微小チップベース心肺センサー、鮮明な心肺信号を取得

チップ上の微小センサーのコア機構は、人間の髪の毛の幅の約0.005倍にあたる270ナノメートルの間隔で重ねられた2層のシリコンで構成されます。これらは微小電圧を保持。身体の動きと音による振動がチップの一部を変動させ、電圧変動を生じさせ、読み取り可能な電子出力を生成します。ヒトでのテストでは、肺と心臓の機械的働きから生じる多様な信号を鮮明に記録。これらは現在の医療技術では意味のある検出が困難なものが多く含まれます。

電子聴診器と加速度計の融合

このチップは、電子聴診器と加速度計を兼ねた「加速度計コンタクトマイクロホン」と名付けられています。体内からチップに入る振動を検出しながら、空気伝播音など体幹外部の雑音を遮断。皮膚や衣服との摩擦音は拾いませんが、体内から伝わる音には非常に敏感で、衣服越しでも有用な振動を捉えます。

広帯域検出と同期記録

検出帯域は極めて広く、大まかな身体動作から不可聴の高周波音までカバー。したがって、心拍の微細な詳細、心臓が体内に送る波、呼吸数と肺音を同時記録。着用者の歩行など身体活動も追跡可能。信号は同期して記録され、患者の心臓と肺の健康全体像を提供する可能性があります。研究では、心音「ラブ・ダブ」の後に現れる微かな第3音「ギャロップ」の記録に成功。ギャロップは心不全の手がかりとして通常は捉えにくいものです。

製造課題と量産技術

チップの主要工学原理は単純ですが、動作させ製造可能にするのは困難でした。主因はシリコン層間、すなわち電極間の極めて微小なギャップ。2×2ミリメートルのセンサーチップをサッカーフィールドサイズに拡大した場合、その空気ギャップは約1インチ幅に相当。電極を隔てるこの極薄ギャップには、層間の空気中の力によるものであっても一切の接触があってはならないため、センサー全体が真空空洞内に気密封入されています。

研究者たちは、HARPSS+プラットフォーム（高アスペクト比ポリおよび単結晶シリコン）と呼ばれる製造プロセスを量産に使用。手のひらサイズのシートを製造し、それを微小センサーチップに切り出します。HARPSS+は、このような一貫して薄いギャップを実現した最初の量産プロセスと報告されており、多くの先進MEMSの高スループット製造を可能にしました。実験デバイスは現在電池駆動で、信号調整回路と呼ばれる第2チップを用いてセンサーチップの信号をパターン化された読み取り値に変換。3個以上のセンサーをチェストバンドに挿入すれば、健康信号を三角測量し発生源を特定可能。将来的には、血流の乱流から心臓弁の初期欠陥を特定したり、肺の微かな爆裂音から癌病変を特定したりするデバイスが実現するかもしれません。

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