散步時(shí)，婦女的呼吸略微變淺，衣服上的監(jiān)視器提醒她進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療檢查。一項(xiàng)新的研究詳細(xì)說明了一個(gè)比瓢蟲小的傳感器芯片如何記錄多個(gè)肺和心臟信號(hào)以及人體運(yùn)動(dòng)，并可以啟用這種將來與社會(huì)隔離的健康監(jiān)護(hù)儀。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)的芯片的核心機(jī)制涉及兩層精細(xì)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(yùn)動(dòng)和聲音產(chǎn)生的振動(dòng)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(cè)試中，該芯片清晰地記錄了來自肺和心臟的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的各種信號(hào)，這些信號(hào)通常無法通過當(dāng)前的醫(yī)療技術(shù)進(jìn)行有意義的檢測(cè)。

“目前，醫(yī)學(xué)依靠心電圖(EKG)獲取有關(guān)心臟的信息，但是心電圖只能測(cè)量電脈沖。心臟是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，其肌肉在抽動(dòng)，瓣膜打開和關(guān)閉，發(fā)出聲音和運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，這是心電圖機(jī)無法檢測(cè)到的。心電圖機(jī)也對(duì)肺功能一無所知。”佐治亞理工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的肯·拜爾斯教授Farrokh Ayazi說。

聽診器-加速度計(jì)組合

該芯片可作為一種先進(jìn)的電子聽診器和加速度計(jì)，被恰當(dāng)?shù)胤Q為加速度計(jì)接觸式麥克風(fēng)。它可以檢測(cè)到從體內(nèi)進(jìn)入芯片的振動(dòng)，同時(shí)避免了分散到機(jī)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(huì)聽到摩擦，但是該設(shè)備對(duì)來自體內(nèi)的聲音非常敏感，因此即使在穿衣服時(shí)也能吸收有用的振動(dòng)，” Ayazi說。

檢測(cè)帶寬非常大-從廣泛的掃掠運(yùn)動(dòng)到難以聽見的高音調(diào)。因此，傳感器芯片會(huì)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(xì)節(jié)。它甚至可以跟蹤穿戴者的身體活動(dòng)，例如步行。

信號(hào)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(xiàng)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(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助。研究合著者，埃默里大學(xué)(Emory University)的心臟病專家Divya Gupta醫(yī)師合作對(duì)人類參與者進(jìn)行了芯片測(cè)試。

真空密封

數(shù)十年來，醫(yī)學(xué)研究一直試圖更好地利用人體的機(jī)械信號(hào)，但是記錄某些信號(hào)(如穿過多個(gè)組織的波)已證明是不一致的，而其他信號(hào)(如疾馳)則依賴于受人為錯(cuò)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(xué)相匹配，以便識(shí)別它們。

Ayazi說：“我們已經(jīng)在努力收集與病理學(xué)相匹配的大量數(shù)據(jù)。我們?cè)O(shè)想在未來的算法中，可能會(huì)實(shí)現(xiàn)廣泛的臨床讀數(shù)。”

盡管該芯片的主要工程原理很簡(jiǎn)單，但使其工作并隨后可制造需要Ayazi的實(shí)驗(yàn)室花費(fèi)了十年時(shí)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(kuò)展到足球場(chǎng)的大小，則該氣隙將約為1英寸寬。

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

通過衣服檢測(cè)

研究人員使用了Ayazi實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種稱為HARPSS +平臺(tái)(高長(zhǎng)寬比的多晶硅和單晶硅)的制造工藝進(jìn)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(gè)報(bào)道的大規(guī)模制造工藝，可實(shí)現(xiàn)如此始終如一的細(xì)小間隙，并且使許多先進(jìn)的MEMS或微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)量的制造。

該實(shí)驗(yàn)設(shè)備目前由電池供電，并使用稱為信號(hào)調(diào)節(jié)電路的第二個(gè)芯片將傳感器芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖案化的讀數(shù)。

可以將三個(gè)或三個(gè)以上的傳感器插入胸帶中，以對(duì)健康信號(hào)進(jìn)行三角測(cè)量以找到其來源。有一天，設(shè)備可能會(huì)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(shí)別癌變病變。