臺灣大學開發能早期發現癌症的平價檢測裝置

2021-02-15 MEMS

如果有一種廉價的桌上型檢測裝置能被醫療院所廣泛採用，或許癌症的早期發現將成為常態──而且其關鍵在於，該種裝置能在病灶還只有5mm大小、大多數時候能輕易用外科手術切除的時候就被檢測出來。

上述技術是臺灣大學電機資訊學院（Electrical Engineering and Computer Science，EECS）的開發成果，並已授權臺達電子（Delta Electronics International）製造；臺大電機系教授田維誠表示：「這種可攜式微型氣相層析系統（micro-gas chromatography system），能檢測出顯示肺癌患者的揮發性有機化合物，以及癌症的發展階段。」

該微型氣相層析系統的軟體是由臺大資工系教授曾宇鳳編寫，其他參與此裝置研發的人員還包括臺大電機系教授李嗣涔、聯發科技-臺大創新研究中心主任/臺大電機系教授呂學士，以及臺大研究生郭峻延、黃柏愷、黃彥銘、San-Yuan Wang、Po-Hung Kuo、Wei-Che Hsieh、Yen-Ming Huang與Shih-An Yu。


臺大團隊開發的肺癌檢測裝置

這種微型氣相層析系統的作用像是酒測器（breathalyzer），能讓病患呼氣來檢測典型肺癌的生物標記化學成分；而由於該裝置的檢測能力達到15PPM，因此可以在惡性腫瘤仍能以手術切除的階段就發現它的存在。

市面上也有其他類似的層析系統，但體積通常很大、價格高昂，並需要經過特殊訓練的檢測員，很難成為醫師日常執行的檢查項目；而事實上，另一種在檢測癌症的敏感度上能媲美該微型氣相層析系統的「小型探測器」，是經過訓練的狗狗（當然，它們恐怕也沒辦法一直待在醫師的診間）。

臺大校長楊泮池在接受EE Times美國版編輯訪問時表示：「我們相信若能利用這種廉價的桌上型微型氣相層析系統，在非常早期的階段檢測出肺癌的生物標記，將造福國際社會。」


微型氣相層析系統的內部架構

微型氣相層析系統在尺寸上的終極限制，是進行精確檢測所需的長飛行路徑──也就是量測一個分子到達探測器的時間，以計算其原子重量──臺大的微型氣相層析系統採用一個長微流體通道，能在小尺寸裝置中放進更長的距離。田維誠指出：「我們的終極目標是讓微流控裝置能縮小到可放進智慧型手機。」

目前臺大團隊開發、臺達電製造的桌上型尺寸微型氣相層析系統，內部的關鍵零組件包括一個MEMS預濃縮器（pre-concentrator）、用以將呼氣樣本凝結成液體，一個以微流控制作的獨立圓柱體、能在小尺寸裝置內放進更長的飛行路徑。

還有一個CMOS通用氣體傳感器與校準電路，一個能讀出每個被檢測到的生物標記之高解析度量測值的低雜訊電路，以及由臺積電35納米工藝生產的系統單晶片（SoC），內含特製數位訊號處理器（DSP）單元，能識別、量化生物標記。


層析系統的輸出顯示典型肺癌的化學成分，曲線的高度代表其嚴重性


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