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借助新一代半導體技術實現醫療創新

上網時間: 2007年02月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:醫療診斷儀器  小型化  醫療設備  感測器  implanted device 

生物醫療研究在揭示人體生理奧秘和確認可能的新興療法及診斷儀器方面正取得巨大進展。同時,電子學的進步也加速了這些新設備的實現。這使得醫療應用成為半導體領域成長最快的一部份,而電子與醫療也呈現出越來越緊密的融合趨勢。儘管這兩種領域看來似乎沒多大關聯,但事實上,兩者在一些技術領域是相同的:都受到更小的實際體積、低功耗和先進連接能力所驅動。

自電晶體收音機問世以來,對小型化的無止境追求就未曾停歇。摩爾定律常被引用於表述在一個晶片內所能整合的最大元件數量成長速率,但它實際上也同樣適合描述所製造元件的體積遞減速率。

在部份應用中,一些醫療設備需要最大的處理能力。特別是放射和磁造影系統已將其處理能力發揮到極致,且通常不甚關注體積問題。但在其他許多應用中,雖然對運算的要求並不嚴苛,卻沒有空間容納大型元件。而實現這些設備的關鍵,是必須在特定的空間內容納足夠的處理能力。

醫療設備所能容許的最大體積受限於某些有趣的條件。例如,許多人對糖尿病人用的血糖測試機很熟悉。一般來說,這些可攜式電子醫療設備的大小和形狀與一個PDA差不多。使用者將一滴血滴在測試帶上,然後將其插入測試儀,該儀器採用電化學或光學感測器來測定血液中的血糖濃度。一家公司已開發出一個小到能裝入藥瓶蓋的血糖儀,並把測試帶放入罐裝藥瓶內。感測器、MCU、LCD和電池全被裝進體積約為女用腕錶大小的一個精緻產品內。體積小還帶來了低成本,這款血糖儀是可拋棄式產品-在50條測試帶用完後,裝有測試儀的整個藥瓶被一起扔掉。

對植入設備來說,在確定將其放置在哪個部位時,體積是非常重要的。細想一個動脈腫瘤—這是心臟主動脈(大動脈)出現一個因血壓壓迫所導致的凸起脆弱點。常規手術治療是將一種稱為血管支架(stent graft)的人工襯墊穿過脆弱的主動脈。但現在,也許有可能同時在主動脈內部放置一個微型壓力感測器。該感測器採用微機電系統(MEMS)壓力感測以監測手術的長期效果。

MEMS感測器採用與積體電路相同的製程。為讀取大動脈壓力,外科醫生利用一個無線遙控查詢器啟動該元件,元件以無線方式將資料發出。若血管支架失效,隨後的檢查將顯示壓力增加,表示需進一步干預。從小體積獲益的其他植入設備還包括心臟節律器、用於治療中樞神經系統失調(包括從慢性疼痛到帕金森氏病)的神經刺激器,以及包含人工電子耳的助聽器。

利用醫療設備和電子元件體積微縮優勢所創造的最佳應用之一,是設計得像藥丸一樣的可吞服感測器。利用RF技術,這些微型儀器在其工作生命週期中游走於整個消化系統內。首個這種感測器用來監測並發送體溫資訊,它已被用於太空人和運動員體內。最新的此類感測器能報告食道內的pH值,以診斷胃酸逆流疾病及其它症狀。

最新的設備能傳輸靜態影像,這些影像可組成視訊串流,讓醫生檢查小腸(否則只能透過手術進行)。這種‘藥丸相機’整合了一個微小的CMOS成像器與一個ASIC發射器。鏡頭周圍的白光LED提供照明。目前,新一代可吞服醫療設備的早期開發工作已經啟動,這種設備結合了導航控制和自我推進能力,可針對特定部位實現更詳細的影像。


與小型化齊頭並進的是低功耗趨勢。對植入設備來說,最低電流消耗與相應的電池壽命延長帶來了更多優勢。雖然透過皮膚的感應耦合能為某些植入設備充電,但更低的電池消耗永遠是值得努力的目標。

外部設備也對功耗非常敏感。隨著電子元件尺寸微縮,曾經是固定式的醫療設備正轉變為可攜式。超音波顯像儀曾是‘可移動’的,但通常是被放在小車上,可從一個房間推到另一房間而已。現在,它們的外形已經趨近於一台筆記型電腦。

除顫器一度是僅能由醫院中受過專門訓練的專業人員操作的設備。現在,自動外部除顫器在機場、購物中心、學校甚至飛機上都很常見。可攜式製氧機能為正在進行氧氣治療的患者從空氣中擷取氧,這種機器能像背包一樣背在肩上。實現這些設備的關鍵除了小體積外,還有低功耗。需透過各種方法滿足這些設備的嚴苛功耗要求。

但出乎意料地,電子元件體積的減小事實上可能對降低功耗帶來負面影響。當晶片內的電晶體越來越小、密度越來越高時,有效通道長度變短,漏電流增加。類似閘穿隧等其他機制,也會隨著幾何尺寸的縮小而對功耗有著類似的負面影響。晶片製造商透過最佳化矽製程參數(預計該努力將一直持續下去)以應對幾何尺寸不斷縮減帶來的消極影響。另外,數位和類比領域的設計師都花費極大心血以在各自電路設計中降低功耗。他們採用了降低工作電壓、管理電容、時脈閘控及其它技術以消除不必要的電流消耗。

晶片設計師也在其元件中增加能讓醫療設備設計人員控制功耗的功能。例如,Microchip公司的dsPIC33F系列MCU具有閒置、休眠和瞌睡模式,每種模式均有多種選項,使醫療設備設計人員擁有調整功耗的靈活性。在許多醫療設備中,在大多數時間內MCU是處於閒置狀態的。

生命跡象監控器(vital-sign monitor)、輸液幫浦、資料記錄儀與許多診斷儀器的輸入訊號是變化相當緩慢的溫度、壓力和生物電訊號。這類設備內的處理器在大多時間內處於低功耗狀態,可數毫秒喚醒一次以執行指令。以這種方式工作時,整體平均電流只是該處理器正常工作電流的一部份。

能量保持方面的進展將催生新一代設備。在某些植入設備中,壓電和熱電電源也許有一天會取代電池。目前已經有一款微感測器被整合到髖關節植入設備中,以監測植入設備與康復骨組織的結合情況。該設備是由運動供電的,它以患者的運動作為能源。

在電子和醫療領域,無線已成為主導技術。1999年,美國聯邦通訊委員會(FCC)將402到405MHz頻段分配給醫療植入通訊服務(Medical Implant Communication Service)。該頻段用於與植入設備通訊。例如,病人床邊的基地台可監測心臟節律器的工作。基地台定時把記錄下來的資料發送給醫生進行分析。

其他外部設備採用藍牙、紅外線、ZigBee、Wi-Fi或其他專有協議進行通訊。家庭保健中心網路可連接體重計、血壓計、體溫計、肺量計和其他診斷儀器與遠端醫療終端。這些網路能實現高效的疾病管理看護而無需經常親臨醫院。

當然,並非所有的醫療網路均為無線。一些設備由於過於複雜,因此使用自己的內部網路。例如,一台透析機會包含十幾個或更多的MCU。一個CAN匯流排可連接一個主控單元與機器內控制多個蠕動式幫浦的若干其他設備。CAN匯流排上的其他節點則監控壓力或控制流通閥的開關。

有線和WLAN在醫院也正獲得廣泛使用。電子病人檔案、處方下達和傳遞以及成像資料都可透過網路或在病床邊獲得。


隨著電子和醫療在小型化、低功耗和連接性方面不斷取得的創新,新興電子醫療設備的研發預期將會加速。但必須關注由於這兩個領域的不同所帶來的挑戰。半導體技術的變化較醫療設備的快得多。元件製造商自然願意提供用最新製程製造的最新產品;然而,醫療設備設計師在設計中往往會選用已上市一段時間、具有良好口碑的元件。同樣,當醫療設備通過美國聯邦食品及藥物管理局(FDA)的審核投入生產後,製造商一般不願意再對元件做出更改。

電子技術與醫療設備的融合是不可避免的。生物醫學研究將持續確定新的疾病治療方法。電子研究則可能持續開發可促使這些療法實現的設備。電子與醫療設備工程師的密切合作,將以超乎想像的方式加速推動醫療保健事業的進展。

作者:Steve Kennelly

醫療產品部門主管

Microchip公司




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