Miniatur-Lunge-Herz-Sensor auf einem Chip

Der Kernmechanismus eines Miniatursensors auf einem Chip besteht aus zwei Siliziumschichten, die im Abstand von 270 Nanometern übereinander liegen – etwa 0,005 der Breite eines menschlichen Haares. Sie führen eine winzige Spannung. Vibrationen durch Körperbewegungen und Geräusche setzen einen Teil des Chips in Fluss, wodurch die Spannung fließt und lesbare elektronische Ausgänge erzeugt werden. In Tests am Menschen hat der Chip eine Vielzahl von Signalen aus der mechanischen Funktion der Lunge und des Herzens klar aufgezeichnet – Signale, die sich oft einer sinnvollen Erkennung durch die aktuelle Medizintechnik entziehen.

Der Chip, der als elektronisches Stethoskop und Beschleunigungsmesser in einem fungiert, wird treffend als Beschleunigungsmesser-Kontaktmikrofon bezeichnet. Es erkennt Vibrationen, die aus dem Inneren des Körpers in den Chip eindringen, während störende Geräusche von außerhalb des Körperkerns wie Luftgeräusche ferngehalten werden. Wenn es auf der Haut oder einem Kleidungsstück reibt, hört es die Reibung nicht, aber das Gerät reagiert sehr empfindlich auf Geräusche aus dem Inneren des Körpers, sodass es nützliche Vibrationen sogar durch die Kleidung aufnimmt.

Die Erkennungsbandbreite ist enorm – von breiten, schwungvollen Bewegungen bis hin zu unhörbar hohen Tönen. So zeichnet der Sensorchip gleichzeitig feine Details des Herzschlags, der Wellen, die das Herz durch den Körper sendet, sowie Atemfrequenz und Lungengeräusche auf. Es verfolgt sogar die körperlichen Aktivitäten des Trägers wie Gehen. Die Signale werden synchron aufgezeichnet und bieten möglicherweise ein Gesamtbild der Herz- und Lungengesundheit eines Patienten. Für die Studie nahmen die Forscher erfolgreich einen „Galopp“ auf – ein schwaches drittes Geräusch nach dem „Lub-Dub“ des Herzschlags. Galoppieren ist normalerweise ein schwer fassbarer Hinweis auf eine Herzinsuffizienz.

Obwohl das wichtigste Konstruktionsprinzip des Chips einfach ist, war es eine Herausforderung, ihn zum Laufen zu bringen und dann herstellbar zu machen, hauptsächlich wegen der extrem kleinen Lücke zwischen den Siliziumschichten, d. H. Elektroden. Wenn der 2 × 2 Millimeter große Sensorchip auf die Größe eines Fußballfelds erweitert würde, wäre dieser Luftspalt etwa einen Zoll breit. Dieser sehr dünne Spalt, der die beiden Elektroden trennt, kann keinen Kontakt haben – nicht einmal durch Kräfte in der Luft zwischen den Schichten –, sodass der gesamte Sensor in einem Vakuumhohlraum hermetisch versiegelt ist.

Die Forscher verwendeten einen Herstellungsprozess namens HARPSS+-Plattform (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) für die Massenproduktion, bei dem handgroße Blätter verarbeitet wurden, die dann in die winzigen Sensorchips geschnitten wurden. HARPSS+ ist das erste gemeldete Massenfertigungsverfahren, das derart durchgehend dünne Lücken erzielt, und es hat die Hochdurchsatzfertigung vieler solcher fortschrittlicher MEMS ermöglicht. Das experimentelle Gerät ist derzeit batteriebetrieben und verwendet einen zweiten Chip, der als Signalkonditionierungsschaltung bezeichnet wird, um die Signale des Sensorchips in gemusterte Anzeigen zu übersetzen. Drei oder mehr Sensoren könnten in ein Brustband eingeführt werden, um Gesundheitssignale zu triangulieren, um ihre Quellen zu lokalisieren. Eines Tages kann ein Gerät einen entstehenden Herzklappenfehler durch Turbulenzen, die es im Blutstrom erzeugt, lokalisieren oder eine krebsartige Läsion durch schwache knisternde Geräusche in einer Lunge identifizieren.