De minuscules puces injectables sans fil utilisent des ultrasons pour surveiller les processus corporels


De minuscules puces injectables sans fil utilisent des ultrasons pour surveiller les processus corporels

Des éclats dans la pointe d’une aiguille hypodermique. Les ingénieurs de Columbia développent le plus petit système à puce unique, qui est un circuit électronique entièrement fonctionnel. Les implantables qui ne sont visibles qu’au microscope ouvrent la voie au développement de puces qui peuvent être injectées dans le corps avec une aiguille hypodermique pour surveiller l’état de santé. Crédit photo: Chen Shi / Columbia Engineering

Les dispositifs médicaux implantables sont largement utilisés pour surveiller et cartographier les signaux biologiques, soutenir et améliorer les fonctions physiologiques et traiter les maladies. Ils modifient les soins de santé et améliorent la qualité de vie de millions de personnes. Les chercheurs s’intéressent de plus en plus au développement de dispositifs médicaux implantables miniaturisés sans fil pour la surveillance physiologique in vivo et in situ. Ces dispositifs pourraient être utilisés pour surveiller des conditions physiologiques telles que la température, la pression artérielle, le glucose et la respiration pour des procédures diagnostiques et thérapeutiques.

Traditionnellement, l’électronique implantée traditionnelle a été extrêmement inefficace en termes de – elle nécessite généralement plusieurs puces, emballages, fils et transducteurs externes, et des batteries sont souvent nécessaires pour le stockage d’énergie. Une tendance constante en électronique a été l’intégration plus étroite des composants électroniques, de plus en plus de fonctions étant souvent transférées au circuit intégré lui-même.

Les chercheurs de Columbia Engineering rapportent qu’ils ont construit ce qu’ils croient être le plus petit système monopuce au monde, consommant moins de 0,1 mm3 de volume total. Le système est aussi petit qu’un acarien domestique et n’est visible qu’au microscope. Pour ce faire, l’équipe a utilisé des pour alimenter et communiquer sans fil avec l’appareil. L’étude a été publiée en ligne le 7 mai dans Progrès de la science.

«Nous voulions voir jusqu’où nous pouvions repousser les limites de la fonctionnalité d’une puce fonctionnelle», a déclaré le directeur de l’étude Ken Shepard, professeur de génie électrique à Lau Family et professeur de génie biomédical. «Il s’agit d’une nouvelle idée de« puce en tant que système »- il s’agit d’une puce qui, à elle seule, est un système électronique entièrement fonctionnel. Cela devrait être révolutionnaire pour le développement de dispositifs médicaux implantables miniaturisés sans fil capables de détecter diverses choses utilisées dans des applications cliniques et finalement approuvées pour l’usage humain. « 

L’équipe comprenait également Elisa Konofagou, Robert et Margaret Hariri, professeur de génie biomédical et professeur de radiologie, et Stephen A. Lee, Ph.D. Étudiant au laboratoire de Konofagou qui a participé aux expérimentations animales.

La conception a été réalisée par l’étudiant au doctorat Chen Shi, qui est le premier auteur de l’étude. La conception de Shi est unique dans son efficacité volumétrique, la quantité de fonctions contenues dans une quantité donnée de volume. Les liaisons de communication RF conventionnelles ne sont pas possibles pour un appareil aussi petit car la longueur d’onde de l’onde électromagnétique est trop grande pour la taille de l’appareil. Étant donné que les longueurs d’onde des ultrasons sont beaucoup plus petites à une fréquence donnée, car la vitesse du son est beaucoup plus lente que la vitesse de la lumière, l’équipe a utilisé des ultrasons pour alimenter et communiquer sans fil avec l’appareil. Ils ont fabriqué l ‘«antenne» pour la communication et l’alimentation électrique par ultrasons directement sur la puce.

La puce, qui est l’ensemble implantable / injectable sans emballage supplémentaire, a été fabriquée à Taiwan Semiconductor Manufacturing Company avec des modifications de processus supplémentaires apportées dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative et dans la nanofabrication de l’Advanced Science Research Center (ASRC) de l’Université de New York ont ​​été mis en place.

Shepard a commenté: « C’est un bel exemple de la technologie ‘More Than Moore’. Nous avons introduit de nouveaux matériaux sur les semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire standard pour fournir de nouvelles fonctionnalités. Dans ce cas, nous avons ajouté des matériaux piézoélectriques directement sur le circuit intégré, pour rendre le transducteur d’énergie acoustique en énergie électrique. « 

Konofagou a ajouté: « L’échographie devient de plus en plus importante sur le plan clinique à mesure que de nouveaux outils et techniques deviennent disponibles. Ce travail poursuit cette tendance. »

L’objectif de l’équipe est de développer des puces qui peuvent être injectées dans le corps avec une aiguille hypodermique, puis d’utiliser des ultrasons pour communiquer hors du corps et fournir des informations sur quelque chose qu’elles mesurent localement. Les appareils actuels mesurent la température corporelle, mais l’équipe travaille de nombreuses autres façons.


L’émetteur implantable offre une option sans fil pour les dispositifs biomédicaux


Plus d’information:
Chen Shi et al., Application d’un mote implantable en dessous de 0,1 mm3 pour la mesure de température in vivo sans fil en temps réel, Progrès de la science (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abf6312

Fourni par l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université Columbia

Citation: De minuscules puces sans fil utilisent des ultrasons pour surveiller les processus corporels (11 mai 2021), publié le 11 mai 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-05-tiny-wireless-chips-ultrasound- body .html ont été récupérés

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