Under en promenad, en kvinnas andning blir lite grundare, och en monitor i hennes kläder varnar henne för att få en telemedicinsk kontroll. En ny studie beskriver hur ett sensorchip som är mindre än en nyckelpiga registrerar flera lung- och hjärtsignaler tillsammans med kroppsrörelser och kan möjliggöra en sådan framtida socialt distanserad hälsomonitor.

Kärnmekanismen i chippet som utvecklats av forskare vid Georgia Institute of Technology involverar två fint tillverkade lager av kisel, som överlagrar varandra åtskilda av ett utrymme på 270 nanometer - ungefär 0,005 bredden av ett människohår. De har en minuts spänning.

Vibrationer från kroppsrörelser och ljud sätter en del av chipet i flux, gör spänningsflödet, för, skapa läsbara elektroniska utgångar. I mänskliga tester, chipet har registrerat en mängd olika signaler från lungornas och hjärtats mekaniska funktion med klarhet, signaler som ofta undkommer meningsfull upptäckt av nuvarande medicinsk teknik.

"Just nu, medicin söker efter information om hjärtat på EKG (elektrokardiogram) men EKG mäter bara elektriska impulser. Hjärtat är ett mekaniskt system med muskler som pumpar och klaffar som öppnar och stänger, och den sänder ut en signatur av ljud och rörelser, som ett EKG inte upptäcker. EKG säger heller ingenting om lungfunktion, sa Farrokh Ayazi, Ken Byers Professor vid Georgia Techs School of Electrical and Computer Engineering.

Stetoskop-accelerometer combo

Chipet, som fungerar som ett avancerat elektroniskt stetoskop och accelerometer i ett, kallas lämpligen en accelerometerkontaktmikrofon. Den upptäcker vibrationer som kommer in i chippet inifrån kroppen samtidigt som den håller borta störande ljud från utsidan av kroppens kärna som luftburna ljud

"Om det skaver på min hud eller skjorta, den hör inte friktionen, men enheten är mycket känslig för ljud som kommer på den inifrån kroppen, så den tar upp användbara vibrationer även genom kläder, " sa Ayazi.

Detekteringsbandbredden är enorm – från bred, svepande rörelser till ohörbart höga toner. Således, sensorchippet registrerar alla på en gång fina detaljer om hjärtslag, pulsvågor som passerar kroppens vävnader, andningsfrekvens, och lungljud. Den spårar till och med bärarens fysiska aktiviteter som att gå.

Signalerna spelas in synk, potentiellt erbjuda den stora bilden av en patients hjärta och lunghälsa. För studien, forskarna spelade framgångsrikt in en "galopp, " ett svagt tredje ljud efter "lub-dub" av hjärtslag. Galopper är normalt svårfångade ledtrådar till hjärtsvikt.

Forskarna publicerade sina resultat i tidskriften npj Digital medicin den 12 februari, 2020. Forskningen finansierades av Georgia Research Alliance, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), National Science Foundation, och National Institutes of Health. Studiemedförfattare Divya Gupta, M.D., en kardiolog vid Emory University, samarbetade med att testa chippet på mänskliga deltagare.

Hermetiskt tillsluten vakuum

Medicinsk forskning har försökt att bättre utnyttja kroppens mekaniska signaler i decennier, men det har visat sig inkonsekvent att registrera vissa – som vågor som korsar flera vävnader – medan andra – som galopper – har förlitat sig på läkarens färdigheter påverkade av mänskliga fel. Det nya chippet ger hög upplösning, kvantifierade data som framtida forskning skulle kunna matcha med patologier för att identifiera dem.

"Vi arbetar redan med att samla in betydligt mer data som matchar patologier. Vi tänker oss algoritmer i framtiden som kan möjliggöra ett brett utbud av kliniska avläsningar, " sa Ayazi.

Även om chipets huvudsakliga tekniska princip är enkel, att få det att fungera och sedan tillverkas tog Ayazis labb tio år, främst på grund av den Lilliputian skalan av gapet mellan kiselskikten, dvs elektroder. Om 2-millimeter gånger 2-millimeters sensorchipet utökades till storleken på en fotbollsplan, att luftgapet skulle vara ungefär en tum bred.

"Det där mycket tunna gapet som skiljer de två elektroderna kan inte ha någon kontakt, inte ens av krafter i luften mellan lagren, så att hela sensorn är hermetiskt förseglad inuti ett vakuumhålrum, "Ayazi sa. "Detta ger det ultralåga signalbruset och bandbredden som är unika."

Upptäcker genom kläder

Forskarna använde en tillverkningsprocess utvecklad i Ayazis labb kallad HARPSS+-plattformen (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) för massproduktion, rinna av handstora ark som sedan skars i de små sensorchipsen. HARPSS+ är den första rapporterade masstillverkningsprocessen som uppnår så konsekvent tunna luckor, och det har möjliggjort högkapacitetstillverkning av många sådana avancerade MEMS, eller mikroelektromekaniska system.

Den experimentella enheten är för närvarande batteridriven och använder ett andra chip som kallas en signalkonditioneringskrets för att översätta sensorchippets signaler till mönstrade avläsningar.

Tre sensorer eller fler kan sättas in i ett bröstband som skulle triangulera hälsosignaler för att lokalisera deras källor. En dag kan en enhet lokalisera ett framväxande hjärtklafffel genom turbulens som den producerar i blodomloppet eller identifiera en cancerskada genom svaga sprakande ljud i en lunga.