Миниатюрный беспроводной чип использует ультразвук для мониторинга процессов в теле

Инженеры Колумбии разработали самую маленькую одnochip систему, которая является полнофункциональной электронной схемой; имплантируемые чипы, видимые только в микроскопе, указывают путь к разработке чипов, которые можно инъецировать в тело гипodermической иглой для мониторинга медицинских состояний.

Широко используемые для мониторинга и картирования биологических сигналов, для поддержки и усиления физиологических функций и для лечения болезней, имплантируемые медицинские устройства трансформируют здравоохранение и улучшают качество жизни миллионов людей. Исследователи все больше заинтересованы в проектировании беспроводных миниатюризированных имплантируемых медицинских устройств для in vivo и in situ физиологического мониторинга. Эти устройства могут использоваться для мониторинга физиологических условий, таких как температура, артериальное давление, глюкоза и дыхание для диагностических и терапевтических процедур.

На сегодняшний день обычные имплантируемые электронные устройства были высоко объемно-неэффективны — они обычно требуют множественные чипы, упаковку, провода и внешние трансдьюсеры, и батареи часто нужны для накопления энергии. Постоянная тенденция в электронике была более тесной интеграции электронных компонентов, часто перемещая все больше функций на интегральную схему саму по себе.

Исследователи в Колумбийской инженерии сообщают, что они построили то, что, по их словам, является самым маленьким в мире одnochip системой, потребляющей общий объем менее 0,1 мм³. Система такая же мала, как пылевой клещ и видима только под микроскопом. Для достижения этого команда использовала ультразвук для как питания, так и коммуникации с устройством беспроводно.

"Мы хотели увидеть, насколько далеко мы можем протолкнуть пределы того, насколько маленький функционирующий чип мы можем сделать", — сказал лидер исследования Кен Шепард, профессор семьи Lau по электроинженерии и профессор биомедицинской инженерии. "Это новая идея 'чип как система' — это чип, который один, без ничего другого, является полнофункциональной электронной системой. Это должно быть революционным для разработки беспроводных, миниатюризированных имплантируемых медицинских устройств, которые могут чувствовать разные вещи, использоваться в клинических приложениях и в конечном счете одобрены для человеческого использования".

Традиционные RF коммуникационные связи невозможны для устройства этого размера, потому что длина волны электромагнитной волны слишком велика относительно размера устройства. Поскольку длины волн для ультразвука намного меньше на заданной частоте, потому что скорость звука намного меньше скорости света, команда использовала ультразвук для как питания, так и коммуникации с устройством беспроводно. Они изготовили "антенну" для коммуникации и питания с ультразвуком непосредственно поверх чипа.

Чип, который является всей имплантируемой/инъекционной mote без дополнительной упаковки, был изготовлен в Taiwan Semiconductor Manufacturing Company с дополнительными модификациями процесса, выполненными в чистой комнате Columbia Nano Initiative и в центре нанофабрикации City University of New York Advanced 3+ Research Center (ASRC).

Шепард прокомментировал: "Это хороший пример технологии 'more than Moore' — мы ввели новые материалы на стандартный комплементарный металл-оксид-полупроводник для предоставления новых функций. В этом случае мы добавили пьезоэлектрические материалы непосредственно на интегральную схему для преобразования акустической энергии в электрическую".

Цель команды — разработать чипы, которые можно инъецировать в тело гиподермической иглой, а затем коммуницировать обратно из тела с использованием ультразвука, предоставляя информацию о чем-то, что они измеряют локально. Текущие устройства измеряют температуру тела, но есть много больше возможностей, над которыми команда работает.