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(cè)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(shí)針對(duì)具體的癥狀更快地提供更準(zhǔn)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(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件取得的進(jìn)展。

這些微機(jī)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(bào)告，面向醫(yī)療應(yīng)用的微機(jī)電系統(tǒng)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(dāng)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(jì)、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(jì)、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(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)商用或者正在推向市場(chǎng)。而目前正在開發(fā)的微機(jī)電系統(tǒng)有望在幾年內(nèi)進(jìn)入市場(chǎng)。同時(shí)，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(jì)、陀螺儀和磁力儀傳感器，可以幫助康復(fù)和健身活動(dòng)實(shí)現(xiàn)高精度、無線九自由度測(cè)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(dāng)，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(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(yīng)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(zhí)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(dǎo)體(Freescale)的MPL115A數(shù)字MEMS氣壓計(jì)。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(jī)系統(tǒng)中的氧氣和能量。它采用差分壓力測(cè)量，可以用作進(jìn)行負(fù)壓傷口治療的智能繃帶(圖2)。

傳統(tǒng)的模擬和混合信號(hào)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(duì)用于心電圖(ECG)、肌動(dòng)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(cè)量而設(shè)計(jì)。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(duì)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(jī)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(jí)電容器充電至1.5V。然后超級(jí)電容器代替電容對(duì)無線傳感器進(jìn)行上電。研究人員估計(jì)，這種能量采集器可以重復(fù)這個(gè)環(huán)節(jié)10至20年，并且質(zhì)量不會(huì)下降。

壓電效應(yīng)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(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)活體組織的無創(chuàng)性測(cè)量。該技術(shù)由日本工業(yè)科技協(xié)會(huì)開發(fā)。厚度為40μm的薄膜可以直接測(cè)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(jī)械強(qiáng)度和耐用性。這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)內(nèi)側(cè)具有壓電層的薄膜外部電極之間放置了單個(gè)內(nèi)部電極，并且從外部完全屏蔽了兩個(gè)外部電極之間的內(nèi)部電極(圖3)。

圖3：這款超聲波壓力測(cè)量傳感探頭通過壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)人體組織的無創(chuàng)性測(cè)量。此探頭由日本工業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)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(cè)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(zhǔn)該器件可用于監(jiān)測(cè)，并有望在不遠(yuǎn)的將來獲得治療許可。

RF無線壓力傳感器不需要電池，因?yàn)樗捎猛獠侩姼旭詈瞎╇?。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(jiān)測(cè)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(gè)手術(shù)只需要幾分鐘的時(shí)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(huì)收到電話通知，以便進(jìn)行進(jìn)一步治療。

CardioMEMS(佐治亞理工學(xué)院的分支機(jī)構(gòu))生產(chǎn)電子閱讀器、信號(hào)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(cè)的病人的住院治療率比目前的黃金護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jìn)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(jìn)行定制的晶圓級(jí)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(dāng)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(shè)計(jì)，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(dāng)系統(tǒng)在與體液接觸的環(huán)境中工作時(shí)，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(duì)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(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制病人的眼壓水平，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)青光眼的早期癥狀。它可以24小時(shí)測(cè)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(jì)，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(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制病人的眼壓水平，以便及時(shí)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(cè)量的對(duì)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(dòng)。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(cè)青光眼疾病的測(cè)試，需要看眼科醫(yī)生才能進(jìn)行麻煩的青光眼測(cè)試很快就會(huì)成為歷史。阿拉巴馬大學(xué)航空和機(jī)械工程學(xué)教授Eniko Enokov設(shè)計(jì)的一種簡單易用的自我測(cè)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(cè)是否患有青光眼了。

“這個(gè)系統(tǒng)可以檢測(cè)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(dāng)復(fù)雜。它涉及微力傳感器、專門設(shè)計(jì)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(shí)間進(jìn)行完善和修改才達(dá)到了目前的設(shè)計(jì)水平，”Enokov表示，“我們這個(gè)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(jìn)行測(cè)試或無法測(cè)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(jìn)步。這種非侵入性視網(wǎng)膜是倫敦帝國學(xué)院研發(fā)出來的產(chǎn)品，它可以實(shí)現(xiàn)通過光來控制神經(jīng)元，為實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)大的腦機(jī)接口創(chuàng)造了條件。藍(lán)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(jìn)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(xì)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(xì)胞的工程設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)可以為使用光鏈路聯(lián)結(jié)生物組織和硅組件的混合計(jì)算機(jī)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(gè)持續(xù)推動(dòng)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(jìn)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(qǐng)批準(zhǔn)采用大腦植入來治療癲癇病。該公司有望很快就能獲準(zhǔn)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(rèn)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(huì)替代有創(chuàng)性外科手術(shù)，”NeuroPace公司首席醫(yī)務(wù)官M(fèi)artha 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(xiàng)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(fèi)用。該項(xiàng)目有望在用于傳感、計(jì)算和設(shè)備平臺(tái)的最新3D醫(yī)療成像平臺(tái)領(lǐng)域取得長足的進(jìn)步。該項(xiàng)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(dá)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(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(tǒng)疾病可能會(huì)導(dǎo)致無法控制的搖動(dòng)，進(jìn)而影響正常的日?；顒?dòng)。

根據(jù)這些研究人員的報(bào)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(biāo)部位，從而阻止或者修正引起震顫的不正常神經(jīng)信號(hào)。FDA于1997年批準(zhǔn)進(jìn)行此類治療。

微流體

微流體技術(shù)在植入式裝置和芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)領(lǐng)域正在獲得穩(wěn)步提升。許多芯片實(shí)驗(yàn)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(cè)癌癥。事實(shí)上，這也是旨在通過血液檢測(cè)癌癥的Miracle(單一循環(huán)和擴(kuò)散的腫瘤細(xì)胞的磁性隔離和分子生物學(xué)分析)項(xiàng)目的目標(biāo)，該項(xiàng)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)歷的過程。其開發(fā)人員認(rèn)為，這種裝置對(duì)藥物篩選和化學(xué)藥品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等應(yīng)用非常有用。

這些開發(fā)人員設(shè)計(jì)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(xì)胞——目標(biāo)組織。它們將這三個(gè)器官的細(xì)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。樣本通過一個(gè)入口進(jìn)入細(xì)胞中，從而按順序進(jìn)入這三個(gè)器官腔內(nèi)。結(jié)果在輸出端測(cè)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(dá)目標(biāo)乳腺癌細(xì)胞時(shí)經(jīng)歷的過程。東京大學(xué)的開發(fā)人員認(rèn)為，這種裝置對(duì)藥物篩選和化學(xué)藥品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等應(yīng)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(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(zhǔn)。)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(xì)心地考慮到設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。最近FDA經(jīng)過對(duì)這類輸液泵進(jìn)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(bào)告中(五年時(shí)間內(nèi))，一半以上的問題是由于用戶錯(cuò)誤引起的，其中軟件錯(cuò)誤比較普遍。

FDA揭露了病人在正確設(shè)置和其它事項(xiàng)方面的教育有所欠缺的問題。不過，F(xiàn)DA也高度評(píng)價(jià)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(cuò)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(xì)胞群體工作：β細(xì)胞在血糖高時(shí)隱藏胰島素，而α細(xì)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(xì)胞都進(jìn)行了芯片形式的仿真。

研究人員設(shè)計(jì)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(cè)血糖水平，并根據(jù)血糖水平通過信號(hào)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，從而激活各個(gè)相應(yīng)的泵。馬達(dá)會(huì)在需要時(shí)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(tái)進(jìn)行詳細(xì)的監(jiān)測(cè)。這些研發(fā)成果已觸手可及，因此對(duì)提高人類醫(yī)療水平的影響也必然會(huì)具有歷史性的意義。