Lung-heart super sensor på en chip tinier end en mariehøne

Under en spadseretur, en kvindes vejrtrækning bliver en smule overfladisk, og en skærm i hendes tøj advarer hende om at få foretaget telemedicinsk kontrol. En ny undersøgelse beskriver, hvordan en sensorchip, der er mindre end en mariehøne, registrerer flere lunge- og hjertesignaler sammen med kropsbevægelser og kan muliggøre en sådan fremtidig socialt distanceret sundhedsmonitor.

Kernemekanismen for chippen udviklet af forskere ved Georgia Institute of Technology involverer to fint fremstillede lag silicium, som overlapper hinanden adskilt af rummet på 270 nanometer - cirka 0,005 bredden af ​​et menneskehår. De bærer et minuts spænding.

Vibrationer fra kropslige bevægelser og lyde sætter en del af chippen i sving, gør spændingsstrømmen, også, og dermed skabe læselige elektroniske udgange. Ved menneskelig testning, chippen har registreret en række forskellige signaler fra lungernes og hjertets mekaniske virke med klarhed, signaler, der ofte undslipper meningsfuld afsløring ved hjælp af den nuværende medicinske teknologi.

"Lige nu, medicin ser til EKG'er (elektrokardiogrammer) for at få oplysninger om hjertet, men EKG'er måler kun elektriske impulser. Hjertet er et mekanisk system med muskler, der pumper og ventiler åbner og lukker, og den udsender en signatur af lyde og bevægelser, som en EKG ikke registrerer. EKG'er siger heller ikke noget om lungefunktion, "sagde Farrokh Ayazi, Ken Byers Professor i Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering.

Kombination af stetoskop-accelerometer

Chippen, som fungerer som et avanceret elektronisk stetoskop og accelerometer i ét, kaldes passende en accelerometerkontaktmikrofon. Det registrerer vibrationer, der kommer ind i chippen inde fra kroppen, samtidig med at de ikke distraherer støj udefra kroppens kerne som luftbårne lyde

"Hvis det gnider på min hud eller skjorte, den hører ikke friktionen, men enheden er meget følsom over for lyde, der kommer på den inde fra kroppen, så det opfanger nyttige vibrationer selv gennem tøj, "Sagde Ayazi.

Detektionsbåndbredden er enorm - fra bred, fejende bevægelser til uhørligt høje toner. Dermed, sensorchippen registrerer alle på én gang fine detaljer om hjerteslag, pulsbølger, der krydser kroppens væv, respirationshastigheder, og lungelyde. Det sporer endda bærerens fysiske aktiviteter, såsom at gå.

Signalerne registreres synkroniseret, potentielt giver det store billede af en patients hjerte- og lungesundhed. Til undersøgelsen, forskerne registrerede med succes en "galop, "en svag tredje lyd efter hjerteslagets" lub-dub ". Galopper er normalt undvigende spor af hjertesvigt.

Forskerne offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet npj Digital medicin den 12. februar, 2020. Forskningen blev finansieret af Georgia Research Alliance, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), National Science Foundation, og National Institutes of Health. Undersøg medforfatter Divya Gupta, M.D., en kardiolog ved Emory University, samarbejdede om at teste chippen på menneskelige deltagere.

Hermetisk lukket vakuum

Medicinsk forskning har forsøgt at udnytte kroppens mekaniske signaler bedre i årtier, men registrering af nogle - som bølger, der krydser flere væv - har vist sig inkonsekvent, mens andre - som galopper - har stolet på klinikerfærdigheder påvirket af menneskelige fejl. Den nye chip producerer høj opløsning, kvantificerede data, som fremtidig forskning kan matche med patologier for at identificere dem.

"Vi arbejder allerede på at indsamle betydeligt flere data, der matcher med patologier. Vi forestiller os algoritmer i fremtiden, der muliggør en bred vifte af kliniske aflæsninger, "Sagde Ayazi.

Selvom chipens vigtigste teknikprincip er enkelt, få det til at fungere og derefter fremstilleligt tog Ayazis laboratorium ti år, hovedsageligt på grund af den lilliputiske skala af kløften mellem siliciumlagene, dvs. elektroder. Hvis sensorchippen på 2 millimeter ved 2 millimeter blev udvidet til størrelsen på en fodboldbane, at luftspalten ville være omkring en tomme bred.

"Det meget tynde mellemrum, der adskiller de to elektroder, kan ikke have nogen kontakt, ikke engang af kræfter i luften mellem lagene, så hele sensoren er hermetisk lukket inde i et vakuumhulrum, "Sagde Ayazi." Dette giver den ultralave signalstøj og den unikke båndbredde. "

Detekterer gennem tøj

Forskerne brugte en fremstillingsproces udviklet i Ayazis laboratorium kaldet HARPSS+ platformen (High Aspect Ratio Poly og Single Crystalline Silicon) til masseproduktion, løber af håndstørrelsesark, der derefter blev skåret i de små sensorchips. HARPSS+ er den første rapporterede masseproduktionsproces, der opnår sådanne konsekvent tynde huller, og det har muliggjort fremstilling af high-throughput af mange sådanne avancerede MEMS, eller mikroelektromekaniske systemer.

Den eksperimentelle enhed er i øjeblikket batteridrevet og bruger en anden chip kaldet et signalbehandlingskredsløb til at oversætte sensorchips signaler til mønstrede aflæsninger.

Tre sensorer eller mere kunne indsættes i et brystbånd, der ville triangulere sundhedssignaler for at lokalisere deres kilder. En dag kan en enhed identificere en ny hjerteventilfejl ved turbulens, den producerer i blodbanen eller identificere en kræftlæsion ved svage knitrende lyde i en lunge.