Au cours d'une balade, la respiration d'une femme devient un peu moins profonde, et un moniteur dans ses vêtements l'alerte pour un contrôle de télémédecine. Une nouvelle étude détaille comment une puce de capteur plus petite qu'une coccinelle enregistre plusieurs signaux pulmonaires et cardiaques ainsi que les mouvements du corps et pourrait permettre un tel futur moniteur de santé à distance sociale.

Le mécanisme de base de la puce développée par des chercheurs du Georgia Institute of Technology implique deux couches de silicium finement fabriquées, qui se superposent séparés par un espace de 270 nanomètres, soit environ 0,005 la largeur d'un cheveu humain. Ils portent une tension infime.

Les vibrations des mouvements corporels et des sons mettent une partie de la puce en flux, faire le flux de tension, trop, créant ainsi des sorties électroniques lisibles. Dans les tests humains, la puce a enregistré avec clarté une variété de signaux provenant du fonctionnement mécanique des poumons et du cœur, signaux qui échappent souvent à une détection significative par la technologie médicale actuelle.

"À l'heure actuelle, la médecine se tourne vers les ECG (électrocardiogrammes) pour obtenir des informations sur le cœur, mais les ECG ne mesurent que les impulsions électriques. Le cœur est un système mécanique dont les muscles pompent et les valves s'ouvrent et se ferment, et il envoie une signature de sons et de mouvements, qu'un ECG ne détecte pas. Les ECG ne disent rien non plus sur la fonction pulmonaire, " a déclaré Farrokh Ayazi, Ken Byers Professeur à l'École de génie électrique et informatique de Georgia Tech.

Combo stéthoscope-accéléromètre

La puce, qui agit comme un stéthoscope électronique avancé et un accéléromètre en un, est appelé à juste titre un microphone de contact d'accéléromètre. Il détecte les vibrations qui pénètrent dans la puce depuis l'intérieur du corps tout en empêchant les bruits gênants de l'extérieur du noyau du corps comme les sons aériens

"Si ça frotte sur ma peau ou ma chemise, il n'entend pas le frottement, mais l'appareil est très sensible aux sons venant de l'intérieur du corps, il capte donc des vibrations utiles même à travers les vêtements, " a déclaré Ayazi.

La bande passante de détection est énorme - de large, des mouvements rapides jusqu'à des tonalités aiguës inaudibles. Ainsi, la puce du capteur enregistre d'un seul coup les moindres détails du rythme cardiaque, ondes de pouls traversant les tissus du corps, taux de respiration, et les bruits pulmonaires. Il suit même les activités physiques du porteur telles que la marche.

Les signaux sont enregistrés en synchronisation, offrant potentiellement une vue d'ensemble de la santé cardiaque et pulmonaire d'un patient. Pour l'étude, les chercheurs ont réussi à enregistrer un « galop, " un troisième son faible après le " lub-dub " du rythme cardiaque. Les galops sont normalement des indices insaisissables d'insuffisance cardiaque.

Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue npj Médecine numérique le 12 février, 2020. La recherche a été financée par la Georgia Research Alliance, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), la Fondation nationale des sciences, et les instituts nationaux de la santé. Co-auteur de l'étude Divya Gupta, MARYLAND., un cardiologue à l'Université Emory, a collaboré pour tester la puce sur des participants humains.

Vide hermétique

La recherche médicale a essayé de mieux utiliser les signaux mécaniques du corps pendant des décennies, mais l'enregistrement de certains, comme des ondes traversant plusieurs tissus, s'est avéré incohérent, tandis que d'autres, comme les galops, se sont appuyés sur les compétences des cliniciens influencés par l'erreur humaine. La nouvelle puce produit une haute résolution, des données quantifiées que les recherches futures pourraient associer à des pathologies afin de les identifier.

« Nous travaillons déjà pour collecter beaucoup plus de données associées à des pathologies. Nous envisageons à l'avenir des algorithmes qui pourraient permettre un large éventail de lectures cliniques, " a déclaré Ayazi.

Bien que le principe d'ingénierie principal de la puce soit simple, le faire fonctionner puis fabriquer a pris dix ans au laboratoire d'Ayazi, principalement à cause de l'échelle lilliputienne de l'écart entre les couches de silicium, c'est-à-dire des électrodes. Si la puce du capteur de 2 millimètres sur 2 millimètres était agrandie à la taille d'un terrain de football, cet entrefer serait d'environ un pouce de large.

"Cet espace très mince séparant les deux électrodes ne peut avoir aucun contact, pas même par les forces de l'air entre les couches, ainsi l'ensemble du capteur est hermétiquement scellé à l'intérieur d'une cavité sous vide, " a déclaré Ayazi. "Cela rend le bruit de signal ultra-faible et l'étendue de la bande passante qui sont uniques."

Détecte à travers les vêtements

Les chercheurs ont utilisé un procédé de fabrication développé dans le laboratoire d'Ayazi appelé la plate-forme HARPSS+ (High Aspect Ratio Poly et Single Crystalline Silicon) pour la production de masse, coulant des feuilles de la taille d'une main qui ont ensuite été découpées dans les minuscules puces du capteur. HARPSS+ est le premier procédé de fabrication de masse signalé qui permet d'obtenir des écarts aussi minces et constants, et il a permis la fabrication à haut débit de nombreux MEMS avancés, ou des systèmes microélectromécaniques.

Le dispositif expérimental est actuellement alimenté par batterie et utilise une deuxième puce appelée circuit de conditionnement de signal pour traduire les signaux de la puce du capteur en lectures à motifs.

Trois capteurs ou plus pourraient être insérés dans une ceinture pectorale qui triangulerait les signaux de santé pour localiser leurs sources. Un jour, un appareil peut localiser un défaut émergent d'une valve cardiaque par la turbulence qu'il produit dans la circulation sanguine ou identifier une lésion cancéreuse par de faibles craquements dans un poumon.