散步時，婦女的呼吸略微變淺，衣服上的監(jiān)視器提醒她進行遠程醫(yī)療檢查。一項新的研究詳細說明了一個比瓢蟲小的傳感器芯片如何記錄多個肺和心臟信號以及人體運動，并可以啟用這種將來與社會隔離的健康監(jiān)護儀。

佐治亞理工學院的研究人員開發(fā)的芯片的核心機制涉及兩層精細制造的硅層，硅層彼此重疊，相隔270納米的空間-大約是人發(fā)的寬度的0.005。它們帶有微小的電壓。

身體運動和聲音產(chǎn)生的振動使芯片的一部分處于通量狀態(tài)，從而使電壓也產(chǎn)生通量，從而產(chǎn)生了可讀的電子輸出。在人體測試中，該芯片清晰地記錄了來自肺和心臟的機械運轉(zhuǎn)的各種信號，這些信號通常無法通過當前的醫(yī)療技術(shù)進行有意義的檢測。

“目前，醫(yī)學依靠心電圖(EKG)獲取有關(guān)心臟的信息，但是心電圖只能測量電脈沖。心臟是一個機械系統(tǒng)，其肌肉在抽動，瓣膜打開和關(guān)閉，發(fā)出聲音和運動的信號，這是心電圖機無法檢測到的。心電圖機也對肺功能一無所知。”佐治亞理工學院電氣與計算機工程學院的肯·拜爾斯教授Farrokh Ayazi說。

聽診器-加速度計組合

該芯片可作為一種先進的電子聽診器和加速度計，被恰當?shù)胤Q為加速度計接觸式麥克風。它可以檢測到從體內(nèi)進入芯片的振動，同時避免了分散到機芯外部的噪音，如空氣傳播的聲音

“如果它在我的皮膚或襯衫上摩擦，它不會聽到摩擦，但是該設備對來自體內(nèi)的聲音非常敏感，因此即使在穿衣服時也能吸收有用的振動，” Ayazi說。

檢測帶寬非常大-從廣泛的掃掠運動到難以聽見的高音調(diào)。因此，傳感器芯片會立即記錄心跳，遍及人體組織的脈搏波，呼吸頻率和肺音的所有細節(jié)。它甚至可以跟蹤穿戴者的身體活動，例如步行。

信號被同步記錄，有可能提供患者心臟和肺部健康的全景。在這項研究中，研究人員成功錄制了“疾馳”聲，這是心跳“ lub-dub”之后的第三種微弱聲音。疾馳通常是心力衰竭的難以捉摸的線索。

研究人員于2020年2月12日在npj Digital Medicine雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。該研究由喬治亞研究聯(lián)盟，國防高級研究計劃局(DARPA)，美國國家科學基金會和美國國立衛(wèi)生研究院資助。研究合著者，埃默里大學(Emory University)的心臟病專家Divya Gupta醫(yī)師合作對人類參與者進行了芯片測試。

真空密封

數(shù)十年來，醫(yī)學研究一直試圖更好地利用人體的機械信號，但是記錄某些信號(如穿過多個組織的波)已證明是不一致的，而其他信號(如疾馳)則依賴于受人為錯誤影響的臨床醫(yī)生的技能。新芯片產(chǎn)生高分辨率，量化的數(shù)據(jù)，將來的研究可以將其與病理學相匹配，以便識別它們。

Ayazi說：“我們已經(jīng)在努力收集與病理學相匹配的大量數(shù)據(jù)。我們設想在未來的算法中，可能會實現(xiàn)廣泛的臨床讀數(shù)。”

盡管該芯片的主要工程原理很簡單，但使其工作并隨后可制造需要Ayazi的實驗室花費了十年時間，這主要是由于硅層(即電極)之間的間隙的Lilliputian規(guī)模。如果將2毫米乘2毫米的傳感器芯片擴展到足球場的大小，則該氣隙將約為1英寸寬。

Ayazi說：“分隔兩個電極的非常細的間隙甚至不能通過兩層之間的空氣中的力進行任何接觸，因此整個傳感器都被密封在真空腔內(nèi)。”“這使得獨特的超低信號噪聲和帶寬廣度成為可能。”

通過衣服檢測

研究人員使用了Ayazi實驗室開發(fā)的一種稱為HARPSS +平臺(高長寬比的多晶硅和單晶硅)的制造工藝進行批量生產(chǎn)，先從手工尺寸的薄板中切出，然后切成微小的傳感器芯片。HARPSS +是第一個報道的大規(guī)模制造工藝，可實現(xiàn)如此始終如一的細小間隙，并且使許多先進的MEMS或微機電系統(tǒng)實現(xiàn)了高產(chǎn)量的制造。

該實驗設備目前由電池供電，并使用稱為信號調(diào)節(jié)電路的第二個芯片將傳感器芯片的信號轉(zhuǎn)換為圖案化的讀數(shù)。

可以將三個或三個以上的傳感器插入胸帶中，以對健康信號進行三角測量以找到其來源。有一天，設備可能會通過其在血液中產(chǎn)生的湍流來查明正在出現(xiàn)的心臟瓣膜缺損，或者通過肺部微弱的crack啪聲來識別癌變病變。