- MEMS在醫(yī)療電子應用十分具有吸引力
- 越來越多的成功應用
- 未來5年MEMS醫(yī)療器件銷售額年均增加率約21%
如今，微機電系統(tǒng)（Micro ElectroMechanical Systems，簡稱MEMS）技術在醫(yī)療電子領域的應用如火如荼，并在醫(yī)療電子應用領域獲得了充足的技術演進動力。咨詢機構A. M. Fitzgerald & Associates公司認為，MEMS在醫(yī)療電子方面的應用十分有吸引力，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)等微型器件的設計制造；也可在視網(wǎng)膜修補等應用中發(fā)揮作用 同樣In-Stat也認為，當全球人口老齡化趨勢日趨明顯的今天，MEMS技術已為糖尿病、心血管等疾病保健問題，提供十分有效的解決方案。
MEMS是受微電子技術啟發(fā)并在其基礎上發(fā)展起來的，是微電子加工技術和多種微機械加工技術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，如微型化、以硅為主要材料，機械電氣性能優(yōu)良、可批量生產(chǎn)、集成化等，同時又集約了機械、材料、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科發(fā)展的尖端成果，具有多學科交叉，多技術融合的特點。
在醫(yī)療電子應用領域，MEMS技術的目標是把信息的獲取、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電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務，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)品正在進入家庭消費市場。
這些醫(yī)療保健產(chǎn)品包括：血糖儀、數(shù)字血壓計、血氣分析儀、數(shù)字脈搏和心率監(jiān)視器、數(shù)字溫度計、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)品使用的技術越來越復雜，為了確保包括醫(yī)護人員、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)品的設計要求越來越高，并且其中許多要求可能存在沖突。對于設計師來說，所有這一切則意味著要在給定空間上實現(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，設計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)療電子設備面臨的另外一個障礙是如何實現(xiàn)遠高于非醫(yī)療電子設備所要求的密封性，而全面微型化使得密封性更難實現(xiàn)。
對醫(yī)生等專業(yè)人士來說操作醫(yī)療電子設備是得心應手的事，因為他們培訓過這些儀器的使用。而對家庭病人來說，操作簡單極其重要。幸運的是，先進的微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器都有助于實現(xiàn)這個目標。
“我們歡迎這些看起來似乎矛盾的要求，因為它們給我們提供了創(chuàng)新的機會。”意法半導體MEMS、傳感器和高性能模擬產(chǎn)品部總經(jīng)理Benedetto Vigna表示，“我們進入醫(yī)療電子行業(yè)已經(jīng)多年了，因此非常理解這些設備所面臨的技術挑戰(zhàn)。”意法半導體越來越多的應用創(chuàng)意將MEMS技術與醫(yī)學完美的結合起來，造福人類。比如意法半導體為瑞士Sensimed AG公司設計的一款內(nèi)嵌無線MEMS傳感器的隱形眼鏡，利用一個嵌入式微型應變計連續(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。除應變計外，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，當病患次日復診時，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，自然是關鍵階段的首選合作伙伴。”
SENSIMED Triggerfish已取得CE標志, 目前正在進行大規(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。“這個設備簡單易用，可以極大地簡化并改進病人護理方式。”在瑞士日內(nèi)瓦大學醫(yī)院試用Triggerfish的 Kaweh Mansouri博士表示。
意法半導體工程師正在與Sensimed合作，把這項突破性的技術轉化成可靠的量產(chǎn)MEMS商品。意法半導體預計2010年第二季度完成MEMS傳感器的開發(fā)設計，2010年第三季度投入量產(chǎn)。須經(jīng)過相關法規(guī)的批準，才能向試用中心之外的其他醫(yī)生和病患推廣。Sensimed和意法半導體預計從2010年第三季度起，在歐洲各國推出，并于2011年底進軍美國市場。
意法半導體MEMS、傳感器和高性能模擬產(chǎn)品部總經(jīng)理Benedetto Vigna表示：“意法半導體特別專注為診斷和其它醫(yī)療設備研制無線傳感器網(wǎng)絡，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)新力的應用完美地證明意法半導體如何與保健專家合作，融合兩種完全不同的學科和技能，利用我們的制造基礎設施，提高人民的健康水平和福祉。”
越來越多的成功應用
發(fā)展到今天，MEMS已從實驗室走向市場，在醫(yī)療電子領域的應用日益普遍，其產(chǎn)品不僅開拓了極為廣泛的應用領域且具有十分強大的市場競爭力，醫(yī)療電子和診斷設備為MEMS的應用提供了更大的舞臺。
除了上述的意法半導體為瑞士Sensimed AG公司設計的MEMS隱形眼鏡成功案例之外，在生化醫(yī)療的應用中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來進行肺結核和心臟病的治療，實現(xiàn)心臟的剌激與疏通，創(chuàng)新應用包括Proteus Biomedical公司的革命性應用——植入式電極，它能剌激心臟內(nèi)不同腔體位置使它們進行同步或再同步心跳的治療。其核心技術在于釆用芯片級封裝技術，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管來剌激心臟的不同位置的方案。
依賴MEMS技術的進步，全球在醫(yī)療電子領域都不斷有創(chuàng)新的例子出現(xiàn)，MEMS壓力傳感器在義齒力學研究中的得到應用，采用MEMS電容式壓力傳感器的原理，設計了一個長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傳感器結構穩(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)全球領先的高性能信號處理解決方案供應商，最近宣布 ZOLL Medical CorporaTIon選用 ADI 的高性能iMEMS技術來構建其掌上型 CPR（心臟復蘇）設備，用于測量救援人員施行的胸外按壓的速率和深度。PocketCPR設備使用 ADI 公司的數(shù)字 iMEMS 加速度計將 PocketCPR 的運動轉換為實時測量數(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計劃”，國內(nèi)也有醫(yī)療電子廠商，將MEMS成功應用于醫(yī)療設備中，；例如重慶金山科技公司一款利用MEMS技術設計的先進醫(yī)療電子設備“智能膠囊”，已實現(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)學等多學科技術為一體的典型的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，是金山科技集團研制的擁有完全自主知識產(chǎn)權的一種新型無創(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。
當然，作為新興技術，MEMS在醫(yī)療電子領域的應用有待進一步挖掘，針對MEMS材料、設計、制造、檢測、工藝、裝備與系統(tǒng)集成等關鍵技術，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。醫(yī)療電子市場是一個穩(wěn)定的市場，它不像消費電子產(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技術開拓者提供比其他商業(yè)領域更穩(wěn)定和更持久的回報。
