Miniatuur Chip-gebaseerde Long-Hart Sensor Vangt Duidelijke Cardio-Pulmonaire Signalen

De kernmechanische werking van een miniatuur sensor op een chip omvat twee lagen silicium die elkaar overlappen gescheiden door een ruimte van 270 nanometer – ongeveer 0,005 keer de breedte van een menselijk haar. Ze dragen een minuscule spanning. Trillingen van lichamelijke bewegingen en geluiden brengen een deel van de chip in flux, waardoor de spanning fluctueert en leesbare elektronische output creëert. In menselijke tests heeft de chip een verscheidenheid aan signalen van de mechanische werking van de longen en het hart met helderheid aufgezeichnet – signalen die vaak ontgaan aan betekenisvolle detectie door huidige medische technologie.

Electronisch Stethoscoop en Versnellingsmeter in Één

De chip, die fungeert als een elektronische stethoscoop en versnellingsmeter in één, heet passend een versnellingsmeter-contactmicrofoon. Het detecteert trillingen die de chip van binnen het lichaam betreden terwijl het afleidend geluid van buiten het lichaamskern zoals door de lucht gaande geluiden uithoudt. Als het op huid of kleding wrijft, hoort het het wrijven niet, maar het apparaat is zeer gevoelig voor geluiden die van binnen het lichaam komen, dus het vangt nuttige trillingen zelfs door kleding heen op.

Enorme Detectiebandbreedte

De detectiebandbreedte is enorm – van brede, zwervende bewegingen tot onhoorbare hoge tonen. Dus de sensorchip registreert gelijktijdig fijne details van de hartslag, golven die het hart door het lichaam stuurt, en respiratiesnelheden en longgeluiden. Het volgt zelfs de fysieke activiteiten van de drager zoals lopen. De signalen worden in sync aufgezeichnet, potentiël biedend het grote plaatje van de hart- en longgezondheid van een patiënt. Voor de studie recordeerden de onderzoekers met succes een "galop" – een zwak derde geluid na de "lub-dub" van de hartslag. Galoppen zijn normaal moeilijk te detecteren aanwijzingen van hartfalen.

Productieuitdagingen en HARPSS+ Platform

Hoewel het hoofdingeneuringsprincipe van de chip simpel is, was het maken ervan en vervolgens produceerbaar uitdagend, voornamelijk vanwege de extreem kleine schaal van de tussenruimte tussen de siliciumlagen, namelijk elektrodens. Als de 2 × 2-millimeter sensorchip uitgebreid zou worden tot de grootte van een voetbalveld, zou die luchtruimte ongeveer een inch breed zijn. Die heel dunne scheiding tussen de twee elektrodens mag geen contact hebben – niet eens door krachten in de lucht tussen de lagen – dus de hele sensor is hermetisch afgesloten in een vacuümholte.

De onderzoekers gebruikten een productieproces genaamd het HARPSS+ platform (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) voor massaproductie, waarbij handgrote vellen afgewerkt werden die vervolgens in de kleine sensorchips geknipt werden. HARPSS+ is het eerste gerapporteerde massaproductieproces dat dergelijk consistent dunne tussenruimtes bereikt en het heeft hoog-doorvoerproductie van zulke geavanceerde MEMS mogelijk gemaakt. Het experimentele apparaat is momenteel batterij-gevoed en gebruikt een tweede chip genaamd een signaalconditiecircuit om de sensorchip's signalen te vertalen naar gepatroneerde uitlezingen. Drie of meer sensoren kunnen in een borstband geplaatst worden om gezondheidssignalen te trianguleren en hun bronnen te lokaliseren. In de toekomst kan een apparaat een opkomende hartklepfout lokaliseren door de turbulentie die het in de bloedstroom produceert of een kankerige letsel identificeren door zwakke kraakgeluiden in een long.