歐洲各地的公司都在開(kāi)發(fā)下一代醫(yī)療傳感器技術(shù)，從感染測(cè)試到心臟監(jiān)測(cè)，甚至 DNA 分析。然而，將這些技術(shù)帶給最終用戶(hù)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(guó)石墨烯專(zhuān)家 Paragraf 就是其中之一。它正在與英國(guó)薩里郡的 Tachmed 合作，使用其晶體管技術(shù)為家庭和初級(jí)保健診所提供可擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)高效且準(zhǔn)確的診斷測(cè)試。在該系統(tǒng)中，Paragraf 專(zhuān)有的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （GFET） 用作傳感器（上圖），用于測(cè)試各種疾病，包括 COVID-19 和流感。

TachShield 云系統(tǒng)通過(guò)單個(gè)移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)⒖焖僭\斷測(cè)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(kāi)發(fā)該技術(shù)來(lái)分析測(cè)試結(jié)果，并籌集了 1000 萬(wàn)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(huì)自動(dòng)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(guò)程可以自動(dòng)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(shuō)?！拔覀円呀?jīng)展示了 TachShield 的潛力，現(xiàn)在，通過(guò)與 Paragraf 的密切合作，我們有機(jī)會(huì)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(lái)，讓早期檢測(cè)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(duì)人類(lèi)產(chǎn)生最直接影響的地方，”P(pán)aragraf 首席執(zhí)行官 Simon Thomas 說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)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(dòng)的方式?！?/p>

LED 感應(yīng)

LED 的高性能和低成本也推動(dòng)了對(duì) 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(zhuān)為生命科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其發(fā)射波長(zhǎng)為 488nm ±2nm，用于激發(fā)用于血液、血清和血漿分析以及 DNA 測(cè)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(guò)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(hào)質(zhì)量和分析過(guò)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?，同時(shí)降低功耗。因此，它是精度關(guān)鍵型應(yīng)用的完美選擇，無(wú)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(chǎng)經(jīng)理 Winfried Schwedler 強(qiáng)調(diào)說(shuō)。

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(jí)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┻^(guò)樣品的光。

“測(cè)試表明，我們的自發(fā)光生物傳感器可以檢測(cè)皮克濃度的氨基酸和聚合物——即一克的萬(wàn)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(shuō)。

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(cè)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(guò)程，但如果你的低概率過(guò)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(shuō)。

該量子平臺(tái)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(cè)結(jié)合在單個(gè)芯片上。這可用于從即時(shí)診斷到檢測(cè)環(huán)境污染物的各種應(yīng)用，“實(shí)驗(yàn)室研究員 Ivan Sinev 說(shuō)。

超聲波傳感

德國(guó)的 Infineon Technologies 在開(kāi)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(kāi)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(jí)總監(jiān) Emanuele Bodini 說(shuō)。“我們希望利用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)開(kāi)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(tái)。”

與依賴(lài)于材料本身變形的傳統(tǒng)壓電塊狀材料不同，CMUT 通過(guò)微機(jī)械半導(dǎo)體隔膜的偏轉(zhuǎn)來(lái)傳輸和檢測(cè)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(guò)交流電壓和直流偏置電壓的疊加，薄膜與交流信號(hào)一起產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，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(dòng)膜在超聲波的聲壓下振動(dòng)，引起電容值的變化。通過(guò)檢測(cè)電容的變化來(lái)檢測(cè)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(lèi)似尺寸的傳統(tǒng)壓電陶瓷相比，本底噪聲降低了 20 倍，絕對(duì)信號(hào)提高了 1000 倍。

CMUT 技術(shù)可用于開(kāi)發(fā)用于生命體征監(jiān)測(cè)、健康跟蹤和無(wú)創(chuàng)醫(yī)療診斷的設(shè)備。CMUT 傳感器提供持續(xù)監(jiān)測(cè)和反饋，而不是單次測(cè)量，以更早地發(fā)現(xiàn)潛在的健康問(wèn)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(huì)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(chē)門(mén)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(kāi)設(shè)了一個(gè)磁性研究實(shí)驗(yàn)室，用于醫(yī)療傳感器開(kāi)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(lái)自外部來(lái)源的磁干擾，例如附近的電子設(shè)備和地球磁場(chǎng)。這將幫助研究人員開(kāi)發(fā)下一代設(shè)備的原型，用于檢測(cè)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(hào)。

Neuranics 是從格拉斯哥大學(xué)和愛(ài)丁堡大學(xué)衍生出來(lái)的，它正在使用該實(shí)驗(yàn)室測(cè)試其開(kāi)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(hào)的三維測(cè)量可以幫助識(shí)別傳統(tǒng)方法可能忽略的條件，例如某些類(lèi)型的'無(wú)聲'筆觸，“詹姆斯瓦特工程學(xué)院的 Hadi Heidari 教授說(shuō)，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(duì)人體進(jìn)行復(fù)雜的測(cè)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(cè)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(kāi)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(guó)實(shí)現(xiàn)磁傳感器的全面制造，減少對(duì)海外設(shè)施的依賴(lài)并加強(qiáng)國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈。

這將是英國(guó)第一家專(zhuān)門(mén)從事完整的端到端磁傳感器制造和組裝的工廠，也是英國(guó)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(guó)初創(chuàng)公司 DnaNudge 在健康食品商店推出了 20 分鐘的 DNA 測(cè)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(kāi)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(wú)論是“快速”還是“慢”咖啡因代謝劑）以及氧化應(yīng)激對(duì)皮膚影響的數(shù)據(jù)。

該公司由倫敦帝國(guó)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(kāi)發(fā)繃帶中的超低功耗無(wú)線傳感。

Toumazou 說(shuō)：“在世界任何地方的零售環(huán)境中推出了第一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)消費(fèi)者遺傳學(xué)服務(wù)后，我們現(xiàn)在通過(guò)這個(gè)行業(yè)首創(chuàng)的 Express DNA 測(cè)試又進(jìn)一步創(chuàng)新了。“通過(guò)這種新的超快速店內(nèi)測(cè)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(shí)水平的人們能夠積極影響并主動(dòng)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(lái)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(guó)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(kāi)發(fā)下一代支持 AI 的納米電子傳感器，用于監(jiān)測(cè)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(guò)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(shuō)?！皯{借麻省理工學(xué)院的醫(yī)療保健和微系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，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(zhuān)業(yè)知識(shí)一直是開(kāi)發(fā)新型醫(yī)療傳感器的關(guān)鍵。這為新型監(jiān)測(cè)設(shè)備（從可穿戴設(shè)備到床邊）開(kāi)辟了機(jī)會(huì)，這些設(shè)備具有更小的尺寸和更高的性能。