MEMS技术:医疗电子跨越式发展的新动力

2010-09-15 13:10:41来源: 创e时代

      如今,微机电系统(Micro ElectroMechanical Systems,简称MEMS)技术在医疗电子领域的应用如火如荼,并在医疗电子应用领域获得了充足的技术演进动力 咨询机构A. M. Fitzgerald & Associates公司认为,MEMS在医疗电子方面的应用十分有吸引力,可用于微流体系统、微型胰岛素泵、动脉瘤压力传感器、微型内窥镜系统等微型器件的设计制造;也可在视网膜修补等应用中发挥作用 同样In-Stat也认为,当全球人口老龄化趋势日趋明显的今天,MEMS技术已为糖尿病、心血管等疾病保健问题,提供十分有效的解决方案。

  MEMS是受微电子技术启发并在其基础上发展起来的,是微电子加工技术和多种微机械加工技术相融合而形成的微型系统。完整的MEMS是由感知外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的微传感器、控制对象的微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。MEMS具有集成电路系统的许多优点,如微型化、以硅为主要材料,机械电气性能优良、可批量生产、集成化等,同时又集约了机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科发展的尖端成果,具有多学科交叉,多技术融合的特点。

  在医疗电子应用领域,MEMS技术的目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,这样不仅可以降低机电系统的成本,而且还可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务,也可以嵌入大尺寸系统中,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。MEMS技术开辟了一个全新医疗电子产业。

  大多数业内观察家预测,未来5年MEMS医疗器件的销售额将呈迅速增长之势,年平均增加率约为21%,因此对医疗电子产业的发展提供了极好的机遇。

  解决医疗电子发展难题

  美国食品与药物管理局(FDA)指出,在医疗电子产业中,家庭卫生保健是发展最快的领域。受到人类平均寿命延长,慢性病患者越来越多以及保健成本越来越高等原因的推动,越来越多更“智能”、“友好”的医疗保健产品正在进入家庭消费市场。

  这些医疗保健产品包括:血糖仪、数字血压计、血气分析仪、数字脉搏和心率监视器、数字温度计、怀孕测试仪、透皮给药系统、透析系统和氧浓缩器等,其中许多医疗电子产品使用的技术越来越复杂,为了确保包括医护人员、病患本人以及最重要的家庭用户在内的每个人都能安全有效地使用这些产品,对这些产品的设计要求越来越高,并且其中许多要求可能存在冲突。对于设计师来说,所有这一切则意味着要在给定空间上实现更多的功能,同时尽可能低地降低功率。

  在选择用于家庭保健电子产品的解决方案时,设计师面临的最大的问题是如何合理地平衡各方面问题,如小尺寸、低功率、低成本、高可靠性、长寿命和高安全性等。同时,医疗电子设备面临的另外一个障碍是如何实现远高于非医疗电子设备所要求的密封性,而全面微型化使得密封性更难实现。

  对医生等专业人士来说操作医疗电子设备是得心应手的事,因为他们培训过这些仪器的使用。而对家庭病人来说,操作简单极其重要。幸运的是,先进的微机电系统(MEMS)传感器都有助于实现这个目标。

  “我们欢迎这些看起来似乎矛盾的要求,因为它们给我们提供了创新的机会。”意法半导体MEMS、传感器和高性能模拟产品部总经理Benedetto Vigna表示,“我们进入医疗电子行业已经多年了,因此非常理解这些设备所面临的技术挑战。”意法半导体越来越多的应用创意将MEMS技术与医学完美的结合起来,造福人类。比如意法半导体为瑞士Sensimed AG公司设计的一款内嵌无线MEMS传感器的隐形眼镜,利用一个嵌入式微型应变计连续在一段时间内(通常为24小时)监测眼睛的曲率,此外该隐形眼镜还内嵌天线、微型专用处理电路和向接收器发送测量数据的射频发射器。

  Sensimed创新的解决方案由两个部件组成:智能隐形眼镜和配戴在病患颈部的小接收器。除应变计外,隐形镜片还内嵌天线、微型专用处理电路和向接收器发送测量数据的射频发射器。隐形眼镜的电能来自收到的无线电波,因此无需连接电池。内嵌组件在镜片上的布局巧妙,不会干扰病患的视野。隐形镜片由眼科医生给病患装配,当病患次日复诊时,眼科医生卸下眼镜和接收器,即可读出在过去24小时内记录的完整的IOP变化数据。

  Sensimed首席执行官Jean-Marc Wismer表示:“试用证明我们独特的平台为青光眼治疗带来巨大好处,下一步是在选定的地区向更多的医疗中心推广这个产品。意法半导体在高精度MEMS传感器研制方面业绩斐然,又已经具备与创新型合作伙伴合作的完整能力,自然是关键阶段的首选合作伙伴。”

  SENSIMED Triggerfish已取得CE标志, 目前正在进行大规模试用,而且在指定医疗中心已有产品供商业销售。“这个设备简单易用,可以极大地简化并改进病人护理方式。”在瑞士日内瓦大学医院试用Triggerfish的 Kaweh Mansouri博士表示。

  意法半导体工程师正在与Sensimed合作,把这项突破性的技术转化成可靠的量产MEMS商品。意法半导体预计2010年第二季度完成MEMS传感器的开发设计,2010年第三季度投入量产。须经过相关法规的批准,才能向试用中心之外的其他医生和病患推广。Sensimed和意法半导体预计从2010年第三季度起,在欧洲各国推出,并于2011年底进军美国市场。

  意法半导体MEMS、传感器和高性能模拟产品部总经理Benedetto Vigna表示:“意法半导体特别专注为诊断和其它医疗设备研制无线传感器网络,这款人体配戴的自供电无线传感器用于创新的产品,有望救治数百万潜在的以及现有的青光眼病患群体。Sensimed富有创新力的应用完美地证明意法半导体如何与保健专家合作,融合两种完全不同的学科和技能,利用我们的制造基础设施,提高人民的健康水平和福祉。”

  越来越多的成功应用

  发展到今天,MEMS已从实验室走向市场,在医疗电子领域的应用日益普遍,其产品不仅开拓了极为广泛的应用领域且具有十分强大的市场竞争力,医疗电子和诊断设备为MEMS的应用提供了更大的舞台。

  除了上述的意法半导体为瑞士Sensimed AG公司设计的MEMS隐形眼镜成功案例之外,在生化医疗的应用中MEMS也在不断增长,在临床医疗中利用传感器和智能控制技术来进行肺结核和心脏病的治疗,实现心脏的剌激与疏通,创新应用包括Proteus Biomedical公司的革命性应用——植入式电极,它能剌激心脏内不同腔体位置使它们进行同步或再同步心跳的治疗。其核心技术在于釆用芯片级封装技术,将毫米级尺寸的MEMS传感器和处理器封装系统放在人体的内部使用,而且可以维持好多年,避免了传统的必须用更多的插入导管来剌激心脏的不同位置的方案。

  依赖MEMS技术的进步,全球在医疗电子领域都不断有创新的例子出现,MEMS压力传感器在义齿力学研究中的得到应用,采用MEMS电容式压力传感器的原理,设计了一个长x宽x高为2.2 mmx 1.8 mmx 0.6mm的MEMS电容式压力传感器,再采用分布式埋植入义齿基托内的方法,能够准确测试出义齿下方粘膜及粘膜下方的骨组织所承受的力和力的分布。该MEMS传感器结构稳定,测量稳定性好,具有良好的线性度,力的最小分辨率为0.1克,灵敏度高,能够在一100℃~200℃ 的温度范围内稳定工作,具有宽的温度适用范围,能够适用于口腔的恶劣环境下作用力的测定。

  另外,Analog Devices, Inc.(ADI)全球领先的高性能信号处理解决方案供应商,最近宣布 ZOLL Medical CorporaTIon选用 ADI 的高性能iMEMS技术来构建其掌上型 CPR(心脏复苏)设备,用于测量救援人员施行的胸外按压的速率和深度。PocketCPR设备使用 ADI 公司的数字 iMEMS 加速度计将 PocketCPR 的运动转换为实时测量数据,以便精确读取 CPR 胸外按压的速率和深度。这将有助于救援人员获得美国心脏协会 (AHA) 所推荐的胸外按压力量和频率。

  和国外MEMS技术发展同步,中国已将MEMS纳入国家“十一五”科技发展规划和“863计划”,国内也有医疗电子厂商,将MEMS成功应用于医疗设备中,;例如重庆金山科技公司一款利用MEMS技术设计的先进医疗电子设备“智能胶囊”,已实现销售额过亿元。该智能胶囊全名为“OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统”,通过吞服进入到病人体内,用一分钟或者两秒钟时间拍照,通过无线电将图像发射出来,医生在检查之后的8个小时之内,通过影像工作站对病人进行诊断。

  OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医学等多学科技术为一体的典型的MEMS高科技产品,由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视仪、影像分析处理软件等组成,是金山科技集团研制的拥有完全自主知识产权的一种新型无创无痛的消化道影像无线检测系统;通过口服智能胶囊完成胃肠道影像检查;克服了传统的推进式内窥镜体积大,检测过程痛苦,不适用于老年、纤弱和危险病人等缺陷;具有体积小、重量轻、检查方便、无创伤、无痛苦、无交叉感染、不影响受检者正常工作等优点。

  当然,作为新兴技术,MEMS在医疗电子领域的应用有待进一步挖掘,针对MEMS材料、设计、制造、检测、工艺、装备与系统集成等关键技术,建立MEMS医疗电子研发体系和产业化基地,围绕医疗电子开发出若干小批量、多品种、高质量MEMS器件及微系统,推动MEMS的可持续发展和未来产业化的形成打下良好的基础。医疗电子市场是一个稳定的市场,它不像消费电子产品那样容易形成泡沫并快速破灭,虽然该产业的投资回报期较长,但它可能为MEMS技术开拓者提供比其他商业领域更稳定和更持久的回报。

关键字:MEMS  医疗电子

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2010/0915/article_467.html
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