從工作臺到床邊:歐洲的醫(yī)療傳感器革命
歐洲各地的公司都在開發(fā)下一代醫(yī)療傳感器技術(shù),從感染測試到心臟監(jiān)測,甚至 DNA 分析。然而,將這些技術(shù)帶給最終用戶存在重大挑戰(zhàn)。
從石墨烯和邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光管到磁傳感器和微機(jī)械超聲波換能器,技術(shù)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了醫(yī)療設(shè)備的新選擇。
英國石墨烯專家 Paragraf 就是其中之一。它正在與英國薩里郡的 Tachmed 合作,使用其晶體管技術(shù)為家庭和初級保健診所提供可擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)高效且準(zhǔn)確的診斷測試。在該系統(tǒng)中,Paragraf 專有的石墨烯場效應(yīng)晶體管 (GFET) 用作傳感器(上圖),用于測試各種疾病,包括 COVID-19 和流感。
TachShield 云系統(tǒng)通過單個(gè)移動應(yīng)用程序?qū)⒖焖僭\斷測試、連接設(shè)備、軟件和 API 結(jié)合在一起。Tachmed 與 Amazon Web Services 和 AI 公司 Anthropic 合作開發(fā)該技術(shù)來分析測試結(jié)果,并籌集了 1000 萬美元的種子資金。它現(xiàn)在正處于 A 輪融資中。
基于石墨烯的診斷設(shè)備旨在作為匯總個(gè)人健康信息的中心點(diǎn)。機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能會自動處理數(shù)據(jù)并與醫(yī)生和其他相關(guān)方安全地共享數(shù)據(jù)。
AI 根據(jù)數(shù)據(jù)做出決策,確定必要的行為改變或治療干預(yù),以增強(qiáng)個(gè)人的健康。如果需要處方,該過程可以自動化,或者可以安排與醫(yī)生的后續(xù)預(yù)約。
“此次合作標(biāo)志著 Tachmed 改變精確、實(shí)時(shí)健康診斷途徑之旅中的一個(gè)重要里程碑,”Tachmed 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Paul Christie 說。“我們已經(jīng)展示了 TachShield 的潛力,現(xiàn)在,通過與 Paragraf 的密切合作,我們有機(jī)會成倍地?cái)U(kuò)大這種影響。我們不僅在推進(jìn)診斷,還在幫助構(gòu)建一個(gè)未來,讓早期檢測可以成為每個(gè)人、任何地方的現(xiàn)實(shí)。
這些設(shè)備將在 Paragraf 位于劍橋郡亨廷頓的石墨烯鑄造廠制造,用于大批量生產(chǎn)?!芭c Tachmed 的合作使我們能夠?qū)⑽覀兊募舛?GFET 技術(shù)應(yīng)用于可以對人類產(chǎn)生最直接影響的地方,”Paragraf 首席執(zhí)行官 Simon Thomas 說?!巴ㄟ^在日常環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精確診斷,我們可以真正重塑人們與健康互動的方式?!?/p>
LED 感應(yīng)
LED 的高性能和低成本也推動了對 DNA 分析足夠靈敏的醫(yī)用傳感器系統(tǒng)的發(fā)展。
奧地利艾邁斯歐司朗公司最新的青色邊緣發(fā)射激光 (EEL) 二極管的亮度為 300mW,比其前代產(chǎn)品高出五倍。該 LED 專為生命科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì),其發(fā)射波長為 488nm ±2nm,用于激發(fā)用于血液、血清和血漿分析以及 DNA 測序的熒光染料。
這種診斷遺傳病的方法涉及將光引導(dǎo)穿過生物樣本。核苷酸作為 DNA 的組成部分,可以以獨(dú)特的方式吸收和發(fā)射光,從而可以準(zhǔn)確確定它們的序列。更強(qiáng)大的半導(dǎo)體激光管可實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的分析結(jié)果。
100MHz 的高調(diào)制帶寬允許精確控制光強(qiáng)度,顯著提高信號質(zhì)量和分析過程的速度。
PLT5 488HB_EP(右)具有更高的性能,可實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的分析,從而增加大型實(shí)驗(yàn)室的診斷可能性。它還為為醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)院和療養(yǎng)院量身定制的更緊湊、更具成本效益的診斷系統(tǒng)鋪平了道路。
“我們的 488nm 半導(dǎo)體激光管具有卓越的光學(xué)性能,可確??煽康姆治觯瑫r(shí)降低功耗。因此,它是精度關(guān)鍵型應(yīng)用的完美選擇,無論是在實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院環(huán)境還是法醫(yī)設(shè)施中。這款二極管因其低噪聲、寬調(diào)制帶寬和一流的光束質(zhì)量而脫穎而出“,艾邁斯歐司朗市場經(jīng)理 Winfried Schwedler 強(qiáng)調(diào)說。
熱管理也是將這些 LED 傳感器集成到系統(tǒng)中的關(guān)鍵。該二極管具有低熱阻,即使在高達(dá) 60 °C 的高溫下也能可靠運(yùn)行。 用于輸出控制的集成光電二極管和 ESD 保護(hù)二極管也提高了二極管的穩(wěn)健性和可靠性。
瑞士的研究人員使用量子技術(shù)制造了一種自發(fā)光芯片級醫(yī)療傳感器。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)工程學(xué)院生物納米光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Bionanophotonic Systems Laboratory)的團(tuán)隊(duì)利用量子隧穿氧化鋁的屏障發(fā)射光子。然后,超表面?zhèn)鞲衅魇占┻^樣品的光。
“測試表明,我們的自發(fā)光生物傳感器可以檢測皮克濃度的氨基酸和聚合物——即一克的萬億分之一——可與當(dāng)今最先進(jìn)的傳感器相媲美,”生物納米光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Hatice Altug 說。
超表面
傳感器的核心是一個(gè)超表面,用于控制產(chǎn)生的光發(fā)射。這是由金納米線網(wǎng)構(gòu)建的,金納米線充當(dāng)納米天線,將光集中在有效檢測生物分子所需的納米體積上。
“非彈性電子隧穿是一個(gè)非常低概率的過程,但如果你的低概率過程在一個(gè)非常大的區(qū)域上均勻發(fā)生,你仍然可以收集到足夠的光子。這就是我們優(yōu)化重點(diǎn)的地方,事實(shí)證明,這是一種非常有前途的生物傳感新策略,“前生物納米光子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研究員、現(xiàn)任三星電子工程師的 Jihye Lee 說。
該量子平臺由 EPFL 的微納米技術(shù)中心構(gòu)建,與傳感器制造方法兼容。傳感所需的有效面積小于一平方毫米,因此適用于手持式生物傳感器。
“我們的工作提供了一個(gè)完全集成的傳感器,將光產(chǎn)生和檢測結(jié)合在單個(gè)芯片上。這可用于從即時(shí)診斷到檢測環(huán)境污染物的各種應(yīng)用,“實(shí)驗(yàn)室研究員 Ivan Sinev 說。
超聲波傳感
德國的 Infineon Technologies 在開發(fā)電容式微機(jī)械超聲波換能器 (CMUT) 技術(shù)方面也取得了重大進(jìn)展。今年早些時(shí)候,它展示了基于 MEMS 的超聲波傳感器的首個(gè)集成單芯片實(shí)現(xiàn),與分立式壓電傳感器相比,該傳感器具有更小的占用空間、更高的性能和更高的功能。這種集成開辟了新的超聲波醫(yī)療傳感器應(yīng)用。
“我們的超聲波技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非常高的信噪比,并提供高水平的集成度。這就是為什么我們相信這些設(shè)備代表了行業(yè)的突破,“英飛凌高級總監(jiān) Emanuele Bodini 說?!拔覀兿M眠@項(xiàng)技術(shù)來開發(fā)一個(gè)能夠?yàn)椴煌袠I(yè)的多個(gè)用例提供服務(wù)的產(chǎn)品平臺?!?/p>
與依賴于材料本身變形的傳統(tǒng)壓電塊狀材料不同,CMUT 通過微機(jī)械半導(dǎo)體隔膜的偏轉(zhuǎn)來傳輸和檢測超聲波。
在發(fā)射狀態(tài)下,在 CMUT 的上下電極板之間施加直流偏壓。通過交流電壓和直流偏置電壓的疊加,薄膜與交流信號一起產(chǎn)生簡諧振動,將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并產(chǎn)生超聲波。
在接收狀態(tài)下,在上下電極板之間施加直流偏壓。振動膜在超聲波的聲壓下振動,引起電容值的變化。通過檢測電容的變化來檢測超聲波,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。
該技術(shù)尚未進(jìn)入產(chǎn)品階段,但英飛凌表示,與分立設(shè)計(jì)相比,MEMS 和 ASIC 的單片集成與類似尺寸的傳統(tǒng)壓電陶瓷相比,本底噪聲降低了 20 倍,絕對信號提高了 1000 倍。
CMUT 技術(shù)可用于開發(fā)用于生命體征監(jiān)測、健康跟蹤和無創(chuàng)醫(yī)療診斷的設(shè)備。CMUT 傳感器提供持續(xù)監(jiān)測和反饋,而不是單次測量,以更早地發(fā)現(xiàn)潛在的健康問題并改善患者的預(yù)后。
固態(tài)按鈕
超聲波傳感器還可用于任何固體材料(如玻璃甚至金屬)下的固態(tài)觸摸按鈕,而不會使表面變形。這允許實(shí)施比傳統(tǒng)機(jī)械按鈕更耐用、更可靠的替代方案,從而降低磨損風(fēng)險(xiǎn),并提高設(shè)備的衛(wèi)生和整體使用壽命。
與可能受濕度和溫度等環(huán)境因素影響的電容式觸摸按鈕相比,基于 CMUT 的觸摸按鈕具有防水性和高 EMC 穩(wěn)健性。由于該技術(shù)減小了按鈕的尺寸,因此它們可以集成到各種設(shè)備中,例如手機(jī)金屬框架下方的觸摸按鈕或更換車門把手以實(shí)現(xiàn)整潔的設(shè)計(jì)。
磁感應(yīng)
在蘇格蘭,格拉斯哥大學(xué)開設(shè)了一個(gè)磁性研究實(shí)驗(yàn)室,用于醫(yī)療傳感器開發(fā)。
Neuranics 為磁傳感籌集了 8m 英鎊
該實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)磁屏蔽室,可以消除來自外部來源的磁干擾,例如附近的電子設(shè)備和地球磁場。這將幫助研究人員開發(fā)下一代設(shè)備的原型,用于檢測人體肌肉(肌磁圖或 MMG)和心臟(心磁圖或 MCG)和大腦(腦磁圖或 MEG)等器官產(chǎn)生的極弱生物磁信號。
Neuranics 是從格拉斯哥大學(xué)和愛丁堡大學(xué)衍生出來的,它正在使用該實(shí)驗(yàn)室測試其開發(fā)的基于自旋電子學(xué)的醫(yī)療傳感器,用于健康、健身和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí) (XR) 應(yīng)用。
“潛在的應(yīng)用令人難以置信地令人興奮,尤其是在醫(yī)療診斷方面。磁信號的三維測量可以幫助識別傳統(tǒng)方法可能忽略的條件,例如某些類型的'無聲'筆觸,“詹姆斯瓦特工程學(xué)院的 Hadi Heidari 教授說,他是 Neuranics 的首席技術(shù)官 (CTO),他還領(lǐng)導(dǎo)了磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室的安裝。
“磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室將幫助我們制造足夠靈敏的 MMG 傳感器,以便對人體進(jìn)行復(fù)雜的測量,并將其集成到日常生活中。這可能意味著一個(gè)信用卡大小的設(shè)備,可以 24 小時(shí)監(jiān)測你的心臟,或者一個(gè)可以精確控制假肢的腕帶。
Neuranics 還領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)項(xiàng)目,為傳感器開發(fā)本地制造和先進(jìn)封裝供應(yīng)鏈。它正在與 Kelvin Nanotechnology (KNT) 和格拉斯哥大學(xué)合作建立最先進(jìn)的納米制造中心,從而在英國實(shí)現(xiàn)磁傳感器的全面制造,減少對海外設(shè)施的依賴并加強(qiáng)國內(nèi)供應(yīng)鏈。
這將是英國第一家專門從事完整的端到端磁傳感器制造和組裝的工廠,也是英國僅有的兩套離子束刻蝕系統(tǒng)之一。
DNA輕推
但是推出這項(xiàng)技術(shù)可能很困難。
就在去年 8 月,英國初創(chuàng)公司 DnaNudge 在健康食品商店推出了 20 分鐘的 DNA 測試。這建立在“盒式實(shí)驗(yàn)室”傳感器系統(tǒng)之上,該系統(tǒng)是與劍橋的 TTP 一起開發(fā)的,并在 Covid-19 大流行期間脫穎而出?,F(xiàn)在,這提供了有關(guān)個(gè)人從系統(tǒng)中清除咖啡因的速度(無論是“快速”還是“慢”咖啡因代謝劑)以及氧化應(yīng)激對皮膚影響的數(shù)據(jù)。
該公司由倫敦帝國理工學(xué)院的 Chris Toumazou 教授于 2015 年創(chuàng)立,他之前創(chuàng)立了 Toumaz Technology,致力于開發(fā)繃帶中的超低功耗無線傳感。
Toumazou 說:“在世界任何地方的零售環(huán)境中推出了第一個(gè)現(xiàn)場消費(fèi)者遺傳學(xué)服務(wù)后,我們現(xiàn)在通過這個(gè)行業(yè)首創(chuàng)的 Express DNA 測試又進(jìn)一步創(chuàng)新了。“通過這種新的超快速店內(nèi)測試,我們讓消費(fèi)者更容易根據(jù)他們獨(dú)特的基因做出正確的食品和護(hù)膚決定,使具有新知識水平的人們能夠積極影響并主動改善他們的健康和福祉?!?/p>
然而,當(dāng)年晚些時(shí)候,當(dāng)公司與支持者 Ventura Capital 鬧翻并進(jìn)入管理時(shí),這一切都分崩離析。
未來傳感器
盡管如此,歐洲仍處于發(fā)展前沿醫(yī)療傳感器技術(shù)的前沿。比利時(shí)研究集團(tuán) imec 在比利時(shí)與美國的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室簽署的協(xié)議突出了這一點(diǎn)。與麻省理工學(xué)院 (MIT) 達(dá)成協(xié)議后,這些實(shí)驗(yàn)室將開發(fā)下一代支持 AI 的納米電子傳感器,用于監(jiān)測臨床、護(hù)理點(diǎn)或家庭環(huán)境中的生物標(biāo)志物和生命體征。
“我們相信,通過整合尖端半導(dǎo)體技術(shù)和人工智能,我們與MIT的合作有能力徹底改變醫(yī)療保健,”imec USA的健康戰(zhàn)略與投資組合負(fù)責(zé)人Veerle Reumers說?!皯{借麻省理工學(xué)院的醫(yī)療保健和微系統(tǒng)專業(yè)知識,以及 imec 將新技術(shù)轉(zhuǎn)移到工業(yè)界,這結(jié)合了數(shù)十年的互補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)?!?/p>
歐洲在模擬和傳感技術(shù)方面的專業(yè)知識一直是開發(fā)新型醫(yī)療傳感器的關(guān)鍵。這為新型監(jiān)測設(shè)備(從可穿戴設(shè)備到床邊)開辟了機(jī)會,這些設(shè)備具有更小的尺寸和更高的性能。
評論