微电子技术在医疗中的应用

摘要：  医疗诊断、治疗和理疗的长期预测看起来好像比根据最新的微电子传感器和感官移植体判断更加有益于健康。这些传感器和移植体可以让医务人员更好地了解病人的不适和疾病，同时针对具体的症状更快地提供更准确的诊断和治疗。这些进步背后所涉及的许多技术都源于微机电系统(MEMS)器件取得的进展。

关键字：  医疗诊断，  理疗，  微电子传感器，  微机电系统

医疗诊断、治疗和理疗的长期预测看起来好像比根据最新的微电子传感器和感官移植体判断更加有益于健康。这些传感器和移植体可以让医务人员更好地了解病人的不适和疾病，同时针对具体的症状更快地提供更准确的诊断和治疗。这些进步背后所涉及的许多技术都源于微机电系统(MEMS)器件取得的进展。

这些微机电系统元件的应用有望在接下来的几年里迅速增加。根据iSuppli公司Yole Développement的BioMEMS 2010报告，面向医疗应用的微机电系统技术市场将从2009年的12亿美元迅速爆增到2015年的45亿美元，相当于在2015年之前，每年的出货量都在10亿件以上。

这些器件种类繁多，包括压力传感器、硅麦克风、加速度计、陀螺仪、光学MEMS和图像传感器、微流体芯片、微量分注器给药系统、流量计、IR温度传感器以及RFID、应力传感器和能量采集器等新兴的MEMS器件。

一部分微机电系统已经商用或者正在推向市场。而目前正在开发的微机电系统有望在几年内进入市场。同时，现有的MEMS IC产品不断地在医疗领域的新兴应用中寻找用武之地。

例如，Movea公司开发的小型惯性管理单元(IMU)采用MEMS三轴加速度计、陀螺仪和磁力仪传感器，可以帮助康复和健身活动实现高精度、无线九自由度测量。该公司现有的2.4GHz无线传输MotionPod采用尺寸为33×22×15mm3、重14g的完全集成型印制电路板(PCB)模块。

该模块的尺寸基本上与小手表相当，通过夹在带子上轻松地附在人体上，或者直接附在人体上。多个MotionPod形成的网络可以同时采集人体不同部位的信息，适用于性能分析和全身动作捕捉等应用。

“九轴传感能以一度的动态精度提供精确的实时角信息，”Movea公司首席执行官(CEO)Sam Guilaumé表示。

另一个比较有意思的MEMS传感器是飞思卡尔半导体(Freescale)的MPL115A数字MEMS气压计。这款获得专利的器件本质上是通过确定海拔(即海拔越高，所需要的氧气越多，反之亦然)来节省呼吸机系统中的氧气和能量。它采用差分压力测量，可以用作进行负压伤口治疗的智能绷带(图2)。

图2：飞思卡尔的MPL115A等MEMS数字气压计可用作智能绷带，通过负差压测量进行疗伤。

传统的模拟和混合信号IC甚至也归并到医疗传感应用中。TI的低功耗八通道24位ADS 1298R模拟前端专门针对用于心电图(ECG)、肌动电流图(EMG)和脑电图(EEG)的医疗仪器传感器中的生物电位测量而设计。本质上讲，这是一款片上心电图解决方案。

接着往后看，密歇根大学的研究人员开发出了一款压电MEMS器件，这种器件可以产生比传统能量采集器多10倍的能量。该器件对于人体中的医疗移植体的供电以及汽车中的无线传感器网络而言有着非常重要的意义。

这款大尺寸微机械器件与其它微型电路元件封装在一起，组成了一款具有27mm3微型封装的完整振动能量采集器。它可以采用介于14至155Hz之间的振动能量，1.5gs的振动可产生200μW左右的功率。

该器件可以将超级电容器充电至1.5V。然后超级电容器代替电容对无线传感器进行上电。研究人员估计，这种能量采集器可以重复这个环节10至20年，并且质量不会下降。

压电效应还可以用于采用氮化铝薄膜进行的超声波压力传感回声探测，可实现对活体组织的无创性测量。该技术由日本工业科技协会开发。厚度为40μm的薄膜可以直接测量接触压力，同时几乎不影响超声波的传输和接收。

该传感器具有机械强度和耐用性。这是因为在两个内侧具有压电层的薄膜外部电极之间放置了单个内部电极，并且从外部完全屏蔽了两个外部电极之间的内部电极(图3)。

图3：这款超声波压力测量传感探头通过压电效应来实现人体组织的无创性测量。此探头由日本工业技术协会开发。

令人震撼的植入

微型无源MEMS LC谐振器是CardioMEMS的Champion植入式装置的核心，这种植入式装置用于监测和治疗心力衰竭的首要致病因——动脉瘤(图4)。美国食品和药品管理局(FDA)已批准该器件可用于监测，并有望在不远的将来获得治疗许可。

RF无线压力传感器不需要电池，因为它采用外部电感耦合供电。压力发生变化时会使传感器的薄膜发生偏斜，并改变LC电路的谐振频率，这可以从外部监测到。

压力传感器及其无线天线通过导管插在心脏附近，这个手术只需要几分钟的时间。血压读数被发送到无线扫描仪中。如果几天以来所获取的血压读数在应有的范围之外，医生就会收到电话通知，以便进行进一步治疗。

CardioMEMS(佐治亚理工学院的分支机构)生产电子阅读器、信号处理电路和传输电路。MEMSCAP供应这类装置的传感器、天线和封装。到目前为止取得了非常了不起的成绩。

“使用Champion装置监测的病人的住院治疗率比目前的黄金护理标准低38%，”佐治亚理工学院教授、CardioMEMS公司联合创始人Mark Allen表示。

内窥镜和机器人手术等许多手术正变得越来越简单，越来越容易进行，这得益于新设备的不断开发。葡萄牙公司Awaiba Lda开发了一款可以根据医疗应用的低功耗要求进行定制的晶圆级数字CMOS图像传感器。Nan Eye摄像头尺寸仅0.5×0.5 mm2，大致相当于一个火柴头的大小，该摄像头在40frame/s的帧速率下具有140×140像素的分辨率(图5)。

这种摄像头的镜头采用高硼硅浮法玻璃设计，这使得朝向被摄物体的表面是扁平的，从而最大限度地减少镜头与被摄物体之间存在中间物所产生的影响。因此，当系统在与体液接触的环境中工作时，仅有镜头的开度角减小。

该摄像头采用Bayer模式滤波器和3μm间距的250×250像素卷帘式快门，可提供清晰的彩色图像。此外还提供1.8V电池供电的低功耗版本，该摄像头的耗散电流仅600μA。

眼科植入

最近，眼科植入正引起越来越多的关注。对于患有青光眼、色素性视网膜炎和老年性黄斑变性等疾病的病人，这个充满希望的新兴技术很快就能奏效。

比如，意法半导体公司(ST)与瑞士的Sensimed AG公司联手开发了一款名为Triggerfish的智能隐形眼镜。这种隐形眼镜可以测量、监测和控制病人的眼压水平，从而及时发现青光眼的早期症状。它可以24小时测量眼压，然后向主治医生提供记录。这种压力传感器是由意法半导体开发的一种MEMS应变计，采用柔性基板制造(图6)。

图6：Triggerfish的眼科植入体可以24小时测量、监测和控制病人的眼压水平，以便及时发现青光眼的早期症状。该植入体由Sensimed公司和意法半导体联合开发。

测量的对象是与眼压读数直接相关的角巩膜连接处的圆周波动。然后该信息通过无线通信从记录器传送出去。

有了可以简单方便、更加精确地检测青光眼疾病的测试，需要看眼科医生才能进行麻烦的青光眼测试很快就会成为历史。阿拉巴马大学航空和机械工程学教授Eniko Enokov设计的一种简单易用的自我测试探头只需要病人在自己家里轻轻地摩擦眼睑就可以检测是否患有青光眼了。

“这个系统可以检测硬度，然后据此推断出眼压，”Enokov表示。

探头概念看起来简单，但是这种概念背后所涉及的技术却相当复杂。它涉及微力传感器、专门设计的微芯片以及编入探头中的基于数学的程序。

“我们花了几年的时间进行完善和修改才达到了目前的设计水平，”Enokov表示，“我们这个设备的创新在于它具有无创性，简单易用，适用于各种采用目前的手术难以进行测试或无法测试的情况。”

可以通过光导通的人工视网膜的应用已经取得了长足的进步。这种非侵入性视网膜是伦敦帝国学院研发出来的产品，它可以实现通过光来控制神经元，为实现功能更强大的脑机接口创造了条件。蓝宝石基板上的氮化镓LED阵列可用来触发1mW/mm2的脉冲，从而激活神经元。

这种研发上的进展使得生物医学工程师能够激活选定的神经元组，而不是像目前的刺激探头一样，仅激活刺激部位附近的细胞。光还可以用来抑制神经元的触发，而探头只能刺激神经元。最有意思的可能是光触发的脑细胞的工程设计，这种设计可以为使用光链路联结生物组织和硅组件的混合计算机铺平道路。

神经领域的热门技术

大脑是如何工作的?这是一个持续推动研究人员寻找答案的问题。研究人员正基于一些最新的研发成果，进一步深入地为大量复杂问题寻找解决方案。

去年，NeuroPace公司向FDA申请批准采用大脑植入来治疗癫痫病。该公司有望很快就能获准使用其RNS系统。RNS是一种利用反应性大脑的神经刺激的新兴研究器件，可以显著降低有普通癫痫病(这种病很难通过药物治疗)的人群的发作频率。

“我认为，在接下来的十年里，各种闭环和开环大脑刺激器件会替代有创性外科手术，”NeuroPace公司首席医务官Martha Morrell表示。

这种器件是众多仍在研究阶段的神经外科植入体中的其中一种，它的作用是减轻和治疗从疼痛处理、抑郁症到帕金森症和阿尔茨海默氏病等各种疾病。NeoStim和Trifectas Medical公司只是众多从事此领域研究的公司中的其中两家。

去年发起的CSI(中枢神经系统成像)欧洲项目致力于提高脑部疾病的诊疗水平，同时降低相关的诊疗费用。该项目有望在用于传感、计算和设备平台的最新3D医疗成像平台领域取得长足的进步。该项目的会员包括领先的欧洲电子公司、大学和科研中心。

南佛罗里达大学的研究人员正在用脑部深度刺激术来治疗原发性震颤。原发性震颤会影响手、头部和声音，比帕金森症普遍三倍。这种主要是遗传引起的神经系统疾病可能会导致无法控制的摇动，进而影响正常的日常活动。

根据这些研究人员的报告，这种技术可以使77%做过此刺激术的病人在治疗后的一年后就不再需要使用后续的药物治疗了。这种治疗采用一种类似于起搏器的植入式装置，通过电脉冲刺激大脑的目标部位，从而阻止或者修正引起震颤的不正常神经信号。FDA于1997年批准进行此类治疗。

微流体

微流体技术在植入式装置和芯片实验室技术领域正在获得稳步提升。许多芯片实验室开发都在专注于提供低成本、高精度和快速的血液诊断方法来检测癌症。事实上，这也是旨在通过血液检测癌症的Miracle(单一循环和扩散的肿瘤细胞的磁性隔离和分子生物学分析)项目的目标，该项目是去年由比利时的IMEC及其合作伙伴发起的。

在另一个开发领域中，东京大学研发出的新兴装置就是基于这种微流体技术，该装置可以模拟食物和口服药物流经人体时经历的过程。其开发人员认为，这种装置对药物筛选和化学药品风险评估等应用非常有用。

这些开发人员设计了一个三站式器官旅程，在这段旅程中，微型肠道和微型肝脏吸收化学药品，并产生代谢，然后将其传送到乳腺癌细胞——目标组织。它们将这三个器官的细胞收集到一个尺寸为7.5×2.5cm2的玻璃和塑料的微流体芯片上。样本通过一个入口进入细胞中，从而按顺序进入这三个器官腔内。结果在输出端测得(图7)。

图7：微流体技术可以模拟食物和口服药物流经人体到达目标乳腺癌细胞时经历的过程。东京大学的开发人员认为，这种装置对药物筛选和化学药品风险评估等应用非常有用。

其中一个比较有名的微流体给药装置是Debiotech与意法半导体采用Debiotech的微流体MEMS技术联合开发的Jewel胰岛素泵。(该装置正在等待FDA的批准。)这种胰岛素泵可以安装在一次性皮肤贴布上，从而连续输注胰岛素。这种装置的出现，预示着糖尿病患者的治疗效率和生活质量将得到显著提高。

智能输液泵是一种非常复杂的装置，它需要非常细心地考虑到设计的各个方面。最近FDA经过对这类输液泵进行分析后发现，在其收到的56，000份与使用输液泵相关的医疗器材报告中(五年时间内)，一半以上的问题是由于用户错误引起的，其中软件错误比较普遍。

FDA揭露了病人在正确设置和其它事项方面的教育有所欠缺的问题。不过，FDA也高度评价了这种输液泵所采用的技术，并声称，出现问题的原因更有可能是用户错误，而不是设备存在缺陷。

伦敦帝国学院生物技术中心的研究人员决定采用仿生技术，通过仿生胰腺简化胰岛素注射。仿生技术就像自然的胰腺器官一样，依靠两种激素的细胞群体工作：β细胞在血糖高时隐藏胰岛素，而α细胞在血糖低时释放一种名为胰高血糖素的激素。这两种细胞都进行了芯片形式的仿真。

研究人员设计的元件由一个刺入皮肤的电化学葡萄糖传感器、一个微芯片和两个戴在身上的小泵(每种激素一个)组成。传感器每五分钟检测血糖水平，并根据血糖水平通过信号驱动马达，从而激活各个相应的泵。马达会在需要时推配药注射器。

闻、呼吸、触摸、听和看都可以采用电子装置技术作为基本的诊疗构建平台进行详细的监测。这些研发成果已触手可及，因此对提高人类医疗水平的影响也必然会具有历史性的意义。