从工作台到床边：欧洲的医疗传感器革命

欧洲各地的公司都在开发下一代医疗传感器技术，从感染测试到心脏监测，甚至 DNA 分析。然而，将这些技术带给最终用户存在重大挑战。

从石墨烯和边缘发射半导体激光管到磁传感器和微机械超声波换能器，技术为系统设计人员提供了医疗设备的新选择。

英国石墨烯专家 Paragraf 就是其中之一。它正在与英国萨里郡的 Tachmed 合作，使用其晶体管技术为家庭和初级保健诊所提供可扩展、经济高效且准确的诊断测试。在该系统中，Paragraf 专有的石墨烯场效应晶体管 （GFET） 用作传感器（上图），用于测试各种疾病，包括 COVID-19 和流感。

TachShield 云系统通过单个移动应用程序将快速诊断测试、连接设备、软件和 API 结合在一起。Tachmed 与 Amazon Web Services 和 AI 公司 Anthropic 合作开发该技术来分析测试结果，并筹集了 1000 万美元的种子资金。它现在正处于 A 轮融资中。

基于石墨烯的诊断设备旨在作为汇总个人健康信息的中心点。机器学习和人工智能会自动处理数据并与医生和其他相关方安全地共享数据。

AI 根据数据做出决策，确定必要的行为改变或治疗干预，以增强个人的健康。如果需要处方，该过程可以自动化，或者可以安排与医生的后续预约。

“此次合作标志着 Tachmed 改变精确、实时健康诊断途径之旅中的一个重要里程碑，”Tachmed 创始人兼首席执行官 Paul Christie 说。“我们已经展示了 TachShield 的潜力，现在，通过与 Paragraf 的密切合作，我们有机会成倍地扩大这种影响。我们不仅在推进诊断，还在帮助构建一个未来，让早期检测可以成为每个人、任何地方的现实。

这些设备将在 Paragraf 位于剑桥郡亨廷顿的石墨烯铸造厂制造，用于大批量生产。“与 Tachmed 的合作使我们能够将我们的尖端 GFET 技术应用于可以对人类产生最直接影响的地方，”Paragraf 首席执行官 Simon Thomas 说。“通过在日常环境中实现精确诊断，我们可以真正重塑人们与健康互动的方式。”

LED 感应

LED 的高性能和低成本也推动了对 DNA 分析足够灵敏的医用传感器系统的发展。

奥地利艾迈斯欧司朗公司最新的青色边缘发射激光 （EEL） 二极管的亮度为 300mW，比其前代产品高出五倍。该 LED 专为生命科学应用而设计，其发射波长为 488nm ±2nm，用于激发用于血液、血清和血浆分析以及 DNA 测序的荧光染料。

这种诊断遗传病的方法涉及将光引导穿过生物样本。核苷酸作为 DNA 的组成部分，可以以独特的方式吸收和发射光，从而可以准确确定它们的序列。更强大的半导体激光管可实现更快、更准确的分析结果。

100MHz 的高调制带宽允许精确控制光强度，显著提高信号质量和分析过程的速度。

PLT5 488HB_EP（右）具有更高的性能，可实现更快、更准确的分析，从而增加大型实验室的诊断可能性。它还为为医疗机构、医院和疗养院量身定制的更紧凑、更具成本效益的诊断系统铺平了道路。

“我们的 488nm 半导体激光管具有卓越的光学性能，可确保可靠的分析，同时降低功耗。因此，它是精度关键型应用的完美选择，无论是在实验室、医院环境还是法医设施中。这款二极管因其低噪声、宽调制带宽和一流的光束质量而脱颖而出“，艾迈斯欧司朗市场经理 Winfried Schwedler 强调说。

热管理也是将这些 LED 传感器集成到系统中的关键。该二极管具有低热阻，即使在高达 60 °C 的高温下也能可靠运行。 用于输出控制的集成光电二极管和 ESD 保护二极管也提高了二极管的稳健性和可靠性。

瑞士的研究人员使用量子技术制造了一种自发光芯片级医疗传感器。

苏黎世联邦理工学院（EPFL）工程学院生物纳米光子系统实验室（Bionanophotonic Systems Laboratory）的团队利用量子隧穿氧化铝的屏障发射光子。然后，超表面传感器收集穿过样品的光。

“测试表明，我们的自发光生物传感器可以检测皮克浓度的氨基酸和聚合物——即一克的万亿分之一——可与当今最先进的传感器相媲美，”生物纳米光子系统实验室负责人 Hatice Altug 说。

超表面

传感器的核心是一个超表面，用于控制产生的光发射。这是由金纳米线网构建的，金纳米线充当纳米天线，将光集中在有效检测生物分子所需的纳米体积上。

“非弹性电子隧穿是一个非常低概率的过程，但如果你的低概率过程在一个非常大的区域上均匀发生，你仍然可以收集到足够的光子。这就是我们优化重点的地方，事实证明，这是一种非常有前途的生物传感新策略，“前生物纳米光子系统实验室研究员、现任三星电子工程师的 Jihye Lee 说。

该量子平台由 EPFL 的微纳米技术中心构建，与传感器制造方法兼容。传感所需的有效面积小于一平方毫米，因此适用于手持式生物传感器。

“我们的工作提供了一个完全集成的传感器，将光产生和检测结合在单个芯片上。这可用于从即时诊断到检测环境污染物的各种应用，“实验室研究员 Ivan Sinev 说。

超声波传感

德国的 Infineon Technologies 在开发电容式微机械超声波换能器 （CMUT） 技术方面也取得了重大进展。今年早些时候，它展示了基于 MEMS 的超声波传感器的首个集成单芯片实现，与分立式压电传感器相比，该传感器具有更小的占用空间、更高的性能和更高的功能。这种集成开辟了新的超声波医疗传感器应用。

“我们的超声波技术可以实现非常高的信噪比，并提供高水平的集成度。这就是为什么我们相信这些设备代表了行业的突破，“英飞凌高级总监 Emanuele Bodini 说。“我们希望利用这项技术来开发一个能够为不同行业的多个用例提供服务的产品平台。”

与依赖于材料本身变形的传统压电块状材料不同，CMUT 通过微机械半导体隔膜的偏转来传输和检测超声波。

在发射状态下，在 CMUT 的上下电极板之间施加直流偏压。通过交流电压和直流偏置电压的叠加，薄膜与交流信号一起产生简谐振动，将电能转化为机械能并产生超声波。

在接收状态下，在上下电极板之间施加直流偏压。振动膜在超声波的声压下振动，引起电容值的变化。通过检测电容的变化来检测超声波，从而实现机械能到电能的转换。

该技术尚未进入产品阶段，但英飞凌表示，与分立设计相比，MEMS 和 ASIC 的单片集成与类似尺寸的传统压电陶瓷相比，本底噪声降低了 20 倍，绝对信号提高了 1000 倍。

CMUT 技术可用于开发用于生命体征监测、健康跟踪和无创医疗诊断的设备。CMUT 传感器提供持续监测和反馈，而不是单次测量，以更早地发现潜在的健康问题并改善患者的预后。

固态按钮

超声波传感器还可用于任何固体材料（如玻璃甚至金属）下的固态触摸按钮，而不会使表面变形。这允许实施比传统机械按钮更耐用、更可靠的替代方案，从而降低磨损风险，并提高设备的卫生和整体使用寿命。

与可能受湿度和温度等环境因素影响的电容式触摸按钮相比，基于 CMUT 的触摸按钮具有防水性和高 EMC 稳健性。由于该技术减小了按钮的尺寸，因此它们可以集成到各种设备中，例如手机金属框架下方的触摸按钮或更换车门把手以实现整洁的设计。

磁感应

在苏格兰，格拉斯哥大学开设了一个磁性研究实验室，用于医疗传感器开发。

• Neuranics 为磁传感筹集了 8m 英镑

该实验室有一个磁屏蔽室，可以消除来自外部来源的磁干扰，例如附近的电子设备和地球磁场。这将帮助研究人员开发下一代设备的原型，用于检测人体肌肉（肌磁图或 MMG）和心脏（心磁图或 MCG）和大脑（脑磁图或 MEG）等器官产生的极弱生物磁信号。

Neuranics 是从格拉斯哥大学和爱丁堡大学衍生出来的，它正在使用该实验室测试其开发的基于自旋电子学的医疗传感器，用于健康、健身和扩展现实 （XR） 应用。

“潜在的应用令人难以置信地令人兴奋，尤其是在医疗诊断方面。磁信号的三维测量可以帮助识别传统方法可能忽略的条件，例如某些类型的'无声'笔触，“詹姆斯瓦特工程学院的 Hadi Heidari 教授说，他是 Neuranics 的首席技术官 （CTO），他还领导了磁学实验室的安装。

“磁学实验室将帮助我们制造足够灵敏的 MMG 传感器，以便对人体进行复杂的测量，并将其集成到日常生活中。这可能意味着一个信用卡大小的设备，可以 24 小时监测你的心脏，或者一个可以精确控制假肢的腕带。

Neuranics 还领导了一个项目，为传感器开发本地制造和先进封装供应链。它正在与 Kelvin Nanotechnology （KNT） 和格拉斯哥大学合作建立最先进的纳米制造中心，从而在英国实现磁传感器的全面制造，减少对海外设施的依赖并加强国内供应链。

这将是英国第一家专门从事完整的端到端磁传感器制造和组装的工厂，也是英国仅有的两套离子束刻蚀系统之一。

DNA轻推

但是推出这项技术可能很困难。

就在去年 8 月，英国初创公司 DnaNudge 在健康食品商店推出了 20 分钟的 DNA 测试。这建立在“盒式实验室”传感器系统之上，该系统是与剑桥的 TTP 一起开发的，并在 Covid-19 大流行期间脱颖而出。现在，这提供了有关个人从系统中清除咖啡因的速度（无论是“快速”还是“慢”咖啡因代谢剂）以及氧化应激对皮肤影响的数据。

该公司由伦敦帝国理工学院的 Chris Toumazou 教授于 2015 年创立，他之前创立了 Toumaz Technology，致力于开发绷带中的超低功耗无线传感。

Toumazou 说：“在世界任何地方的零售环境中推出了第一个现场消费者遗传学服务后，我们现在通过这个行业首创的 Express DNA 测试又进一步创新了。“通过这种新的超快速店内测试，我们让消费者更容易根据他们独特的基因做出正确的食品和护肤决定，使具有新知识水平的人们能够积极影响并主动改善他们的健康和福祉。”

然而，当年晚些时候，当公司与支持者 Ventura Capital 闹翻并进入管理时，这一切都分崩离析。

未来传感器

尽管如此，欧洲仍处于发展前沿医疗传感器技术的前沿。比利时研究集团 imec 在比利时与美国的几个实验室签署的协议突出了这一点。与麻省理工学院 （MIT） 达成协议后，这些实验室将开发下一代支持 AI 的纳米电子传感器，用于监测临床、护理点或家庭环境中的生物标志物和生命体征。

“我们相信，通过整合尖端半导体技术和人工智能，我们与MIT的合作有能力彻底改变医疗保健，”imec USA的健康战略与投资组合负责人Veerle Reumers说。“凭借麻省理工学院的医疗保健和微系统专业知识，以及 imec 将新技术转移到工业界，这结合了数十年的互补经验。”

欧洲在模拟和传感技术方面的专业知识一直是开发新型医疗传感器的关键。这为新型监测设备（从可穿戴设备到床边）开辟了机会，这些设备具有更小的尺寸和更高的性能。