潮科技 | 科學家研發非侵入式傳感器,可監測人體心肺健康狀況

編者按：本文來自微信公眾號「MEMS」（ID：MEMSensor），作者麥姆斯諮詢殷飛，36氪經授權發布。

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據麥姆斯諮詢報導，來自美國喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology, GT）的科學家設計並構建了一種非侵入式傳感器晶片，其體積只相當於瓢蟲大小，可以記錄人體活動時心肺等器官發出的不同聲音。醫護人員通過分析這些聲音獲取患者的詳細信息。

該晶片是一種結合了加速度計的高科技電子聽診器，被稱為「加速度計接觸式麥克風」。它能監測人體體內發出的振動，同時過濾來自體外的幹擾雜音，如空氣傳播的聲音。

喬治亞理工學院電子和計算機工程教授Farrokh Ayazi表示：「這款傳感器晶片不會對人體皮膚或衣服的摩擦聲音產生反應，但對人體體內發出的聲音非常敏感，因此，它能夠穿過衣服收集到有用的振動。」

硬幣上的黑色方形傳感器可以記錄非常細微的聲音，也可以監測心肺等器官的參數信息

該晶片的傳感功能來自兩層矽薄膜，其間隙僅為270納米，每層承載的電壓都極小。人體活動和聲音產生的振動通過晶片發送壓力波，使電壓產生可轉換為電子讀出的微小變化。晶片被密封在一個真空腔內，以防止氣流幹擾輸入的振動。Ayazi教授表示，這將噪音降低至一個超低水平，並使傳感器具有非常寬的帶寬。

儘管該晶片的工作原理很簡單，研究團隊還是花了十年的時間才使其正常工作並可製造。最大的挑戰是如何縮小矽薄膜層的間隙。如Ayazi教授描述的那樣，如果將這款2 mm x 2 mm的晶片放大到約90 m x 90 m，其間隙大約僅有2.5 cm那麼厚。

研究人員使用了Ayazi實驗室開發的一種名為Harps+平臺（高縱橫比的多晶矽和單晶矽）的製造工藝進行批量生產，獲得巴掌大的晶圓再切割成所需要的尺寸。Harps+是首個被報導的高產能製造工藝平臺，可在兩層矽之間提供一致的薄間隙，已被用於製造多種微機電系統（MEMS）器件。

該MEMS傳感器晶片可以很好地感測振動情況，在它旁邊是被稱為信號調理電路的ASIC晶片

該傳感器由電池供電，ASIC晶片將MEMS傳感器晶片的信號轉換為圖形輸出。

在人體測試中，該晶片清晰地記錄了來自心臟和肺部機械運轉的各種信號，當前的醫療技術還無法準確監測到這些信號。

Ayazi教授說道：「目前，醫生通過心電圖獲取心臟信息，但他們只測量電脈衝。心臟是一個機械系統，有肌肉的抽動和瓣膜的開閉，所有運轉都會產生心電圖儀器無法監測到的聲音。心電圖儀器也無法監測肺功能。」

該晶片的監測帶寬非常寬，可以檢測從輕拂運動到聽不見的高頻聲音。因此，這款傳感器晶片可同時記錄心跳的詳細情況，包括心臟通過身體發出的波動、呼吸速率和肺部聲音。它甚至可以跟蹤佩戴者的身體活動，如行走。

圖片右側展示的納米級間隙讓這個微型傳感器可收集圖片左側展示的各類聲音源和運動源發出的高解析度信號

信號被同步記錄，可以讓醫護人員詳細了解患者的心肺健康狀況。例如，研究人員成功地監測到了一個「奔馬律」（Gallop），這是在常規的心跳「撲通」聲之後發出的微弱第三聲。「奔馬律」是表示心力衰竭的重要信號且難以被察覺。

多年來，醫學研究一直在嘗試利用人體的機械信號，但事實證明，機械運轉所產生的聲音在不同器官中是不一致的，而其它聲音，如對「奔馬律」的識別則依賴於多年的醫學臨床經驗。該晶片創造了高解析度、數位化的數據，未來的研究將結合病理學以識別這些數據。

研究人員設想在胸帶上安裝三個或多個傳感器，以對信號進行三角測量，從而精準地確定信號來自身體的什麼器官。隨著進一步的研究，該傳感器還將可能通過紊亂的血流識別心臟瓣膜問題，或者通過微弱的聲音識別肺部的癌前病變。