Sensor Jantung-Paru Miniatur Berbasis Chip Mencatat Sinyal Kardiopulmoner Jelas
Mekanisme inti dari sensor miniatur pada chip menggabungkan dua lapisan silikon yang bertumpuk satu sama lain dipisahkan oleh ruang 270 nanometer — sekitar 0,005 lebar rambut manusia. Mereka membawa tegangan kecil. Getaran dari gerakan dan suara tubuh menyebabkan sebagian chip berfluktuasi, membuat tegangan berfluktuasi dan menghasilkan output elektronik yang dapat dibaca. Dalam pengujian manusia, chip telah mencatat berbagai sinyal dari pekerjaan mekanik paru-paru dan jantung dengan kejelasan — sinyal yang sering tidak terdeteksi dengan bermakna oleh teknologi medis saat ini.
Chip, yang berfungsi sebagai stetoskop elektronik dan akselerometer sekaligus, dengan tepat disebut mikrofon akselerometer kontak. Ia mendeteksi getaran yang masuk ke chip dari dalam tubuh sambil mencegah kebisingan gangguan dari luar inti tubuh seperti suara udara. Jika menggosok kulit atau pakaian, ia tidak mendengar gosokan tetapi perangkat sangat sensitif terhadap suara yang datang dari dalam tubuh, jadi ia menangkap getaran yang berguna bahkan melalui pakaian.
Bandwidth deteksi sangat luas — dari gerakan luas dan menyeluruh hingga nada tinggi yang tidak dapat didengar. Jadi, sensor chip mencatat, secara bersamaan, detail halus denyut jantung, gelombang yang dikirim jantung melalui tubuh, dan tingkat pernapasan serta suara paru-paru. Ia bahkan melacak aktivitas fisik pemakai seperti berjalan. Sinyal dicatat secara sinkron, potensialmente menawarkan gambaran besar kesehatan jantung dan paru-paru pasien. Untuk studi, para peneliti berhasil mencetak “galop” — suara ketiga yang lemah setelah “lub-dub” denyut jantung. Galop biasanya petunjuk yang sulit ditemukan gagal jantung.
Meskipun prinsip rekayasa utama chip sederhana, membuatnya bekerja dan kemudian dapat diproduksi adalah tantangan, terutama karena skala sangat kecil dari celah antara lapisan silikon, yaitu elektroda. Jika chip sensor 2 × 2 milimeter diperbesar ke ukuran lapangan sepak bola, celah udara akan lebar sekitar satu inci. Celah sangat tipis yang memisahkan dua elektroda tidak boleh ada kontak — bahkan oleh udara di antara lapisan — jadi seluruh sensor diisolasi secara hermetis di dalam ruang vakum.
Para peneliti menggunakan proses manufaktur yang disebut platform HARPSS+ (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) untuk produksi massal, menjalankan lembar ukuran tangan yang kemudian dipotong menjadi chip sensor kecil. HARPSS+ adalah proses manufaktur massal pertama yang dicapai celah yang konsisten sangat tipis dan telah memungkinkan manufaktur throughput tinggi dari banyak MEMS canggih semacam ini. Perangkat eksperimental saat ini berdaya baterai dan menggunakan chip kedua yang disebut sirkuit kondisi sinyal untuk menerjemahkan sinyal chip sensor menjadi bacaan pola. Tiga sensor atau lebih dapat dimasukkan ke dalam pita dada untuk triangulasi sinyal kesehatan untuk menentukan sumbernya. Pada suatu hari nanti perangkat mungkin dapat mengidentifikasi cacat klep jantung yang muncul oleh turbulensi yang dihasilkannya dalam aliran darah atau mengidentifikasi lesi kanker dengan suara retak-renyah lemah di paru-paru.
