Sensor Cardiopulmonar Miniaturizado em Chip Captura Sinais Claros de Coração e Pulmão

O mecanismo central de um sensor miniaturizado em chip incorpora duas camadas de silício que se sobrepõem separadas por um espaço de 270 nanômetros — cerca de 0,005 a largura de um fio de cabelo humano. Elas carregam uma voltagem minúscula. Vibrações de movimentos e sons corporais colocam parte do chip em fluxo, fazendo a voltagem flutuar e criando saídas eletrônicas legíveis. Em testes humanos, o chip registrou uma variedade de sinais dos funcionamentos mecânicos dos pulmões e do coração com clareza — sinais que frequentemente escapam à detecção significativa pela tecnologia médica atual.

Estetoscópio Eletrônico e Acelerômetro em Um

O chip, que atua como estetoscópio eletrônico e acelerômetro em um, é apropriadamente chamado de microfone de contato acelerômetro. Ele detecta vibrações que entram no chip de dentro do corpo enquanto mantém fora ruídos distraídos de fora do núcleo do corpo, como sons aéreos. Se esfrega na pele ou na roupa, não ouve o atrito, mas o dispositivo é muito sensível a sons que vêm de dentro do corpo, captando vibrações úteis mesmo através da roupa.

Largura de Banda de Detecção Enorme

A largura de banda de detecção é enorme — desde movimentos amplos e abrangentes até tons agudos inaudíveis. Assim, o chip do sensor registra simultaneamente detalhes finos do batimento cardíaco, ondas que o coração envia pelo corpo, e taxas de respiração e sons pulmonares. Ele até rastreia as atividades físicas do usuário, como caminhar. Os sinais são registrados em sincronia, potencialmente oferecendo o panorama completo da saúde cardíaca e pulmonar de um paciente. Para o estudo, os pesquisadores registraram com sucesso um "galope" — um terceiro som fraco após o "lub-dub" do batimento cardíaco. Galopes são pistas normalmente elusivas de insuficiência cardíaca.

Desafio de Fabricação: Escala Extremamente Pequena

Embora o princípio de engenharia principal do chip seja simples, fazê-lo funcionar e depois torná-lo fabricável foi desafiador, principalmente por causa da escala extremamente pequena do espaço entre as camadas de silício, ou seja, eletrodos. Se o chip de 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. Esse espaço muito fino separando os dois eletrodos não pode ter nenhum contato — nem mesmo por forças no ar entre as camadas — então todo o sensor é hermeticamente selado dentro de uma cavidade de vácuo.

Processo de Fabricação HARPSS+ para Produção em Massa

Os pesquisadores usaram um processo de fabricação chamado plataforma HARPSS+ (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) para produção em massa, rodando folhas do tamanho da mão que eram então cortadas nos minúsculos chips de sensor. HARPSS+ é o primeiro processo de fabricação em massa relatado que alcança espaços consistentemente tão finos e permitiu a fabricação de alto rendimento de muitos 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 do sensor em leituras padronizadas. Três sensores ou mais poderiam ser inseridos em uma faixa torácica para triangular sinais de saúde e localizar suas fontes. Um dia, um dispositivo pode identificar uma falha emergente de válvula cardíaca pela turbulência que produz na corrente sanguínea ou identificar uma lesão cancerosa por sons crepitantes fracos em um pulmão.