Capteur puce miniature poumon-cœur : signaux cardio-pulmonaires clairs

Le mécanisme central d'un capteur miniature sur puce incorpore deux couches de silicium qui se superposent, séparées par un espace de 270 nanomètres — environ 0,005 fois la largeur d'un cheveu humain. Elles portent une tension infime. Les vibrations des mouvements et sons corporels mettent une partie de la puce en flux, faisant varier la tension et créant des sorties électroniques lisibles. Lors de tests humains, la puce a enregistré une variété de signaux provenant du fonctionnement mécanique des poumons et du cœur avec clarté — des signaux qui échappent souvent à une détection significative par la technologie médicale actuelle.

Stéthoscope électronique et accéléromètre en un

La puce, qui agit comme un stéthoscope électronique et un accéléromètre à la fois, est à juste titre appelée microphone de contact accélérométrique. Elle détecte les vibrations qui entrent dans la puce depuis l'intérieur du corps tout en rejetant les bruits parasites extérieurs comme les sons aériens. Si elle frotte sur la peau ou un vêtement, elle n'entend pas le frottement, mais l'appareil est très sensible aux sons venant de l'intérieur du corps, captant ainsi des vibrations utiles même à travers les vêtements.

Bande passante de détection énorme

La bande passante de détection est énorme — des mouvements amples aux tons aigus inaudibles. Ainsi, le capteur enregistre simultanément les détails fins des battements cardiaques, les ondes que le cœur envoie dans le corps, les rythmes respiratoires et les bruits pulmonaires. Il suit même les activités physiques du porteur comme la marche. Les signaux sont enregistrés en synchronisation, offrant potentiellement une vision d'ensemble de la santé cardiaque et pulmonaire d'un patient. Pour l'étude, les chercheurs ont réussi à enregistrer un « galop » — un faible troisième son après le « lub-dub » des battements cardiaques. Les galops sont normalement des indices insaisissables d'insuffisance cardiaque.

Fabrication HARPSS+ pour production de masse

Bien que le principe d'ingénierie de la puce soit simple, la faire fonctionner puis la rendre manufacturable était un défi, principalement en raison de l'échelle extrêmement minuscule de l'espace entre les couches de silicium, c'est-à-dire les électrodes. Si le capteur de 2 × 2 millimètres était agrandi à la taille d'un terrain de football, cet espace d'air serait d'environ 2,5 cm. Cet espace très fin séparant les deux électrodes ne peut avoir aucun contact — pas même par les forces de l'air entre les couches — donc tout le capteur est scellé hermétiquement dans une cavité sous vide.

Les chercheurs ont utilisé un procédé de fabrication appelé plateforme HARPSS+ (High Aspect Ratio Poly and Single Crystalline Silicon) pour la production de masse, produisant des feuilles de la taille d'une main qui étaient ensuite découpées en minuscules puces capteurs. HARPSS+ est le premier procédé de fabrication de masse rapporté qui atteint de tels espaces constamment minces et a permis la fabrication à haut débit de nombreux MEMS avancés. Le dispositif expérimental est actuellement alimenté par batterie et utilise une seconde puce appelée circuit de conditionnement de signal pour traduire les signaux de la puce capteur en lectures structurées. Trois capteurs ou plus pourraient être insérés dans une bande thoracique pour trianguler les signaux de santé et localiser leurs sources. Un jour, un dispositif pourrait identifier une anomalie naissante de valve cardiaque par la turbulence qu'elle produit dans le flux sanguin ou identifier une lésion cancéreuse par de faibles crépitements dans un poumon.