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全球发展大趋势 (Megatrends) 中不仅有数字化，还有人口变化和健康这两个重要的社会挑战。经历过COVID-19疫情后的世界，比以往更需要重视医疗健康的发展。在人口老龄化的趋势下如何更好地为老年人群提供优良，便利的医疗条件；如何提高人们的健康水平和医疗的便利水平；如何更好地预防和应对疫情。

只有通过跨学科的技术融合才能更好的解决这些挑战。医疗设备无论是在健康护理，疾病的预防、诊断和治疗上都起着非常关键的作用。未来的医疗设备势必趋于多功能，更紧凑，更微型，更智能和更网联，使得医疗服务能够更优质的，更便捷的，以及更自主的得到实现。

© Fraunhofer Project Hub MEOS

 

微电子和光学系统生物医疗应用项目中心 (MEOS项目中心)

成立于2018年的MEOS(Microelectronic and Optical Systems for Biomedicine) 项目中心，位于德国Erfurt，隶属于弗劳恩霍夫光电微系统研究所 (Fraunhofer IPMS)。该项目中心不仅有来自Fraunhofer IPMS的微电子和微系统专家，还有来自于弗劳恩霍夫应用光学和精密机械研究所 (Fraunhofer IOF) 的光学专家，他们一起探索和创新光电微系统技术在医疗领域的应用。加入该项目中心的还有弗劳恩霍夫细胞治疗和免疫学研究所(Fraunhofer IZI)的生物医学专家， 他们给予项目中心在医疗和市场需求方面的专业支持。

该项目中心主要以需求和应用为导向，利用微电子和光学系统技术以及MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 和Optical MEMS系统集成技术，研究和开发用于医疗分析诊断，健康护理和制药等领域的医疗设备。项目中心有条件生产所需的微电子，微机械和微光学元器件，并且能够将他们集成到微系统中(MEMS/MOEMS)，提供小批量的系统产品生产。项目中心所在的Fraunhofer IPMS研究所拥有1500平方米的无尘室，可以提供200毫米(8英寸)晶圆的生产、验证、测试、系统集成等。

光电微系统在医疗方面的应用

光电微系统，借助其体积小，重量轻，耐用性和灵敏性高等特点，被广泛应用在医疗领域中，不断推动医疗设备的功能拓展，使其更加的微型化，智能化和网联化。这些医疗设备不仅在疾病治疗的过程中提供了更智能的支持，同时助力医务工作人员的科研和疾病检测工作，并且在日常生活的健康护理和疾病预防方面也给予了人们更多的便利。

目前常见的应用有基于移动设备的各种健康检测功能，心率检测仪，压力测试仪等。利用物联网技术，这些数据参数经过传输，存储和进一步分析，从而提供更好的健康检测服务。弗劳恩霍夫协会MEOS项目中心的专家们将微电子和微光学技术相结合不断开发出更多具有挑战性的创新型应用。

 

MEOS项目中心目前的三个主要研究方向

 

1. 结构光照明 (Structured Illumination)
 

© Fraunhofer Project Hub MEOS

 

传统的荧光显微镜是最常用的医疗设备之一，然而由于激发光照射的影响，显微镜下的细胞会在长时间的光照下被杀死，即所谓的光毒性作用。

这项研究的主要目的是利用“结构光照明”技术开发可以用于高分辨率显微镜中的光学模块来降低光毒性。解决方法就是使用优化过的MEMS微镜阵列，并结合其他一些特殊的光学器件来形成结构光调制器。通过对入射光照射的空间位置和角度进行准确控制，来确保只有被投射部分才能接收到入射光照射，从而降低光毒性作用。这对医学生物研究有着非常重要的意义。

Fraunhofer IPMS开发的空间光调制器由制成在半导体芯片上的微镜阵列组成。其中每个微镜都可调，大小是16x16 μm²。根据应用的不同，微镜的数量从几百个到几百万个不等。在大多数情况下，微镜系统需要集成在专用集成电子电路（ASIC）上，以便能够对每个微镜进行单独的模拟偏转控制。此外，还需要用于微镜阵列控制的微电子控制器和控制软件的支持。
 

2. 高级成像 (Advanced Imaging)

© Fraunhofer Project Hub MEOS

 

MEOS项目中心在高级成像方面主要关注以下三个研究重点:

(1)    在显微镜下对活体生物样本长时间观察中，如何降低光毒性作用和保证高清晰度的成像?

该研究利用多向单平面照明显微镜技术（mSPIM：multidirectional Single Plane Illumination Microscopy），开发可以对活体生物组织进行高通量成像的模块，大大降低了光毒性影响并且减少荧光漂白效应，使得长时间对生物过程的观察成为可能。除了必要的电子和光学器件的开发外，项目中心还在实验分析方法和图像分析方法上做了优化。

 

(2)    在手术过程中，如何帮助医生准确定位恶性细胞而避免触及良性细胞?

在现有的荧光共聚焦显微镜（fluorescence confocal microscopy）中加入一个新开发的光电模块。该模块可以在手术过程中对恶性和良性细胞进行实时判断和区分(in-vivo confocal microscopy)。这个光电模块是利用集成在单晶硅片上的MEMS微扫描镜实现的。

 

(3)   如何提高及时诊断 (Point-of-care) 中的成像效果?

Point-of-Care诊断设备的优势和需求正在不断地渗透到医疗领域和日常生活中。如何保证此类紧凑型医疗设备的成像功能是这个研究方向的重点。项目中心利用微型光学器件并且结合MEMS驱动原理来实现这一挑战性的要求。该成像系统可以支持亚微米范围的光学分辨率，并且基于硅晶圆集成而成。
 

3. 生物功能表面和生物传感器 (Biofunctional Surfaces and Biosensors)

© Fraunhofer Project Hub MEOS

通过对人体呼出的气体或者汗液等分泌的液体中挥发性有机物质的分析，可以对包括癌症在内的一些疾病做出早期发现和诊断。项目中心致力于利用基于MEMS系统的离子分光仪（ion mobility spectrometer）实现了一个生物传感系统。利用该系统结合人工智能等分析方法，可以进行快速，无创伤的多种疾病检测。由于这是一个非常紧凑的Point-of-care诊断设备，因此可以代替传统实验室从而更高效，更便捷的操作完成检测。

 

MEOS项目中心更多的医疗应用方案

除了以上的三个研究领域，充分利用Fraunhofer IPMS研究所开发的各类微型传感器，MEOS项目中心不断将其在微电子和光学方面的技术相结合，致力于开发更多应用于生物医疗领域的创新技术和产品。

光电微系统在医疗领域的应用潜力巨大。

MEOS项目中心网址:

www.meos.fraunhofer.de

如果您对MEOS项目中心的相关信息感兴趣，请联系：

德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会 北京代表处

电子，信息与通信技术代表 闫贝贝

电话:  010-65906135 -12

邮箱:  beibei.yan@fraunhofer.cn