Um ponto preto quadrado com habilidades gigantescas para registrar dados de pulmão e coração. Crédito:Georgia Tech / Ayazi lab
Durante um passeio, a respiração de uma mulher se torna um pouco mais superficial, e um monitor em sua roupa a alerta para fazer um check-up de telemedicina. Um novo estudo detalha como um chip sensor menor do que uma joaninha registra vários sinais de pulmão e coração junto com os movimentos do corpo e poderia habilitar um monitor de saúde socialmente distanciado.
O mecanismo central do chip desenvolvido por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia envolve duas camadas de silício finamente fabricadas, que se sobrepõem separados por um espaço de 270 nanômetros - cerca de 0,005 a largura de um fio de cabelo humano. Eles carregam uma voltagem minúscula.
Vibrações de movimentos corporais e sons colocam parte do chip em fluxo, fazendo o fluxo de voltagem, também, criando assim saídas eletrônicas legíveis. Em testes humanos, o chip registrou uma variedade de sinais do funcionamento mecânico dos pulmões e do coração com clareza, sinais que muitas vezes escapam à detecção significativa pela tecnologia médica atual.
"Agora mesmo, medicina olha para EKGs (eletrocardiogramas) para obter informações sobre o coração, mas os EKGs medem apenas impulsos elétricos. O coração é um sistema mecânico com músculos bombeando e válvulas abrindo e fechando, e envia uma assinatura de sons e movimentos, que um EKG não detecta. EKGs também não dizem nada sobre a função pulmonar, "disse Farrokh Ayazi, Ken Byers Professor na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Georgia Tech.
Combinação estetoscópio-acelerômetro
O chip, que atua como um estetoscópio eletrônico avançado e acelerômetro em um, é apropriadamente chamado de microfone de contato acelerômetro. Ele detecta vibrações que entram no chip de dentro do corpo, enquanto evita ruídos perturbadores de fora do núcleo do corpo, como sons no ar
O sensor é um chip físico notavelmente sintonizado com a inércia. Próximo a, um chip eletrônico chamado circuito de condicionamento de sinal traduz os sinais do chip sensor em leituras padronizadas. Crédito:Georgia Tech / Ayazi lab
"Se esfregar na minha pele ou camisa, não ouve o atrito, mas o dispositivo é muito sensível a sons vindos de dentro do corpo, então ele capta vibrações úteis, mesmo através das roupas, "Ayazi disse.
A largura de banda de detecção é enorme - de ampla, movimentos amplos para tons inaudivelmente agudos. Assim, o chip sensor registra todos os detalhes finos do batimento cardíaco, ondas de pulso que atravessam os tecidos do corpo, taxas de respiração, e sons pulmonares. Ele até rastreia as atividades físicas do usuário, como caminhar.
Os sinais são gravados em sincronia, potencialmente oferecendo o panorama geral da saúde do coração e dos pulmões de um paciente. Para o estudo, os pesquisadores registraram com sucesso um "galope, "um terceiro som fraco após o" lub-dub "do batimento cardíaco. Galopes são normalmente indícios evasivos de insuficiência cardíaca.
Os pesquisadores publicaram seus resultados na revista npj Digital Medicine em 12 de fevereiro, 2020. A pesquisa foi financiada pela Georgia Research Alliance, a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA), a National Science Foundation, e os Institutos Nacionais de Saúde. Divya Gupta, co-autora do estudo, M.D., um cardiologista da Emory University, colaborou no teste do chip em participantes humanos.
Vácuo hermeticamente selado
A pesquisa médica tem tentado fazer melhor uso dos sinais mecânicos do corpo por décadas, mas o registro de alguns - como ondas que atravessam vários tecidos - provou ser inconsistente, enquanto outros - como galopes - confiaram nas habilidades do clínico influenciadas pelo erro humano. O novo chip produz alta resolução, dados quantificados que pesquisas futuras poderiam combinar com patologias para identificá-las.
À direita, a minúscula lacuna que permite ao chip liliputiano coletar sinais de alta resolução da ampla gama de fontes de som e movimento à esquerda. Crédito:Georgia Tech / Ayazi lab
"Já estamos trabalhando para coletar um número significativamente maior de dados relacionados a patologias. Prevemos algoritmos no futuro que podem permitir uma ampla gama de leituras clínicas, "Ayazi disse.
Embora o princípio de engenharia principal do chip seja simples, fazê-lo funcionar e, em seguida, fabricá-lo levou o laboratório de Ayazi dez anos, principalmente por causa da escala liliputiana da lacuna entre as camadas de silício, ou seja, eletrodos. Se o chip sensor de 2 por 2 milímetros fosse expandido para o tamanho de um campo de futebol, essa lacuna de ar teria cerca de uma polegada de largura.
"Essa lacuna muito fina que separa os dois eletrodos não pode ter nenhum contato, nem mesmo por forças no ar entre as camadas, então todo o sensor é hermeticamente selado dentro de uma cavidade de vácuo, "Ayazi disse." Isso cria um ruído de sinal ultrabaixo e largura de banda única. "
Detecta através da roupa
Os pesquisadores usaram um processo de fabricação desenvolvido no laboratório de Ayazi chamado de plataforma HARPSS + (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) para produção em massa, escorrendo de folhas do tamanho de uma mão que foram cortadas em minúsculos chips sensores. HARPSS + é o primeiro processo de fabricação em massa relatado que atinge tais lacunas consistentemente finas, e permitiu a fabricação de alto rendimento de muitos desses MEMS avançados, ou sistemas microeletromecânicos.
O dispositivo experimental é atualmente alimentado por bateria e usa um segundo chip chamado circuito de condicionamento de sinal para traduzir os sinais do chip sensor em leituras padronizadas.
Três sensores ou mais poderiam ser inseridos em uma faixa torácica que triangularia os sinais de saúde para localizar suas fontes. Algum dia, um dispositivo pode detectar uma falha emergente na válvula cardíaca por turbulência que ela produz na corrente sanguínea ou identificar uma lesão cancerosa por sons fracos de crepitação no pulmão.
