Sensor de corazón-pulmón en miniatura en un chip

El mecanismo central de un sensor en miniatura en un chip incorpora dos capas de silicio que se superponen separadas por un espacio de 270 nanómetros, aproximadamente 0,005 del ancho de un cabello humano. Llevan un minuto de voltaje. Las vibraciones de los movimientos corporales y los sonidos ponen parte del chip en flujo, haciendo que el voltaje fluya y creando salidas electrónicas legibles. En pruebas con humanos, 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 por parte de la tecnología médica actual.

El chip, que actúa como un estetoscopio electrónico y un acelerómetro en uno, se llama acertadamente micrófono de contacto del acelerómetro. Detecta las vibraciones que ingresan al chip desde el interior del cuerpo mientras evita el ruido que distrae del exterior del núcleo del cuerpo, como los sonidos en el aire. Si roza la piel o una prenda, no escucha la fricción, pero el dispositivo es muy sensible a los sonidos que le llegan desde el interior del cuerpo, por lo que capta vibraciones útiles incluso a través de la ropa.

El ancho de banda de detección es enorme, desde amplios movimientos de barrido hasta tonos inaudiblemente agudos. Por lo tanto, el chip sensor registra, simultáneamente, los detalles finos del latido del corazón, las ondas que el corazón envía a través del cuerpo y la frecuencia respiratoria y los sonidos pulmonares. Incluso rastrea las actividades físicas del usuario, como caminar. Las señales se registran sincronizadas, lo que potencialmente ofrece una imagen general de la salud del corazón y los pulmones de un paciente. Para el estudio, los investigadores registraron con éxito un "galope", un débil tercer sonido después del "lub-dub" del latido del corazón. Los galope suelen ser indicios esquivos de insuficiencia cardíaca.

Aunque el principio de ingeniería principal del chip es simple, hacerlo funcionar y luego fabricarlo fue un desafío, principalmente debido a la escala extremadamente pequeña de la brecha 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 una pulgada de ancho. Ese espacio muy delgado que separa los dos electrodos no puede tener ningún contacto, ni siquiera por las fuerzas del aire entre las capas, por lo que todo el sensor está sellado herméticamente dentro de una cavidad de vacío.

Los investigadores utilizaron un proceso de fabricación llamado plataforma HARPSS+ (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) para la producción en masa, utilizando hojas del tamaño de una mano que luego se cortaron en los diminutos chips sensores. HARPSS+ es el primer proceso de fabricación en masa informado que logra brechas tan delgadas y ha permitido la fabricación de alto rendimiento de muchos de estos MEMS avanzados. El dispositivo experimental actualmente funciona con baterías y utiliza un segundo chip llamado circuito de acondicionamiento de señales para traducir las señales del chip sensor en lecturas con patrones. Se podrían insertar tres o más sensores en una banda para el pecho para triangular las señales de salud y localizar sus fuentes. Algún día, un dispositivo puede identificar una falla emergente en una válvula cardíaca por la turbulencia que produce en el torrente sanguíneo o identificar una lesión cancerosa por un leve crujido en un pulmón.