走路时，女子的呼吸变得略浅，衣服上的监护仪提醒她进行远程医疗检查。一项新的研究详细介绍了一个比瓢虫还小的传感器芯片如何记录多个肺和心脏信号以及人体运动，并可以使这种未来将与社会隔离的健康监测器成为可能。

佐治亚理工学院的研究人员开发的芯片的核心机制涉及两个精细制造的硅层，它们相互重叠，并由270纳米的空间隔开——大约是人类头发宽度的0.005。它们的电压很小。

身体运动和声音引起的振动使芯片的一部分处于通量状态，使电压也产生通量，从而产生可读的电子输出。在人体测试中，该芯片清楚地记录了来自肺和心脏机械运行的各种信号，这些信号是目前的医疗技术无法有意义地检测到的。

“目前，医学依靠心电图(EKG)来获得有关心脏的信息，但心电图只能测量电脉冲。心脏是一个机械系统，它的肌肉抽动，瓣膜开合，发出声音和运动信号，这些是心电图仪检测不到的。心电图也对肺功能一无所知。”来自佐治亚理工学院电气与计算机工程学院的肯拜尔斯(Ken byers)教授Farrokh Ayazi说。

听诊器-加速度计组合

这种芯片可以用作先进的电子听诊器和加速度计，被恰当地称为加速度计接触式麦克风。它可以检测到从机身进入芯片的振动，同时避免运动之外散射的噪音，如空气传播的声音。

“如果它在我的皮肤或衬衫上摩擦，它不会听到摩擦声，但该设备对来自内部的声音非常敏感，所以即使当我穿着衣服时，它也可以吸收有用的振动，”Ayazi说。

检测带宽非常大-从宽扫运动到听不见的高音。因此，传感器芯片将立即记录整个人体组织的心跳、脉搏波、呼吸频率和肺音的所有细节。它甚至可以跟踪佩戴者的身体活动，如行走。

信号是同步记录的，这使得提供患者心肺健康的全景成为可能。在这项研究中，研究人员成功记录了“疾驰”声，这是继心跳“lub-dub”之后的第三种微弱声音。飞奔通常是心力衰竭的一个难以捉摸的线索。

研究人员于2020年2月12日在《npj数字医学》杂志上发表了他们的研究成果。这项研究由佐治亚研究联盟、国防高级研究计划局(DARPA)、国家科学基金会和国家卫生研究院资助。这项研究的合著者，埃默里大学的心脏病学家Divya Gupta博士合作对人类参与者进行了芯片测试。

真空封接

几十年来，医学研究一直试图更好地利用人体的机械信号，但记录一些信号(如穿过多个组织的波)被证明是不一致的，而另一些信号(如飞奔)则取决于受人为错误影响的临床医生的技能。新芯片产生高分辨率和定量数据，可以在未来的研究中与病理学相匹配，以识别它们。

阿亚兹说：“我们一直在努力收集大量与病理学相匹配的数据。我们设想，在未来的算法中，可能会实现大范围的临床读数。”

虽然芯片的主要工程原理很简单，但Ayazi的实验室花了十年时间才使其工作，然后制造出来，这主要是由于硅层(即电极)之间的间隙达到了小人国的规模。如果将2mm乘2mm的传感器芯片扩展到一个足球场大小，空气间隙将约为1英寸宽。

Ayazi说，“分隔两个电极的非常薄的间隙甚至不能通过两层之间空气中的力进行任何接触，因此整个传感器被密封在真空室中。”“这使得独特的超低信号噪声和带宽成为可能。”

通过衣服检查。

研究人员使用Ayazi实验室开发的一种名为HARPSS platform(高纵横比的多晶硅和单晶硅)的制造工艺进行大规模生产。它是从手掌大小的薄板上切割下来的，然后切割成微小的传感器芯片。HARPSS是第一个报道的大规模制造工艺，可以实现如此一致的小间隙，并使许多先进的MEMS或微机电系统实现高成品率制造。

实验设备目前由电池供电，第二个芯片称为信号调理电路，用于将传感器芯片的信号转换为模式化的读数。

可以将三个或更多个传感器插入胸带中，以对健康信号进行三角测量，从而找到其来源。有一天，该设备可能会通过血液中的湍流发现新出现的心脏瓣膜缺陷，或通过肺部的微弱裂纹识别癌症病变。