Ett team av forskare har utvecklat en bärbar, icke-invasivt system för att övervaka elektrisk aktivitet i magen under 24 timmar – i huvudsak ett elektrokardiogram men för mag-tarmkanalen (GI).

Tillämpningar inkluderar övervakning av GI-aktivitet för patienter utanför en klinisk miljö, vilket minskar kostnaderna. Övervakning under längre tidsperioder ökar också sannolikheten för att fånga onormala händelser.

Forskare beskriver sina resultat i numret av Nature's open access journal den 22 mars Vetenskapliga rapporter .

Teamet testade enheten, en 3D-utskriven bärbar box ansluten till 10 små bärbara elektroder, på 11 barn och en vuxen volontär. De fann att data som samlats in med det bärbara systemet var jämförbara med data som samlats in på kliniken med toppmoderna metoder, som är invasiva – inklusive en kateter som förs in genom patientens näsa. De fann också att magens elektriska aktivitet förändras inte bara runt måltider, men även under sömnen, följer sin egen dygnsrytm.

"Vi tror att vårt system kommer att utlösa en ny typ av medicin, där en gastroenterolog snabbt kan se var och när en del av mag-tarmkanalen visar onormala rytmer och som ett resultat göra mer exakt, snabbare och personliga diagnoser, sade Armen Gharibaner, tidningens första författare och en bioingenjörspostdoktor vid University of California San Diego.

Todd Coleman, tidningens motsvarande författare och en UC San Diego professor i bioteknik, håller med.

"Detta arbete öppnar dörren för att noggrant övervaka den dynamiska aktiviteten i GI-systemet, " sa han. "Tills nu, det var ganska utmanande att noggrant mäta de elektriska mönstren för magaktivitet på ett kontinuerligt sätt, utanför en klinisk miljö. Från och med nu, vi kommer att kunna observera mönster och analysera dem hos både friska och sjuka människor under deras dagliga liv."

Läkare som är involverade i studien säger att enheten uppfyller ett otillfredsställt kliniskt behov.

"Detta kommer att hjälpa oss att avgöra om magen fungerar korrekt under måltider och - viktigast av allt - när patienter upplever symtom som illamående och magsmärtor, " sa Dr. David Kunkel, en av tidningens medförfattare och en gastroenterolog vid UC San Diego Health.

Genombrottet möjliggjordes eftersom ingenjörer och läkare gick samman för att arbeta med problemet, sa Benjamin Smarr, en av tidningens medförfattare och en kronobiolog vid UC Berkeley.

Bättre algoritmer

Forskarnas största utmaning var att designa algoritmer som känner igen och förstärker magens elektriska signaler bland brus och artefakter. Detta är särskilt svårt att göra eftersom magens elektriska signaler är 10 gånger svagare än hjärtats, gör dem svårare att fånga och analysera.

Forskare utnyttjade signalbehandlingsexpertisen i Colemans forskargrupp för att utveckla en sofistikerad algoritmisk pipeline som kan rensa upp data och separera magmuskelaktivitet (till exempel när en person går), hjärtslag och magaktivitet, i olika band av signaler som inte överlappar varandra. Som ett resultat, Kliniker kan undersöka varje signal individuellt och jämföra den med andra.

Enheten och testning

Själva enheten använder vanliga elektroder som används i elektrokardiogram. Elektroniken och batteriet är inkapslade i en 3D-printad låda och anslutna till elektroderna, som passar på en persons mage strax över magen.

Forskarna arbetade med Dr Hayat Mousa och testade enheten på 11 pediatriska patienter på Rady Children's Hospital i San Diego. Dessa patienter hade genomgått en invasiv procedur som kallas manometri, en av ett par kliniska guldstandarder för objektiv övervakning av mag-tarmkanalens aktivitet. Förfarandet kräver att man använder en kateter som förs in genom näsan för att mäta trycket på flera punkter inne i magen. Att jämföra de två metoderna visade att data som samlats in av den bärbara enheten var robust och tillförlitlig.

"Jag har utövat pediatrisk gastroenterologi och tagit hand om patienter i 20 år, "Dr. Mousa sade. "Den enda metoden för att bedöma gastrointestinal motilitet innebär att placera motilitetskatetrar i mag-tarmkanalen medan barnen är sederade eller under narkos. Det har varit en lång resa att diskutera fördelarna med att göra en sådan invasiv procedur med mina patienter och deras familjer. Min utmaning har alltid varit att hitta ett test som erbjuder en icke-invasiv bedömning av det enteriska nervsystemet och dess samband med hjärnans funktion."

"Tekniken som beskrivs i detta dokument är det bästa sättet att utvärdera barn med motilitet och funktionella GI-störningar, "Dr. Mousa tillade. "Den ger informationen utan behov av sedering och den erbjuder flexibiliteten att övervaka barn medan de fortsätter sina dagliga aktiviteter. Denna procedur möjliggör bekvämlighet utan att kompromissa med noggrannheten. Dessutom, det erbjuder möjligheten att bedöma hjärnans respons på terapeutiska ingrepp inklusive biofeedback och neuromodulering."

Systemet är för närvarande ihopkopplat med en smarttelefonapp som låter patienter logga sina måltider, sömn och andra aktiviteter. Det långsiktiga målet är att designa en app som gör det möjligt för patienter och läkare att se data som samlas in av enheten i realtid.

"Detta är analogt med att gå från växeloperatörer direkt till smarta telefoner för gastroenterologi, sa Smarr.