Figura 1: TCS3448 asigură un control fiabil al culorii comprimatelor, contribuind astfel la asigurarea calității în producția farmaceutică. (Sursă: ams OSRAM)
Senzorii spectrali furnizează semnături optice detaliate, permițând analize precise și neinvazive, de la analiza pielii și testarea microfluidică până la monitorizarea medicamentelor. Aceștia sunt compacți, au un consum redus de energie și sunt potriviți inclusiv pentru sisteme portabile.
Cerințele impuse sistemelor de diagnosticare medicală sunt în continuă creștere: acestea trebuie să fie precise, portabile și cât mai neinvazive posibil. Pentru ingineri, acest lucru înseamnă utilizarea mai inteligentă a senzorilor optici. Senzorii spectrali, în special cei care detectează atât lumina vizibilă, cât și cea din infraroșu apropiat, devin componente-cheie în acest context. Un exemplu este TCS3448 de la ams OSRAM, utilizat în aplicații care variază de la analiza pielii până la sistemele de diagnosticare microfluidică.
Capabilitățile senzorilor spectrali
Spre deosebire de senzorii de culoare convenționali, care măsoară doar canalele largi de roșu, verde și albastru, senzorii spectrali precum TCS3448 furnizează date multicanal mult mai detaliate. Aceștia măsoară intensitatea luminii în mai multe intervale bine definite de lungimi de undă. Acest lucru permite caracterizarea mai precisă a materialelor, țesuturilor biologice și fluidelor pe baza semnăturilor lor spectrale specifice.
Figura 2: Sensibilitatea spectrală tipică a celor 14 canale ale senzorului integrat pe cip
În domeniul tehnologiei medicale, acest lucru permite efectuarea unor analize fără contact și în timp real, precum evaluarea modificărilor cutanate – de exemplu, în contextul evaluării melanomului – sau analiza benzilor de testare utilizate în sistemele de diagnosticare la punctul de îngrijire (point-of-care). Procedurile invazive pot fi astfel reduse la minimum, ceea ce permite dezvoltarea unor soluții de diagnosticare mai mobile și mai orientate către pacient.
Integrare și caracteristici tehnice
TCS3448 este un senzor spectral cu 14 canale, care acoperă intervalul de la 380 la 1.000 nm. Pe lângă cele unsprezece canale centrate în spectrul vizibil, sunt disponibile un canal NIR, un canal “clear” și un canal dedicat detecției pâlpâirii. Acesta din urmă poate detecta pâlpâirea luminii ambientale de până la 1 kHz, la o rată de eșantionare de 2 kHz, contribuind la obținerea unor măsurători reproductibile în prezența surselor de iluminat artificial. Cele șase convertoare analog-digitale (ADC) independente, cu rezoluție de 16 biți, împreună cu timpii de integrare și câștigul configurabile, permit adaptarea flexibilă la diverse condiții de măsurare.
Cu un curent de alimentare tipic de 210 µA în modul activ (max. 280 µA) și de numai 0,7 µA în modul de repaus (max. 5 µA), senzorul este deosebit de potrivit pentru sistemele alimentate de la baterii. Carcasa compactă OLGA-8, cu dimensiuni de numai 3,1 × 2,0 × 1,0 mm, facilitează integrarea chiar și în proiectele cu spațiu limitat. Filtrele optice de interferență de înaltă precizie sunt depuse direct pe fotodiodele integrate în siliciul CMOS, iar apertura încorporată în capsulă simplifică suplimentar proiectarea sistemului optic și contribuie la creșterea preciziei măsurătorilor.
Figura 3: Diagrama bloc a TCS3448 și a circuitelor externe
Pentru utilizarea în dispozitive medicale, trebuie avute în vedere cerințele aplicabile de reglementare și de management al calității, inclusiv ISO 13485, alături de cerințele relevante pentru marcajul CE sau autorizarea FDA. Metodele de măsurare standardizate și neinvazive pot facilita integrarea senzorilor spectrali în astfel de sisteme.
De la diagnosticarea afecțiunilor cutanate la aplicații farmaceutice
Aceste caracteristici deschid o gamă largă de aplicații în tehnologia medicală. Senzorii spectrali furnizează date obiective și reproductibile, de exemplu pentru diagnosticarea afecțiunilor cutanate, testarea microfluidică sau în aplicații de laborator și farmaceutice. În plus, aceștia pot fi integrați în sisteme compacte și mobile.
Afecțiunile cutanate, precum neurodermatita sau psoriazisul, sunt adesea însoțite de roșeață (eritem) și modificări ale pigmentării. Totuși, aceste manifestări sunt dificil de evaluat în mod obiectiv și pot varia considerabil. Un senzor spectral precum TCS3448 permite măsurarea obiectivă a nivelului de eritem și a pigmentării, documentarea evoluției acestora și monitorizarea efectelor terapiei. Acest lucru este deosebit de valoros în telemedicină sau în aplicațiile de monitorizare la domiciliu, deoarece poate furniza date reproductibile pentru dosarele digitale ale pacienților sau pentru aplicații mobile.
În sistemele de tip “lab-on-a-chip” (laborator pe cip) sau în testele rapide pentru boli infecțioase, o schimbare de culoare poate indica prezența unui analit. Cu toate acestea, mai ales la concentrații scăzute sau în condiții variabile de iluminare, capacitatea de evaluare a ochiului uman își atinge rapid limitele. TCS3448 poate detecta variații foarte mici de culoare cu o rezoluție spectrală ridicată, fiind astfel potrivit pentru sisteme de diagnosticare portabile, cu consum redus de energie. Această abordare permite, de asemenea, evaluarea mai fiabilă a testelor multiplex, în cazul cărora semnalele de culoare se pot suprapune.
Controlul calității în aplicații farmaceutice și de laborator
În industria farmaceutică și în tehnologia de laborator, culoarea reprezintă un criteriu important pentru controlul calității. Abaterile pot indica contaminarea, degradarea sau formularea incorectă a produselor. TCS3448 permite realizarea unui control fiabil al culorii, care poate fi automatizat, de exemplu pentru comprimate, reactivi sau medii de cultură. De asemenea, senzorul poate furniza date de măsurare obiective și robuste pentru aplicații de patologie digitală și automatizare a laboratoarelor.
Pe lângă analiza culorii în domeniul vizibil, senzorul dispune și de un canal în infraroșu apropiat (NIR), ceea ce extinde posibilitățile de analiză optică. Această capabilitate poate fi utilizată inclusiv în sisteme compacte de diagnosticare bazate pe măsurători de fluorescență, cum ar fi cele destinate testării pentru malarie, HIV sau deficit de fier. Consumul redus de energie și dimensiunile compacte favorizează, de asemenea, integrarea în dispozitive portabile de diagnosticare.
Diagnosticare inteligentă cu ajutorul semnăturilor optice
Figura 4: Sistemul multispectral integrat pe cip acoperă un interval spectral de aproximativ 380 până la 1.000 nm.
Pe măsură ce dispozitivele purtabile și diagnosticarea asistată de AI devin tot mai răspândite, semnalele furnizate de senzorii optici capătă o importanță din ce în ce mai mare. Calitatea datelor de intrare este esențială în acest context: TCS3448 furnizează informații cu rezoluție spectrală pe mai multe intervale de lungimi de undă, care pot fi utilizate ca date de intrare pentru modele de învățare automată, cu o preprocesare minimă. Acest lucru permite identificarea unor tipare în țesuturi, fluide sau suprafețe care nu pot fi percepute de ochiul uman.
Figura 4: Sistemul multispectral integrat pe cip acoperă un interval spectral de aproximativ 380 până la 1.000 nm.
Printre aplicațiile potențiale se numără plasturii inteligenți pentru piele, destinați măsurării hidratării sau a saturației de oxigen, dispozitivele compacte pentru îngrijire la domiciliu și accesoriile pentru telefoane inteligente destinate verificărilor medicale mobile. În special atunci când aceste informații sunt combinate cu date provenite de la alți senzori, precum cei de temperatură, pot fi generate profiluri mai cuprinzătoare ale stării de sănătate. În combinație cu conectivitatea la cloud și algoritmii de AI, această abordare deschide noi perspective pentru medicina personalizată – de exemplu, prin monitorizarea continuă și neinvazivă în viața de zi cu zi. Senzorii spectrali pot sprijini, de asemenea, patologia digitală și procesele automatizate de laborator din mediul clinic, furnizând date obiective și reproductibile pentru diagnosticare și terapie.
Rezumat
Senzorii spectrali precum TCS3448 permit dezvoltatorilor să creeze sisteme moderne de diagnosticare, compacte și portabile, care funcționează fără contact și se bazează pe analiza datelor. Fie că este vorba despre analiza pielii, sisteme de testare microfluidice sau asigurarea calității în domeniul farmaceutic, acești senzori furnizează date precise cu un efort redus de integrare, constituind o bază importantă pentru următoarea generație de sisteme inteligente de diagnosticare.
Autori:
Manuel Gauß, Senior Manager Product Marketing Analog & Sensors, Rutronik
Florian Lex, Product Marketing Manager, ams OSRAM
Rutronik | https://www.rutronik.com
Glosar de termeni
Senzor spectral – Senzor optic care măsoară intensitatea luminii în mai multe intervale bine definite de lungimi de undă, permițând identificarea caracteristicilor spectrale ale materialelor, țesuturilor sau fluidelor.
NIR (Near-Infrared / infraroșu apropiat) – Domeniu al spectrului electromagnetic situat imediat după lumina vizibilă. Este utilizat în numeroase aplicații de analiză și diagnosticare optică.
Canal “clear” – Canal fotosensibil cu răspuns spectral larg, utilizat pentru măsurarea nivelului general de lumină și pentru corelarea datelor provenite de la celelalte canale spectrale.
Flicker / pâlpâire – Variație periodică a intensității unei surse de lumină, frecvent întâlnită în cazul iluminatului artificial și care poate influența precizia măsurătorilor optice.
ADC (Analog-to-Digital Converter) – Convertor analog-digital care transformă semnalul analogic furnizat de fotodiode într-o valoare digitală ce poate fi procesată electronic.
Lab-on-a-chip (laborator pe cip) – Sistem miniaturizat care integrează pe un singur dispozitiv funcții de laborator precum manipularea, analiza și detectarea unor cantități foarte mici de fluide.
Point-of-care – Diagnosticare sau testare realizată în apropierea pacientului, fără necesitatea trimiterii probelor către un laborator central.
Eritem – Roșeață a pielii provocată de dilatarea vaselor sanguine superficiale, întâlnită în numeroase afecțiuni dermatologice.
Test multiplex – Test capabil să detecteze sau să măsoare simultan mai mulți analiți într-o singură probă.
Fluorescență – Emisie de lumină produsă de anumite substanțe după absorbția unei radiații optice la o altă lungime de undă.
Semnătură spectrală – Profil caracteristic al modului în care un material, țesut sau fluid absoarbe, reflectă sau emite lumină la diferite lungimi de undă.