Sensor de pulmão-coração em miniatura em um chip

O mecanismo central de um sensor em miniatura em um chip incorpora duas camadas de silício que se sobrepõem separadas pelo espaço de 270 nanômetros – cerca de 0,005 da largura de um fio de cabelo humano. Eles carregam uma voltagem minuto. Vibrações de movimentos corporais e sons colocam parte do chip em fluxo, fazendo o fluxo de tensão e criando saídas eletrônicas legíveis. Em testes em humanos, o chip gravou 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.

O chip, que atua como um estetoscópio eletrônico e um acelerômetro em um, é apropriadamente chamado de microfone de contato acelerômetro. Ele detecta vibrações que entram no chip de dentro do corpo, mantendo ruídos de distração de fora do núcleo do corpo, como sons transportados pelo ar. Se esfregar na pele ou em uma roupa, ele não ouve o atrito, mas o dispositivo é muito sensível aos sons vindos de dentro do corpo, por isso capta vibrações úteis mesmo através da roupa.

A largura de banda de detecção é enorme - desde movimentos amplos e abrangentes até tons inaudíveis. Assim, o chip sensor registra, simultaneamente, detalhes finos dos batimentos cardíacos, ondas que o coração envia pelo corpo e taxas de respiração e sons pulmonares. Ele ainda rastreia as atividades físicas do usuário, como caminhar. Os sinais são registrados em sincronia, oferecendo potencialmente a visão geral da saúde do coração e dos pulmões de um paciente. Para o estudo, os pesquisadores gravaram com sucesso um “galope” – um fraco terceiro som após o “lub-dub” do batimento cardíaco. Galopes são normalmente pistas indescritíveis de insuficiência cardíaca.

Embora o principal princípio de engenharia do chip seja simples, fazê-lo funcionar e depois fabricá-lo foi um desafio, principalmente devido à escala extremamente pequena do espaço entre as camadas de silício, ou seja, os eletrodos. Se o chip sensor de 2 × 2 milímetros fosse expandido para o tamanho de um campo de futebol, esse espaço 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 – de modo que todo o sensor é hermeticamente fechado dentro de uma cavidade a vácuo.

Os pesquisadores usaram um processo de fabricação chamado plataforma HARPSS + (High Aspect Ratio Poly e Single Crystalline Silicon) para produção em massa, usando folhas do tamanho de uma mão que foram cortadas nos minúsculos chips do sensor. O HARPSS+ é o primeiro processo de fabricação em massa relatado que atinge intervalos tão finos e consistentes e permitiu a fabricação de alto rendimento de muitos desses MEMS avançados. 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 podem ser inseridos em uma faixa torácica para triangular os sinais de saúde e localizar suas fontes. Algum dia, um dispositivo pode identificar uma falha emergente da válvula cardíaca pela turbulência que produz na corrente sanguínea ou identificar uma lesão cancerosa por sons crepitantes fracos em um pulmão.