Science Robotics发表！MIT开发FIREFLI可吞服胶囊设备

在急性腹痛的临床诊断中，急性肠系膜缺血（AMI）始终是令医生最为棘手的难题之一。

这种因肠道血流中断导致组织坏死的急症，死亡率高达55%，超过许多癌症。更可怕的是，它的症状和肠胃炎、阑尾炎等常见胃病极为相似，——腹痛、恶心、腹泻，以医生往往要做一系列复杂检查才能确诊，而宝贵的救治时间就在这个过程中悄悄溜走。CT血管造影需要大型设备，肠系膜血管造影更是侵入性操作，不仅费用高昂，还受限于医院条件和专业医师。在医疗资源匮乏地区，这几乎宣判了患者的死刑。

在这一临床困境的推动下，来自麻省理工的科研团队开发出了一项突破性医疗机器人——FIREFLI（通过光反射发现缺血）可吞服诊断胶囊。这种直径11.0毫米、长度26.2毫米的微型设备，巧妙地将光学诊断技术与肠道生理环境感知能力集成于胶囊尺寸的外壳内。

该成果以“An ingestible capsule for luminance-based diagnosis of mesenteric ischemia”为题发表在国际权威期刊《Science Robotics》上。

▍FIREFLI胶囊的仿生设计与技术架构

FIREFLI胶囊的设计灵感源于萤火虫的生物特性，雌性萤火虫通过pH敏感荧光素酶发射特定波长的光，雄性萤火虫则通过检测光反射信号定位配偶。研发团队发现，这一“发光-感光”机制可迁移至肠道缺血诊断——缺血肠道组织因缺氧导致血红蛋白氧合状态改变，进而引起光反射特性变化，通过精准检测该变化即可实现疾病鉴别。

为了避免胶囊在食道、胃内非靶向激活导致功耗浪费或误诊，其外壳喷涂一层Eudragit L100-55聚合物膜，该膜具有pH响应性溶解特性。在胃内酸性环境（pH≈1.2）中，聚合物膜保持稳定；进入小肠中性环境（pH≈6.8）后，3.5±3.0分钟内即可完全溶解，触发胶囊启动。

用于诊断肠系膜缺血的可摄入装置的仿生设计概述

胶囊内部集成3组折叠式柔性印刷电路板（PCB），每组PCB包含1个白色发光二极管（LED）与1个10通道光电二极管传感器，形成“发光-感光”单元。其中，LED以脉冲模式发射广谱可见光，覆盖350-1000nm范围，传感器同步采集10个特征波长的反射光信号。该设计基于缺血组织的光学特性，健康肠道组织富含氧合血红蛋白，对红光（600-700nm）反射率较高；缺血后血红蛋白脱氧，对红光吸收增强，反射率显著下降，且不同缺血程度对应特定的反射光谱变化。10通道设计可覆盖缺血相关的关键波长区间，避免单一波长检测的局限性，提升信号特异性。

胶囊内置微控制器单元（MCU），核心功能包括信号校正、生物标志物计算、诊断判定与无线传输。信号校正通过预设算法消除设备机械部件如外壳、传感器窗口对光学信号的干扰；生物标志物计算将10通道反射光信号通过变换矩阵转换为“组织亮度生物标志物”，以勒克斯（lx）为单位量化组织反射光强度，该指标与肠道缺血程度呈负相关；诊断判定基于动物实验确立的阈值，即低于健康组织平均亮度的85%判定为缺血，实时输出诊断结果；无线传输通过2.4GHz频段（兼容蓝牙低功耗协议）将诊断结果传输至体外移动设备。

▍动物实验验证：FIREFLI胶囊的诊断性能与安全性

为验证FIREFLI胶囊的有效性与安全性，研发团队以猪为动物模型（其胃肠道解剖结构、生理参数与人类高度相似）开展系列实验，分为试点队列（n=3）、测试队列（n=6）与安全性验证队列（n=3）。

试点队列的核心目标是筛选最优诊断生物标志物，实验通过手术夹闭猪肠系膜血管构建缺血模型，对比“组织亮度”与“颜色变化”两种指标的诊断价值。

对于组织亮度指标，缺血发生后5-10分钟，肠道组织亮度显著下降，20分钟后健康与缺血组织亮度差异达统计学显著性（P<0.01）；以“85%健康组织亮度”为阈值，诊断准确率89%、灵敏度98%、特异性88%，且该指标在肠道内壁（黏膜层）检测中一致性良好。

利用中试装置对猪体内肠系膜缺血生物标志物进行测定的研究结果

对于颜色变化指标，虽在肠道外壁（浆膜层）观察到缺血相关的蓝紫色改变，但肠道内壁（黏膜层）颜色无明显差异；基于450-500nm波长的颜色信号计算，诊断准确率仅65%、灵敏度37%、特异性93%，假阴性率过高，无法满足临床需求。实验证实，“组织亮度”是更适用于可吞服装置的AMI诊断生物标志物，其机制可能与缺血导致的肠道组织结构紊乱（细胞坏死、间质水肿）及血红蛋白脱氧状态相关，前者降低组织光反射率，后者增强特定波长光的吸收。

最终，在9头猪模型的验证实验中，FIREFLI系统展现了卓越的诊断性能。通过对健康状态和缺血状态的盲法测试，该系统实现了90%以上的整体诊断准确率，这意味着几乎所有的真实缺血病例都能被及时发现，同时将假阳性率控制在较低水平。

利用试验装置对猪体内肠系膜缺血生物标志物进行验证的研究结果

特别值得关注的是，该系统在区分缺血与正常组织方面的稳定性。在持续5小时的监测过程中，胶囊每10分钟进行一次测量，结果显示缺血组织的亮度始终维持在阈值以下，而健康组织的测量值保持稳定。这种时间维度上的一致性，为临床决策提供了可靠依据。

安全性与实用性考量

在安全性方面，研究人员在3头活动自如的猪模型中进行了通过性试验。X线追踪显示所有胶囊均在24-48小时内安全通过胃肠道，无滞留或梗阻发生。回收后的胶囊结构完整，电子元件功能正常，证明其设计能够耐受消化道环境的考验。

设备的功耗管理也经过精心优化。采用10%占空比的脉冲工作模式，使胶囊在单次充电后可持续工作5.1小时，完全覆盖小肠的平均通过时间。无线通信模块仅在需要传输诊断结果时激活，进一步延长了续航能力。