解决床旁诊断装置的工程挑战

预计到 2027 年，全球即时诊断市场规模将达到 $750 亿美元，复合年增长率 (CAGR) 超过 10%。推动这一增长的因素包括对检测传染病的快速诊断测试的迫切需求，以及人口老龄化和慢性病增多等其他因素。

即时诊断是在患者附近进行的检测，有助于快速诊断和做出治疗决定。例如血糖监测、家庭妊娠测试、血红蛋白、粪便潜血、凝血酶原时间、心脏标志物、尿液标志物检测以及 COVID-19 等传染病检测。

护理点诊断系统设计

设计即时诊断系统需要工程团队考虑几个关键因素。这些因素包括确保测量的准确性和可靠性、用户友好的操作以及通过经过验证的制造流程实现可扩展的生产。在典型的即时诊断解决方案中，耐用的系统读取器可管理整个测量周期，而在一次性盒式磁带中，样本与特定试剂的组合可放大分析物并为其进一步检测做好准备。

这些是典型的测试步骤

接下来，我们将深入研究每个步骤——收集、分离、放大、传导、测量、显示和传输——以了解关键功能、挑战和解决方案。

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从患者身上采集样本并将其放入储液器中进行后续处理需要一种可靠的方法来保持无菌性和易用性。确保用于样本采集的工具是无菌的，以防止污染并确保结果准确至关重要。此外，设计直观、简单且可靠的用户友好体验对于提高诊断系统的可用性至关重要。

为了应对无菌样本采集的挑战，工程团队可以专注于将组件集成到一次性墨盒中。通过减少最终用户所需的手动操作次数，可以最大限度地降低污染风险。这种集成还有助于降低组装和包装成本。

为了保持样本量和溶剂体积的一致性，可以进行二次测试。该测试提供与收集材料（如 DNA）浓度成比例的独立信号。通过补偿样本量和溶剂体积的变化，可以提高测量的准确性。

分离

样本采集后，被转移到一次性试剂盒中，试剂盒可充当微型诊断实验室。在此步骤中，流体结构必须确保液体有效流动，同时防止因杂质或拭子带入溶液的颗粒物造成的干扰。此外，试剂盒和读取器之间的热界面需要精心设计，以实现裂解过程的控制温度条件。

可以采用不同的流体结构来确保液体高效流动。基于重力的系统利用阀门来控制流量，而盘状墨盒则利用离心力。一些系统在读取器内安装泵或在墨盒内安装微型泵以产生压差。先进的解决方案

利用毛细力和微流体通道实现精确的液体导航。还可以实施过滤机制，在液体通过系统之前去除杂质。

对于热界面，读取器中的加热块和试剂盒中的孔之间的精确公差和无空气间隙至关重要。使用柔软的导热橡胶垫可以改善热界面。放置在读取器中的温度传感器有助于在裂解过程中实现受控的温度条件。

图 1 – 墨盒中的流体结构和主要元件的示例

裂解后的后续步骤需要将溶液转移到新的孔中，并设计流体通道以确保液体精确移动而不会夹带气泡。在多孔结构的情况下，需要确保液体在分支之间均匀分布并同时填充孔。

为了实现液体的精确移动，可以利用读取器中的微型泵来产生压差。放置在路径上不同门点的电极可以告知电子元件液体在墨盒中的位置。

设计流体特征（包括孔、阀门和通道）需要精心设计和优化。3D 微流体模拟的最新进展可以显著减少优化墨盒架构所需的时间，从而实现更高效的设计迭代。

解决流体结构和热界面设计中的挑战需要采用各种流体结构、实施过滤机制、优化热界面、利用微型泵和电极以及采用阻断膜。这些解决方案有助于在即时诊断系统中实现高效的样品处理和精确的液体移动。

放大

在此步骤中，即时诊断设备必须使用基于 PCR 的技术或其他分子手段放大低浓度的分析物。放大过程中使用的试剂必须经过灵敏度、特异性和热效应检查。试剂降解和湿度敏感性是关键的制造问题，尤其是在使用珠状预冻干试剂时。盒式组装必须在受控的低湿度环境中进行，并用防潮层和干燥剂密封，以防止试剂降解。

图 2 – 自动夹具将珠子分离并插入孔中

密封通道的制造解决方案包括压敏粘合剂、紫外线固化胶合、选择性激光焊接或多色注塑。密封方法的选择可能需要在生产过程中对密封功能进行 100% 测试。

当试剂盒插入读取器时，确保加热效率和均匀性至关重要。散热器通常由铝或铜制成，负责升高和降低反应孔的温度。应尽量减小散热器的质量，以减少热负荷和能耗，同时保持均匀的温度分布。

图 3 – 带有八个孔的墨盒的热模拟

设计具有最佳厚度的散热器可确保温度分布均匀和加热均匀。适当的热分析和模拟有助于提高墨盒读取器系统的整体性能。集成风扇可以加快冷却过程，但需要控制噪音水平和定期维护空气过滤器，以确保冷却系统清洁高效。

传导

在传导步骤中，盒式材料的设计必须一面透明，以便进行光学测量，同时还要通过不透明的金属散热器提供有效的加热。解决这些相互冲突的要求需要创新的工程解决方案。

为了在热效率和光学可达性之间取得平衡，需要仔细优化金属散热器的材料选择和设计。

一种可能的方法是将诸如窗口或透明部分之类的特征融入盒式材料中，以允许光线通过，同时仍通过散热器提供有效的加热。精确的光学模拟还可以允许使用井的另一侧进行光学测量。

另一种方法是采用直接连接到墨盒的印刷柔性加热器。这消除了与读取器的热接口，并用电接口代替，通过弹簧触点为加热电阻供电。印刷柔性加热器减少了热质量和电阻，实现了更精确和更灵敏的温度控制。它确保在热循环期间快速准确地控制温度。

发热也是系统耗能的重要因素，而所有能量最终都会被浪费。这对便携式设备电池容量的选择有影响，会影响解决方案的尺寸和重量。它还会导致更高的碳足迹。

为了解决能源消耗和碳足迹问题，优化供暖系统以提高效率非常重要。这可能涉及使用创新的供暖系统

印刷柔性加热器等技术可以提供更精细的温度控制并减少能源浪费。此外，探索替代电源或节能策略可以帮助最大限度地降低系统的整体能耗。

测量

将发射光强度转换为数值时，光学系统设计至关重要，需要正确收集激光或 LED 并将其聚焦到液体样品上。光源的波长必须与标记试剂的接受带宽一致。

在扩增周期中，电信号最初保持恒定，然后当扩增达到适当水平时出现斜坡。不同的扩增方法（例如基于 PCR 或 RT-LAMP）会产生不同的响应模式。

光学设计需要系统架构方法，考虑机械、电气和软件方面。模拟和量具 R&R 分析可以帮助优化系统。可以采用多路复用技术来降低光电转换的成本，方法是通过分时激活光源或利用多种发射不同波长光的试剂。

发射光聚焦在光电二极管上后，会转换为电信号，需要放大并防止外部噪声。良好的电气设计、布局和屏蔽对于防止电磁干扰至关重要。然后，放大的信号由模数转换器 (ADC) 转换为数字形式，以供进一步的软件处理。应仔细考虑 ADC 的选择及其设置，以确保准确性和精确度。

信号处理算法因具体解决方案而异，从简单的线性校准曲线到基于机器学习的更复杂架构。目标是在提供可靠结果的同时确保效率和成本效益。最后，在某些情况下，将结果与中央实验室的结果关联起来的能力至关重要，这样就可以比较和分析测量的时间变化。

展示

对于简单的设备，绿色和红色指示器用于告知用户分析物的存在与否。在更复杂的设备中，使用彩色触摸屏来指导用户完成准备步骤、显示机器状态并显示定量测量值。

图 6 – 在模制过程中以薄膜形式插入导电迹线的触摸界面

处理算法的进步使得在触摸屏上重新创建旋钮和按钮成为可能，从而提供触觉反馈的触觉体验。聚碳酸酯镜片保护显示区域，确保液体进入和静电放电 (ESD) 保护。或者，蓝牙等连接选项允许无缝连接到平板电脑或智能手机，从而创建全面的界面而不会显着增加成本。这利用了移动设备的熟悉度，从而提供用户友好且直观的体验。在具有多个读取器的环境中，可以使用平板电脑同时监视和控制所有读取器，从而简化管理并简化测试流程，从而提高效率和生产力。

转移

即时诊断设备可受益于有线连接端口或 WiFi/5G 功能的加入，从而实现大量数据自动化。利用预先合格的模块可实现模块化解决方案和潜在升级，从而增强设备的多功能性。有线或无线连接可将数据直接上传到基于云的系统，从而简化数据管理。

条形码读取器的加入可确保通过高效地从二维码或注册表中捕获用户信息，从而实现准确无误的数据收集。为了保护敏感信息，可以实施加密功能和证书签名，从而增强安全性和隐私性。可能需要进行软件升级以支持新墨盒或启用特定分析，从而确保设备保持最新状态。射频模拟有助于在便携式手持设备中保持可靠的连接范围，确保手的存在不会影响设备的天线效率。

即时诊断技术的其他进步

目前有几项激动人心的技术正在开发中，它们有可能很快彻底改变即时诊断设备的设计和生产：

结论

即时诊断设备中的每个步骤和技术模块都为工程团队带来了独特的设计挑战，但在应对这些挑战时，医疗设备制造商可以确保准确、可靠和用户友好的结果，满足快速准确测试的迫切需求。

通过在产品开发周期早期引入像 Flex 这样经验丰富的制造和供应链合作伙伴，制造商可以更加灵活地行动并进一步增强设计流程。