Durante una passeggiata, il respiro di una donna diventa un po' più superficiale, e un monitor nei suoi vestiti la avverte di sottoporsi a un controllo di telemedicina. Un nuovo studio descrive in dettaglio come un chip sensore più piccolo di una coccinella registra più segnali polmonari e cardiaci insieme ai movimenti del corpo e potrebbe consentire un futuro monitor della salute socialmente distanziato.

Il meccanismo principale del chip sviluppato dai ricercatori del Georgia Institute of Technology coinvolge due strati di silicio finemente fabbricati, che si sovrappongono separati dallo spazio di 270 nanometri, circa 0,005 la larghezza di un capello umano. Portano una tensione minima.

Le vibrazioni dei movimenti e dei suoni del corpo mettono in movimento parte del chip, facendo il flusso di tensione, pure, creando così output elettronici leggibili. Nella sperimentazione umana, il chip ha registrato con chiarezza una varietà di segnali provenienti dal funzionamento meccanico dei polmoni e del cuore, segnali che spesso sfuggono a un rilevamento significativo da parte dell'attuale tecnologia medica.

"Proprio adesso, la medicina guarda agli ECG (elettrocardiogrammi) per informazioni sul cuore, ma gli ECG misurano solo gli impulsi elettrici. Il cuore è un sistema meccanico con muscoli che pompano e valvole che si aprono e si chiudono, e manda una firma di suoni e movimenti, che un ECG non rileva. Anche gli ECG non dicono nulla sulla funzione polmonare, " ha detto Farrokh Ayazi, Ken Byers Professore alla School of Electrical and Computer Engineering della Georgia Tech.

Combinazione stetoscopio-accelerometro

Il chip, che funge da stetoscopio elettronico avanzato e accelerometro in uno, è giustamente chiamato microfono a contatto dell'accelerometro. Rileva le vibrazioni che entrano nel chip dall'interno del corpo mentre tiene fuori i rumori di distrazione dall'esterno del nucleo del corpo come i suoni nell'aria

"Se mi sfrega sulla pelle o sulla camicia, non sente l'attrito, ma il dispositivo è molto sensibile ai suoni che gli provengono dall'interno del corpo, quindi capta vibrazioni utili anche attraverso i vestiti, "ha detto Ajazi.

La larghezza di banda di rilevamento è enorme:ampia, movimenti ampi a toni impercettibilmente acuti. Così, il chip del sensore registra tutti in una volta i dettagli più fini del battito cardiaco, onde di impulso che attraversano i tessuti del corpo, tassi di respirazione, e suoni polmonari. Tiene traccia anche delle attività fisiche di chi lo indossa, come camminare.

I segnali vengono registrati in sincronia, potenzialmente offrendo il quadro generale della salute del cuore e dei polmoni di un paziente. Per lo studio, i ricercatori hanno registrato con successo un "galoppo, " un debole terzo suono dopo il "lub-dub" del battito cardiaco. I galoppi sono normalmente indizi sfuggenti di insufficienza cardiaca.

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista npj Medicina Digitale il 12 febbraio 2020. La ricerca è stata finanziata dalla Georgia Research Alliance, l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa (DARPA), la Fondazione Nazionale della Scienza, e l'Istituto Superiore di Sanità. La coautrice dello studio Divya Gupta, M.D., un cardiologo alla Emory University, collaborato nel testare il chip su partecipanti umani.

Sottovuoto ermetico

La ricerca medica ha cercato di fare un uso migliore dei segnali meccanici del corpo per decenni, ma la registrazione di alcune, come le onde che attraversano più tessuti, si è dimostrata incoerente, mentre altri, come il galoppo, si sono affidati alle capacità del clinico influenzate dall'errore umano. Il nuovo chip produce alta risoluzione, dati quantificati che la ricerca futura potrebbe abbinare alle patologie al fine di identificarle.

"Stiamo già lavorando per raccogliere un numero significativamente maggiore di dati abbinati a patologie. Prevediamo algoritmi in futuro che possano consentire un'ampia gamma di letture cliniche, "ha detto Ajazi.

Sebbene il principio di ingegneria principale del chip sia semplice, per farlo funzionare e poi realizzarlo ci sono voluti dieci anni nel laboratorio di Ayazi, principalmente a causa della scala lillipuziana del divario tra gli strati di silicio, cioè elettrodi. Se il chip del sensore da 2 millimetri per 2 millimetri fosse espanso alle dimensioni di un campo da calcio, quel traferro sarebbe largo circa un pollice.

"Quella sottilissima fessura che separa i due elettrodi non può avere alcun contatto, nemmeno dalle forze dell'aria tra gli strati, quindi l'intero sensore è ermeticamente sigillato all'interno di una cavità del vuoto, " ha detto Ayazi. "Questo rende il rumore del segnale ultrabasso e l'ampiezza della larghezza di banda che sono unici".

Rileva attraverso i vestiti

I ricercatori hanno utilizzato un processo di produzione sviluppato nel laboratorio di Ayazi chiamato piattaforma HARPSS+ (High Aspect Ratio Poly e Single Crystalline Silicon) per la produzione di massa, facendo scorrere fogli delle dimensioni di una mano che sono stati poi tagliati nei minuscoli chip del sensore. HARPSS+ è il primo processo di produzione di massa segnalato che raggiunge spazi così costantemente sottili, e ha consentito la produzione ad alto rendimento di molti di questi MEMS avanzati, o sistemi microelettromeccanici.

Il dispositivo sperimentale è attualmente alimentato a batteria e utilizza un secondo chip chiamato circuito di condizionamento del segnale per tradurre i segnali del chip del sensore in letture modellate.

Tre o più sensori potrebbero essere inseriti in una fascia toracica che triangola i segnali sanitari per localizzarne le fonti. Un giorno un dispositivo può individuare un difetto della valvola cardiaca emergente dalla turbolenza che produce nel flusso sanguigno o identificare una lesione cancerosa da deboli crepitii in un polmone.