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便携式生物传感器“嗅出”心脏病和癌症等疾病信号

导读: 来自台湾国立清华大学(National Tsing Hua University)和成功大学(National Cheng Kung University)研究人员组成的科研小组开发出一种低成本的便携式医疗传感器套件,该套件能够帮助提醒用户相关医学问题,包括严重的心脏病和癌症。

便携式生物传感器“嗅出”心脏病和癌症等疾病信号

带有USB接口的便携式测量装置连接到笔记本电脑。安装在笔记本电脑中的软件提供图形用户界面(GUI)来控制测量参数并显示测试结果。插图显示了封装后的AlGaN/GaN HEMT芯片连接到安装在便携式设备上的microSD读卡器上

据麦姆斯咨询报道,一项发表在《ECS Journal of Solid State Science and Technology》期刊上的研究显示,来自台湾国立清华大学(National Tsing Hua University)和成功大学(National Cheng Kung University)研究人员组成的科研小组开发出一种低成本的便携式医疗传感器套件,该套件能够帮助提醒用户相关医学问题,包括严重的心脏病和癌症。

便携式医疗器件已经成为全面医疗保健不可或缺的一部分,在监控、医学治疗、诊断、健身和保健方面展现出巨大的潜力。配合医院和紧急护理中心所使用的台式即时诊断仪器,个人既能增加预防护理措施,也能更全面地了解自身的健康状况。

根据开放获取的论文《基于场效应晶体管的生物传感器和便携式个人医疗保健设备》,研究人员已经在论文中描述了低成本晶体管器件的设计、开发、制造和原型,它能用于测量血液中的C反应蛋白(C-reactive protein,简称CRP),当CRP水平升高时,即表明炎症可能与即将发生的心脏病、中风、冠心病和其它医疗诊断类疾病相关。

国立清华大学兼研究论文的共同作者Yu-Lin Wang教授表示,“该器件将最终被制造成小型手持设备,并通过蓝牙或Wi-Fi轻松连接至智能手机,数据可以被收集存储到应用程序内,用户也可以将数据发送给医生。操作起来和血糖仪一样简单,任何人都可以随时随地用一滴血进行测试。”

由于血样中含盐浓度较高,基于硅基场效应晶体管(field-effect transistor, FET)的生物传感器的精度和性能经常受到影响。Wang及其研究团队意识到这一问题,开发出一种基于GaN(氮化镓)的高电子迁移率晶体管(HEMT)作为响应,GaN具有化学惰性,不会出现相同的性能下降。虽然GaN比硅更昂贵,但是微制造技术的进步帮助开发出小型HEMT,从而大大节省成本,成本下降为大批量生产铺平了道路。

虽然基于场效应晶体管的生物传感器具有许多潜在优势,但是进入应用领域仍需要克服诸多技术障碍。因为场效应晶体管非常灵敏,就有可能变得不稳定,因此开发一致性较高的传感器通常较为困难。为了让他们的设备在物廉价美的前提下兼具可靠性,该团队开始寻求新的创新方法,尽可能减少干扰。研究团队利用非常短的脉冲测量系统得以实现。

Wang指出,“我们也开发出一种方法,来克服常见于场效应晶体管的电荷屏蔽影响。这种方法使得我们能够检测目标蛋白,而无需稀释或将临床样本进行脱盐处理。因此我们不需要在传感器或器件中使用任何自动装置,可以使系统变得经济简易。操作本身就很简单,每个人都可以做到,只需要滴一滴血滴后点击即可。”

通过上述努力,研究团队得以开发出一种精确且经济实惠的系统,并且在传感器上整合了一种新方法。

Wang说道,“我相信我们所创造的技术未来将适用于数十亿人。”

该装置在CRP水平升高时做出提醒,未来将有可能挽救生命。目前,从这项技术中获益最多的人群将是患有心血管疾病或有心血管疾病风险的人群,如心脏病发作或心力衰竭。例如,有些人心脏病发作时可能没有典型症状,如剧烈疼痛感或感到不舒服。然而,便携式生物传感器可以立即检测血液中特定的心脏标志物,即使没有症状显示也能提醒患者心脏病的发作。另一种情况下,现场急救员也能使用该装置快速且准确地诊断患者。

慢性心力衰竭患者可以使用该装置监测生物标志物,一旦升高,就能提醒你患有心力衰竭的风险。定期监测这些生物标志物可以有效降低患者复诊率,进而提高患者生活质量并降低医院医疗费用。

Wang解释道,“测试只需要5分钟和1滴血,每个人都能直观地知道如何使用该装置。该装置的成本非常低,所以它将适用于每个人。当受体被固定,如适体或抗体改变时,就可以检测到不同的生物标志物。该装置可以检测到多种疾病标志物。”

由于其重要性,以及在该项研究中所展示出来的变革性工作,ECS将其指定为编者特选文章。这类文章通常展示出一个新的研究方向,一类新的概念和一种解决相关领域问题的新方法。

ECS杂志固态科学技术栏目的编辑Fan Ren指出,“这项工作展示了一款低成本便携式医疗传感器套件,只需要一滴血,这款新型传感器套件就能检测出心脏病发作甚至是肿瘤。”

该团队已经开发出手持设备样品,并成功展示出准确一致的结果。Wang相信不出一年,该装置将与智能手机和云计算相兼容。

Wang最后说道,“我们正在与医院和产业界合作,试图将该装置转化成真正的产品,我认为未来该装置将收集到大量的数据,这些数据经由人工智能分析成为物联网(Internet of things)生态系统的一部分。该装置将在上述环节中扮演至关重要的角色。”

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