比瓢蟲更細的肺心超級傳感器

散步時，婦女的呼吸略微變淺，衣服上的監視器提醒她進行遠程醫療檢查。 一項新的研究 詳細說明了一個比瓢蟲小的傳感器芯片如何記錄多個肺和心臟信號以及人體運動，并可以啟用這種將來與社會隔離的健康監護儀。

佐治亞理工學院的研究人員開發的芯片的核心機制包括兩層精細制造的硅層，它們彼此重疊，彼此之間的間隔為270納米，即人發寬度的0.005。它們帶有微小的電壓。

身體運動和聲音產生的振動使芯片的一部分處于通量狀態，從而使電壓也產生通量，從而產生了可讀的電子輸出。在人體測試中，該芯片清晰地記錄了來自肺和心臟的機械運轉的各種信號，這些信號通常無法通過當前的醫療技術進行有意義的檢測。

“目前，醫學會向 心電圖(心電圖)尋找有關心臟的信息，但心電圖只能測量電脈沖。心臟是一個機械系統，具有抽動肌肉和打開和關閉閥門的功能，它發出聲音和運動的信號，這是EKG無法檢測到的。心電圖機也對肺功能一無所知。” 佐治亞理工大學電氣與計算機工程學院的Ken Byers教授Farrokh Ayazi說 。

聽診器-加速度計組合

該芯片可作為一種先進的 電子聽診器 和加速度計，被恰當地稱為加速度計接觸式麥克風。它可以檢測到從體內進入芯片的振動，同時避免了分散到機芯外部的噪音，如空氣傳播的聲音

“如果它在我的皮膚或襯衫上摩擦，就不會聽到摩擦，但是該設備對來自體內的聲音非常敏感，因此即使在穿衣服時也能吸收有用的振動，” Ayazi說。

檢測帶寬是巨大的-從寬泛的掃描運動到難以聽見的高音調。因此，傳感器芯片會立即記錄心跳的所有細節，心臟通過身體發出的波動以及呼吸頻率和肺音。它甚至可以跟蹤穿戴者的身體活動，例如步行。

信號被同步記錄，有可能提供患者心臟和肺部健康的全景。在這項研究中，研究人員成功錄制了“疾馳”聲，這是心跳“ lub-dub”之后發出的微弱的第三聲。疾馳通常是心力衰竭的難以捉摸的線索。

研究人員在npj Digital Medicine雜志上 發表了他們的研究結果 。該研究由佐治亞研究聯盟，國防高級研究計劃局(DARPA)，美國國家科學基金會和美國國立衛生研究院資助。研究合著者，埃默里大學(Emory University)的心臟病專家Divya Gupta醫師合作對人類參與者進行了芯片測試。

真空密封

數十年來，醫學研究一直試圖更好地利用人體的機械信號，但是記錄某些信號(例如穿過多個組織的波)已證明是不一致的，而其他信號(如馳gall)則依賴于受人為錯誤影響的臨床醫生的技能。新芯片產生高分辨率，量化的數據，將來的研究可以將其與病理學相匹配，以便識別它們。

“我們已經在努力收集與病理匹配的大量數據。我們設想在未來的算法中，可能會實現廣泛的臨床閱讀。” Ayazi說。

盡管該芯片的主要工程原理很簡單，但使其工作并隨后可制造需要Ayazi的實驗室花費了十年時間，這主要是由于硅層(即電極)之間的間隙的Lilliputian規模。如果將2毫米乘2毫米的傳感器芯片擴展到足球場的大小，則該氣隙將約為1英寸寬。

“將兩個電極分隔開的非常細的間隙即使在各層之間的空氣中也沒有任何接觸，因此整個傳感器都被密封在真空腔內，” Ayazi說。“這使得獨特的超低信號噪聲和帶寬廣度成為可能。”

通過衣服檢測

研究人員使用了Ayazi實驗室開發的一種稱為HARPSS +平臺(高長寬比的多晶硅和單晶硅)的制造工藝 進行批量生產，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 +是第一個報道的大規模制造工藝，可實現如此始終如一的細小間隙，并且使許多先進的MEMS或微機電系統實現了高產量的制造。

該實驗設備目前由電池供電，并使用稱為信號調節電路的第二個芯片將傳感器芯片的信號轉換為圖案化的讀數。

可以將三個或三個以上的傳感器插入胸帶中，以對健康信號進行三角測量以找到其來源。有一天，設備可能會通過其在血液中產生的湍流來查明正在出現的心臟瓣膜缺損，或者通過肺部微弱的crack啪聲來識別癌變病變。