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MEMS技術(shù):醫(yī)療電子跨越式發(fā)展的新動力

發(fā)布時間:2010-09-16 來源:創(chuàng)e時代

機(jī)遇與挑戰(zhàn):
  • MEMS在醫(yī)療電子應(yīng)用十分具有吸引力
  • 越來越多的成功應(yīng)用
市場數(shù)據(jù):
  • 未來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、控制對象的微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、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,同時又集約了機(jī)械、材料、信息與自動控制、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)的自動化、智能化和可靠性水平。MEMS技術(shù)開辟了一個全新醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)。

大多數(shù)業(yè)內(nèi)觀察家預(yù)測,未來5年MEMS醫(yī)療器件的銷售額將呈迅速增長之勢,年平均增加率約為21%,因此對醫(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,慢性病患者越來越多以及保健成本越來越高等原因的推動,越來越多更“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。

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)的每個人都能安全有效地使用這些產(chǎn)品,對這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求越來越高,并且其中許多要求可能存在沖突。對于設(shè)計(jì)師來說,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,設(shè)計(jì)師面臨的最大的問題是如何合理地平衡各方面問題,如小尺寸、低功率、低成本、高可靠性、長壽命和高安全性等。同時,醫(yī)療電子設(shè)備面臨的另外一個障礙是如何實(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)。

對醫(yī)生等專業(yè)人士來說操作醫(yī)療電子設(shè)備是得心應(yīng)手的事,因?yàn)樗麄兣嘤?xùn)過這些儀器的使用。而對家庭病人來說,操作簡單極其重要。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)這個目標(biāo)。

“我們歡迎這些看起來似乎矛盾的要求,因?yàn)樗鼈兘o我們提供了創(chuàng)新的機(jī)會。”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,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)嵌無線MEMS傳感器的隱形眼鏡,利用一個嵌入式微型應(yīng)變計(jì)連續(xù)在一段時間內(nèi)(通常為24小時)監(jiān)測眼睛的曲率,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)送測量數(shù)據(jù)的射頻發(fā)射器。

Sensimed創(chuàng)新的解決方案由兩個部件組成: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)送測量數(shù)據(jù)的射頻發(fā)射器。隱形眼鏡的電能來自收到的無線電波,因此無需連接電池。內(nèi)嵌組件在鏡片上的布局巧妙,不會干擾病患的視野。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,眼科醫(yī)生卸下眼鏡和接收器,即可讀出在過去24小時內(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)特的平臺為青光眼治療帶來巨大好處,下一步是在選定的地區(qū)向更多的醫(yī)療中心推廣這個產(chǎn)品。意法半導(dǎo)體在高精度MEMS傳感器研制方面業(yè)績斐然,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。“這個設(shè)備簡單易用,可以極大地簡化并改進(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,在歐洲各國推出,并于2011年底進(jìn)軍美國市場。

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)備研制無線傳感器網(wǎng)絡(luò),這款人體配戴的自供電無線傳感器用于創(chuàng)新的產(chǎn)品,有望救治數(shù)百萬潛在的以及現(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,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)大的市場競爭力,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。

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,在臨床醫(yī)療中利用傳感器和智能控制技術(shù)來進(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)在于釆用芯片級封裝技術(shù),將毫米級尺寸的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)了一個長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)境下作用力的測定。

另外,Analog Devices, Inc.(ADI)全球領(lǐng)先的高性能信號處理解決方案供應(yīng)商,最近宣布 ZOLL Medical CorporaTIon選用 ADI 的高性能iMEMS技術(shù)來構(gòu)建其掌上型 CPR(心臟復(fù)蘇)設(shè)備,用于測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)動轉(zhuǎn)換為實(shí)時測量數(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心臟協(xié)會 (AHA) 所推薦的胸外按壓力量和頻率。

和國外MEMS技術(shù)發(fā)展同步,中國已將MEMS納入國家“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃和“863計(jì)劃”,國內(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)”,通過吞服進(jìn)入到病人體內(nèi),用一分鐘或者兩秒鐘時間拍照,通過無線電將圖像發(fā)射出來,醫(yī)生在檢查之后的8個小時之內(nèi),通過影像工作站對病人進(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產(chǎn)權(quán)的一種新型無創(chuàng)無痛的消化道影像無線檢測系統(tǒng);通過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,檢測過程痛苦,不適用于老年、纖弱和危險病人等缺陷;具有體積小、重量輕、檢查方便、無創(chuàng)傷、無痛苦、無交叉感染、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MEMS材料、設(shè)計(jì)、制造、檢測、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MEMS的可持續(xù)發(fā)展和未來產(chǎn)業(yè)化的形成打下良好的基礎(chǔ)。醫(yī)療電子市場是一個穩(wěn)定的市場,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)的投資回報期較長,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。
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