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Une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology a conçu et construit un capteur-dans-une-puce non invasif de la taille d’une coccinelle qui enregistre plusieurs sons différents du cœur et des poumons, ainsi que des mouvements du corps. Les techniciens peuvent ensuite analyser ces sons pour obtenir des informations détaillées sur le patient.

La puce agit comme un stétoscope électronique de haute technologie combiné à un accéléromètre et est appelé microphone de contact à accéléromètre. Il détecte les vibrations qui pénètrent à l’intérieur du corps tout en filtrant les bruits distrayants de l’extérieur du corps, comme les sons aériens.

« S’il frotte sur ma peau ou ma chemise, il n’entend pas le frottement, mais l’appareil est très sensible aux sons qui lui parviennent de l’intérieur du corps, donc il capte des vibrations utiles même à travers les vêtements », explique Farrokh Ayazi, un professeur de génie électrique et informatique à Georgia Tech.

Le capteur, le carré noir sur le sou, détecte des sons très subtils mais peut surveiller un large éventail de paramètres cardiaques et pulmonaires.Georgia Tech / Laboratoire Ayazi

La capacité de détection de la puce provient de deux couches minces de silicium prenant en sandwich un intervalle de 270 nm, chacune transportant une petite tension. Les vibrations des mouvements corporels et des sons envoient des ondes de pression à travers la puce, ce qui fait que la tension change subtilement, mais suffisamment pour créer des sorties électroniques lisibles. La puce est également scellée à l’intérieur d’une cavité à vide pour empêcher la formation de courants d’air interférant avec les vibrations entrantes. Selon Ayazi, cela réduit le bruit à un niveau ultra bas et donne au capteur une bande passante incroyablement large.

Bien que le principe d’ingénierie principal de la puce soit simple, le faire fonctionner puis le fabriquer a pris une décennie. Le plus grand défi était le petit écart. Comme Ayazi le décrit, si la puce de 2 × 2 mm était étendue à 100 × 100 yards, l’entrefer aurait environ un pouce d’épaisseur.

Les chercheurs ont utilisé un procédé de fabrication développé dans le laboratoire d’Ayazi appelé la plate-forme Harps + (poly à rapport d’aspect élevé et silicium monocristallin) pour la production de masse. Il s’avère que des feuilles à la main sont coupées à la taille requise. Harps + est le premier processus de fabrication à haut volume signalé qui fournit des espaces toujours minces entre deux couches de silicium. Il a été utilisé pour fabriquer de nombreux appareils MEMS.

Le capteur est une puce physique remarquablement adaptée aux vibrations. À côté, une puce électronique appelée circuit de conditionnement du signal traduit les signaux de la puce du capteur en lectures structurées.Le capteur est une puce physique remarquablement adaptée aux vibrations. À côté, une puce électronique appelée circuit de conditionnement du signal traduit les signaux de la puce du capteur en lectures structurées.Georgia Tech / Laboratoire Ayazi

Le capteur de courant est alimenté par batterie et une deuxième puce (appelée circuit de conditionnement du signal) traduit les signaux de la puce du capteur en lectures structurées.

Dans les tests sur l’homme, la puce a enregistré une variété de signaux provenant du fonctionnement mécanique des poumons et du cœur avec une clarté, des signaux qui échappent souvent à une détection significative par la technologie médicale actuelle.

«À l’heure actuelle, les médecins utilisent des électrocardiogrammes (ECG) pour obtenir des informations sur le cœur, mais ils ne mesurent que les impulsions électriques», explique Ayazi. «Mais le cœur est un système mécanique avec des muscles qui pompent et des valves qui s’ouvrent et se ferment, et toutes ces actions génèrent des sons qu’un électrocardiogramme ne détecte pas. Les électrocardiogrammes ne disent rien sur la fonction pulmonaire.

La bande passante de détection de la puce est énorme, allant de mouvements larges et rapides à des tonalités aigües. Ainsi, la puce du capteur enregistre simultanément les détails du rythme cardiaque, les ondes que le cœur envoie à travers le corps, ainsi que les taux de respiration et les sons pulmonaires. Il suit même les activités physiques du porteur, comme la marche.

À droite, l'espace nanométrique qui permet à la minuscule puce de collecter des signaux haute résolution à partir du large éventail de sources sonores et de mouvement sur la gauche.À droite, l’espace nanométrique qui permet à la minuscule puce de collecter des signaux haute résolution à partir du large éventail de sources sonores et de mouvement sur la gauche.Georgia Tech / Laboratoire Ayazi

Les signaux sont enregistrés de manière synchronisée, offrant potentiellement aux professionnels de la santé un aperçu détaillé du cœur et des poumons d’un patient. Par exemple, les chercheurs ont enregistré avec succès un «galop», un troisième son faible après le «lub-dub» plus facile à entendre du rythme cardiaque. Les galops sont des indices d’insuffisance cardiaque généralement difficiles à détecter.

La recherche médicale a essayé pendant des années d’utiliser les signaux mécaniques du corps, mais l’enregistrement de certains, tels que le son se déplaçant à travers plusieurs tissus différents, s’est révélé incohérent, tandis que d’autres, tels que les galops, reposaient sur des années de compétences cliniques. La puce crée des données quantifiées à haute résolution que les recherches futures pourraient adapter aux pathologies et les identifier.

L’équipe prévoit d’attacher un jour trois capteurs ou plus à une ceinture thoracique pour trianguler les signaux, en déterminant exactement d’où ils viennent de l’intérieur du corps. Un jour, un appareil similaire peut donc identifier un problème de valvule cardiaque naissant par la turbulence qu’il génère dans la circulation sanguine ou localiser une lésion cancéreuse par de faibles crépitements dans un poumon.

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