作者：Robert Lea

近期发表在Advanced Intelligent Systems的一项研究中，研究人员将人工智能（AI）与纳米技术相结合，利用光子的非弹性散射，在芯片上创建高灵敏度且快速的疾病检测系统。

研发这款“nano-finger (纳米指）”的团队将其应用于心脏病发作检测领域，其驱动力源于拯救心脏病患者生命的迫切需求。研究团队还对该系统进行了调整，使其适用于肝癌的检测，以证明其不仅能检测心脏病，更可作为多种疾病的早期预警平台。

“出现这两种疾病时，均可发现一些表明存在炎症、代谢变化或蛋白质水平异常的生物标志物。该系统采用多重诊断方法，通过分析两种疾病不同的指标集，因此，能够同时高效检测肝癌和心脏病，”这项研究的作者，来自南加州大学的Zihan Wang表示，“此外，这两种疾病在早期都很难预测，其中心脏病发作突然且无明确警示信号，肝癌的发展过程隐匿且无明显症状。”

这两种疾病都具有高死亡率，因此早期发现极为关键。此外，对这两种疾病进行早期干预，均可极大降低死亡率，因为及时治疗心脏病可挽救患者生命，而早期发现肝癌则可极大提高成功治疗的机率。“该系统的宗旨是尽早进行快速且高灵敏度的检测，以此应对上述挑战，” Wang说道。

心脏病发作预警

心脏病病例正在逐年增长，此疾病发作突然且进展迅速，已成为一大主要致死原因。仅在美国，每四例死亡中就有一例源于心脏病发作，同时超过3030万成年人面临患病风险。然而，传统诊断方法无法在心脏病发作之前及时预测，导致无法实施挽救生命的干预措施。

例如，传统的血液检测在疾病诊断方面存在若干局限性。此类检测灵敏度低导致难以识别早期疾病的生物标志物，而长达10分钟到1小时的检测时长，可导致病情危重时无法及时干预。

此外，部分血液检测可能需多个步骤，包括样本采集、预处理和分析等。此类分析严重依赖于医疗人员，可能导致结果出现偏差并引发误诊风险。最后，血液检测需专用的设备与检测试剂，可能导致成本高昂，而对实验室设施的依赖更限制了血液检测的可及性，这在贫困地区尤为突出。

“这些局限性使血液检测无法在疾病发作前提供早期预警，加大了患者错过最佳治疗窗口期的风险。这一问题在心脏病检测中尤为关键，而要在心脏病发作时存活，完全取决于能否即时干预，”南加州大学研究员、参与了这项研究的研究人员Zerui Liu对此表示，“为了解决这个问题，我们研发了一个能够在短短10秒内便预测心脏病发作的系统，为紧急医疗响应争取宝贵时间。”

为何专门选择心脏病和肝癌？

心脏病科和癌症检测存在类似的局限性，这突显出迫切需要打造针对这两种疾病以及其他疾病的超快速预警系统。因此，为了证明该系统能否检测心脏病之外其他疾病生物标志物，研究团队也同时选择将其应用于肝癌的检测。

“我们特意选择了这两种疾病。心脏病发作后进展迅速，死亡率极高，在心脏病发作之前便进行预测是至关重要的，这样便有足够的时间实施医疗干预。然而，目前现有的方法无法有效提供心脏病发作早期预警，这已成为迫切需要解决的问题，”Liu说道，“同样，肝癌具有癌症共有的关键特征，包括早期症状隐匿且死亡率高。因此，选择这两种疾病，可彰显该平台能够检测出急需通过早期诊断来挽救生命的疾病。”

Wang还强调这两种疾病存在其他相似之处，并指出肝癌和心脏病发作均可通过某些生物标志物预示，即血液中表征疾病的特定分子。Wang与其研究团队转向以人工智能为核心构建该系统，旨在实现如此快速的疾病监测。他们认为，基于纳米技术且由人工智能支持的检测系统，能够在社区甚至家庭内现场部署，无需训练有素的医疗人员，便可即时给出心脏病预警。

该系统的数据分析自动化缩短了检测时长，实现了实时诊断，人工智能则提高了检测灵敏度，使得能够在生物标志物浓度极低的情况下识别疾病。而这是传统方法无法企及的。

“可以想象我们的纳米指平台属于一种高灵敏度的微传感器，能够在少量血液样本中捕获与疾病相关的分子。这种纳米指使得微弱的分子信号增强，甚至能够检测到微量的疾病生物标志物。样本采集后，我们的系统会利用拉曼光谱仪分析样本。拉曼光谱仪是一种用于读取分子指纹的技术，”Wang说道，“所收集的数据则由人工智能芯片处理。由此类芯片担当高速医学鉴定专家，识别相关模式，并确定患者是否存在心脏病或其他疾病的风险。”

Wang还表示，与在不同部件内存储和处理数据的传统计算机不同，此类芯片采用一种名为“忆阻器”的特殊技术。忆阻器是一种电子元件，在调节电流流动的同时记住通过其自身的电荷，实现存算一体化。

“这就使得这种芯片更快、更高效节能，能够在小型便携式设备上工作，即使在救护车或电力和空间有限的偏远地区也可使用，”Wang继续解释道，“我们在测试过程中发现该系统的潜力已超越了心脏病和肝癌检测。这款纳米指传感器的设计极具灵活性，意味着此平台通过修改表面化学特性，能够适配多种疾病检测，为单芯片实现多疾病诊断开辟了道路。”

基于忆阻器的系统级芯片凭借其低功耗与紧凑型设计，表现远超团队预期。未来，该系统的这一优点将使得其能够集成到可穿戴的健康监测设备中。“这一点并非我们的设计初衷，但目前已表明存在连续实时进行健康监测的可能性，令人无比振奋，” Wang总结道，“这些意外发现表明该系统不仅是一种高精度的诊断工具，还是一个可扩展、适应性强且高能效的平台，能够变革即时检测和居家疾病检测。”

Advanced Intelligent Systems

Advanced Intelligent Systems 是Wiley旗下智能系统领域开放获取旗舰刊。期刊收录关于具有刺激或指令响应智能的人造装置系统的研究，包括机器人、自动化、人工智能、机器学习、人机交互、智能传感和程序化自组装等前沿应用。

• 参考文献：

Wei Wu, et al., Multi-Diseases Detection with Memristive System on Chip, Advanced Intelligent Systems (2025). DOI:10.1002/aisy.202400736

*封图来源：Wei Wu 等人。