该系统通过检测心脏病和癌症等威胁生命的疾病的生物标志物，实现了及时的医疗干预。研究人员利用光子的非弹性散射，将人工智能（AI）和纳米技术结合起来，开发了一种高度敏感且快速的疾病检测芯片系统。
该“纳米手指”团队已将其应用于心脏病检测，以应对挽救生命的需求。他们还将该系统应用于肝癌检测，以展示其作为早期预警平台的能力。南加州大学的王志涵表示：“炎症、代谢变化或异常蛋白质水平相关的某些生物标志物在两种疾病中都可以找到。该系统采用多诊断方法来分析每种疾病的不同的指标集，使其能够高效地同时测试肝癌和心脏病。此外，这两种疾病在早期都难以预测，因为心脏病发作突然且没有明确的警告信号，而肝癌则悄无声息地发展，没有任何明显症状。”
不仅这两种疾病的死亡率都很高，使得早期检测至关重要，而且在这两种情况下，早期干预可以显著降低死亡率。及时治疗心脏病可以挽救患者的生命，而在早期阶段发现肝癌则大大提高了成功治疗的机会。王志涵说：“该系统的设计旨在通过提供快速、高灵敏度的检测来解决这些问题，以便在为时已晚之前进行干预。”
心脏病的早期预警
心脏病病例每年都在增加，其突然发作和迅速进展使其成为主要的死因之一。仅在美国，就有四分之一的死亡是由心脏病引起的，超过3030万成年人处于风险之中。然而，传统的诊断方法无法在心脏病发作前进行预测，导致无法实施可能挽救生命的干预措施。例如，传统的血液检测存在多个局限性，包括低灵敏度、长检测时间和依赖专业人员进行样本采集、准备和分析，这可能导致结果的变异性及误诊。此外，专用设备和试剂成本高昂，而对实验室设施的依赖限制了血液检测的可及性，尤其是在贫困地区。
这些局限性阻止了血液检测在疾病发生前提供早期预警，增加了患者错过最佳治疗窗口的风险。这种情况在心脏病检测中尤为关键，因为生存取决于立即干预。南加州大学的研究员刘泽瑞说：“为了解决这个问题，我们开发了一个能够在10秒内预测心脏病的系统，从而实现快速应急响应。”
为什么选择心脏病和肝癌？
心脏病和癌症检测都面临类似的局限性，突显了对超快速早期预警系统的迫切需求。为了展示该系统检测除心脏病外其他疾病生物标志物的能力，研究团队选择了肝癌检测作为应用对象。刘泽瑞指出：“这些疾病被特意选中。心脏病进展迅速且死亡率高，必须在心脏病发作前进行预测，以便有足够的时间进行医疗干预。然而，目前没有任何有效的方法提供心脏病的早期预警，这是一个亟待解决的问题。同样，肝癌与其他癌症一样，具有模糊的早期症状和高死亡率。选择这两种疾病突显了该平台在检测需要早期诊断才能挽救生命的疾病中的能力。”
王志涵还指出了这两种疾病的其他相似之处，指出肝癌和心脏病都可以通过某些生物标志物来指示——这些特定的血液分子表明疾病的存在。王志涵及其同事转向人工智能作为这种快速疾病检测系统的基础，认为基于纳米技术和人工智能的检测系统可以在社区甚至家庭中部署，无需训练有素的医务人员即可提供即时心脏病预警。
通过自动化数据分析，检测时间得以减少，实现实时诊断，而人工智能提高了灵敏度，能够识别传统方法可能错过的极低浓度的疾病生物标志物。王志涵说：“想象一下我们的纳米手指平台就像一个高度敏感的微型传感器，可以从少量血液样本中捕捉到与疾病相关的分子。这些纳米手指增强了微弱的分子信号，使检测微量疾病生物标志物成为可能。一旦收集到样本，系统就会使用拉曼光谱技术读取分子指纹。收集的数据随后由一个基于人工智能的芯片处理，这个芯片像一个高速医学专家，识别模式并确定患者是否有心脏病发作或其他疾病的风险。”
王志涵补充说，与传统的计算机不同，这种芯片使用一种称为忆阻器的特殊技术，在同一地方存储和处理数据，使其更快、更节能，可以在小型便携设备中工作，甚至在救护车或电力和空间有限的偏远地区也能运行。“在测试过程中，我们发现该系统的潜力远不止于心脏病和肝癌检测。纳米手指传感器设计的灵活性意味着通过改变表面化学，该平台可以适应检测多种疾病，为单一芯片上的多疾病诊断打开了大门。”王志涵继续说道。
基于忆阻器的系统芯片的低功耗和紧凑特性比团队预期的更有前景。未来，这一方面可能会使该系统集成到可穿戴健康监测设备中。“这不是最初的设计目标，但现在它代表了持续、实时健康监测的一个令人兴奋的可能性。”王志涵总结道。“这些惊喜表明，该系统不仅是一个高精度的诊断工具，还是一个可扩展、可适应且节能的平台，有可能彻底改变现场护理和家庭疾病检测。”
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