AI 기반 웨어러블, 섭취 가능한 스마트 알약으로 실시간 장 건강 추적 제공

 

서던캘리포니아대학교(USC)의 과학자들은 장내 질병 지표를 모니터링하도록 설계된 섭취 가능한 작은 장치를 정확하게 추적하는 AI 기반 시스템을 만들었다.

개인이 스마트폰을 통해 집에서 자신의 건강을 추적할 수 있도록 함으로써 위장관 건강 모니터링을 혁신할 수 있다.

 

이 시스템은 AI를 사용해 섭취한 알약에 내장된 센서와 상호 작용하여 자기장을 생성하는 웨어러블 코일을 사용한다.

USC 전기 및 컴퓨터 공학과 조교수이자 이번 연구의 주 저자인 야세르 칸(Yasser Khan)은 “우리는 AI를 사용해 섭취 가능한 음식물이 위장관을 통과할 때 그 위치를 정확히 찾아낸다.”고 말했다.

 

과제 극복

박테리아가 음식을 분해할 때 생성되는 장내 가스는 우리의 건강에 대해 많은 것을 말해준다. 현재 의사들은 장에서 직접 가스를 수집하거나 호흡 및 대변 샘플을 검사하여 이러한 가스를 측정하는 등의 방법을 사용한다.

삼킬 수 있는 캡슐은 잠재적인 대안을 제공한다. 그러나 섭취 후 이러한 "장을 위한 Fitbit"을 추적하는 것은 중요한 과제였다.

 

칸 교수 웨어러블 코일이 신체 주위에 눈에 보이지 않는 자기장을 생성한다고 말했다. 알약이 장에서 움직일 때 신체가 차단하지 않는 이 장의 변화를 감지한다.

일반적으로 컴퓨터는 사전 설정된 지도를 사용하여 이러한 변경 사항에 따라 알약의 위치를 ​​추적한다. 그러나 코일이 몸과 함께 구부러지고 움직이기 때문에 자기장은 예측할 수 없는 방식으로 변한다.

 

“이 문제를 해결하기 위해 우리는 유연한 굽힘 센서로 강화된 AI를 사용하여 코일의 굽힘이 필드에 어떤 영향을 미치는지 모델링한다. 이러한 모델을 신경망에 통합함으로써 우리는 섭취 가능한 물질의 위치를 ​​정확하게 결정할 수 있다.”라고 그는 강조했다.

 

향상된 모니터링

이 시스템은 광학 가스 감지 막을 활용하여 궤양 및 위암과 관련된 박테리아의 주요 지표인 암모니아의 3D 농도를 실시간으로 모니터링한다.

칸 교수는 “현재 연구에서는 주로 산소와 암모니아를 측정하지만, 섭취 가능한 장치의 향후 버전은 다양한 건강 상태와 관련된 더 광범위한 가스 및 바이오마커를 감지하도록 계획되어 있다.”라고 강조했다.

 

유당 불내증과 같은 문제를 나타낼 수 있는 수소나 변비나 소장에 너무 많은 박테리아와 같은 문제를 나타내는 메탄과 같은 다른 가스를 확인할 수 있다.

장내 더 많은 징후를 테스트함으로써 알약은 크론병이나 대장염과 같은 질병을 진단하는 데 도움이 될 수도 있다. 칸 박사는 “이는 다양한 위장 장애에 대해 보다 맞춤화되고 효과적인 치료 옵션을 위한 길을 열어준다”고 말했다.

 

테스트 및 평가

일련의 엄격한 테스트를 통해 연구원들은 시뮬레이션된 소의 장과 위와 장 환경을 복제하는 체액을 포함하여 위장관을 모방하는 다양한 매체에서 시스템 성능을 평가했다. 이 장치는 위치 파악과 가스 측정 모두에서 지속적으로 정확성을 입증했다.

 

섭취 가능한 알약의 전원에 대해 칸은 "현재 우리는 위장관 내에서 사용하기에 안전하기 때문에 섭취 가능한 장치에 산화은 배터리를 사용하고 있다."라고 설명했다.

“저렴한 가격으로 인해 일회용으로 설계되었기 때문에 배터리 수명을 하루로 목표로 삼고 있다.”

 

특히, 이 기간은 장치가 자연적으로 배출되기 전에 위장 시스템을 통과하면서 필요한 모든 모니터링 및 데이터 수집을 수행하는 데 충분한 것으로 보인다.

 

향후 개선

칸은 “현재 알약 크기는 26x10mm이고, 코일 크기는 200x200mm이다. 맞춤형 ASIC(주문형 집적 회로) 개발을 통해 연구팀은 알약의 크기를 거의 콩 크기인 약 15x5mm로 줄이는 것을 목표로 하고 있다.”

이어 “코일은 신체 외부에 착용하기 때문에 현재 크기가 적절하고 기능적이어서 옷에 문제없이 내장할 수 있다”고 덧붙였다.

 

인간 실험 계획

연구원에 따르면 돼지를 대상으로 안전성과 효능 시험을 실시할 계획이 진행 중이며 이는 인간 임상 시험에 한 단계 더 가까워졌다. “우리는 위장이 인간과 유사하기 때문에 돼지 모델을 선택했다.”고 그는 주장했다.

“많은 동물 실험에서 쥐 모델을 활용하지만, 우리가 테스트하고 있는 알약의 크기는 현실적인 시뮬레이션과 인간 의학의 적용을 위한 중요한 요소이다. 돼지는 이러한 테스트에 더 적합한 규모와 해부학적 구조를 제공한다.”

 

맞춤형 의약품

이 획기적인 연구는 맞춤형 의학 분야에서 중요한 진전을 나타낸다. 이는 개인이 위장 건강을 모니터링하고 잠재적으로 질병의 조기 징후를 감지할 수 있는 비 침습적이고 접근 가능한 방법을 제공한다.

칸 교수는 “이 연구의 목적은 합리적인 가격과 사용 편의성에 중점을 두고 섭취 가능한 기술을 최전선에 두고 더 많은 사람들이 이러한 혁신적인 건강 모니터링 솔루션의 혜택을 누릴 수 있도록 하는 것이다.”고 결론지었다.

 

이 연구는 Cell Reports Physical Science 저널에 게재되었다.

이미지설명: 밀리미터 해상도로 장에서 섭취 가능한 물질을 찾을 수 있는 웨어러블 시스템이다. USC의 칸 연구소