Tijdens een wandeling, de ademhaling van een vrouw wordt een beetje oppervlakkiger, en een monitor in haar kleding waarschuwt haar om een ​​telemedicine check-up te krijgen. Een nieuwe studie laat zien hoe een sensorchip die kleiner is dan een lieveheersbeestje meerdere long- en hartsignalen registreert, samen met lichaamsbewegingen en zo'n toekomstige gezondheidsmonitor met sociale afstand mogelijk zou kunnen maken.

Het kernmechanisme van de chip, ontwikkeld door onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, omvat twee fijn vervaardigde lagen silicium, die elkaar overlappen, gescheiden door een ruimte van 270 nanometer - ongeveer 0,005 de breedte van een mensenhaar. Ze dragen een minieme spanning.

Trillingen van lichaamsbewegingen en geluiden brengen een deel van de chip in beweging, het maken van de spanningsflux, te, waardoor leesbare elektronische uitgangen ontstaan. Bij testen op mensen, de chip heeft een verscheidenheid aan signalen van de mechanische werking van de longen en het hart duidelijk geregistreerd, signalen die vaak aan zinvolle detectie door de huidige medische technologie ontsnappen.

"Direct, geneesmiddel kijkt naar ECG's (elektrocardiogrammen) voor informatie over het hart, maar ECG's meten alleen elektrische impulsen. Het hart is een mechanisch systeem met spieren die pompen en kleppen die open en dicht gaan, en het zendt een handtekening uit van geluiden en bewegingen, die een ECG niet detecteert. ECG's zeggen ook niets over longfunctie, " zei Farrokh Ayazi, Ken Byers Professor in Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering.

Stethoscoop-versnellingsmeter combo

de chip, die fungeert als een geavanceerde elektronische stethoscoop en versnellingsmeter in één, wordt toepasselijk een accelerometer-contactmicrofoon genoemd. Het detecteert trillingen die de chip van binnenuit het lichaam binnendringen, terwijl het storende geluiden van buiten de kern van het lichaam, zoals luchtgeluiden, buiten houdt

"Als het over mijn huid of shirt wrijft, het hoort de wrijving niet, maar het apparaat is erg gevoelig voor geluiden die van binnenuit het lichaam komen, dus het vangt nuttige trillingen op, zelfs door kleding heen, ' zei Ayazi.

De detectiebandbreedte is enorm - van breed, vegende bewegingen tot onhoorbaar hoge tonen. Dus, de sensorchip registreert in één keer fijne details van de hartslag, pulsgolven die de weefsels van het lichaam doorkruisen, ademhalingssnelheden, en longgeluiden. Het volgt zelfs de fysieke activiteiten van de drager, zoals wandelen.

De signalen worden synchroon opgenomen, biedt mogelijk het grote beeld van de hart- en longgezondheid van een patiënt. Voor de studie, de onderzoekers met succes een "galop, een zwak derde geluid na de "lub-dub" van de hartslag. Galop is normaal gesproken ongrijpbare aanwijzingen voor hartfalen.

De onderzoekers publiceerden hun resultaten in het tijdschrift npj Digitale Geneeskunde op 12 februari, 2020. Het onderzoek werd gefinancierd door de Georgia Research Alliance, het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), de Nationale Wetenschapsstichting, en de National Institutes of Health. Studie co-auteur Divya Gupta, MD, een cardioloog aan de Emory University, meegewerkt aan het testen van de chip op menselijke deelnemers.

Hermetisch afgesloten vacuüm

Medisch onderzoek heeft tientallen jaren geprobeerd om beter gebruik te maken van de mechanische signalen van het lichaam, maar het opnemen van sommige - zoals golven die meerdere weefsels doorkruisen - is inconsistent gebleken, terwijl anderen, zoals galop, vertrouwden op de vaardigheden van clinici die werden beïnvloed door menselijke fouten. De nieuwe chip produceert hoge resolutie, gekwantificeerde gegevens die toekomstig onderzoek zou kunnen matchen met pathologieën om ze te identificeren.

"We werken al aan het verzamelen van aanzienlijk meer gegevens die overeenkomen met pathologieën. We voorzien in de toekomst algoritmen die een breed scala aan klinische metingen mogelijk kunnen maken, ' zei Ayazi.

Hoewel het belangrijkste technische principe van de chip eenvoudig is, om het te laten werken en vervolgens maakbaar, kostte Ayazi's lab tien jaar, voornamelijk vanwege de lilliputterschaal van de opening tussen de siliciumlagen, d.w.z. elektroden. Als de sensorchip van 2 millimeter bij 2 millimeter zou worden uitgebreid tot de grootte van een voetbalveld, die luchtspleet zou ongeveer een centimeter breed zijn.

"Die zeer dunne spleet die de twee elektroden scheidt, kan geen contact hebben, zelfs niet door krachten in de lucht tussen de lagen, dus de hele sensor is hermetisch afgesloten in een vacuümholte, "Zei Ayazi. "Dit zorgt voor die ultralage signaalruis en bandbreedte die uniek zijn."

Detecteert door kleding heen

De onderzoekers gebruikten een productieproces dat in het laboratorium van Ayazi is ontwikkeld, het HARPSS+-platform (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon), voor massaproductie. vloeide van handformaat vellen die vervolgens in de kleine sensorchips werden gesneden. HARPSS+ is het eerste gerapporteerde massaproductieproces dat zulke consistent dunne openingen bereikt, en het heeft high-throughput productie van veel van dergelijke geavanceerde MEMS mogelijk gemaakt, of micro-elektromechanische systemen.

Het experimentele apparaat werkt momenteel op batterijen en gebruikt een tweede chip, een signaalconditioneringscircuit genaamd, om de signalen van de sensorchip om te zetten in uitlezingen met patronen.

Drie sensoren of meer kunnen in een borstband worden gestoken die gezondheidssignalen trianguleren om hun bronnen te lokaliseren. Op een dag kan een apparaat een opkomende hartklepfout opsporen door turbulentie die het in de bloedbaan produceert of een kankerachtige laesie identificeren door zwakke knetterende geluiden in een long.