Les connecteurs implantés pour les jambes prothétiques surpassent les versions de manchon courantes

Les connecteurs implantés pour les jambes prothétiques surpassent les versions de manchon courantes

Cet article a paru dans Electronic Design et a été publié ici avec permission.

L’électronique pour les dispositifs médicaux «personnels» est un domaine de grand intérêt pour la recherche, en particulier lorsque l’appareil peut être réduit à une taille minuscule et est facilement portable. Poursuivant un objectif bien parcouru mais avec une tactique différente, une équipe basée au Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) s’est attaquée aux signaux «mécaniques» et vibrationnels du cœur et des poumons plutôt qu’à l’électrocardiogramme plus courant (ECG ou ECG ) et les formes d’ondes liées aux impulsions. Le projet reconnaît que les signaux mécano-acoustiques provenant du cœur et des poumons contiennent des informations précieuses sur le système cardiopulmonaire.

L’équipe Georgia Tech a construit un capteur de vibrations de haute précision hermétiquement scellé qui combine les caractéristiques d’un accéléromètre et d’un microphone de contact pour acquérir des signaux physiologiques à large bande. Cela a permis la surveillance simultanée de plusieurs facteurs de santé associés au système cardio-pulmonaire, y compris la fréquence cardiaque et respiratoire, les bruits cardiaques, les sons pulmonaires et les mouvements corporels et la position d’un individu. Il détecte les vibrations qui pénètrent dans la puce depuis l’intérieur du corps tout en minimisant la captation des bruits distrayants provenant de l’extérieur du noyau du corps, tels que les sons aériens (Fig. 1).

150), espace capacitif ultra-mince de 270 nm. (b) Image SEM du dispositif de microphone de contact accéléromètre (ACM) non plafonné. La masse d’épreuve est ancrée sur le côté à l’aide d’attaches de torsion. (c) Simulation multiphysique COMSOL illustrant la forme du mode de fonctionnement du capteur et montrant l’emplacement des attaches de torsion et des électrodes de détection. (d) Réponse du transducteur à une accélération normalement appliquée avec une sensibilité mesurée de 76 mV / g et une sensibilité transversale inférieure à 3%. (e) Tracé de déviation d’Allan présentant des performances à faible bruit de 127 μg / √Hz. »/>1. (a) Le capteur hermétiquement scellé avec nanogaps pour la surveillance de la santé cardio-pulmonaire – une représentation conceptuelle du capteur encapsulé placé sur la paroi thoracique (cercle bleu) pour surveiller simultanément la fréquence cardiaque, les bruits cardiaques, la fréquence respiratoire, les bruits respiratoires ainsi que mouvement et position du corps. Le microcapteur (2 × 2 × 1 mm) et sa vue en coupe mettent en évidence la technologie habilitante du rapport d’aspect élevé (> 150), espace capacitif ultra-mince de 270 nm. (b) Image SEM du dispositif de microphone de contact accéléromètre (ACM) non plafonné. La masse d’épreuve est ancrée sur le côté à l’aide d’attaches de torsion. (c) Simulation multiphysique COMSOL illustrant la forme du mode de fonctionnement du capteur et montrant l’emplacement des attaches de torsion et des électrodes de détection. (d) Réponse du transducteur à une accélération normalement appliquée avec une sensibilité mesurée de 76 mV / g et une sensibilité transversale inférieure à 3%. (e) Tracé de déviation d’Allan présentant des performances à faible bruit de 127 μg / √Hz.

Pourquoi prendre la peine de faire ça? «À l’heure actuelle, la médecine se tourne vers les électrocardiogrammes pour obtenir des informations sur le cœur, mais les électrocardiogrammes ne mesurent que les impulsions électriques», a déclaré Farrokh Ayazi, professeur Ken Byers à l’école de génie électrique et informatique de Georgia Tech. Le cœur est un système mécanique avec des muscles de pompage et des valves qui s’ouvrent et se ferment, et il envoie une signature de sons et de mouvements, qu’un électrocardiogramme ne détecte pas. Les électrocardiogrammes ne disent rien non plus sur la fonction pulmonaire. »

Le noyau du 2 mm2 L’appareil, qu’ils appellent un microphone de contact à accéléromètre (ACM), utilise deux couches séparées par 270 nm et un processus de fabrication complexe et sophistiqué en plusieurs étapes (Fig. 2). «Cet espace très mince séparant les deux électrodes ne peut avoir aucun contact, pas même par les forces de l’air entre les couches, de sorte que l’ensemble du capteur est hermétiquement scellé à l’intérieur d’une cavité sous vide», a déclaré Ayazi. «Cela donne un bruit de signal ultra-faible et une largeur de bande passante unique.»

2. (a) Vue en coupe montrant la fabrication de l'ACM.  (i) La tranche (100) silicium sur isolant (SOI) avec une couche de dispositif de 40 μm comme couche de base.  Les tranchées sont gravées en utilisant une gravure ionique réactive profonde (DRIE) dans la couche de dispositif.  (ii) Les tranchées sont ensuite remplies à l'aide de l'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD).  La région exposée est thermiquement oxydée pour former la couche d'oxyde sacrificielle supérieure (270 nm d'épaisseur) pour les électrodes de détection.  (iii) Du polysilicium est déposé et structuré pour l'électrode de détection.  La plaquette est libérée dans une solution de fluorure d'hydrogène (HF) à l'aide d'un sécheur à point supercritique.  (iv) la tranche de coiffage est sur une tranche de silicium;  les vias traversant le silicium (TSV) sont formés à l'aide de piliers en polysilicium profond avec isolation d'oxyde.  (v) Une cavité profonde est gravée à l'aide de DRIE, dont la profondeur est conçue pour contrôler le niveau de pression de l'emballage.  (vi) La tranche de coiffage est ensuite liée en utilisant une liaison eutectique sous vide poussé.  (vii) La plaquette de coiffage est mise à la terre pour exposer le TSV, qui est suivi par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) et une galvanoplastie métallique pour former l'acheminement électrique sur le dispositif emballé.  (b) Capteur de vibrations interfacé avec l'électronique de lecture sur un circuit imprimé miniature (2 × 2 cm) avec revêtement époxy protecteur.  (c) Fréquence de résonance mesurée de 12,5 kHz du microcapteur dans des conditions de vide.2. (a) Vue en coupe montrant la fabrication de l’ACM. (i) La tranche (100) silicium sur isolant (SOI) avec une couche de dispositif de 40 μm comme couche de base. Les tranchées sont gravées en utilisant une gravure ionique réactive profonde (DRIE) dans la couche de dispositif. (ii) Les tranchées sont ensuite remplies à l’aide de l’orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD). La région exposée est thermiquement oxydée pour former la couche d’oxyde sacrificielle supérieure (270 nm d’épaisseur) pour les électrodes de détection. (iii) Du polysilicium est déposé et structuré pour l’électrode de détection. La plaquette est libérée dans une solution de fluorure d’hydrogène (HF) à l’aide d’un sécheur à point supercritique. (iv) la tranche de coiffage est sur une tranche de silicium; les vias traversant le silicium (TSV) sont formés à l’aide de piliers en polysilicium profond avec isolation d’oxyde. (v) Une cavité profonde est gravée à l’aide de DRIE, dont la profondeur est conçue pour contrôler le niveau de pression de l’emballage. (vi) La tranche de coiffage est ensuite liée en utilisant une liaison eutectique sous vide poussé. (vii) La plaquette de coiffage est mise à la terre pour exposer le TSV, qui est suivi par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) et une galvanoplastie métallique pour former l’acheminement électrique sur le dispositif emballé. (b) Capteur de vibrations interfacé avec l’électronique de lecture sur un circuit imprimé miniature (2 × 2 cm) avec revêtement époxy protecteur. (c) Fréquence de résonance mesurée de 12,5 kHz du microcapteur dans des conditions de vide.

L’ACM offre une perspective «sismocardiogramme» intéressante et non conventionnelle de la situation du patient via de nouvelles perspectives; il est particulièrement utile lorsque ses signaux sont également corrélés à ceux de l’électrocardiogramme traditionnel (Fig. 3). Par exemple, parmi les résultats de leurs tests cliniques sur un groupe restreint de patients, les chercheurs ont réussi à enregistrer un «galop», le faible troisième son après le «lub-dub» du rythme cardiaque. Ces galops sont normalement des indices insaisissables d’insuffisance cardiaque.

3. Enregistrement des vibrations cardio-pulmonaires, des sons et des mouvements corporels: (a) Graphique du domaine temporel du signal de sismocardiogramme mesuré (SCG).  Les pics correspondant à l'apparition de la fermeture de la valve mitrale (MC), de l'ouverture de la valve aortique (AO), de la fermeture de la valve aortique (AC) et de l'ouverture de la valve mitrale (MO) sont indiqués.  (b) Formes d'onde enregistrées de deux cycles cardiaques présentant la sensibilité aux deux principaux sons cardiaques (S1 et S2).  Les intervalles de temps entre les battements, la systole et la diastole sont spécifiés.  (c) Signal de sortie du capteur représentant le mouvement de la paroi thoracique pendant les cycles respiratoires à respiration profonde.  Les intervalles de temps d'inhalation et d'expiration sont identifiés pour le calcul de la fréquence respiratoire.  (d) Bruits pulmonaires à haute fréquence d'inhalation et d'expiration enregistrés par le microcapteur de vibration.  (e) Suivi des mouvements du corps en trois dimensions à l'aide de l'ACM et de deux accéléromètres dans le plan, pendant que l'individu effectue des exercices de flexion latérale (orange) et frontale (verte).  Les graphiques du domaine temporel enregistrés pendant l'exercice montrent la large plage dynamique du capteur.3. Enregistrement des vibrations cardio-pulmonaires, des sons et des mouvements corporels: (a) Graphique du domaine temporel du signal de sismocardiogramme mesuré (SCG). Les pics correspondant à l’apparition de la fermeture de la valve mitrale (MC), de l’ouverture de la valve aortique (AO), de la fermeture de la valve aortique (AC) et de l’ouverture de la valve mitrale (MO) sont indiqués. (b) Formes d’onde enregistrées de deux cycles cardiaques présentant la sensibilité aux deux principaux sons cardiaques (S1 et S2). Les intervalles de temps entre les battements, la systole et la diastole sont spécifiés. (c) Signal de sortie du capteur représentant le mouvement de la paroi thoracique pendant les cycles respiratoires à respiration profonde. Les intervalles de temps d’inhalation et d’expiration sont identifiés pour le calcul de la fréquence respiratoire. (d) Bruits pulmonaires à haute fréquence d’inhalation et d’expiration enregistrés par le microcapteur de vibration. (e) Suivi des mouvements du corps en trois dimensions à l’aide de l’ACM et de deux accéléromètres dans le plan, pendant que l’individu effectue des exercices de flexion latérale (orange) et frontale (verte). Les graphiques du domaine temporel enregistrés pendant l’exercice montrent la large plage dynamique du capteur.

Les chercheurs ont publié leurs résultats dans le La nature journal njp médecine numérique, «Microphones de contact d’accéléromètre portables de précision pour la surveillance longitudinale des signaux cardiopulmonaires mécano-acoustiques», ainsi que des notes complémentaires détaillées qui examinent plus en détail les données brutes, le bruit, les effets ambiants, les dispositions de test et l’analyse des données acquises. La recherche a été financée par la Georgia Research Alliance, la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), la National Science Foundation et les National Institutes of Health.

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