"Лаборатория на чипе" - разработка колледжа USask для диагностики болезней кишечника

Доктор Хан Вахид, профессор электротехники и вычислительной техники в инженерном колледже USask занимается разработкой SmartCap - прототипа диагностического инструмента нового поколения, который устраняет недостатки 20-летней технологии беспроводной капсульной эндоскопии, используемой в настоящее время для обнаружения желудочно-кишечных злокачественных новообразований и кровоизлияний. 

• SmartCap способен генерировать данные о локализации опухолей и кровотечений, что приводит к большей точности диагностики.

С помощью уникальной системы слежения, разработанной командой Вахида, врачи смогут точно отслеживать весь кишечный путь смарт-капсулы благодаря крошечным беспроводным "интеллектуальным " биосенсорам, которые обнаруживают и анализируют целевые биомаркеры (индикаторы заболеваний) и взаимодействуют с внешними устройствами, такими как компьютер.

"Этот новый инструмент может удвоить процент выживаемости больных с раком желудочно-кишечного тракта во всем мире", - сказал Вахид, - Это первая полностью отслеживаемая "умная" таблетка для целевой эндоскопии (нехирургический способ заглянуть внутрь тела), которая может быть персонализирована для пациента."

• 4,6 миллиона новых случаев рака желудочно-кишечного тракта,

• 3,3 миллиона связанных с этим смертей.

Около двух третей этих раковых заболеваний выявляются на продвинутой стадии, но при более ранних диагнозах и лечении выживаемость пациентов почти удваивается - до 83%.

 "Программа New Frontiers in Research объединяет нетрадиционные способы для изучения новых направлений, которые раздвигают границы исследований, - сказала вице-президент USask по исследованиям Карен Чад. - Под руководством профессора Вахида этот биомедицинский инженерный проект по улучшению диагностики рака использует инновационный и широкий опыт наших талантливых исследователей, повышая вклад, который мы вносим в решение основных проблем здравоохранения во всем мире."

Технология сегодня и в скором будущем

В то время как технология беспроводных капсул с использованием крошечных камер в настоящее время является единственным вариантом для захвата изображений внутри тонкой кишки длиной от 3 до 10 метров, современные устройства не могут быть точно отслежены в кишечнике, что делает невозможным для врачей точно определить место рака, полипа или кровоизлияния. Непроизвольные движения тонкой кишки еще больше затрудняют определение хода капсулы.

«Это все равно, что пытаться выследить что-то в темноте без ориентира или там, где сами ориентиры постоянно движутся, - сказал Вахид. — Вот почему за последние 20 лет не произошло никаких изменений в аппаратной и локализационной стороне технологии беспроводных капсул, хотя качество изображения, беспроводная передача, диагностические инструменты и программное обеспечение улучшились."

SmartCap

При разработке SmartCap команда Вахида использует подход "лаборатория на чипе" - интегрирует несколько лабораторных функций, включая анализ образцов крови на одном чипе.

Благодаря более чем вдвое большему заряду батареи, чем у обычных беспроводных капсул, 24-часовая батарея SmartCap делает возможным обнаружение образований вплоть до конца кишечного путешествия, с улучшенными результатами благодаря маломощным флуоресцентным датчикам, мультиспектральным датчикам света и технологии локализации - все это разрабатывается в лаборатории Вахида.

Бортовые флуоресцентные датчики обнаруживают свечение от специальных красителей, вводимых пациенту для связывания с определенными раковыми клетками, идентифицируя рак и его местоположение в режиме реального времени.

Мультиспектральная матрица датчиков определяет концентрацию гемоглобина и насыщение кислородом крови, проходящей через выемку на капсуле, анализируя цвет крови, указывая, является ли кровотечение активным, хроническим или сгустком. Для повышения точности используются методы глубокого обучения ИИ.

Крошечные датчики изображения, прикрепленные к боковым стенкам капсулы, и "технология цифровой корреляции изображений"—заимствованная из метода, используемого в оптической компьютерной мыши для корреляции ее движения с курсором,—отслеживают капсулу в реальном времени. Крошечный блок для измерения скорости и ориентации капсулы предоставляет данные, помогающие локализовать опухоль.

Чтобы исключить возможные ложные срабатывания, крошечная стандартная камера интегрирована, но будет оставаться в основном в спящем режиме, активируемом только в том случае, если чип ИИ подозревает злокачественную опухоль.

 Команда подала заявку на патент своей разработки.

"Если все пройдет успешно, вы можете использовать эту технологию во многих других проглатываемых датчиках и имплантатах, даже адаптировать ее для использования в подземной добыче и бурении или в нефтяной промышленности для обнаружения и локализации утечек в трубопроводах", - сказал Вахид и добавил, что прототип SmartCap будет готов через два года.