電子產業如何利用智慧技術因應COVID-19危機?

作者 : EDN Taiwan編輯部

在此全球COVID-19疫情持續蔓延之際,有哪些值得關注的智慧(醫療)平台?

全球自2019年底受到新冠肺炎(COVID-19)疫情的影響,到2022年的今天都還無法恢復,甚至看不到疫情的終點。過去兩年來,如何善用智慧技術提升防疫工作,成為各國對抗疫情的重要策略。電子產業也積極加入協助「抗疫」的行列,推出多項結合人工智慧(AI)、物聯網(IoT)、感測器與大數據(Big Data)等新技術的設計來協助防治疫情。

《電子技術設計》(EDN Taiwan)本期封面故事將以圖集的形式呈現在過去兩年來,電子產業透過各種智慧硬體技術為提升防疫能力開發的創新設計、技術以及解決方案。

透過本文圖集,我們看到儘管疫情衝擊全球經濟,對於電子產業帶來諸多挑戰,但也有更多公司在不確定中找到新出路,瞄準疫情帶起的商機,在短時間內創新開發或整合現有的智慧技術,或連結在地業者迅速打造協助抗疫的智慧平台。值得注意的是,因應疫情在全球造成的龐大醫療需求,催生並加速著更多創新的智慧醫療相關設計應運而生。

在此COVID-19疫情持續蔓延期間,有哪些值得關注的智慧(醫療)平台?

新冠病毒檢測晶片只需三分鐘快篩

第一套採用MOSFET快篩晶片系統,檢測結果只需3分鐘。(圖片來源:Spirox)

號稱全球第一套基於場效應電晶體(MOSFET)快速檢測COVID-19的晶片系統,採用矽基分子電測科技(Molsentech)開發的生物晶片,搭配蔚華科技(Spirox Corp.)的客製檢測儀器,透過高靈敏度的半導體晶片檢測技術,只要三分鐘即可判讀快篩結果,即使感染初期或是無症狀患者皆能提供準確的檢驗結果。

矽基分子執行長褚家容說明,有別於現行快篩技術採用聚合酶反應(Real-Time PCR)檢測以光學訊號判讀,矽基分子利用「生物奈米矽場效應電晶體」(Bio-FET)對電荷具極高靈敏度的特性,結合表面改質及分子檢測技術,當晶片偵測到待測物,電流訊號會立即上升,提供即時檢測結果。

此外,每一晶片具有上萬個檢測點,微量檢體即可同時檢測上萬次,大量電訊號數據經過分析運算可產生準確率極高的檢測結果,且擁有核酸不需要經過PCR放大的超高靈敏度,不但大幅縮減現行核酸檢測所需的時間且準確度與核酸檢測相同,檢驗過程也更加安全簡便。

目前,此快篩系統已在高雄榮總完成臨床驗證,2月上市使用。接下來,合作夥伴將並計劃持續深化此生物晶片檢測研究及開發,預計再推出可同步篩檢流感及新冠病毒之檢測套組,以及癌症與腎衰竭等重大疾病之早期檢測系統。此新冠病毒檢測台適合佈署於機場、港口或人潮較多、感染風險較大的檢驗站,做為第一線預防的篩檢工具。

非接觸刷臉門禁系統提升醫護安全

AI雙眼龍TC-800系統部署於部立桃園醫院負壓隔離病房。(圖片來源:訊連科技)

因應防疫安全以及更有效管理人員出入,部立桃園醫院7A負壓隔離病房的出入口設置搭載訊連科技(CyberLink) FaceMe AI人臉辨識技術之筑波醫電(ACE Biotek)「AI雙眼龍-紅外線熱感及可見光自動檢篩系統」(TC-800),為負壓隔離病房醫護人員提供一站式非接觸性門禁篩檢系統。

該系統可於0.5秒內,透過熱像儀動態感測10至30人之體溫,溫度超過37.5℃還會有警示音、拍照、錄影等功能,並使用人臉辨識技術辨識醫護人員身份以及記錄進出時間,有助於減少接觸風險,保障醫護人員及負壓隔離病房的病人健康與安全。

此外,TC-800系統還具備整合口罩辨識、人流計次甚至醫院插健保卡查詢COVID-19病人風險評估表(TOCC)功能,登錄的資料可以保存28天,除了設置於醫院外,也適用於科技大廠、購物中心、辦公大樓、校園等大型場域入口處,以非接觸性方式,大幅提升防疫期間健康偵測及身份確認之效率。

智慧人流計數方案協助維持社交距離

基於雷達的智慧人流計數方案建置於英飛凌香港辦公室(圖左/圖中)以及餐廳(圖右)的入口,用於計算進出人數並協助保持社交距離。(圖片來源:Infineon)

因應全球政府推動社交距離的相關規定,英飛凌科技(Infineon Technologies)開發出基於60GHz毫米波(mmWave)雷達的智慧人流解決方案,協助偵測公共空間的人員群聚狀況,抑或是人員進出是否與前方人員保持適當距離,並相應發出警示,以掌握或控管空間的人數限制,減少因群聚而導致病毒擴散或感染潛在風險。

該智慧型進出人流計數解決方案採用微型雷達板(20mm x 15mm),透過單一60GHz雷達感測器以及整合式軟體演算法,精準地以匿名方式自動偵測計算人數,包含人流進出以及在場域內的人數,為商場、辦公大樓等公共場所的空間駐用和人流管理提供了安全且有效的方法。

據英飛凌科技(大中華區)電源與感測系統事業部高級市場總監廖明頌介紹,該毫米波雷達可在不使用攝影鏡頭的情況下偵測特定範圍內聚集的人群密度,並警示因人群過度密集而導致的病毒感染潛在風險。此外,其雷達感測器由於以非接觸方式自動偵測物體的存在和移動,而非辨識身分,因此個資的部份可以受到更好的保護。

 

智慧人流解決方案安裝於公共場域入口處的側邊或是頂端,偵測進出的人流,除了透過流量警示燈指示是否允許進入之外,當兩人之間的距離少於1.5公尺時即觸發警報,警示後方的人停下或是放慢腳步,以維持適當的社交距離。

除了現場計數以及維持社交距離,該解決方案還可連接至雲端,搭配客製化的GUI,在遠端螢幕或是行動裝置上顯示該場域的忙碌狀況;或是應用於餐廳的候位排隊管理、ATM機器、領藥櫃檯等零售業,即時掌握各出入口的人流情況,為空間管理提供更好的管控。

PAS CO2感測器監測室內空氣品

奧地利的學生團隊利用PAS CO2感測器建構警示燈,以確保通風的必要性,從而降低感染傳播的風險。(圖片來源:Infineon)

良好的空氣品質有助於抗擊新冠疫情。由於二氧化碳(CO2)濃度與氣溶膠濃度之間存在正相關關係,而氣溶膠是病毒(如COVID-19或流感病毒)的傳播途徑之一。英飛凌為此推出XENSIV PAS CO2感測器,不僅能監測室內空氣品質,掌握室內CO2濃度,還能透過及時調節通風等方式,有效降低病毒傳播風險。

該CO2感測器基於創新的光聲光譜(PAS)技術,能以非常小的佔板空間實現高效的空氣品質監測,並有助於降低能源成本。該感測器中整合的微控制器(MCU)可將檢測到的CO2濃度直接轉換為ppm值,並透過串列I²C、UART和PWM介面取得資料。透過在空調系統或空氣品質監測器當中建置這款PAS CO2感測器,可以針對性地控制空氣品質,有助於改善人員的健康狀況並提高工作效率。

英飛凌並與MCI創業學校合作,向奧地利的11所高等技術學校提供高精度的XENSIV PAS CO2感測器。學生團隊利用它們建構CO2警示燈,以警示通風的必要性,從而降低感染傳播的風險。

這款CO2感測器適合建置於通風系統、空調系統、可攜式室內空氣監測設備等應用,針對室內的CO2濃度值進行精準的監測,並在此基礎上準確控制教室、辦公室、餐廳和住宅的通風時間,從而達到節約能源的效果。同時,它還能夠根據精確的感測器資料按需求使用通風系統,降低通風系統的運作成本。

此外,在疫情開始席捲全球之際,全球染疫人數暴增,亟需呼吸器等醫療資源,英飛凌隨即供應3,800萬顆馬達控制晶片,為瑞思邁(ResMed)等全球醫療器械設備商提供可靠、高效的呼吸器,對於全球的抗疫行動做出實際貢獻。

可攜式奈米感測器即時檢測和診斷

ADIPinpoint聯手提供快速病毒和細菌測試技術,有助於新冠肺炎和未來傳染性疾病的檢測和預防。(圖片來源:ADI)

面對COVID-19疫情的全球蔓延,全球迫切需要更好的一線普篩方法以遏制微生物病原體的傳播。目前透過測量額溫確認是否發熱的方法,不僅無法檢測出無症狀感染或症狀發生前的感染,也無法將新型冠狀病毒和威脅較小的呼吸系統疾病區分開來;而其他診斷檢測方法或者不準確,或者返回結果的速度太慢。

有鑑於此,ADI與奈米感測器即時診斷技術新創業者Pinpoint Science合作,提供快速病毒和細菌測試技術,這些技術可望對新冠肺炎和未來傳染性疾病的檢測和預防產生重大影響。透過更高效的即時檢測和診斷解決方案,這種診斷裝置可以快速檢測生物指標,例如抗體和抗原等,並快速辨識導致疾病和死亡的特定微生物病原體。其讀取器配備一次性靶向病原體檢測盒,可以現場得出準確的結果,而無需依賴化驗室、醫療技術人員或樣品製備。

Pinpoint可攜式讀取器的基礎之一是ADI ADuCM355化學感測平台。該精密類比MCU擁有生物感測器和化學感測器介面,能夠在單一晶片中同時實現恒電位儀和電化學阻抗頻譜分析儀(EIS)功能,為生命徵象監測和疾病管理應用提供理想的解決方案。該元件整合先進的感測器診斷技術,具有卓越的低雜訊和低功耗性能及較小的尺寸,能提供更高的可靠性和極高彈性,並大幅節省開發成本。

Pinpoint建構的通用平台是將一次性檢測盒插入讀取器,以檢測血液、唾液或鼻腔分泌物樣本中的特定病原體。檢測盒的奈米感測器可以檢測傳染病的特定標記:病毒蛋白、細菌蛋白以及宿主抗體,而且不到一分鐘就能得出結果。

光感測器加速藥物、疫苗與檢測試劑開發

感測器光纖在FOPPR生物感測器的微流體通道中經入射光束激發時的 3D 示意圖。(圖片來源:Instant NanoBiosensors)

台灣智慧醫療新創公司奈捷生物科技(Instant NanoBiosensors)專注於開發「光感測之蛋白質及核酸生物標誌可攜式檢測平台」,利用光纖式粒子電漿共振技術(FOPPR),能徹底改變傳統免疫測定與分析方法,建立高效的醫療生態系統。

因應COVID-19衝擊,奈捷生技透過其技術協助客戶開發藥物、疫苗與檢測試劑。針對安肽生醫(AnTaimmu BioMed)從COVID-19 N蛋白篩選出來的7株單株抗體進行親和力分析,採用奈捷FOPPR光感測晶片,在一天時間就得到7株抗體親和力,加速安肽生醫研發的抗體組成。

另外,在COVID-19抗體藥物開發方面,安肽生醫也從COVID-19 S蛋白篩選出21株單株抗體,其中多株具有中和病毒能力。奈捷生技透過精準即時的檢測平台在一天就測定這些抗體的親和力,並利用最新研發之同時分析四種抗體與單一抗原表位(epitope binning)方法,找到其中兩株中和抗體表位(epitope)不同,為COVID-19抗體新藥的開發建立基礎。

安肽生醫利用奈捷感測技術進行快篩與蛋白質藥物開發。(圖片來源:Instant NanoBiosensors)

安肽生醫並與台康生技及寶齡富錦生技二家公司合作,共同推出台灣第一個上市的COVID-19抗原快篩試劑「飛確Vstrip COVID-19 抗原快篩試劑」,能快速偵測出病毒,具有更佳的便利性,有利用於新冠病毒檢測並有助於一般篩檢的推廣。

「飛確新型冠狀病毒抗原快速檢驗試劑」以定性檢測疑似感染COVID-19的患者,利用快速的側向流體免疫層析法,檢測其鼻腔是否具有新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)核衣殼蛋白抗原。安肽生醫利用奈捷生感測技術進行快篩與蛋白質藥物開發。

光譜感測器快速精確檢測抗體量

數位高速測試方式(Digital Rapid Test)用於測算人體內新冠病毒的抗體量。(圖片來源ams OSRAM)

基於ams OSRAM光譜感測器運作的「數位高速測試方式」(Digital Rapid Test),可用於測算人體內新冠病毒的抗體量,其原理和新冠抗原測試一樣,只是測試條上的生化物質成份不一樣。

光譜感測器是實現高品質分散檢測的重要條件。這種檢測方式透過ams OSRAM的雲端連結解決方案,向PCB提供感測器、光源、光學元件和無線連接。有了一份設計指南,製造商就能將PCB整合於自家創新產品中,只需利用一份小小的血液樣本,生物化學就能給試紙條著色,並控制測試線。

光譜感測器的作用就是測算相應的顏色變化。測試線上的兩個LED燈先後閃爍,並控制測試線的位置。發出的光線中有一部份被吸收,反射訊號的光譜則進入檢測環節。線條褪色程度與抗體數量成正比,抗體數量反應血液樣本中的抗體水準。抗體量越大,顏色濃度越高。

ams OSRAM並利用光譜感測器開發出數位化側流抗原測試(LFT)技術,可在任何醫療現場於15分鐘內得出檢測結果,為消費者提供堪比實驗室的消費者健康診斷,讓病毒檢測更快速、高效。

為了克服傳統LFT測試條人眼直讀的限制,ams OSRAM提供數位化光學讀出器模組,由LED和具有光譜感測功能的光電二極體組成,可以將光學靈敏度提高至人眼辨識的10倍之高,實現可定性定量分析,並可進行多分析物檢測。在進行抗體測試時,將讀出器置於雙線LFT試紙上,借助兩個LED進行反射至讀出器上,即可完成對抗體的檢測。

ams OSRAM並聯手Senova啟動COVID-19抗體數位快速檢測套件生產線,以及與Precision Biomonitoring開發唾液抗原新冠快檢設備以辨識無症狀感染者等,進一步將LFT技術推向市場,並共建病毒檢測生態系統。

BiologyWorks k(now)裝置採用ams OSRAM10通道光譜感測器,針對COVID-19及其他傳染病提供快速、準確的實驗室級分子檢測。(圖片來源:ams OSRAM)

利用UV-C光源抑制病毒

UV-C LED技術的各種消毒殺菌應用。(圖片來源:ams OSRAM)

疫情衝擊下,基於紫外光(UV)-C LED的消毒殺菌方式因其更環保、便捷而逐步被家用消費市場認可。基於UV-C LED的功率和光效節節攀升,應用範圍逐步擴大至中小型乃至專業場所、水處理等領域,並在結合感測器、網路控制等技術後,成為更智慧、更安全、更高效的首選。

據ams OSRAM介紹,UV按照波長範圍通常分為UV-A、UV-B、UV-C。UV-C波長短、能量高,透過高能光子打破DNA/RNA結構中最薄弱環節,使得細菌/病毒等微生物繁殖過程失活,用於消毒空氣、水和各種物體的表面,實現高效快速的光譜殺菌效果,國際紫外線協會(IUVA)表示,這將有助於減輕傳播COVID-19病毒的風險。

因應目前業界主要圍繞著消毒殺菌效率最佳的265nm對應波長開發UV-C殺菌光源,ams OSRAM即將推出265nm波長的6060封裝產品,以取得更佳消毒殺菌效率,並期望推動UV-C LED應用路線從消費類產品拓展至流水、通風、室內表面和食品等消毒殺菌,以及專業的流水、醫療和公共交通工具,並進一步擴展至大規模的水處理或冷鏈消毒殺菌。

RFID感測器全程追蹤與監測疫苗

用於疫苗追蹤和管理的RFID感測器標籤系統。(圖片來源:Axzon)

疫苗是拯救生命的藥物,但在疫情期間,疫苗批號誤植、造假和過期甚至打錯疫苗等問題頻傳;另一方面,許多疫苗也必須在低溫下運輸、密封和包裝,以區別於仿製品,這些都需要以可負擔的成本進行。

Axzon開發獨特的標籤解決方案和物流管理系統,旨在提供監督、溫度監測以及加強和保護諸如COVID-19等疫苗接種供應鏈。該系統的核心是一個無電池無線感測器標籤,其尺寸小到可以直接附在最小的疫苗瓶上,還能精確報告即時溫度數據,並監測液位以指示瓶中剩餘的劑量,使儲存和管理過程更快、更安全且更可控。

先進的RFID感測器技術還包括唯一可追溯的標識碼、數位簽名和序列號,以確保真實性。完整的解決方案圍繞Axzon感測器建構,以支援連接到網路或具有雲端連結手持裝置的完整工作站。

規劃和過程監控能夠定義在後台運行,以記錄疫苗之旅的每個步驟,並顯示疫苗已在正確的溫度範圍內儲存,以及到期前的剩餘時間。透過這種監控和報告系統,可在整個供應鏈過程中提供完全的可見性和可追溯性,以確保符合法規、疫苗功效,同時避免處理錯誤和浪費。

微型石英晶體確保精準追蹤每個接觸足跡

 

泰藝電子為藍牙追蹤裝置提供振盪頻率精準且穩定的石英晶體,確保追蹤足跡裝置正常運行。(圖片來源:泰藝電子)

全球疫情至今仍然嚴峻,加強接觸者足跡追蹤是各國關注的重點。例如,為了落實防疫的接觸追蹤,新加坡政府要求人員出入公共場所時,必須使用手機上安裝的合力追蹤器(TraceTogether) APP或代幣裝置(token)刷進刷出,以便有效率地掌握確診者足跡,以及針對與確診者近距離接觸相當時間者發出通知。

但是就算是智慧型手機無所不在的現代社會,依然還是有未持有智慧型手機的族群,特別是冠狀病毒高風險的年長者,所以足跡追蹤器成為收集數據的重要裝置。追蹤此足跡的藍牙追蹤裝置,必須依賴精準而低功耗的藍牙訊號才能穩定運作。此外,該小型追蹤裝置的尺寸相當於Apple AirPods耳機充電盒,近期發送的新款裝置尺寸還必須更進一步縮小。

為此,泰藝電子(TAITIEN Electronics)與TraceTogether等製造商共同開發足跡追蹤器。該足跡追蹤器透過藍牙科技,與附近的足跡追蹤器互換藍牙訊號,除了避免疑似確診或是需要隔離的民眾不會進入公共場所外,一旦有人確診,也可以盡快找出密切接觸者或是迅速提供關鍵資訊,如確診者足跡、停留時間等給民眾。

泰藝電子為其token裝置提供精準且穩定的石英晶體振盪器,除了良好的藍牙訊號,還支援小至2.05 x 1.65mm的封裝尺寸、低至5ppm的頻率容差和溫度穩定性、3.58MHz至80MHz的頻率,可望滿足低老化和低相位雜訊等要求。由於任何藍牙訊號都必須使用,因而也適於需要移動式的各類醫療電子應用。

此外,為了協助疫苗運送過程的控溫,泰藝電子的寬温石英晶體並用於疫苗運送的即時監控管理。由於疫苗保存需要極度低溫的條件才能保持其有效性,在整個疫苗分發流程中必須維持在低溫環境。泰藝電子並與合作夥伴開發支援GPS的感測器,置於每批疫苗保冷箱中並連接到監控端網路,隨時追蹤各路線上每批疫苗運輸的位置和溫度,主動防止不必要的溫度偏差。

 

泰藝電子的寛温石英晶體在-40~+125度之間,能夠維持精準及穩定的振盪頻率,進而確保傳感器的正常運作。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年4月號雜誌

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