Durante un paseo, la respiración de una mujer se vuelve un poco más superficial, y un monitor en su ropa le advierte que se haga un chequeo de telemedicina. Un nuevo estudio detalla cómo un chip sensor más pequeño que una mariquita registra múltiples señales pulmonares y cardíacas junto con los movimientos corporales y podría habilitar un futuro monitor de salud socialmente distanciado.

El mecanismo central del chip desarrollado por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia involucra dos capas de silicio finamente fabricadas, que se superponen entre sí separados por el espacio de 270 nanómetros, aproximadamente 0,005 del ancho de un cabello humano. Llevan un voltaje diminuto.

Las vibraciones de los movimientos corporales y los sonidos hacen que parte del chip fluya, haciendo el flujo de voltaje, también, creando así 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 la tecnología médica actual.

"Ahora, el medicamento busca en los ECG (electrocardiogramas) información sobre el corazón, pero los electrocardiogramas solo miden impulsos eléctricos. El corazón es un sistema mecánico con músculos que bombean y válvulas que se abren y se cierran. y envía una firma de sonidos y movimientos, que un electrocardiograma no detecta. Los ECG tampoco dicen nada sobre la función pulmonar, "dijo Farrokh Ayazi, Ken Byers Profesor en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech.

Combinación de estetoscopio-acelerómetro

El chip, que actúa como un estetoscopio electrónico avanzado y un acelerómetro en uno, se llama acelerómetro micrófono de contacto. 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 transmitidos por el aire.

"Si me roza la piel o la camisa, no escucha la fricción, pero el dispositivo es muy sensible a los sonidos provenientes del interior del cuerpo, por lo que capta vibraciones útiles incluso a través de la ropa, "Dijo Ayazi.

El ancho de banda de detección es enorme, desde amplio, movimientos de barrido a tonos inaudiblemente agudos. Por lo tanto, el chip del sensor registra todos los detalles finos de los latidos del corazón a la vez, ondas de pulso que atraviesan los tejidos del cuerpo, tasas de respiración, y sonidos pulmonares. Incluso rastrea las actividades físicas del usuario, como caminar.

Las señales se registran sincronizadas, 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 débil después del" lub-dub "de los latidos del corazón. Los galopes son normalmente pistas esquivas de insuficiencia cardíaca.

Los investigadores publicaron sus resultados en la revista npj Medicina digital el 12 de febrero 2020. La investigación fue financiada por Georgia Research Alliance, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), la Fundación Nacional de Ciencias, y los Institutos Nacionales de Salud. Coautora del estudio Divya Gupta, MARYLAND., cardiólogo de la Universidad de Emory, colaboró ​​en probar el chip en participantes humanos.

Vacío herméticamente sellado

La investigación médica ha tratado de hacer un mejor uso de las señales mecánicas del cuerpo durante décadas, pero el registro de algunas, como ondas que atraviesan múltiples tejidos, ha demostrado ser inconsistente. mientras que otros, como los galopes, se han basado en las habilidades del clínico influenciadas por el error humano. El nuevo chip produce alta resolución, datos cuantificados que futuras investigaciones podrían relacionar con patologías para identificarlas.

"Ya estamos trabajando para recopilar significativamente más datos que coincidan con patologías. En el futuro, imaginamos algoritmos que pueden permitir una amplia gama de lecturas clínicas, "Dijo Ayazi.

Aunque el principio de ingeniería principal del chip es simple, hacer que funcione y luego fabricarse le llevó al laboratorio de Ayazi diez años, principalmente debido a la escala liliputiense del espacio entre las capas de silicio, es decir, electrodos. Si el chip sensor de 2 milímetros por 2 milímetros se expandiera al tamaño de un campo de fútbol, ese espacio de aire tendría aproximadamente una pulgada de ancho.

"Ese espacio muy delgado 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, ", Dijo Ayazi." Esto hace que el ruido de señal ultrabajo y la amplitud de ancho de banda sean únicos ".

Detecta a través de la ropa

Los investigadores utilizaron un proceso de fabricación desarrollado en el laboratorio de Ayazi llamado plataforma HARPSS + (High Aspect Ratio Poly y Single Crystalline Silicon) para la producción en masa. escurriendo hojas del tamaño de una mano que luego fueron cortadas en pequeños chips sensores. HARPSS + es el primer proceso de fabricación en masa del que se ha informado que logra espacios tan consistentemente delgados, y ha permitido la fabricación de alto rendimiento de muchos de estos MEMS avanzados, o sistemas microelectromecánicos.

El dispositivo experimental actualmente funciona con baterías y utiliza un segundo chip llamado circuito de acondicionamiento de señal para traducir las señales del chip sensor en lecturas con patrones.

Se podrían insertar tres sensores o más en una banda para el pecho que triangularía las señales de salud para localizar sus fuentes. Algún día, un dispositivo puede identificar una falla emergente de una válvula cardíaca por la turbulencia que produce en el torrente sanguíneo o identificar una lesión cancerosa por un leve crepitar en un pulmón.