4月20日消息，據外媒報道，佐治亞理工學院的研究人員開發了一個比“瓢蟲”還小的傳感器芯片，該芯片能夠記錄肺部、心臟信號以及人體運動的數據，并可以與將來的健康監護儀結合使用。

具有強大功能的正方形黑點可以記錄肺和心臟數據。來源：佐治亞理工大學/ Ayazi實驗室

　　據研究人員介紹，該芯片的核心機制涉及兩層精細制造的硅層，硅層彼此重疊，間距270納米的空間（大約是人類頭發寬度的0.005米），硅層還帶有微小的電壓。然后，來自身體運動和聲音的振動使芯片的一部分通電，也使電壓通電，從而產生可讀的電子輸出。在人體測試中，該芯片清晰地記錄了來自肺和心臟機械工作的各種信號，這些信號往往無法通過當前的醫療技術進行有意義的檢測。

　　佐治亞理工學院電氣與計算機工程學院的肯·拜爾斯教授Farrokh Ayazi說：“目前，醫學依靠心電圖（EKG）獲取有關心臟的信息，但是心電圖只能測量電脈沖。心臟是一個機械系統，肌肉的抽動與瓣膜的打開和關閉，發出聲音和運動的信號，這是心電圖機無法檢測到的，而且心電圖機對肺功能一無所知。”

　　聽診器與加速度計的組合

　　該傳感器芯片可作為一種先進的電子聽診器和加速度計，被恰當地稱為加速度計接觸式麥克風，它可以檢測到從體內進入芯片的振動，同時避免了分散到機芯外部的噪音，如空氣傳播的聲音。

　　Ayazi說：“如果該傳感器芯片在我們的皮膚或襯衫上摩擦，它不會聽到摩擦聲，但是該設備對來自體內的聲音非常敏感，所以即使穿過衣服也能接收到有用的振動。”

　　該傳感器探測帶寬是巨大的——從寬廣的、掃掠的運動到聽不見的高音調，因此，傳感器芯片可以同時記錄心跳、穿過人體組織的脈搏波、呼吸頻率和肺音的所有細節。它甚至可以追蹤佩戴者的身體活動，比如走路。這些信號是被同步記錄的，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雜志上發表了他們的研究結果。該研究由喬治亞研究聯盟、國防高級研究計劃局（DARPA）、美國國家科學基金會和美國國立衛生研究院資助。研究合著者埃默里大學（Emory University）的心臟病專家Divya Gupta醫師合作對人類參與者進行了芯片測試。

       傳感器被真空密封

　　數十年來，醫學研究一直試圖更好地利用人體的機械信號，但是記錄某些信號（如穿過多個組織的波）已證明是不一致的，而其他信號（如疾馳）則依賴于受人為錯誤影響的臨床醫生的技能。新芯片產生高分辨率、量化的數據，將來的研究可以將其與病理學相匹配，以便識別它們。

　　Ayazi說：“我們已經在努力收集與病理學相匹配的大量數據。我們設想在未來的算法中，可能會實現廣泛的臨床讀數。不過，盡管該芯片的主要工程原理很簡單，但使其工作并隨后可制造卻需要花費實驗室十年的時間，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展到足球場的大小，則該氣隙將約為1英寸寬。分離兩個電極的很薄的間隙甚至不能不能有任何接觸，即使是通過兩層之間的空氣中的力也不能有任何接觸，因此整個傳感器都被密封在真空腔內，這使得獨特的超低信號噪聲和帶寬廣度成為可能。”

　　由HARPSS +平臺進行芯片量產

　　研究人員使用了Ayazi實驗室開發的一種稱為HARPSS +平臺（高長寬比的多晶硅和單晶硅）的制造工藝進行批量生產，將非手工尺寸的薄片切割成微型傳感器芯片。HARPSS +是第一個報道的大規模制造工藝，可實現如此一致的薄間隙，并且使許多先進的MEMS或微機電系統實現高產量的制造成為可能。

　　該實驗設備目前由電池供電，并使用稱為信號調節電路的第二個芯片將傳感器芯片的信號轉換為模式化的讀數，可以將三個或三個以上的傳感器插入胸帶中，以對健康信號進行三角測量以找到其來源。未來有一天，設備可能會通過其在血液中產生的湍流來查明正在出現的心臟瓣膜缺損，或者通過肺部微弱的噼啪聲來識別癌變病變。