研究发现芯片上的肺心超级传感器比瓢虫还小

散步时，妇女的呼吸略微变浅，衣服上的监视器提醒她进行远程医疗检查。一项新的研究详细说明了一个比瓢虫小的传感器芯片如何记录多个肺和心脏信号以及人体运动，并可以启用这种将来与社会隔离的健康监护仪。佐治亚理工学院的研究人员开发的芯片的核心机制涉及两层精细制造的硅层，硅层彼此重叠，相隔270纳米的空间-大约是人发的宽度的0.005。它们带有微小的电压。

身体运动和声音产生的振动使芯片的一部分处于通量状态，从而使电压也产生通量，从而产生了可读的电子输出。在人体测试中，该芯片清晰地记录了来自肺和心脏的机械运转的各种信号，这些信号通常无法通过当前的医疗技术进行有意义的检测。

“目前，医学依靠心电图(EKG)获取有关心脏的信息，但是心电图只能测量电脉冲。心脏是一个机械系统，其肌肉在抽动，瓣膜打开和关闭，发出声音和运动的信号，这是心电图机无法检测到的。心电图机也对肺功能一无所知。”佐治亚理工学院电气与计算机工程学院的肯·拜尔斯教授Farrokh Ayazi说。

该芯片可作为一种先进的电子听诊器和加速度计，被恰当地称为加速度计接触式麦克风。它可以检测到从体内进入芯片的振动，同时避免了分散到机芯外部的噪音，如空气传播的声音“如果它在我的皮肤或衬衫上摩擦，它不会听到摩擦，但是该设备对来自体内的声音非常敏感，因此即使在穿衣服时也能吸收有用的振动，” Ayazi说。

检测带宽非常大-从广泛的扫掠运动到难以听见的高音调。因此，传感器芯片会立即记录心跳，遍及人体组织的脉搏波，呼吸频率和肺音的所有细节。它甚至可以跟踪穿戴者的身体活动，例如步行。信号被同步记录，有可能提供患者心脏和肺部健康的全景。在这项研究中，研究人员成功录制了“疾驰”声，这是心跳“ lub-dub”之后的第三种微弱声音。疾驰通常是心力衰竭的难以捉摸的线索。

研究人员于2020年2月12日在npj Digital Medicine杂志上发表了他们的研究结果。该研究由乔治亚研究联盟，国防高级研究计划局(DARPA)，美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院资助。研究合著者，埃默里大学(Emory University)的心脏病专家Divya Gupta医师合作对人类参与者进行了芯片测试。

数十年来，医学研究一直试图更好地利用人体的机械信号，但是记录某些信号(如穿过多个组织的波)已证明是不一致的，而其他信号(如疾驰)则依赖于受人为错误影响的临床医生的技能。新芯片产生高分辨率，量化的数据，将来的研究可以将其与病理学相匹配，以便识别它们。Ayazi说：“我们已经在努力收集与病理学相匹配的大量数据。我们设想在未来的算法中，可能会实现广泛的临床读数。”

尽管该芯片的主要工程原理很简单，但使其工作并随后可制造需要Ayazi的实验室花费了十年时间，这主要是由于硅层(即电极)之间的间隙的Lilliputian规模。如果将2毫米乘2毫米的传感器芯片扩展到足球场的大小，则该气隙将约为1英寸宽。Ayazi说：“分隔两个电极的非常细的间隙甚至不能通过两层之间的空气中的力进行任何接触，因此整个传感器都被密封在真空腔内。”“这使得独特的超低信号噪声和带宽广度成为可能。”

研究人员使用了Ayazi实验室开发的一种称为HARPSS +平台(高长宽比的多晶硅和单晶硅)的制造工艺进行批量生产，先从手工尺寸的薄板中切出，然后切成微小的传感器芯片。HARPSS +是第一个报道的大规模制造工艺，可实现如此始终如一的细小间隙，并且使许多先进的MEMS或微机电系统实现了高产量的制造。

该实验设备目前由电池供电，并使用称为信号调节电路的第二个芯片将传感器芯片的信号转换为图案化的读数。可以将三个或三个以上的A3953SLBTR-T传感器插入胸带中，以对健康信号进行三角测量以找到其来源。有一天，设备可能会通过其在血液中产生的湍流来查明正在出现的心脏瓣膜缺损，或者通过肺部微弱的crack啪声来识别癌变病变。