A 0.5 cm³ Ingestible Capsule Sensor with Synchronized Sensing and Tracking for Active Gastrointestinal Event Identification and Localization

मानव पाचन तंत्र एक लंबी, घुमावदार नली है जो शरीर के भीतर अंधेरे में, गहराई में छिपे हुए अपना कार्य करती है। सदियों से, डॉक्टर बिना नुकसान पहुँचाए वहां क्या होता है, यह देखने के लिए संघर्ष करते रहे हैं। एंडोस्कोप जैसे पारंपरिक उपकरणों के लिए रोगी को बेहोश करना और एक ट्यूब को अंदर धकेलना आवश्यक होता है, जो आंत की प्राकृतिक लय को बाधित करता है और केवल एक ही क्षण को पकड़ पाता है। अन्य तरीके, जैसे कि कैमरा कैप्सूल निगलना, यात्रा के दौरान तस्वीरें तो ले सकते हैं, लेकिन वे डॉक्टर को यह नहीं बता सकते कि किसी भी दिए गए सेकंड में कैमरा वास्तव में कहाँ है, और न ही वे अपने आसपास होने वाले रासायनिक परिवर्तनों को माप सकते हैं। पाचन स्वास्थ्य को वास्तव में समझने के लिए, वैज्ञानिकों को आंत की प्राकृतिक बातचीत—इसकी गतिविधियों, इसके तापमान और इसके रासायनिक संकेतों—को सुनने के एक तरीके की आवश्यकता है—जबकि व्यक्ति या जानवर बिना किसी तार या भारी बाहरी मशीनों के स्वतंत्र रूप से घूम रहा हो।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा छोटा उपकरण बनाया है जो बिल्कुल यही करता है। उन्होंने एक ऐसा सेंसर बनाया है जिसे निगलना इतना आसान है कि वह एक मानक दो-अंकों वाली गोली के आकार का है, जो पूरे पाचन पथ के माध्यम से यात्रा कर सकता है और साथ ही महत्वपूर्ण संकेतों को माप सकता है और अपना सटीक स्थान रिपोर्ट कर सकता है। यह उपकरण, जिसे वे 'पिल-स्कैनर' (Pill-Scanner) कहते हैं, मात्र 0.5 क्यूबिक सेंटीमीटर के आयतन में समाहित है। इस नन्ही सी खोल के भीतर, शोधकर्ताओं ने एक कंप्यूटर, तापमान और दबाव के सेंसर, और बाहरी दुनिया से बात करने का एक विशेष तरीका भरा है, जो वायरलेस संकेतों के लिए आमतौर पर आवश्यक बड़ी एंटेना पर निर्भर नहीं करता है। इसके बजाय, यह उपकरण शरीर के अपने ऊतकों के माध्यम से विद्युत संकेत भेजता है, जो संदेश को त्वचा पर रखे गए सेंसरों तक पहुँचाने के लिए हमारे कोशिकाओं के भीतर मौजूद प्राकृतिक आयनों का उपयोग करता है। यह विधि उपकरण को अपनी स्थिति और अपने मापों को वास्तविक समय में संप्रेषित करने की अनुमति देती है, जिससे आंत के हिलने-डुलने के दौरान उसके भीतर क्या हो रहा है, इसका एक विस्तृत मानचित्र तैयार होता है।

मुख्य चुनौती जो शोधकर्ताओं के सामने आई वह थी इन सभी कार्यों को इतने छोटे स्थान में फिट करना कि इसे सुरक्षित रूप से निगला जा सके, और साथ ही यह सुनिश्चित करना कि बैटरी इतनी देर तक चले कि वह मुँह से बाहर निकलने तक यात्रा कर सके। पारंपरिक वायरलेस तकनीक के लिए बड़ी एंटेना और उच्च शक्ति की आवश्यकता होती है, जिससे उपकरण बहुत बड़ा हो जाता या बैटरी कुछ ही मिनटों में खत्म हो जाती। इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने एक अनूठी संरचना डिजाइन की। एक कठोर, ठोस खोल के बजाय, उन्होंने एक लचीले फ्रेम का उपयोग किया जो एक पतली, मेडिकल-ग्रेड प्लास्टिक झिल्ली (मेम्ब्रेन) से ढका हुआ है। यह झिल्ली विद्युत संकेतों के लिए एक सेतु का कार्य करती है, जिससे उपकरण शरीर की प्राकृतिक चालकता के माध्यम से बाहरी दुनिया से संवाद कर पाता है। इस दृष्टिकोण का उपयोग करके, उपकरण बहुत कम बिजली की खपत करता है, जिससे एक छोटी बैटरी इसे दस दिनों से अधिक समय तक चालू रख सकती है। यह सहनशक्ति महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका अर्थ है कि सेंसर बिना दोबारा बदले या चार्ज किए पूरे पाचन तंत्र की यात्रा को पूरा कर सकता है।

एक बार उपकरण शरीर के अंदर जाने के बाद, यह आंतरिक वातावरण का मानचित्र बनाने का अपना काम शुरू कर देता है। यह आंत के संकुचन की लय, आसपास के ऊतकों के तापमान और यहाँ तक कि गैसों या रक्तस्राव की उपस्थिति को भी मापता है। लेकिन सबसे महत्वपूर्ण सफलता यह है कि इसे पता चलता है कि यह कहाँ है। उपकरण एक कमजोर विद्युत संकेत भेजता है जो त्वचा की सतह पर एक पैटर्न बनाता है। शरीर के बाहर लगे सेंसरों का एक सेट इन संकेतों को पकड़ लेता है। चूंकि संकेत की शक्ति और आकार शरीर के भीतर उपकरण की स्थिति के आधार पर बदल जाते हैं, इसलिए एक कंप्यूटर त्रि-आयामी (3D) स्थान में इसकी सटीक स्थिति की गणना कर सकता है। शोधकर्ताओं ने इस प्रणाली का परीक्षण जीवित खरगोशों में किया, जिन्हें स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति दी गई थी। उपकरण ने सफलतापूर्वक खरगोशों की पाचन गतिविधियों को ट्रैक किया, और यह रिकॉर्ड किया कि भोजन और दवा के प्रति उनके पेट ने कैसी प्रतिक्रिया दी। यह खाली पेट के सामान्य, धीमे संकुचन और भोजन के बाद होने वाली तीव्र, मजबूत लहरों के बीच अंतर करने में सक्षम था।

शोधकर्ताओं ने यह भी प्रदर्शित किया कि यह उपकरण विशिष्ट समस्याओं को ढूंढ सकता है। एक प्रयोग में, उन्होंने खरगोश की आंत में एक छोटा रक्तस्राव वाला स्थान बनाया और उसमें एक हानिरहित डाई इंजेक्ट की जो प्रकाश के नीचे चमकती है। जैसे ही सेंसर उस रक्तस्राव वाले स्थान के पास से गुजरा, उसने चमक को पहचान लिया और तुरंत अपनी स्थिति की रिपोर्ट दी, जो एक्स-रे छवियों में देखी गई स्थिति से मेल खाती थी। एक अन्य परीक्षण में, उपकरण ने पेट से आंतों में जाते समय ऑक्सीजन के स्तर को ट्रैक किया, जिससे यह पता चला कि जैसे-जैसे उपकरण गहरे पाचन तंत्र की ओर बढ़ता है जहाँ बैक्टीरिया ऑक्सीजन का उपभोग करते हैं, ऑक्सीजन का स्तर कैसे गिरता है। किसी विशिष्ट माप को एक विशिष्ट स्थान से जोड़ने की यह क्षमता डॉक्टरों को न केवल यह बताती है कि समस्या मौजूद है, बल्कि यह भी कि वह ठीक कहाँ है और समय के साथ कैसे बदलती है।

यह सिद्ध करने के लिए कि उपकरण वास्तविक चिकित्सा परिदृश्यों को संभाल सकता है, टीम ने सर्जरी के बाद होने वाली एक जटिलता का अनुकरण किया जहाँ आंत हिलना बंद कर देती है, जिसे 'अवरोध' (obstruction) कहा जाता है। उन्होंने सेंसर को सीधे खरगोश की आंत में रखा और एक रुकावट पैदा की। उपकरण ने तुरंत पता लगा लिया कि सामान्य लयबद्ध संकुचन रुक गए हैं और दबाव बढ़ रहा है। इसने रिपोर्ट किया कि यह एक विशिष्ट स्थान पर रुक गया है, और स्थान का डेटा एक्स-रे छवियों के साथ पूरी तरह मेल खाता था। इससे पता चला कि उपकरण बिना किसी आक्रामक सर्जरी या भारी इमेजिंग उपकरणों के रुकावट की पहचान कर सकता है और उसके स्थान का पता लगा सकता है। उपकरण शरीर से स्वाभाविक रूप से बाहर निकलने तक कार्य करता रहा, जिससे सिद्ध हुआ कि वह पाचन तंत्र के कठोर वातावरण में जीवित रह सकता है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल पाचन तंत्र की बेहतर तस्वीरें लेने से कहीं अधिक हैं। पाचन तंत्र का निरंतर, वास्तविक समय का मानचित्र प्रदान करके, यह तकनीक डॉक्टरों को उन बीमारियों के निदान में मदद कर सकती है जिन्हें पकड़ना वर्तमान में कठिन है, जैसे कि इन्फ्लेमेटरी बाउल डिजीज (IBD) या सूक्ष्म गति संबंधी विकार। यह अध्ययन करने का एक तरीका प्रदान करता है कि आंत प्राकृतिक अवस्था में भोजन और दवा के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है, बिना एनेस्थीसिया के तनाव या अस्पताल के बिस्तर की सीमाओं के। शोधकर्ताओं का मानना ​​है कि यह दृष्टिकोण अंततः लक्षित उपचारों की ओर ले जा सकता है, जहाँ एक उपकरण ठीक वहीं दवा पहुँचा सकता है जहाँ उसकी आवश्यकता है या किसी विशिष्ट स्थान से ऊतक का नमूना ले सकता है। फिलहाल, यह उपकरण एक महत्वपूर्ण कदम है, जो पाचन की अदृश्य यात्रा को एक दृश्य, मापने योग्य और समझने योग्य प्रक्रिया में बदल देता है। यह साधारण रूप से गोली निगलने के कार्य को शरीर के आंतरिक परिदृश्य की एक परिष्कृत खोज में बदल देता है, जो मानव स्वास्थ्य की देखभाल और समझ के लिए एक नया तरीका प्रदान करता है।