淺析微電子技術(shù)如何應用于醫療產(chǎn)業(yè)

醫療診斷、治療和理療的長(cháng)期預測看起來(lái)好像比根據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務(wù)人員更好地了解病人的不適和疾病，同時(shí)針對具體的癥狀更快地提供更準確的診斷和治療。這些進(jìn)步背后所涉及的許多技術(shù)都源于微機電系統(MEMS)器件取得的進(jìn)展。

這些微機電系統元件的應用有望在接下來(lái)的幾年里迅速增加。根據iSuppli公司Yole Développement的BioMEMS 2010報告，面向醫療應用的微機電系統技術(shù)市場(chǎng)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(lèi)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、流量計、IR溫度傳感器以及RFID、應力傳感器和能量采集器等新興的MEMS器件。

一部分微機電系統已經(jīng)商用或者正在推向市場(chǎng)。而目前正在開(kāi)發(fā)的微機電系統有望在幾年內進(jìn)入市場(chǎng)。同時(shí)，現有的MEMS IC產(chǎn)品不斷地在醫療領(lǐng)域的新興應用中尋找用武之地。

例如，Movea公司開(kāi)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，可以幫助康復和健身活動(dòng)實(shí)現高精度、無(wú)線(xiàn)九自由度測量。該公司現有的2.4GHz無(wú)線(xiàn)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(guò)夾在帶子上輕松地附在人體上，或者直接附在人體上。多個(gè)MotionPod形成的網(wǎng)絡(luò )可以同時(shí)采集人體不同部位的信息，適用于性能分析和全身動(dòng)作捕捉等應用。

“九軸傳感能以一度的動(dòng)態(tài)精度提供精確的實(shí)時(shí)角信息，”Movea公司首席執行官(CEO)Sam Guilaumé表示。

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

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

接著(zhù)往后看，密歇根大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一款壓電MEMS器件，這種器件可以產(chǎn)生比傳統能量采集器多10倍的能量。該器件對于人體中的醫療移植體的供電以及汽車(chē)中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )而言有著(zhù)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(dòng)能量采集器。它可以采用介于14至155Hz之間的振動(dòng)能量，1.5gs的振動(dòng)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(wú)線(xiàn)傳感器進(jìn)行上電。研究人員估計，這種能量采集器可以重復這個(gè)環(huán)節10至20年，并且質(zhì)量不會(huì )下降。

壓電效應還可以用于采用氮化鋁薄膜進(jìn)行的超聲波壓力傳感回聲探測，可實(shí)現對活體組織的無(wú)創(chuàng )性測量。該技術(shù)由日本工業(yè)科技協(xié)會(huì )開(kāi)發(fā)。厚度為40μm的薄膜可以直接測量接觸壓力，同時(shí)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(gè)內側具有壓電層的薄膜外部電極之間放置了單個(gè)內部電極，并且從外部完全屏蔽了兩個(gè)外部電極之間的內部電極(圖3)。

圖3：這款超聲波壓力測量傳感探頭通過(guò)壓電效應來(lái)實(shí)現人體組織的無(wú)創(chuàng )性測量。此探頭由日本工業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì )開(kāi)發(fā)。

令人震撼的植入

微型無(wú)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測和治療心力衰竭的首要致病因——動(dòng)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測，并有望在不遠的將來(lái)獲得治療許可。

RF無(wú)線(xiàn)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(shí)會(huì )使傳感器的薄膜發(fā)生偏斜，并改變LC電路的諧振頻率，這可以從外部監測到。

壓力傳感器及其無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)通過(guò)導管插在心臟附近，這個(gè)手術(shù)只需要幾分鐘的時(shí)間。血壓讀數被發(fā)送到無(wú)線(xiàn)掃描儀中。如果幾天以來(lái)所獲取的血壓讀數在應有的范圍之外，醫生就會(huì )收到電話(huà)通知，以便進(jìn)行進(jìn)一步治療。

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

“使用Champion裝置監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。

內窺鏡和機器人手術(shù)等許多手術(shù)正變得越來(lái)越簡(jiǎn)單，越來(lái)越容易進(jìn)行，這得益于新設備的不斷開(kāi)發(fā)。葡萄牙公司Awaiba Lda開(kāi)發(fā)了一款可以根據醫療應用的低功耗要求進(jìn)行定制的晶圓級數字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(gè)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，當系統在與體液接觸的環(huán)境中工作時(shí)，僅有鏡頭的開(kāi)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(mén)，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(lái)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(gè)充滿(mǎn)希望的新興技術(shù)很快就能奏效。

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

圖6：Triggerfish的眼科植入體可以24小時(shí)測量、監測和控制病人的眼壓水平，以便及時(shí)發(fā)現青光眼的早期癥狀。該植入體由Sensimed公司和意法半導體聯(lián)合開(kāi)發(fā)。

測量的對象是與眼壓讀數直接相關(guān)的角鞏膜連接處的圓周波動(dòng)。然后該信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信從記錄器傳送出去。

有了可以簡(jiǎn)單方便、更加精確地檢測青光眼疾病的測試，需要看眼科醫生才能進(jìn)行麻煩的青光眼測試很快就會(huì )成為歷史。阿拉巴馬大學(xué)航空和機械工程學(xué)教授Eniko Enokov設計的一種簡(jiǎn)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(gè)系統可以檢測硬度，然后據此推斷出眼壓，”Enokov表示。

探頭概念看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是這種概念背后所涉及的技術(shù)卻相當復雜。它涉及微力傳感器、專(zhuān)門(mén)設計的微芯片以及編入探頭中的基于數學(xué)的程序。

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

可以通過(guò)光導通的人工視網(wǎng)膜的應用已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步。這種非侵入性視網(wǎng)膜是倫敦帝國學(xué)院研發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品，它可以實(shí)現通過(guò)光來(lái)控制神經(jīng)元，為實(shí)現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(lái)觸發(fā)1mW/mm2的脈沖，從而激活神經(jīng)元。

這種研發(fā)上的進(jìn)展使得生物醫學(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(lái)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)的腦細胞的工程設計，這種設計可以為使用光鏈路聯(lián)結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(mén)技術(shù)

大腦是如何工作的?這是一個(gè)持續推動(dòng)研究人員尋找答案的問(wèn)題。研究人員正基于一些最新的研發(fā)成果，進(jìn)一步深入地為大量復雜問(wèn)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(lái)治療癲癇病。該公司有望很快就能獲準使用其RNS系統。RNS是一種利用反應性大腦的神經(jīng)刺激的新興研究器件，可以顯著(zhù)降低有普通癲癇病(這種病很難通過(guò)藥物治療)的人群的發(fā)作頻率。

“我認為，在接下來(lái)的十年里，各種閉環(huán)和開(kāi)環(huán)大腦刺激器件會(huì )替代有創(chuàng )性外科手術(shù)，”NeuroPace公司首席醫務(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)系統成像)歐洲項目致力于提高腦部疾病的診療水平，同時(shí)降低相關(guān)的診療費用。該項目有望在用于傳感、計算和設備平臺的最新3D醫療成像平臺領(lǐng)域取得長(cháng)足的進(jìn)步。該項目的會(huì )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(lái)治療原發(fā)性震顫。原發(fā)性震顫會(huì )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)系統疾病可能會(huì )導致無(wú)法控制的搖動(dòng)，進(jìn)而影響正常的日?；顒?dòng)。

根據這些研究人員的報告，這種技術(shù)可以使77%做過(guò)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的藥物治療了。這種治療采用一種類(lèi)似于起搏器的植入式裝置，通過(guò)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(jìn)行此類(lèi)治療。

微流體

微流體技術(shù)在植入式裝置和芯片實(shí)驗室技術(shù)領(lǐng)域正在獲得穩步提升。許多芯片實(shí)驗室開(kāi)發(fā)都在專(zhuān)注于提供低成本、高精度和快速的血液診斷方法來(lái)檢測癌癥。事實(shí)上，這也是旨在通過(guò)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(shí)的IMEC及其合作伙伴發(fā)起的。

在另一個(gè)開(kāi)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(shí)經(jīng)歷的過(guò)程。其開(kāi)發(fā)人員認為，這種裝置對藥物篩選和化學(xué)藥品風(fēng)險評估等應用非常有用。

這些開(kāi)發(fā)人員設計了一個(gè)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(gè)器官的細胞收集到一個(gè)尺寸為7.5×2.5cm2的玻璃和塑料的微流體芯片上。樣本通過(guò)一個(gè)入口進(jìn)入細胞中，從而按順序進(jìn)入這三個(gè)器官腔內。結果在輸出端測得(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(shí)經(jīng)歷的過(guò)程。東京大學(xué)的開(kāi)發(fā)人員認為，這種裝置對藥物篩選和化學(xué)藥品風(fēng)險評估等應用非常有用。

其中一個(gè)比較有名的微流體給藥裝置是Debiotech與意法半導體采用Debiotech的微流體MEMS技術(shù)聯(lián)合開(kāi)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，從而連續輸注胰島素。這種裝置的出現，預示著(zhù)糖尿病患者的治療效率和生活質(zhì)量將得到顯著(zhù)提高。

智能輸液泵是一種非常復雜的裝置，它需要非常細心地考慮到設計的各個(gè)方面。最近FDA經(jīng)過(guò)對這類(lèi)輸液泵進(jìn)行分析后發(fā)現，在其收到的56,000份與使用輸液泵相關(guān)的醫療器材報告中(五年時(shí)間內)，一半以上的問(wèn)題是由于用戶(hù)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置和其它事項方面的教育有所欠缺的問(wèn)題。不過(guò)，FDA也高度評價(jià)了這種輸液泵所采用的技術(shù)，并聲稱(chēng)，出現問(wèn)題的原因更有可能是用戶(hù)錯誤，而不是設備存在缺陷。

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(guò)仿生胰腺簡(jiǎn)化胰島素注射。仿生技術(shù)就像自然的胰腺器官一樣，依靠?jì)煞N激素的細胞群體工作：β細胞在血糖高時(shí)隱藏胰島素，而α細胞在血糖低時(shí)釋放一種名為胰高血糖素的激素。這兩種細胞都進(jìn)行了芯片形式的仿真。

研究人員設計的元件由一個(gè)刺入皮膚的電化學(xué)葡萄糖傳感器、一個(gè)微芯片和兩個(gè)戴在身上的小泵(每種激素一個(gè))組成。傳感器每五分鐘檢測血糖水平，并根據血糖水平通過(guò)信號驅動(dòng)馬達，從而激活各個(gè)相應的泵。馬達會(huì )在需要時(shí)推配藥注射器。

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