最小的無線可植入單晶片系統使用超聲波監測身體過程

哥倫比亞大學工程師開發了最小的單晶片系統，該系統是功能完整的電子電路；僅在顯微鏡下可見的可植入晶片指向可通過皮下注射針頭注射到體內以監控醫療狀況的晶片。

植入式醫療設備廣泛用於監視和映射生物信號，支持和增強生理功能以及治療疾病，正在改變著醫療保健並改善了數百萬人的生活質量。研究人員對設計用於體內和原位生理監測的無線，小型可植入醫療設備越來越感興趣。這些設備可用於監測生理狀況，例如溫度，血壓，葡萄糖和呼吸，以用於診斷和治療程序。

迄今為止，傳統的植入式電子設備在體積上效率低下-它們通常需要多個晶片，封裝，電線和外部換能器，並且通常需要電池來存儲能量。電子學的一個恆定趨勢是電子元件的緊密集成，通常將越來越多的功能轉移到集成電路本身上。

Columbia Engineering的研究人員報告說，他們已經建造了他們所說的世界上最小的單晶片系統，消耗的總體積小於0.1 mm3。該系統像塵蟎一樣小，僅在顯微鏡下可見。為了實現這一目標，該團隊使用超聲波為設備供電並與設備進行無線通信。該研究於5月7日在線發表在《Science Advances》上。

這項研究的負責人，電氣工程學教授，生物醫學工程學教授，劉氏家族的肯·謝潑德說："我們希望看到我們能將能製造的功能晶片的極限推到多大程度。" "這是"晶片即系統"的新思想，這是一個單獨的晶片，一個完整的功能完整的電子系統。這對於開發能夠感知不同事物的無線，小型化的植入式醫療設備應該是革命性的。用於臨床，並最終批準用於人類。"

該團隊還包括Elisa Konofagou，Robert和Margaret Hariri生物醫學工程教授，放射學教授，以及Stephen A. Lee博士。Konofagou實驗室的一名學生，他協助了動物研究。

該設計由該研究的第一作者博士生陳實完成。他的設計在容積效率，給定容積中包含的功能量方面獨樹一幟。對於如此小的設備，傳統的RF通信鏈路是不可能的，因為電磁波的波長相對於設備的大小而言太大。由於在給定的頻率下超聲波的波長要小得多，因為聲速遠小於光速，因此該團隊使用超聲波為設備供電並與設備進行無線通信。他們在晶片頂部直接製造了與超聲波進行通信和供電的"天線"。

具有超聲波供電和數據通信的小型，單片集成，全無線溫度感測模塊。

該晶片是整個可植入/可注射的微粒，無需任何額外包裝，是由台灣半導體製造公司製造的，並在哥倫比亞納米技術倡議潔淨室和紐約市大學高級科學研究中心（ASRC）納米製造中進行了額外的工藝修改。

Shepard評論說："這是’超越摩爾’技術的一個很好的例子-我們在標準互補金屬氧化物半導體上引入了新材料以提供新功能。在這種情況下，我們將壓電材料直接添加到集成電路中以換能器聲學能量到電能。"

Konofagou補充說："隨著新工具和技術的出現，超聲在臨床上的重要性正在不斷提高。這項工作延續了這一趨勢。"

該團隊的目標是開發可以用皮下注射針頭注射到體內的晶片，然後使用超聲波將其傳出體外，從而提供有關其在本地測量的信息。當前的設備可測量體溫，但團隊正在研究更多的可能性。