Spektrale sensorer giver detaljerede optiske signaturdata, som gør præcise og non-invasive analyser af alt lige fra hudmålinger til mikrofluide tests og monitering af farma muligt. Det er kompakte, energieffektive løsninger, der også egner sig fint til transportabel og mobil elektronik
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 2 – 2026 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Manuel Gauß, senior manager product marketing, Analog & Sensors, Rutronik,
og Florian Lex, product marketing manager, AMS Osram
De krav, der i dag bliver stillet til medicinsk diagnosticeringsudstyr, er kraftigt tiltagende: Udstyret skal være præcist, gerne bærbart og så non-invasivt som overhovedet muligt. For designerne kræver det en smartere brug af optiske sensorer. Spektrale sensorer – især dem der skal detektere både det visuelle og nær-infrarøde lys – dukker i stigende omfang op som foretrukne komponenter til denne slags opgaver. Ét eksempel er TCS3448 fra AMS Osram, der bruges til mange formål lige fra hudanalyse til mikrofluide diagnosesystemer.
Modsat konventionelle farvesensorer, som kun bredt måler røde, grønne og blå bølgelængder, giver de spektrale sensorer som TCS3448 langt finere opløste multikanal-data. De opfanger lysintensiteten på tværs af multiple definerede bølgelængder. Det sikrer en mere præcis karakterisering af materialer, biologiske prøver og væsker baseret på de enkelte måleemners specifikke spektrale signaturer.
Integration og tekniske funktioner
TCS3448 er en 14-kanals spektral sensor, der dækker området mellem 380nm og 1000nm. Ud over 11 kanaler koncentreret i det visuelle spektrum er der også adgang til en NIR-kanal (nær-infrarød), en klar kanal og en kanal til detektering af flicker (flakkende lys). Sidstnævnte detekterer interferens fra kunstigt lys op til 2kHz, hvilket kan have afgørende betydning for diagnostik med en høj grad af repetérbarhed. Integrerede 16-bit A/D-konvertere med konfigurérbare integrationstider og gain-forhold tillader en fleksibel tilpasning til vidt forskellige målemiljøer.
Med et typisk strømtræk på 280µA i aktiv tilstand og 5µA i sleep mode er sensoren især velegnet til batteridrevne systemer. Med en kompakt OLGA-8-kapsling (3,1mm × 2,0mm × 1.0mm) er integration let selv i pladstrange designs. Takket være sine højpræcise støjfiltre, der er placeret direkte på fotodioderne, som igen er embedded i CMOS-silicium, er der ikke behov for yderligere optik, hvilket igen reducerer størrelsen og omvendt øger målepræcisionen. Til brug i medicinsk teknologi er compliance med regulatoriske standarder (som ISO 13485, CE og/eller FDA) afgørende, og godkendelserne er gjort lettere med de standardiserede, non-invasive målemetoder.
Applikationer fra hudanalyse til farmaceutika
De nævnte funktioner åbner for et bredt udsnit af medicotekniske applikationer. Spektrale sensorer giver objektive og reproducérbare data til som sagt hudanalyser, mikrofluide tests eller i laboratorier og farmaceutiske virksomheder. Det er desuden muligt at integrere de spektrale sensorer i kompakte, mobile systemer.
Hudlidelser som nerveendebetændelse eller psoriasis giver ofte rødmen (erythema) og ændringer i hudens pigment. Disse tegn kan dog være vanskelige at vurdere subjektivt, og de kan variere meget. En spektral sensor som TCS3448 gør objektive målinger af erythema og pigmentværdier til en mulighed med dokumentation af lidelsernes udvikling og effekten af en given behandling. Det er især værdifuldt inden for telemedicinsk analyse eller monitering i hjemmet, da data let kan reproduceres til digital patientregistrering eller på apps.
Lab-on-a-chip
I lab-on-a-chip-systemer eller hurtige tests af infektioner kan farveændringer indikere tilstedeværelsen af en analyt. I små koncentrationer eller under varierende lysforhold bliver øjet dog meget let udfordret med hensyn til grænseværdier. TCS3448 detekterer selv de mindste farveændringer med høj spektral opløsning, hvad der gør kredsen ideel til bærbare, batterieffektive diagnostiske systemer. Det er en tilgang, der også giver en mere pålidelig evaluering af multiplexede analyser med overlappende farvesignaler.
Inden for den farmaceutiske industri og i laboratorieteknologi er farve en kritisk kvalitetsparameter. Afvigelser kan indikere forurening, forringelser eller ukorrekte formler. TCS3448 muliggør pålidelige og automatiske farvekontroller i forhold til tabletter, reagenter eller vækstkulturer. Det giver samtidigt robuste og objektive måledata i den digitale patologi og inden for laboratorieautomation.
Ud over farveanalyse kan sensoren også opfange dele inden for det nær-infrarøde område, hvad der letter målinger af fluorescens. Denne egenskab spiller en stadigt mere vigtig rolle i kompakt point-of-care behandlingsudstyr som testere af malaria, HIV eller jernmangel. Det lave energiforbrug og kompakte design supporterer ydermere brugen i bærbare diagnostiske produkter.
Smart diagnostik gennem optiske signaturer
I takt med at wearables og AI-supporteret diagnostik bliver mere udbredt, så får de optiske sensorsignaler en stadig større betydning. Kvaliteten af data på input har i den forbindelse meget stor værdi. TCS3448 giver en spektralt opløst information over adskillige bølgelængder, og disse data kan føres frem til machine learning-modeller med en minimal konditionering af data. Det gør detektering af mønstre i vævsprøver, væsker eller overflader mulige i tilfælde, som ellers ville være usynlige for det menneskelige øje.
Mulige applikationer kunne være hud-patches til måling af hydrering eller iltmætning, kompakte apparater til hjemmeplejen eller smartphone-tilbehør til mobile helbredstjek. Det vil være muligt at generere omfattende helbredsprofiler, især når de kombineres med andre sensordata som temperatur. I kombination med cloud-konnektivitet og AI-algoritmer åbner det for nye veje til personlig medicinsk behandling, eksempelvis i kontinuert non-invasiv daglig patientmonitering. Spektrale sensorer kan også supportere digital patologi eller automatiske laboratorieprocesser i kliniske miljøer gennem reproducérbare og objektive data til diagnoser og terapi.
Spektrale sensorer som TCS3448 gør designere i stand til at udvikle moderne, bærbare diagnostiske systemer, der arbejder berøringsfrit på en kompakt og datastyret måde. Uanset om der er tale om hudanalyse, mikrofluide tests eller farmaceutisk kvalitetssikring, så giver de spektrale sensorer data med minimalt integrationsbesvær, hvilket er en afgørende kvalitetsparameter for næste generation af smarte diagnostiske systemer.
Billedtekst:
1: Multi-sensor array-on-chip dækker det spektrale område mellem 380nm og 900nm.
2: Den farmaceutiske industri bruger i vid udstrækning optiske sensorer i kvalitetskontrollen.
