Miniaturer Chip-basierter Lungen-Herz-Sensor erfasst klare kardiopulmonale Signale

Der Kernmechanismus eines miniaturisierten Sensors auf einem Chip umfasst zwei Siliziumschichten, die sich mit einem Abstand von 270 Nanometern – etwa 0,005-mal der Breite eines menschlichen Haares – überlagern. Sie führen eine winzige Spannung. Vibrationen durch Körperbewegungen und -geräusche versetzen einen Teil des Chips in Fluss, wodurch die Spannung schwankt und auslesbare elektronische Ausgänge entstehen. In Humanversuchen hat der Chip eine Vielzahl von Signalen aus den mechanischen Abläufen von Lunge und Herz mit Klarheit aufgezeichnet – Signale, die der aktuellen Medizintechnik oft entgehen.

Elektronisches Stethoskop und Beschleunigungssensor in einem

Der Chip, der als elektronisches Stethoskop und Beschleunigungssensor in einem fungiert, wird treffend als Beschleunigungs-Kontaktmikrofon bezeichnet. Er detektiert Vibrationen, die von innen in den Chip eindringen, während er störende Geräusche von außerhalb des Körperkerns wie Luftschall aussperrt. Reibt er an Haut oder Kleidung, nimmt er die Reibung nicht wahr, ist aber sehr empfindlich für Schall aus dem Körperinneren und erfasst nützliche Vibrationen sogar durch Kleidung hindurch.

Enormes Detektionsbandbreite

Der Detektionsbandbreite ist enorm – von breiten, schwingenden Bewegungen bis zu unhörbar hohen Tönen. Damit zeichnet der Sensorchip gleichzeitig feine Details des Herzschlags, die Wellen, die das Herz durch den Körper sendet, sowie Atemfrequenzen und Lungengeräusche auf. Er verfolgt sogar körperliche Aktivitäten wie Gehen. Die Signale werden synchron aufgezeichnet und bieten potenziell das große Bild der Herz-Lungen-Gesundheit eines Patienten. Für die Studie zeichneten die Forscher erfolgreich ein „Gallop“ auf – ein schwaches drittes Geräusch nach dem „Lub-Dub“ des Herzschlags. Gallops sind normalerweise schwer fassbare Hinweise auf Herzinsuffizienz.

Herstellungsherausforderung und Lösung

Obwohl das technische Hauptprinzip des Chips simpel ist, war die Umsetzung und Fertigbarkeit herausfordernd, hauptsächlich wegen des extrem winzigen Spalts zwischen den Siliziumschichten, also den Elektroden. Würde der 2 × 2 Millimeter große Sensorchip auf die Größe eines Fußballfeldes vergrößert, wäre dieser Luftspalt etwa einen Zoll breit. Dieser hauchdünne Spalt darf keinerlei Kontakt haben – nicht einmal durch Kräfte in der Luft zwischen den Schichten –, weshalb der gesamte Sensor hermetisch in einer Vakuumkammer versiegelt ist.

Die Forscher nutzten einen Fertigungsprozess namens HARPSS+ Plattform (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) für die Massenproduktion, wobei handtellergroße Sheets hergestellt und dann in die winzigen Sensorchips geschnitten wurden. HARPSS+ ist der erste berichtete Massenfertigungsprozess, der solch konsistent dünne Spalten erreicht und die Hochdurchsatzfertigung vieler solcher fortschrittlicher MEMS ermöglicht. Das experimentelle Gerät ist derzeit batteriebetrieben und nutzt einen zweiten Chip, eine Signalaufbereitungsschaltung, um die Signale des Sensorchips in musterhafte Auslesungen zu übersetzen. Drei oder mehr Sensoren könnten in ein Brustband eingesetzt werden, um Gesundheitssignale zu triangulieren und ihre Quellen zu lokalisieren. Eines Tages könnte ein Gerät einen beginnenden Herzklappenfehler durch die von ihm erzeugte Turbulenz im Blutstrom orten oder eine Krebsläsion an feinen Knackgeräuschen in der Lunge identifizieren.