Le minuscule capteur fonctionne en détectant un champ magnétique produit par une bobine électromagnétique située à l’extérieur du corps. La force du champ varie avec la distance de la bobine, de sorte que la position du capteur peut être calculée en fonction de sa mesure du champ magnétique.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient utiliser cette technologie pour suivre le capteur lorsqu’il se déplaçait dans le tube digestif des grands animaux. Un tel dispositif pourrait offrir une alternative aux procédures plus invasives, telles que l’endoscopie, qui sont actuellement utilisées pour diagnostiquer les troubles de la motilité.

« De nombreuses personnes dans le monde souffrent de dysmotilité gastro-intestinale ou d’une mauvaise motilité, et avoir la capacité de surveiller la motilité gastro-intestinale sans avoir à se rendre à l’hôpital est important pour vraiment comprendre ce qui arrive à un patient », déclare Giovanni Traverso, le Karl van Tassel Professeur adjoint en développement de carrière en génie mécanique au MIT et gastro-entérologue au Brigham and Women’s Hospital.

Traverso est l’un des auteurs principaux de la nouvelle étude, avec Azita Emami, professeur de génie électrique et de génie médical à Caltech, et Mikhail Shapiro, professeur de génie chimique à Caltech et chercheur au Howard Hughes Medical Institute. Saransh Sharma, étudiante diplômée à Caltech, et Khalil Ramadi, ancien étudiant diplômé du MIT et post-doctorant qui est maintenant professeur adjoint de bio-ingénierie à l’Université de New York, sont les principaux auteurs de l’article, qui paraît aujourd’hui dans Électronique naturelle.

Un capteur magnétique

Les troubles de la motilité gastro-intestinale, qui touchent environ 35 millions d’Américains, peuvent survenir dans n’importe quelle partie du tube digestif, entraînant l’incapacité des aliments à se déplacer dans le tube. Ils sont généralement diagnostiqués à l’aide d’études d’imagerie nucléaire ou de rayons X, ou en insérant des cathéters contenant des transducteurs de pression qui détectent les contractions du tractus gastro-intestinal.

Les chercheurs du MIT et de Caltech ont voulu proposer une alternative qui serait moins invasive et qui pourrait se faire au domicile du patient. Leur idée était de développer une capsule pouvant être avalée, puis d’envoyer un signal révélant où elle se trouvait dans le tractus gastro-intestinal, permettant aux médecins de déterminer quelle partie du tractus provoquait un ralentissement et de mieux déterminer comment traiter l’état du patient.

Pour y parvenir, les chercheurs ont profité du fait que le champ produit par une bobine électromagnétique s’affaiblit, de manière prévisible, à mesure que la distance à la bobine augmente. Le capteur magnétique qu’ils ont développé, qui est suffisamment petit pour tenir dans une capsule ingérable, mesure le champ magnétique environnant et utilise cette information pour calculer sa distance par rapport à une bobine située à l’extérieur du corps.

« Parce que le gradient de champ magnétique code de manière unique les positions spatiales, ces petits appareils peuvent être conçus de manière à pouvoir détecter le champ magnétique à leurs emplacements respectifs », explique Sharma. « Une fois que l’appareil a mesuré le champ, nous pouvons recalculer l’emplacement de l’appareil. »

Pour localiser avec précision l’emplacement d’un appareil à l’intérieur du corps, le système comprend également un deuxième capteur qui reste à l’extérieur du corps et agit comme un point de référence. Ce capteur pourrait être collé sur la peau, et en comparant la position de ce capteur à la position du capteur à l’intérieur du corps, les chercheurs peuvent calculer avec précision où se trouve le capteur ingérable dans le tractus gastro-intestinal.

Le capteur ingérable comprend également un émetteur sans fil qui envoie la mesure du champ magnétique à un ordinateur ou à un smartphone à proximité. La version actuelle du système est conçue pour prendre une mesure chaque fois qu’il reçoit un déclenchement sans fil d’un smartphone, mais il peut également être programmé pour prendre des mesures à des intervalles spécifiques.

« Notre système peut prendre en charge la localisation de plusieurs appareils en même temps sans compromettre la précision. Il dispose également d’un large champ de vision, ce qui est crucial pour les études sur l’homme et les grands animaux », déclare Emami.

La version actuelle du capteur peut détecter un champ magnétique provenant de bobines électromagnétiques à une distance de 60 centimètres ou moins. Les chercheurs envisagent que les bobines puissent être placées dans le sac à dos ou la veste du patient, ou même à l’arrière des toilettes, permettant au capteur ingérable de prendre des mesures chaque fois qu’il se trouve à portée des bobines.

Suivi de localisation

Les chercheurs ont testé leur nouveau système sur un grand modèle animal, en plaçant la capsule ingérable dans l’estomac, puis en surveillant son emplacement pendant qu’elle se déplaçait dans le tube digestif pendant plusieurs jours.

Dans leur première expérience, les chercheurs ont livré deux capteurs magnétiques attachés l’un à l’autre par une petite tige, ils connaissaient donc la distance exacte qui les séparait. Ensuite, ils ont comparé leurs mesures de champ magnétique à cette distance connue et ont constaté que les mesures étaient précises à une résolution d’environ 2 millimètres, bien supérieure à la résolution des capteurs basés sur le champ magnétique développés précédemment.

Ensuite, les chercheurs ont effectué des tests en utilisant un seul capteur ingérable avec un capteur externe attaché à la peau. En mesurant la distance entre chaque capteur et les bobines, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient suivre le capteur ingéré au fur et à mesure qu’il se déplaçait de l’estomac au côlon, puis était excrété. Les chercheurs ont comparé la précision de leur stratégie avec des mesures prises par rayons X et ont constaté qu’elles étaient précises entre 5 et 10 millimètres.

« L’utilisation d’un capteur de référence externe aide à prendre en compte le problème selon lequel chaque fois qu’un animal ou un humain se trouve à côté des bobines, il est probable qu’il ne sera pas exactement dans la même position que la fois précédente. En l’absence de ayant des rayons X comme vérité de terrain, il est difficile de déterminer exactement où se trouve cette pilule, à moins d’avoir une référence cohérente qui se trouve toujours au même endroit », explique Ramadi.

Ce type de surveillance pourrait permettre aux médecins de déterminer plus facilement quelle section du tractus gastro-intestinal provoque un ralentissement de la digestion, selon les chercheurs. « La capacité de caractériser la motilité sans avoir besoin de rayonnement ou de placement plus invasif d’appareils, je pense, réduira la barrière pour que les personnes soient évaluées », a déclaré Traverso.

Les chercheurs espèrent maintenant travailler avec des collaborateurs pour développer des procédés de fabrication du système et caractériser davantage ses performances chez les animaux, dans l’espoir de le tester éventuellement dans des essais cliniques humains.

La recherche a été financée par la National Science Foundation, la Rothenberg Innovation Initiative et le Heritage Medical Research Institute.