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科学家研发非侵入式传感器,可监测人体心肺健康状况

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发表时间:2020-05-12 21:36

数据管家云控:来自美国佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology, GT)的科学家设计并构建了一种非侵入式传感器芯片,其体积只相当于瓢虫大小,可以记录人体活动时心肺等器官发出的不同声音。医护人员通过分析这些声音获取患者的详细信息。

该芯片是一种结合了加速度计的高科技电子听诊器,被称为“加速度计接触式麦克风”。它能监测人体体内发出的振动,同时过滤来自体外的干扰杂音,如空气传播的声音。

佐治亚理工学院电子和计算机工程教授Farrokh Ayazi表示:“这款传感器芯片不会对人体皮肤或衣服的摩擦声音产生反应,但对人体体内发出的声音非常敏感,因此,它能够穿过衣服收集到有用的振动。”

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硬币上的黑色方形传感器可以记录非常细微的声音,也可以监测心肺等器官的参数信息

该芯片的传感功能来自两层硅薄膜,其间隙仅为270纳米,每层承载的电压都极小。人体活动和声音产生的振动通过芯片发送压力波,使电压产生可转换为电子读出的微小变化。芯片被密封在一个真空腔内,以防止气流干扰输入的振动。Ayazi教授表示,这将噪音降低至一个超低水平,并使传感器具有非常宽的带宽。

尽管该芯片的工作原理很简单,研究团队还是花了十年的时间才使其正常工作并可制造。最大的挑战是如何缩小硅薄膜层的间隙。如Ayazi教授描述的那样,如果将这款2 mm x 2 mm的芯片放大到约90 m x 90 m,其间隙大约仅有2.5 cm那么厚。

研究人员使用了Ayazi实验室开发的一种名为Harps+平台(高纵横比的多晶硅和单晶硅)的制造工艺进行批量生产,获得巴掌大的晶圆再切割成所需要的尺寸。Harps+是首个被报道的高产能制造工艺平台,可在两层硅之间提供一致的薄间隙,已被用于制造多种微机电系统(MEMS)器件。

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该MEMS传感器芯片可以很好地感测振动情况,在它旁边是被称为信号调理电路的ASIC芯片

该传感器由电池供电,ASIC芯片将MEMS传感器芯片的信号转换为图形输出。

在人体测试中,该芯片清晰地记录了来自心脏和肺部机械运转的各种信号,当前的医疗技术还无法准确监测到这些信号。

Ayazi教授说道:“目前,医生通过心电图获取心脏信息,但他们只测量电脉冲。心脏是一个机械系统,有肌肉的抽动和瓣膜的开闭,所有运转都会产生心电图仪器无法监测到的声音。心电图仪器也无法监测肺功能。”

该芯片的监测带宽非常宽,可以检测从轻拂运动到听不见的高频声音。因此,这款传感器芯片可同时记录心跳的详细情况,包括心脏通过身体发出的波动、呼吸速率和肺部声音。它甚至可以跟踪佩戴者的身体活动,如行走。

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图片右侧展示的纳米级间隙让这个微型传感器可收集图片左侧展示的各类声音源和运动源发出的高分辨率信号

信号被同步记录,可以让医护人员详细了解患者的心肺健康状况。例如,研究人员成功地监测到了一个“奔马律”(Gallop),这是在常规的心跳“扑通”声之后发出的微弱第三声。“奔马律”是表示心力衰竭的重要信号且难以被察觉。

多年来,医学研究一直在尝试利用人体的机械信号,但事实证明,机械运转所产生的声音在不同器官中是不一致的,而其它声音,如对“奔马律”的识别则依赖于多年的医学临床经验。该芯片创造了高分辨率、数字化的数据,未来的研究将结合病理学以识别这些数据。

研究人员设想在胸带上安装三个或多个传感器,以对信号进行三角测量,从而精准地确定信号来自身体的什么器官。随着进一步的研究,该传感器还将可能通过紊乱的血流识别心脏瓣膜问题,或者通过微弱的声音识别肺部的癌前病变。
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