- MEMS在醫(yī)療電子應(yīng)用十分具有吸引力
- 越來(lái)越多的成功應(yīng)用
- 未來(lái)5年MEMS醫(yī)療器件銷售額年均增加率約21%
如今，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro ElectroMechanical Systems，簡(jiǎn)稱MEMS）技術(shù)在醫(yī)療電子領(lǐng)域的應(yīng)用如火如荼，并在醫(yī)療電子應(yīng)用領(lǐng)域獲得了充足的技術(shù)演進(jìn)動(dòng)力。咨詢機(jī)構(gòu)A. M. Fitzgerald & Associates公司認(rèn)為，MEMS在醫(yī)療電子方面的應(yīng)用十分有吸引力，可用于微流體系統(tǒng)、微型胰島素泵、動(dòng)脈瘤壓力傳感器、微型內(nèi)窺鏡系統(tǒng)等微型器件的設(shè)計(jì)制造；也可在視網(wǎng)膜修補(bǔ)等應(yīng)用中發(fā)揮作用 同樣In-Stat也認(rèn)為，當(dāng)全球人口老齡化趨勢(shì)日趨明顯的今天，MEMS技術(shù)已為糖尿病、心血管等疾病保健問(wèn)題，提供十分有效的解決方案。
MEMS是受微電子技術(shù)啟發(fā)并在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是微電子加工技術(shù)和多種微機(jī)械加工技術(shù)相融合而形成的微型系統(tǒng)。完整的MEMS是由感知外界信息(力、熱、光、生、磁、化等)的微傳感器、控制對(duì)象的微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。MEMS具有集成電路系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)，如微型化、以硅為主要材料，機(jī)械電氣性能優(yōu)良、可批量生產(chǎn)、集成化等，同時(shí)又集約了機(jī)械、材料、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科發(fā)展的尖端成果，具有多學(xué)科交叉，多技術(shù)融合的特點(diǎn)。
在醫(yī)療電子應(yīng)用領(lǐng)域，MEMS技術(shù)的目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，這樣不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可以嵌入大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平。MEMS技術(shù)開辟了一個(gè)全新醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)。
大多數(shù)業(yè)內(nèi)觀察家預(yù)測(cè)，未來(lái)5年MEMS醫(yī)療器件的銷售額將呈迅速增長(zhǎng)之勢(shì)，年平均增加率約為21%，因此對(duì)醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇。
解決醫(yī)療電子發(fā)展難題
美國(guó)食品與藥物管理局(FDA)指出，在醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)中，家庭衛(wèi)生保健是發(fā)展最快的領(lǐng)域。受到人類平均壽命延長(zhǎng)，慢性病患者越來(lái)越多以及保健成本越來(lái)越高等原因的推動(dòng)，越來(lái)越多更“智能”、“友好”的醫(yī)療保健產(chǎn)品正在進(jìn)入家庭消費(fèi)市場(chǎng)。
這些醫(yī)療保健產(chǎn)品包括：血糖儀、數(shù)字血壓計(jì)、血?dú)夥治鰞x、數(shù)字脈搏和心率監(jiān)視器、數(shù)字溫度計(jì)、懷孕測(cè)試儀、透皮給藥系統(tǒng)、透析系統(tǒng)和氧濃縮器等，其中許多醫(yī)療電子產(chǎn)品使用的技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，為了確保包括醫(yī)護(hù)人員、病患本人以及最重要的家庭用戶在內(nèi)的每個(gè)人都能安全有效地使用這些產(chǎn)品，對(duì)這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，并且其中許多要求可能存在沖突。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，所有這一切則意味著要在給定空間上實(shí)現(xiàn)更多的功能，同時(shí)盡可能低地降低功率。
在選擇用于家庭保健電子產(chǎn)品的解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)師面臨的最大的問(wèn)題是如何合理地平衡各方面問(wèn)題，如小尺寸、低功率、低成本、高可靠性、長(zhǎng)壽命和高安全性等。同時(shí)，醫(yī)療電子設(shè)備面臨的另外一個(gè)障礙是如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于非醫(yī)療電子設(shè)備所要求的密封性，而全面微型化使得密封性更難實(shí)現(xiàn)。
對(duì)醫(yī)生等專業(yè)人士來(lái)說(shuō)操作醫(yī)療電子設(shè)備是得心應(yīng)手的事，因?yàn)樗麄兣嘤?xùn)過(guò)這些儀器的使用。而對(duì)家庭病人來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單極其重要。幸運(yùn)的是，先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器都有助于實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。
“我們歡迎這些看起來(lái)似乎矛盾的要求，因?yàn)樗鼈兘o我們提供了創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。”意法半導(dǎo)體MEMS、傳感器和高性能模擬產(chǎn)品部總經(jīng)理Benedetto Vigna表示，“我們進(jìn)入醫(yī)療電子行業(yè)已經(jīng)多年了，因此非常理解這些設(shè)備所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。”意法半導(dǎo)體越來(lái)越多的應(yīng)用創(chuàng)意將MEMS技術(shù)與醫(yī)學(xué)完美的結(jié)合起來(lái)，造福人類。比如意法半導(dǎo)體為瑞士Sensimed AG公司設(shè)計(jì)的一款內(nèi)嵌無(wú)線MEMS傳感器的隱形眼鏡，利用一個(gè)嵌入式微型應(yīng)變計(jì)連續(xù)在一段時(shí)間內(nèi)（通常為24小時(shí)）監(jiān)測(cè)眼睛的曲率，此外該隱形眼鏡還內(nèi)嵌天線、微型專用處理電路和向接收器發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)的射頻發(fā)射器。
Sensimed創(chuàng)新的解決方案由兩個(gè)部件組成：智能隱形眼鏡和配戴在病患頸部的小接收器。除應(yīng)變計(jì)外，隱形鏡片還內(nèi)嵌天線、微型專用處理電路和向接收器發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)的射頻發(fā)射器。隱形眼鏡的電能來(lái)自收到的無(wú)線電波，因此無(wú)需連接電池。內(nèi)嵌組件在鏡片上的布局巧妙，不會(huì)干擾病患的視野。隱形鏡片由眼科醫(yī)生給病患裝配，當(dāng)病患次日復(fù)診時(shí)，眼科醫(yī)生卸下眼鏡和接收器，即可讀出在過(guò)去24小時(shí)內(nèi)記錄的完整的IOP變化數(shù)據(jù)。
Sensimed首席執(zhí)行官Jean-Marc Wismer表示：“試用證明我們獨(dú)特的平臺(tái)為青光眼治療帶來(lái)巨大好處，下一步是在選定的地區(qū)向更多的醫(yī)療中心推廣這個(gè)產(chǎn)品。意法半導(dǎo)體在高精度MEMS傳感器研制方面業(yè)績(jī)斐然，又已經(jīng)具備與創(chuàng)新型合作伙伴合作的完整能力，自然是關(guān)鍵階段的首選合作伙伴。”
SENSIMED Triggerfish已取得CE標(biāo)志, 目前正在進(jìn)行大規(guī)模試用，而且在指定醫(yī)療中心已有產(chǎn)品供商業(yè)銷售。“這個(gè)設(shè)備簡(jiǎn)單易用，可以極大地簡(jiǎn)化并改進(jìn)病人護(hù)理方式。”在瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)醫(yī)院試用Triggerfish的 Kaweh Mansouri博士表示。
意法半導(dǎo)體工程師正在與Sensimed合作，把這項(xiàng)突破性的技術(shù)轉(zhuǎn)化成可靠的量產(chǎn)MEMS商品。意法半導(dǎo)體預(yù)計(jì)2010年第二季度完成MEMS傳感器的開發(fā)設(shè)計(jì)，2010年第三季度投入量產(chǎn)。須經(jīng)過(guò)相關(guān)法規(guī)的批準(zhǔn)，才能向試用中心之外的其他醫(yī)生和病患推廣。Sensimed和意法半導(dǎo)體預(yù)計(jì)從2010年第三季度起，在歐洲各國(guó)推出，并于2011年底進(jìn)軍美國(guó)市場(chǎng)。
意法半導(dǎo)體MEMS、傳感器和高性能模擬產(chǎn)品部總經(jīng)理Benedetto Vigna表示：“意法半導(dǎo)體特別專注為診斷和其它醫(yī)療設(shè)備研制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這款人體配戴的自供電無(wú)線傳感器用于創(chuàng)新的產(chǎn)品，有望救治數(shù)百萬(wàn)潛在的以及現(xiàn)有的青光眼病患群體。Sensimed富有創(chuàng)新力的應(yīng)用完美地證明意法半導(dǎo)體如何與保健專家合作，融合兩種完全不同的學(xué)科和技能，利用我們的制造基礎(chǔ)設(shè)施，提高人民的健康水平和福祉。”
越來(lái)越多的成功應(yīng)用
發(fā)展到今天，MEMS已從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)，在醫(yī)療電子領(lǐng)域的應(yīng)用日益普遍，其產(chǎn)品不僅開拓了極為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域且具有十分強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，醫(yī)療電子和診斷設(shè)備為MEMS的應(yīng)用提供了更大的舞臺(tái)。
除了上述的意法半導(dǎo)體為瑞士Sensimed AG公司設(shè)計(jì)的MEMS隱形眼鏡成功案例之外，在生化醫(yī)療的應(yīng)用中MEMS也在不斷增長(zhǎng)，在臨床醫(yī)療中利用傳感器和智能控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行肺結(jié)核和心臟病的治療，實(shí)現(xiàn)心臟的剌激與疏通，創(chuàng)新應(yīng)用包括Proteus Biomedical公司的革命性應(yīng)用——植入式電極，它能剌激心臟內(nèi)不同腔體位置使它們進(jìn)行同步或再同步心跳的治療。其核心技術(shù)在于釆用芯片級(jí)封裝技術(shù)，將毫米級(jí)尺寸的MEMS傳感器和處理器封裝系統(tǒng)放在人體的內(nèi)部使用，而且可以維持好多年，避免了傳統(tǒng)的必須用更多的插入導(dǎo)管來(lái)剌激心臟的不同位置的方案。
依賴MEMS技術(shù)的進(jìn)步，全球在醫(yī)療電子領(lǐng)域都不斷有創(chuàng)新的例子出現(xiàn)，MEMS壓力傳感器在義齒力學(xué)研究中的得到應(yīng)用，采用MEMS電容式壓力傳感器的原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)x寬x高為2．2 mmx 1．8 mmx 0．6mm的MEMS電容式壓力傳感器，再采用分布式埋植入義齒基托內(nèi)的方法，能夠準(zhǔn)確測(cè)試出義齒下方粘膜及粘膜下方的骨組織所承受的力和力的分布。該MEMS傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，測(cè)量穩(wěn)定性好，具有良好的線性度，力的最小分辨率為0．1克，靈敏度高，能夠在一100℃～200℃ 的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，具有寬的溫度適用范圍，能夠適用于口腔的惡劣環(huán)境下作用力的測(cè)定。
另外，Analog Devices, Inc.(ADI)全球領(lǐng)先的高性能信號(hào)處理解決方案供應(yīng)商，最近宣布 ZOLL Medical CorporaTIon選用 ADI 的高性能iMEMS技術(shù)來(lái)構(gòu)建其掌上型 CPR（心臟復(fù)蘇）設(shè)備，用于測(cè)量救援人員施行的胸外按壓的速率和深度。PocketCPR設(shè)備使用 ADI 公司的數(shù)字 iMEMS 加速度計(jì)將 PocketCPR 的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，以便精確讀取 CPR 胸外按壓的速率和深度。這將有助于救援人員獲得美國(guó)心臟協(xié)會(huì) (AHA) 所推薦的胸外按壓力量和頻率。
和國(guó)外MEMS技術(shù)發(fā)展同步，中國(guó)已將MEMS納入國(guó)家“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃和“863計(jì)劃”，國(guó)內(nèi)也有醫(yī)療電子廠商，將MEMS成功應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中，；例如重慶金山科技公司一款利用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的先進(jìn)醫(yī)療電子設(shè)備“智能膠囊”，已實(shí)現(xiàn)銷售額過(guò)億元。該智能膠囊全名為“OMOM智能膠囊消化道內(nèi)窺鏡系統(tǒng)”，通過(guò)吞服進(jìn)入到病人體內(nèi)，用一分鐘或者兩秒鐘時(shí)間拍照，通過(guò)無(wú)線電將圖像發(fā)射出來(lái)，醫(yī)生在檢查之后的8個(gè)小時(shí)之內(nèi)，通過(guò)影像工作站對(duì)病人進(jìn)行診斷。
OMOM智能膠囊消化道內(nèi)窺鏡系統(tǒng)是集圖像處理、信息通訊、光電工程、生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)為一體的典型的MEMS高科技產(chǎn)品，由智能膠囊、圖像記錄儀、手持無(wú)線監(jiān)視儀、影像分析處理軟件等組成，是金山科技集團(tuán)研制的擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種新型無(wú)創(chuàng)無(wú)痛的消化道影像無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)；通過(guò)口服智能膠囊完成胃腸道影像檢查；克服了傳統(tǒng)的推進(jìn)式內(nèi)窺鏡體積大，檢測(cè)過(guò)程痛苦，不適用于老年、纖弱和危險(xiǎn)病人等缺陷；具有體積小、重量輕、檢查方便、無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)痛苦、無(wú)交叉感染、不影響受檢者正常工作等優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)然，作為新興技術(shù)，MEMS在醫(yī)療電子領(lǐng)域的應(yīng)用有待進(jìn)一步挖掘，針對(duì)MEMS材料、設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、工藝、裝備與系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)，建立MEMS醫(yī)療電子研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地，圍繞醫(yī)療電子開發(fā)出若干小批量、多品種、高質(zhì)量MEMS器件及微系統(tǒng)，推動(dòng)MEMS的可持續(xù)發(fā)展和未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的形成打下良好的基礎(chǔ)。醫(yī)療電子市場(chǎng)是一個(gè)穩(wěn)定的市場(chǎng)，它不像消費(fèi)電子產(chǎn)品那樣容易形成泡沫并快速破滅，雖然該產(chǎn)業(yè)的投資回報(bào)期較長(zhǎng)，但它可能為MEMS技術(shù)開拓者提供比其他商業(yè)領(lǐng)域更穩(wěn)定和更持久的回報(bào)。
