Sensor cardio-pulmonar miniaturizado en chip captura señales claras de corazón y pulmones

El mecanismo central de un sensor miniatura en un chip incorpora dos capas de silicio que se superponen separadas por un espacio de 270 nanómetros — aproximadamente 0.005 veces el ancho de un cabello humano. Llevan un voltaje minúsculo. Las vibraciones de los movimientos y sonidos corporales ponen parte del chip en flujo, haciendo que el voltaje fluctúe y creando salidas electrónicas legibles. En pruebas humanas, el chip ha registrado una variedad de señales del funcionamiento mecánico de los pulmones y el corazón con claridad — señales que a menudo escapan a la detección significativa de la tecnología médica actual.

Estetoscopio electrónico y acelerómetro en uno

El chip, que actúa como estetoscopio electrónico y acelerómetro en uno, se llama acertadamente micrófono de contacto acelerómetro. Detecta vibraciones que entran al chip desde dentro del cuerpo mientras mantiene fuera el ruido distractor del exterior del núcleo corporal, como sonidos aéreos. Si roza la piel o una prenda, no oye la fricción, pero el dispositivo es muy sensible a los sonidos que vienen desde dentro del cuerpo, por lo que capta vibraciones útiles incluso a través de la ropa.

Ancho de banda de detección enorme: de movimientos amplios a tonos inaudibles

El ancho de banda de detección es enorme — desde movimientos amplios y barridos hasta tonos agudos inaudibles. Así, el chip sensor registra simultáneamente detalles finos del latido cardíaco, ondas que el corazón envía a través del cuerpo, y tasas de respiración y sonidos pulmonares. Incluso rastrea las actividades físicas del usuario como caminar. Las señales se registran en sincronía, ofreciendo potencialmente el panorama general de la salud cardíaca y pulmonar de un paciente. Para el estudio, los investigadores registraron con éxito un "galope" — un tercer sonido tenue después del "lub-dub" del latido cardíaco. Los galopes son pistas normalmente elusivas de insuficiencia cardíaca.

Fabricación en masa con plataforma HARPSS+

Aunque el principio de ingeniería principal del chip es simple, hacerlo funcionar y luego fabricable fue un desafío, principalmente debido a la escala extremadamente pequeña del espacio entre las capas de silicio, es decir, los electrodos. Si el chip sensor de 2 × 2 milímetros se expandiera al tamaño de un campo de fútbol, ese espacio de aire tendría aproximadamente una pulgada de ancho. Esa delgada brecha que separa los dos electrodos no puede tener ningún contacto — ni siquiera por fuerzas en el aire entre las capas — por lo que todo el sensor está sellado herméticamente dentro de una cavidad de vacío.

Los investigadores usaron un proceso de fabricación llamado plataforma HARPSS+ (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) para producción en masa, produciendo hojas del tamaño de una mano que luego se cortaban en los diminutos chips sensores. HARPSS+ es el primer proceso de fabricación en masa reportado que logra brechas tan consistentemente delgadas y ha permitido la fabricación de alto rendimiento de muchos MEMS avanzados. El dispositivo experimental funciona actualmente con batería y usa un segundo chip llamado circuito de acondicionamiento de señal para traducir las señales del chip sensor en lecturas patrones. Tres sensores o más podrían insertarse en una banda torácica para triangular señales de salud y localizar sus fuentes. Algún día un dispositivo podría identificar una falla emergente de válvula cardíaca por la turbulencia que produce en el torrente sanguíneo o identificar una lesión cancerosa por tenues sonidos crepitantes en un pulmón.