4月20日消息，據(jù)外媒報(bào)道，佐治亞理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)比“瓢蟲(chóng)”還小的傳感器芯片，該芯片能夠記錄肺部、心臟信號(hào)以及人體運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，并可以與將來(lái)的健康監(jiān)護(hù)儀結(jié)合使用。

具有強(qiáng)大功能的正方形黑點(diǎn)可以記錄肺和心臟數(shù)據(jù)。來(lái)源：佐治亞理工大學(xué)/ Ayazi實(shí)驗(yàn)室

　　據(jù)研究人員介紹，該芯片的核心機(jī)制涉及兩層精細(xì)制造的硅層，硅層彼此重疊，間距270納米的空間（大約是人類頭發(fā)寬度的0.005米），硅層還帶有微小的電壓。然后，來(lái)自身體運(yùn)動(dòng)和聲音的振動(dòng)使芯片的一部分通電，也使電壓通電，從而產(chǎn)生可讀的電子輸出。在人體測(cè)試中，該芯片清晰地記錄了來(lái)自肺和心臟機(jī)械工作的各種信號(hào)，這些信號(hào)往往無(wú)法通過(guò)當(dāng)前的醫(yī)療技術(shù)進(jìn)行有意義的檢測(cè)。

　　佐治亞理工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的肯·拜爾斯教授Farrokh Ayazi說(shuō)：“目前，醫(yī)學(xué)依靠心電圖（EKG）獲取有關(guān)心臟的信息，但是心電圖只能測(cè)量電脈沖。心臟是一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，肌肉的抽動(dòng)與瓣膜的打開(kāi)和關(guān)閉，發(fā)出聲音和運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，這是心電圖機(jī)無(wú)法檢測(cè)到的，而且心電圖機(jī)對(duì)肺功能一無(wú)所知。”

　　聽(tīng)診器與加速度計(jì)的組合

　　該傳感器芯片可作為一種先進(jìn)的電子聽(tīng)診器和加速度計(jì)，被恰當(dāng)?shù)胤Q為加速度計(jì)接觸式麥克風(fēng)，它可以檢測(cè)到從體內(nèi)進(jìn)入芯片的振動(dòng)，同時(shí)避免了分散到機(jī)芯外部的噪音，如空氣傳播的聲音。

　　Ayazi說(shuō)：“如果該傳感器芯片在我們的皮膚或襯衫上摩擦，它不會(huì)聽(tīng)到摩擦聲，但是該設(shè)備對(duì)來(lái)自體內(nèi)的聲音非常敏感，所以即使穿過(guò)衣服也能接收到有用的振動(dòng)。”

　　該傳感器探測(cè)帶寬是巨大的——從寬廣的、掃掠的運(yùn)動(dòng)到聽(tīng)不見(jiàn)的高音調(diào)，因此，傳感器芯片可以同時(shí)記錄心跳、穿過(guò)人體組織的脈搏波、呼吸頻率和肺音的所有細(xì)節(jié)。它甚至可以追蹤佩戴者的身體活動(dòng)，比如走路。這些信號(hào)是被同步記錄的，有可能提供病人心臟和肺健康的全景。在這項(xiàng)研究中，研究人員成功錄制了“疾馳”聲，這是繼心跳“ 嘟嘟”之后的第三種微弱聲音，“疾馳”通常是心力衰竭的難以捉摸的線索。

　　研究人員于2020年2月12日在npj Digital Medicine雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。該研究由喬治亞研究聯(lián)盟、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院資助。研究合著者埃默里大學(xué)（Emory University）的心臟病專家Divya Gupta醫(yī)師合作對(duì)人類參與者進(jìn)行了芯片測(cè)試。

       傳感器被真空密封

　　數(shù)十年來(lái)，醫(yī)學(xué)研究一直試圖更好地利用人體的機(jī)械信號(hào)，但是記錄某些信號(hào)（如穿過(guò)多個(gè)組織的波）已證明是不一致的，而其他信號(hào)（如疾馳）則依賴于受人為錯(cuò)誤影響的臨床醫(yī)生的技能。新芯片產(chǎn)生高分辨率、量化的數(shù)據(jù)，將來(lái)的研究可以將其與病理學(xué)相匹配，以便識(shí)別它們。

　　Ayazi說(shuō)：“我們已經(jīng)在努力收集與病理學(xué)相匹配的大量數(shù)據(jù)。我們?cè)O(shè)想在未來(lái)的算法中，可能會(huì)實(shí)現(xiàn)廣泛的臨床讀數(shù)。不過(guò)，盡管該芯片的主要工程原理很簡(jiǎn)單，但使其工作并隨后可制造卻需要花費(fèi)實(shí)驗(yàn)室十年的時(shí)間，這主要是由于硅層（即電極）之間的間隙很小，如果將2毫米乘2毫米的傳感器芯片擴(kuò)展到足球場(chǎng)的大小，則該氣隙將約為1英寸寬。分離兩個(gè)電極的很薄的間隙甚至不能不能有任何接觸，即使是通過(guò)兩層之間的空氣中的力也不能有任何接觸，因此整個(gè)傳感器都被密封在真空腔內(nèi)，這使得獨(dú)特的超低信號(hào)噪聲和帶寬廣度成為可能。”

　　由HARPSS +平臺(tái)進(jìn)行芯片量產(chǎn)

　　研究人員使用了Ayazi實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一種稱為HARPSS +平臺(tái)（高長(zhǎng)寬比的多晶硅和單晶硅）的制造工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，將非手工尺寸的薄片切割成微型傳感器芯片。HARPSS +是第一個(gè)報(bào)道的大規(guī)模制造工藝，可實(shí)現(xiàn)如此一致的薄間隙，并且使許多先進(jìn)的MEMS或微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量的制造成為可能。

　　該實(shí)驗(yàn)設(shè)備目前由電池供電，并使用稱為信號(hào)調(diào)節(jié)電路的第二個(gè)芯片將傳感器芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)換為模式化的讀數(shù)，可以將三個(gè)或三個(gè)以上的傳感器插入胸帶中，以對(duì)健康信號(hào)進(jìn)行三角測(cè)量以找到其來(lái)源。未來(lái)有一天，設(shè)備可能會(huì)通過(guò)其在血液中產(chǎn)生的湍流來(lái)查明正在出現(xiàn)的心臟瓣膜缺損，或者通過(guò)肺部微弱的噼啪聲來(lái)識(shí)別癌變病變。