在散步时，一位女士的呼吸变得稍微浅了一点，她衣服里的监视器提醒她去做一次远程医疗检查。一项新的研究详细说明了传感器芯片比瓢虫还小的体积可以记录肺部和心脏的多个信号，以及身体的运动，这可能使未来的社交距离健康监测成为可能。
佐治亚理工学院的研究人员开发的芯片的核心机制包括两层精心制造的硅，它们相互覆盖，相隔270纳米——大约是人类头发宽度的0.005。它们携带一分钟的电压。
身体运动和声音的振动使芯片的一部分产生电流，也产生电压，从而产生可读的电子输出。在人体测试中，该芯片清晰地记录了肺部和心脏的各种机械工作信号，这些信号通常无法通过当前的医疗技术进行有效检测。
“目前，医学上依靠心电图来获取关于心脏的信息，但心电图只能测量电脉冲。心脏是一个机械系统，肌肉在跳动，阀门在开启和关闭，它发出声音和动作的信号，这是心电图无法检测到的。心电图也不能说明肺功能，”佐治亚理工学院电气与计算机工程学院肯·拜尔斯教授Farrokh Ayazi说。
广告
广告
Stethoscope-accelerometer组合
这种芯片相当于一种先进的电子设备听诊器而加速度计在其中，被恰当地称为加速度计接触麦克风。它能检测到从体内进入芯片的振动，同时阻挡来自身体核心以外的干扰噪音，比如空气中的声音。Ayazi说:“如果它摩擦我的皮肤或衬衫，它不会听到摩擦，但该设备对来自身体内部的声音非常敏感，所以它甚至能通过衣服接收有用的振动。”
探测带宽是巨大的-从宽广的，扫过的运动到听不见的高音音调。因此，传感器芯片一次就能记录下心跳、心脏发出的声波、呼吸频率和肺部声音的所有细节。它甚至可以追踪穿戴者的身体活动，比如走路。
这些信号被同步记录，有可能提供病人心脏和肺部健康的全景。在这项研究中，研究人员成功地记录了一种“飞驰”的声音，这是心跳“啪嗒啪嗒”之后的一种微弱的第三种声音。飞奔通常是心脏衰竭的难以捉摸的征兆。
密封的真空
几十年来，医学研究一直试图更好地利用人体的机械信号，但记录一些穿越多个组织的波被证明是不一致的，而另一些——比如疾驰——依赖于受人为错误影响的临床医生技能。这种新芯片产生高分辨率、量化的数据，未来的研究可以将这些数据与病理相匹配，以便识别它们。
“我们已经在努力收集更多与病理匹配的数据。我们设想未来的算法可能会使广泛的临床读数成为可能，”Ayazi说。
虽然芯片的主要工程原理很简单，但让它工作并可生产却花了Ayazi的实验室十年时间，主要是因为硅层(即电极)之间的差距非常小。如果2毫米× 2毫米的传感器芯片扩展到一个足球场的大小，那么气隙大约会有一英寸宽。
Ayazi说:“分隔两个电极的非常薄的缝隙不能有任何接触，即使是在两层之间的空气力也不能接触，所以整个传感器被密封在一个真空腔中。”“这使得超低的信号噪声和独特的带宽宽度。”
检测通过服装
研究人员使用Ayazi实验室开发的一种名为HARPSS+平台(高长宽比多晶硅和单晶硅)的制造工艺进行大规模生产，将手掌大小的薄片切割成微小的传感器芯片。HARPSS+是第一个被报道的能够实现如此连续的薄间隙的大规模制造工艺，它已经实现了许多先进MEMS或微机电系统的高通量制造。
该实验装置目前由电池供电，并使用第二种芯片称为信号调理电路，将传感器芯片的信号转换为有图案的读出。
可以将三个或更多的传感器插入胸带，对健康信号进行三角定位，以确定其来源。有一天，一种设备可能会通过血流中产生的湍流来定位正在出现的心脏瓣膜缺陷，或者通过肺部微弱的噼啪声来识别癌变病变。
来源:佐治亚理工学院
