從工作臺到床邊：歐洲的醫療傳感器革命

歐洲各地的公司都在開發下一代醫療傳感器技術，從感染測試到心臟監測，甚至 DNA 分析。然而，將這些技術帶給最終用戶存在重大挑戰。

從石墨烯和邊緣發射半導體激光管到磁傳感器和微機械超聲波換能器，技術為系統設計人員提供了醫療設備的新選擇。

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，使用其晶體管技術為家庭和初級保健診所提供可擴展、經濟高效且準確的診斷測試。在該系統中，Paragraf 專有的石墨烯場效應晶體管 （GFET） 用作傳感器（上圖），用于測試各種疾病，包括 COVID-19 和流感。

TachShield 云系統通過單個移動應用程序將快速診斷測試、連接設備、軟件和 API 結合在一起。Tachmed 與 Amazon Web Services 和 AI 公司 Anthropic 合作開發該技術來分析測試結果，并籌集了 1000 萬美元的種子資金。它現在正處于 A 輪融資中。

基于石墨烯的診斷設備旨在作為匯總個人健康信息的中心點。機器學習和人工智能會自動處理數據并與醫生和其他相關方安全地共享數據。

AI 根據數據做出決策，確定必要的行為改變或治療干預，以增強個人的健康。如果需要處方，該過程可以自動化，或者可以安排與醫生的后續預約。

“此次合作標志著 Tachmed 改變精確、實時健康診斷途徑之旅中的一個重要里程碑，”Tachmed 創始人兼首席執行官 Paul Christie 說。“我們已經展示了 TachShield 的潛力，現在，通過與 Paragraf 的密切合作，我們有機會成倍地擴大這種影響。我們不僅在推進診斷，還在幫助構建一個未來，讓早期檢測可以成為每個人、任何地方的現實。

這些設備將在 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。“與 Tachmed 的合作使我們能夠將我們的尖端 GFET 技術應用于可以對人類產生最直接影響的地方，”Paragraf 首席執行官 Simon Thomas 說。“通過在日常環境中實現精確診斷，我們可以真正重塑人們與健康互動的方式。”

LED 感應

LED 的高性能和低成本也推動了對 DNA 分析足夠靈敏的醫用傳感器系統的發展。

奧地利艾邁斯歐司朗公司最新的青色邊緣發射激光 （EEL） 二極管的亮度為 300mW，比其前代產品高出五倍。該 LED 專為生命科學應用而設計，其發射波長為 488nm ±2nm，用于激發用于血液、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穿過生物樣本。核苷酸作為 DNA 的組成部分，可以以獨特的方式吸收和發射光，從而可以準確確定它們的序列。更強大的半導體激光管可實現更快、更準確的分析結果。

100MHz 的高調制帶寬允許精確控制光強度，顯著提高信號質量和分析過程的速度。

PLT5 488HB_EP（右）具有更高的性能，可實現更快、更準確的分析，從而增加大型實驗室的診斷可能性。它還為為醫療機構、醫院和療養院量身定制的更緊湊、更具成本效益的診斷系統鋪平了道路。

“我們的 488nm 半導體激光管具有卓越的光學性能，可確保可靠的分析，同時降低功耗。因此，它是精度關鍵型應用的完美選擇，無論是在實驗室、醫院環境還是法醫設施中。這款二極管因其低噪聲、寬調制帶寬和一流的光束質量而脫穎而出“，艾邁斯歐司朗市場經理 Winfried Schwedler 強調說。

熱管理也是將這些 LED 傳感器集成到系統中的關鍵。該二極管具有低熱阻，即使在高達 60 °C 的高溫下也能可靠運行。 用于輸出控制的集成光電二極管和 ESD 保護二極管也提高了二極管的穩健性和可靠性。

瑞士的研究人員使用量子技術制造了一種自發光芯片級醫療傳感器。

蘇黎世聯邦理工學院（EPFL）工程學院生物納米光子系統實驗室（Bionanophotonic Systems Laboratory）的團隊利用量子隧穿氧化鋁的屏障發射光子。然后，超表面傳感器收集穿過樣品的光。

“測試表明，我們的自發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——可與當今最先進的傳感器相媲美，”生物納米光子系統實驗室負責人 Hatice Altug 說。

超表面

傳感器的核心是一個超表面，用于控制產生的光發射。這是由金納米線網構建的，金納米線充當納米天線，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非常低概率的過程，但如果你的低概率過程在一個非常大的區域上均勻發生，你仍然可以收集到足夠的光子。這就是我們優化重點的地方，事實證明，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實驗室研究員、現任三星電子工程師的 Jihye Lee 說。

該量子平臺由 EPFL 的微納米技術中心構建，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完全集成的傳感器，將光產生和檢測結合在單個芯片上。這可用于從即時診斷到檢測環境污染物的各種應用，“實驗室研究員 Ivan Sinev 說。

超聲波傳感

德國的 Infineon Technologies 在開發電容式微機械超聲波換能器 （CMUT） 技術方面也取得了重大進展。今年早些時候，它展示了基于 MEMS 的超聲波傳感器的首個集成單芯片實現，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療傳感器應用。

“我們的超聲波技術可以實現非常高的信噪比，并提供高水平的集成度。這就是為什么我們相信這些設備代表了行業的突破，“英飛凌高級總監 Emanuele Bodini 說。“我們希望利用這項技術來開發一個能夠為不同行業的多個用例提供服務的產品平臺。”

與依賴于材料本身變形的傳統壓電塊狀材料不同，CMUT 通過微機械半導體隔膜的偏轉來傳輸和檢測超聲波。

在發射狀態下，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生簡諧振動，將電能轉化為機械能并產生超聲波。

在接收狀態下，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，從而實現機械能到電能的轉換。

該技術尚未進入產品階段，但英飛凌表示，與分立設計相比，MEMS 和 ASIC 的單片集成與類似尺寸的傳統壓電陶瓷相比，本底噪聲降低了 20 倍，絕對信號提高了 1000 倍。

CMUT 技術可用于開發用于生命體征監測、健康跟蹤和無創醫療診斷的設備。CMUT 傳感器提供持續監測和反饋，而不是單次測量，以更早地發現潛在的健康問題并改善患者的預后。

固態按鈕

超聲波傳感器還可用于任何固體材料（如玻璃甚至金屬）下的固態觸摸按鈕，而不會使表面變形。這允許實施比傳統機械按鈕更耐用、更可靠的替代方案，從而降低磨損風險，并提高設備的衛生和整體使用壽命。

與可能受濕度和溫度等環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 穩健性。由于該技術減小了按鈕的尺寸，因此它們可以集成到各種設備中，例如手機金屬框架下方的觸摸按鈕或更換車門把手以實現整潔的設計。

磁感應

在蘇格蘭，格拉斯哥大學開設了一個磁性研究實驗室，用于醫療傳感器開發。

• Neuranics 為磁傳感籌集了 8m 英鎊

該實驗室有一個磁屏蔽室，可以消除來自外部來源的磁干擾，例如附近的電子設備和地球磁場。這將幫助研究人員開發下一代設備的原型，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）等器官產生的極弱生物磁信號。

Neuranics 是從格拉斯哥大學和愛丁堡大學衍生出來的，它正在使用該實驗室測試其開發的基于自旋電子學的醫療傳感器，用于健康、健身和擴展現實 （XR） 應用。

“潛在的應用令人難以置信地令人興奮，尤其是在醫療診斷方面。磁信號的三維測量可以幫助識別傳統方法可能忽略的條件，例如某些類型的'無聲'筆觸，“詹姆斯瓦特工程學院的 Hadi Heidari 教授說，他是 Neuranics 的首席技術官 （CTO），他還領導了磁學實驗室的安裝。

“磁學實驗室將幫助我們制造足夠靈敏的 MMG 傳感器，以便對人體進行復雜的測量，并將其集成到日常生活中。這可能意味著一個信用卡大小的設備，可以 24 小時監測你的心臟，或者一個可以精確控制假肢的腕帶。

Neuranics 還領導了一個項目，為傳感器開發本地制造和先進封裝供應鏈。它正在與 Kelvin Nanotechnology （KNT） 和格拉斯哥大學合作建立最先進的納米制造中心，從而在英國實現磁傳感器的全面制造，減少對海外設施的依賴并加強國內供應鏈。

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之一。

DNA輕推

但是推出這項技術可能很困難。

就在去年 8 月，英國初創公司 DnaNudge 在健康食品商店推出了 20 分鐘的 DNA 測試。這建立在“盒式實驗室”傳感器系統之上，該系統是與劍橋的 TTP 一起開發的，并在 Covid-19 大流行期間脫穎而出。現在，這提供了有關個人從系統中清除咖啡因的速度（無論是“快速”還是“慢”咖啡因代謝劑）以及氧化應激對皮膚影響的數據。

該公司由倫敦帝國理工學院的 Chris Toumazou 教授于 2015 年創立，他之前創立了 Toumaz Technology，致力于開發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境中推出了第一個現場消費者遺傳學服務后，我們現在通過這個行業首創的 Express DNA 測試又進一步創新了。“通過這種新的超快速店內測試，我們讓消費者更容易根據他們獨特的基因做出正確的食品和護膚決定，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。”

然而，當年晚些時候，當公司與支持者 Ventura Capital 鬧翻并進入管理時，這一切都分崩離析。

未來傳感器

盡管如此，歐洲仍處于發展前沿醫療傳感器技術的前沿。比利時研究集團 imec 在比利時與美國的幾個實驗室簽署的協議突出了這一點。與麻省理工學院 （MIT） 達成協議后，這些實驗室將開發下一代支持 AI 的納米電子傳感器，用于監測臨床、護理點或家庭環境中的生物標志物和生命體征。

“我們相信，通過整合尖端半導體技術和人工智能，我們與MIT的合作有能力徹底改變醫療保健，”imec USA的健康戰略與投資組合負責人Veerle Reumers說。“憑借麻省理工學院的醫療保健和微系統專業知識，以及 imec 將新技術轉移到工業界，這結合了數十年的互補經驗。”

歐洲在模擬和傳感技術方面的專業知識一直是開發新型醫療傳感器的關鍵。這為新型監測設備（從可穿戴設備到床邊）開辟了機會，這些設備具有更小的尺寸和更高的性能。