zmniejszenie wymiarów ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa użytkowania.

„Powodem, dla którego urządzenie musi być małe, jest bezpieczeństwo. Chcemy stworzyć rozwiązanie, które minimalizuje ryzyko blokady przewodu pokarmowego i jednocześnie jest łatwe do połknięcia” – podkreśla Giovanni Traverso.

Nowy układ elektroniczny zużywa minimalną ilość energii

Jednym z największych wyzwań konstrukcyjnych było ograniczenie rozmiarów wszystkich elementów urządzenia, w tym układu pomiarowego, anteny komunikacyjnej oraz baterii.

Zespół badawczy opracował własny układ elektroniczny mieszczący się na krzemowym chipie o powierzchni zaledwie 1 mm².

Aby ograniczyć zużycie energii, naukowcy wykorzystali oscylator bazujący na tzw. prądzie upływu. Jest to niewielki prąd przepływający przez układ elektroniczny nawet wtedy, gdy pozostaje on formalnie wyłączony. Częstotliwość tego sygnału zależy od temperatury otoczenia, co pozwala wykorzystać go do bardzo dokładnych pomiarów.

Opracowany układ umożliwia pomiar temperatury z dokładnością do 0,01°C, zużywając jednocześnie jedynie około 10 nanowatów mocy.

Dzięki tak niskiemu zapotrzebowaniu energetycznemu urządzenie może być zasilane miniaturową baterią guzikową o napięciu 1,55 V, średnicy 4,8 mm i grubości około 1,6 mm.

Komunikacja bezprzewodowa wykorzystująca zjawisko backscatter

Kolejnym elementem umożliwiającym miniaturyzację było zastosowanie techniki komunikacyjnej określanej jako backscatter.

W klasycznych systemach bezprzewodowych nadajnik musi generować własny sygnał radiowy, co wymaga znacznych ilości energii. W nowym rozwiązaniu większość energii dostarcza antena zewnętrzna znajdująca się poza organizmem, w odległości około 30–60 centymetrów od pacjenta.

Antena zewnętrzna emituje fale radiowe o ultrawysokiej częstotliwości. Miniaturowa antena znajdująca się w kapsułce moduluje odbierany sygnał i odbija go z powrotem do odbiornika. Na podstawie zmian sygnału system oblicza aktualną temperaturę.

Rozwiązanie to pozwala znacząco ograniczyć zapotrzebowanie energetyczne urządzenia przy jednoczesnym zachowaniu ciągłej transmisji danych.

Czujnik przesyła nowy odczyt temperatury raz na sekundę, umożliwiając nieprzerwane monitorowanie parametrów organizmu.

Możliwe zastosowania kliniczne

Badacze wskazują wiele potencjalnych obszarów zastosowania nowego urządzenia.

Jednym z najważniejszych może być monitorowanie infekcji u pacjentów z grup wysokiego ryzyka. Wczesne wykrywanie wzrostu temperatury mogłoby umożliwić szybsze wdrożenie leczenia oraz ograniczenie powikłań.

Urządzenie może również znaleźć zastosowanie w anestezjologii. Znieczulenie ogólne zaburza naturalne mechanizmy regulacji temperatury organizmu, zwiększając ryzyko hipotermii śródoperacyjnej. Ciągły pomiar temperatury głębokiej mógłby poprawić bezpieczeństwo pacjentów podczas zabiegów chirurgicznych.

Kolejnym potencjalnym zastosowaniem jest monitorowanie temperatury związanej z owulacją. Temperatura głęboka organizmu stanowi jeden z najbardziej wiarygodnych wskaźników zmian hormonalnych zachodzących podczas cyklu miesiączkowego.

Technologia może również wspierać monitorowanie dzieci z gorączką, sportowców poddawanych intensywnym treningom, żołnierzy oraz osób pracujących lub przebywających w ekstremalnych warunkach termicznych.

Udane testy przedkliniczne

W badaniach przedklinicznych naukowcy testowali czujniki u zwierząt poddanych znieczuleniu ogólnemu. System skutecznie rejestrował i transmitował dane temperaturowe.

Dokładne pomiary uzyskano również u zwierząt pozostających w pełni aktywnych i poruszających się swobodnie, co potwierdziło możliwość działania urządzenia w warunkach zbliżonych do codziennego użytkowania.

Kolejny krok: monitorowanie wielu parametrów życiowych

Zespół MIT pracuje obecnie nad rozszerzeniem funkcjonalności platformy poprzez integrację dodatkowych czujników umożliwiających monitorowanie parametrów takich jak częstość akcji serca i inne wskaźniki fizjologiczne.

Badacze mają nadzieję rozpocząć pierwsze badania kliniczne u ludzi w ciągu najbliższych kilku lat.

Zdaniem Giovanniego Traverso technologia może w przyszłości całkowicie zmienić sposób monitorowania temperatury ciała.

„Myślę, że takie rozwiązanie może zastąpić wszystkie termometry, ponieważ jest najdokładniejszym sposobem pomiaru temperatury. Jeśli dysponujemy miniaturowymi systemami łatwymi do połknięcia i dostarczającymi dane dokładniejsze niż obecnie dostępne metody, mogą one być przydatne na wiele różnych sposobów” – podsumowuje badacz.

Źródło: Nature Electronics, A miniaturized ingestible temperature sensor for continuous internal monitoring
DOI: https://doi.org/10.1038/s41928-026-01643-y