淺析微電子技術(shù)如何應(yīng)用于醫(yī)療產(chǎn)業(yè)

醫(yī)療診斷、治療和理療的長期預(yù)測看起來好像比根據(jù)最新的微電子傳感器和感官移植體判斷更加有益于健康。這些傳感器和移植體可以讓醫(yī)務(wù)人員更好地了解病人的不適和疾病，同時針對具體的癥狀更快地提供更準確的診斷和治療。這些進步背后所涉及的許多技術(shù)都源于微機電系統(tǒng)(MEMS)器件取得的進展。

這些微機電系統(tǒng)元件的應(yīng)用有望在接下來的幾年里迅速增加。根據(jù)iSuppli公司Yole Développement的BioMEMS 2010報告，面向醫(yī)療應(yīng)用的微機電系統(tǒng)技術(shù)市場將從2009年的12億美元迅速爆增到2015年的45億美元，相當于在2015年之前，每年的出貨量都在10億件以上。

這些器件種類繁多，包括壓力傳感器、硅麥克風(fēng)、加速度計、陀螺儀、光學(xué)MEMS和圖像傳感器、微流體芯片、微量分注器給藥系統(tǒng)、流量計、IR溫度傳感器以及RFID、應(yīng)力傳感器和能量采集器等新興的MEMS器件。

一部分微機電系統(tǒng)已經(jīng)商用或者正在推向市場。而目前正在開發(fā)的微機電系統(tǒng)有望在幾年內(nèi)進入市場。同時，現(xiàn)有的MEMS IC產(chǎn)品不斷地在醫(yī)療領(lǐng)域的新興應(yīng)用中尋找用武之地。

例如，Movea公司開發(fā)的小型慣性管理單元(IMU)采用MEMS三軸加速度計、陀螺儀和磁力儀傳感器，可以幫助康復(fù)和健身活動實現(xiàn)高精度、無線九自由度測量。該公司現(xiàn)有的2.4GHz無線傳輸MotionPod采用尺寸為33×22×15mm3、重14g的完全集成型印制電路板(PCB)模塊。

該模塊的尺寸基本上與小手表相當，通過夾在帶子上輕松地附在人體上，或者直接附在人體上。多個MotionPod形成的網(wǎng)絡(luò)可以同時采集人體不同部位的信息，適用于性能分析和全身動作捕捉等應(yīng)用。

“九軸傳感能以一度的動態(tài)精度提供精確的實時角信息，”Movea公司首席執(zhí)行官(CEO)Sam Guilaumé表示。

另一個比較有意思的MEMS傳感器是飛思卡爾半導(dǎo)體(Freescale)的MPL115A數(shù)字MEMS氣壓計。這款獲得專利的器件本質(zhì)上是通過確定海拔(即海拔越高，所需要的氧氣越多，反之亦然)來節(jié)省呼吸機系統(tǒng)中的氧氣和能量。它采用差分壓力測量，可以用作進行負壓傷口治療的智能繃帶(圖2)。

傳統(tǒng)的模擬和混合信號IC甚至也歸并到醫(yī)療傳感應(yīng)用中。TI的低功耗八通道24位ADS 1298R模擬前端專門針對用于心電圖(ECG)、肌動電流圖(EMG)和腦電圖(EEG)的醫(yī)療儀器傳感器中的生物電位測量而設(shè)計。本質(zhì)上講，這是一款片上心電圖解決方案。

接著往后看，密歇根大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一款壓電MEMS器件，這種器件可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)能量采集器多10倍的能量。該器件對于人體中的醫(yī)療移植體的供電以及汽車中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言有著非常重要的意義。

這款大尺寸微機械器件與其它微型電路元件封裝在一起，組成了一款具有27mm3微型封裝的完整振動能量采集器。它可以采用介于14至155Hz之間的振動能量，1.5gs的振動可產(chǎn)生200μW左右的功率。

該器件可以將超級電容器充電至1.5V。然后超級電容器代替電容對無線傳感器進行上電。研究人員估計，這種能量采集器可以重復(fù)這個環(huán)節(jié)10至20年，并且質(zhì)量不會下降。

壓電效應(yīng)還可以用于采用氮化鋁薄膜進行的超聲波壓力傳感回聲探測，可實現(xiàn)對活體組織的無創(chuàng)性測量。該技術(shù)由日本工業(yè)科技協(xié)會開發(fā)。厚度為40μm的薄膜可以直接測量接觸壓力，同時幾乎不影響超聲波的傳輸和接收。

該傳感器具有機械強度和耐用性。這是因為在兩個內(nèi)側(cè)具有壓電層的薄膜外部電極之間放置了單個內(nèi)部電極，并且從外部完全屏蔽了兩個外部電極之間的內(nèi)部電極(圖3)。

 圖3：這款超聲波壓力測量傳感探頭通過壓電效應(yīng)來實現(xiàn)人體組織的無創(chuàng)性測量。此探頭由日本工業(yè)技術(shù)協(xié)會開發(fā)。

令人震撼的植入

微型無源MEMS LC諧振器是CardioMEMS的Champion植入式裝置的核心，這種植入式裝置用于監(jiān)測和治療心力衰竭的首要致病因——動脈瘤(圖4)。美國食品和藥品管理局(FDA)已批準該器件可用于監(jiān)測，并有望在不遠的將來獲得治療許可。

RF無線壓力傳感器不需要電池，因為它采用外部電感耦合供電。壓力發(fā)生變化時會使傳感器的薄膜發(fā)生偏斜，并改變LC電路的諧振頻率，這可以從外部監(jiān)測到。

壓力傳感器及其無線天線通過導(dǎo)管插在心臟附近，這個手術(shù)只需要幾分鐘的時間。血壓讀數(shù)被發(fā)送到無線掃描儀中。如果幾天以來所獲取的血壓讀數(shù)在應(yīng)有的范圍之外，醫(yī)生就會收到電話通知，以便進行進一步治療。

CardioMEMS(佐治亞理工學(xué)院的分支機構(gòu))生產(chǎn)電子閱讀器、信號處理電路和傳輸電路。MEMSCAP供應(yīng)這類裝置的傳感器、天線和封裝。到目前為止取得了非常了不起的成績。

“使用Champion裝置監(jiān)測的病人的住院治療率比目前的黃金護理標準低38%，”佐治亞理工學(xué)院教授、CardioMEMS公司聯(lián)合創(chuàng)始人Mark Allen表示。

內(nèi)窺鏡和機器人手術(shù)等許多手術(shù)正變得越來越簡單，越來越容易進行，這得益于新設(shè)備的不斷開發(fā)。葡萄牙公司Awaiba Lda開發(fā)了一款可以根據(jù)醫(yī)療應(yīng)用的低功耗要求進行定制的晶圓級數(shù)字CMOS圖像傳感器。Nan Eye攝像頭尺寸僅0.5×0.5 mm2，大致相當于一個火柴頭的大小，該攝像頭在40frame/s的幀速率下具有140×140像素的分辨率(圖5)。

這種攝像頭的鏡頭采用高硼硅浮法玻璃設(shè)計，這使得朝向被攝物體的表面是扁平的，從而最大限度地減少鏡頭與被攝物體之間存在中間物所產(chǎn)生的影響。因此，當系統(tǒng)在與體液接觸的環(huán)境中工作時，僅有鏡頭的開度角減小。

該攝像頭采用Bayer模式濾波器和3μm間距的250×250像素卷簾式快門，可提供清晰的彩色圖像。此外還提供1.8V電池供電的低功耗版本，該攝像頭的耗散電流僅600μA。

眼科植入

最近，眼科植入正引起越來越多的關(guān)注。對于患有青光眼、色素性視網(wǎng)膜炎和老年性黃斑變性等疾病的病人，這個充滿希望的新興技術(shù)很快就能奏效。

比如，意法半導(dǎo)體公司(ST)與瑞士的Sensimed AG公司聯(lián)手開發(fā)了一款名為Triggerfish的智能隱形眼鏡。這種隱形眼鏡可以測量、監(jiān)測和控制病人的眼壓水平，從而及時發(fā)現(xiàn)青光眼的早期癥狀。它可以24小時測量眼壓，然后向主治醫(yī)生提供記錄。這種壓力傳感器是由意法半導(dǎo)體開發(fā)的一種MEMS應(yīng)變計，采用柔性基板制造(圖6)。

 圖6：Triggerfish的眼科植入體可以24小時測量、監(jiān)測和控制病人的眼壓水平，以便及時發(fā)現(xiàn)青光眼的早期癥狀。該植入體由Sensimed公司和意法半導(dǎo)體聯(lián)合開發(fā)。

測量的對象是與眼壓讀數(shù)直接相關(guān)的角鞏膜連接處的圓周波動。然后該信息通過無線通信從記錄器傳送出去。

有了可以簡單方便、更加精確地檢測青光眼疾病的測試，需要看眼科醫(yī)生才能進行麻煩的青光眼測試很快就會成為歷史。阿拉巴馬大學(xué)航空和機械工程學(xué)教授Eniko Enokov設(shè)計的一種簡單易用的自我測試探頭只需要病人在自己家里輕輕地摩擦眼瞼就可以檢測是否患有青光眼了。

“這個系統(tǒng)可以檢測硬度，然后據(jù)此推斷出眼壓，”Enokov表示。

探頭概念看起來簡單，但是這種概念背后所涉及的技術(shù)卻相當復(fù)雜。它涉及微力傳感器、專門設(shè)計的微芯片以及編入探頭中的基于數(shù)學(xué)的程序。

“我們花了幾年的時間進行完善和修改才達到了目前的設(shè)計水平，”Enokov表示，“我們這個設(shè)備的創(chuàng)新在于它具有無創(chuàng)性，簡單易用，適用于各種采用目前的手術(shù)難以進行測試或無法測試的情況。”

可以通過光導(dǎo)通的人工視網(wǎng)膜的應(yīng)用已經(jīng)取得了長足的進步。這種非侵入性視網(wǎng)膜是倫敦帝國學(xué)院研發(fā)出來的產(chǎn)品，它可以實現(xiàn)通過光來控制神經(jīng)元，為實現(xiàn)功能更強大的腦機接口創(chuàng)造了條件。藍寶石基板上的氮化鎵LED陣列可用來觸發(fā)1mW/mm2的脈沖，從而激活神經(jīng)元。

這種研發(fā)上的進展使得生物醫(yī)學(xué)工程師能夠激活選定的神經(jīng)元組，而不是像目前的刺激探頭一樣，僅激活刺激部位附近的細胞。光還可以用來抑制神經(jīng)元的觸發(fā)，而探頭只能刺激神經(jīng)元。最有意思的可能是光觸發(fā)的腦細胞的工程設(shè)計，這種設(shè)計可以為使用光鏈路聯(lián)結(jié)生物組織和硅組件的混合計算機鋪平道路。

神經(jīng)領(lǐng)域的熱門技術(shù)

大腦是如何工作的?這是一個持續(xù)推動研究人員尋找答案的問題。研究人員正基于一些最新的研發(fā)成果，進一步深入地為大量復(fù)雜問題尋找解決方案。

去年，NeuroPace公司向FDA申請批準采用大腦植入來治療癲癇病。該公司有望很快就能獲準使用其RNS系統(tǒng)。RNS是一種利用反應(yīng)性大腦的神經(jīng)刺激的新興研究器件，可以顯著降低有普通癲癇病(這種病很難通過藥物治療)的人群的發(fā)作頻率。

“我認為，在接下來的十年里，各種閉環(huán)和開環(huán)大腦刺激器件會替代有創(chuàng)性外科手術(shù)，”NeuroPace公司首席醫(yī)務(wù)官Martha Morrell表示。

這種器件是眾多仍在研究階段的神經(jīng)外科植入體中的其中一種，它的作用是減輕和治療從疼痛處理、抑郁癥到帕金森癥和阿爾茨海默氏病等各種疾病。NeoStim和Trifectas Medical公司只是眾多從事此領(lǐng)域研究的公司中的其中兩家。

去年發(fā)起的CSI(中樞神經(jīng)系統(tǒng)成像)歐洲項目致力于提高腦部疾病的診療水平，同時降低相關(guān)的診療費用。該項目有望在用于傳感、計算和設(shè)備平臺的最新3D醫(yī)療成像平臺領(lǐng)域取得長足的進步。該項目的會員包括領(lǐng)先的歐洲電子公司、大學(xué)和科研中心。

南佛羅里達大學(xué)的研究人員正在用腦部深度刺激術(shù)來治療原發(fā)性震顫。原發(fā)性震顫會影響手、頭部和聲音，比帕金森癥普遍三倍。這種主要是遺傳引起的神經(jīng)系統(tǒng)疾病可能會導(dǎo)致無法控制的搖動，進而影響正常的日常活動。

根據(jù)這些研究人員的報告，這種技術(shù)可以使77%做過此刺激術(shù)的病人在治療后的一年后就不再需要使用后續(xù)的藥物治療了。這種治療采用一種類似于起搏器的植入式裝置，通過電脈沖刺激大腦的目標部位，從而阻止或者修正引起震顫的不正常神經(jīng)信號。FDA于1997年批準進行此類治療。

微流體

微流體技術(shù)在植入式裝置和芯片實驗室技術(shù)領(lǐng)域正在獲得穩(wěn)步提升。許多芯片實驗室開發(fā)都在專注于提供低成本、高精度和快速的血液診斷方法來檢測癌癥。事實上，這也是旨在通過血液檢測癌癥的Miracle(單一循環(huán)和擴散的腫瘤細胞的磁性隔離和分子生物學(xué)分析)項目的目標，該項目是去年由比利時的IMEC及其合作伙伴發(fā)起的。

在另一個開發(fā)領(lǐng)域中，東京大學(xué)研發(fā)出的新興裝置就是基于這種微流體技術(shù)，該裝置可以模擬食物和口服藥物流經(jīng)人體時經(jīng)歷的過程。其開發(fā)人員認為，這種裝置對藥物篩選和化學(xué)藥品風(fēng)險評估等應(yīng)用非常有用。

這些開發(fā)人員設(shè)計了一個三站式器官旅程，在這段旅程中，微型腸道和微型肝臟吸收化學(xué)藥品，并產(chǎn)生代謝，然后將其傳送到乳腺癌細胞——目標組織。它們將這三個器官的細胞收集到一個尺寸為7.5×2.5cm2的玻璃和塑料的微流體芯片上。樣本通過一個入口進入細胞中，從而按順序進入這三個器官腔內(nèi)。結(jié)果在輸出端測得(圖7)。

圖7：微流體技術(shù)可以模擬食物和口服藥物流經(jīng)人體到達目標乳腺癌細胞時經(jīng)歷的過程。東京大學(xué)的開發(fā)人員認為，這種裝置對藥物篩選和化學(xué)藥品風(fēng)險評估等應(yīng)用非常有用。

其中一個比較有名的微流體給藥裝置是Debiotech與意法半導(dǎo)體采用Debiotech的微流體MEMS技術(shù)聯(lián)合開發(fā)的Jewel胰島素泵。(該裝置正在等待FDA的批準。)這種胰島素泵可以安裝在一次性皮膚貼布上，從而連續(xù)輸注胰島素。這種裝置的出現(xiàn)，預(yù)示著糖尿病患者的治療效率和生活質(zhì)量將得到顯著提高。

智能輸液泵是一種非常復(fù)雜的裝置，它需要非常細心地考慮到設(shè)計的各個方面。最近FDA經(jīng)過對這類輸液泵進行分析后發(fā)現(xiàn)，在其收到的56,000份與使用輸液泵相關(guān)的醫(yī)療器材報告中(五年時間內(nèi))，一半以上的問題是由于用戶錯誤引起的，其中軟件錯誤比較普遍。

FDA揭露了病人在正確設(shè)置和其它事項方面的教育有所欠缺的問題。不過，FDA也高度評價了這種輸液泵所采用的技術(shù)，并聲稱，出現(xiàn)問題的原因更有可能是用戶錯誤，而不是設(shè)備存在缺陷。

倫敦帝國學(xué)院生物技術(shù)中心的研究人員決定采用仿生技術(shù)，通過仿生胰腺簡化胰島素注射。仿生技術(shù)就像自然的胰腺器官一樣，依靠兩種激素的細胞群體工作：β細胞在血糖高時隱藏胰島素，而α細胞在血糖低時釋放一種名為胰高血糖素的激素。這兩種細胞都進行了芯片形式的仿真。

研究人員設(shè)計的元件由一個刺入皮膚的電化學(xué)葡萄糖傳感器、一個微芯片和兩個戴在身上的小泵(每種激素一個)組成。傳感器每五分鐘檢測血糖水平，并根據(jù)血糖水平通過信號驅(qū)動馬達，從而激活各個相應(yīng)的泵。馬達會在需要時推配藥注射器。

聞、呼吸、觸摸、聽和看都可以采用電子裝置技術(shù)作為基本的診療構(gòu)建平臺進行詳細的監(jiān)測。這些研發(fā)成果已觸手可及，因此對提高人類醫(yī)療水平的影響也必然會具有歷史性的意義。