医疗诊断、治疗和理疗的经久猜测看起来似乎比根据最新的微电子传感器和感官移植体断定加倍有益于健康。这些传感器和移植体可以让医务人员更好地懂得病人的不适和疾病，同时针对具体的症状更快地供给更精确的┞凤断和治疗。这些进步背后所涉及典范多技巧都源竽暌冠微机电体系(MEMS)器件取得的进展。

这些微机电体系元件的应用有望在接下来的几年迈敏捷增长。根据iSuppli公司Yole Développement的BioMEMS 2010申报，面向医疗应用的微机电体系技巧市场将大年夜2009年的12亿美元敏捷爆增到2015年的45亿美元，相当于在2015年之前，每年的出货量都在10亿件以上。

这些器件种类繁多，包含压力传感器、硅麦克风、加快度计、陀螺仪、光学MEMS和图像传感器、微流体芯片、微量分注器给药体系、流量计、IR温度传感器以及RFID、应力传感器和能量采集器等新兴的MEMS器件。

一部分微机电体系已经商用或者正在推向市场。而今朝正在开辟的微机电体系有望在几年内进入市场。同时，现有的MEMS IC产品赓续地在医疗范畴的新兴应用中寻找用武之地。

例如，Movea公司开辟的小型惯性治理单位(IMU)采取MEMS三轴加快度计、陀螺仪和磁力仪传感器，可以赞助康复和健身晃荡实现高精度、无线九自由度测量。该公司现有的2.4GHz无线传输MotionPod采取尺寸为33×22×15mm3、重14g的完全集成型印制电路板(PCB)模块。
该模块的尺寸根本上与小手表相当，经由过程夹在带子上轻松地附在人体上，或者直接附在人体上。多个MotionPod形成的收集可以同时采集人体不合部位的信息，实用于机能分析和全身动作捕获等应用。

“九轴传感能以一度的动态精度供给精确的及时角信息，”Movea公司首席履行官(CEO)Sam Guilaumé表示。

另一个比较有意思的MEMS传感器是飞思卡尔半导体(Freescale)的MPL115A数字MEMS气压计。这款获得专利的器件本质上是经由过程肯定海拔(即海拔越高，所须要的氧气越多，反之亦然)来节俭呼吸机体系中的氧气和能量。它采取差分压力测量，可以用作进行负压伤口治疗的智能绷带(图2)。

图2：飞思卡尔的MPL115A等MEMS数字气压计可用作智能绷带，经由过程负差压测量进行疗伤

传统的模仿和混淆旌旗灯号IC甚至也归并到医疗传感应用中。TI的低功耗八通道24位ADS 1298R模仿前端专门针对用于心电图(ECG)、肌动电流图(EMG)和脑电图(EEG)的医疗仪器传感器中的生物登基测量而设计。本质上讲，这是一款片上心电图解决筹划。

接着往后看，密歇根大年夜学的研究人员开辟出了一款压电MEMS器件，这种器件可以产生比传统能量采集器多10倍的能量。该器件对于人体中的医疗移植体的供电以及汽车中的无线传感器收集而言有着异常重要的意义。
这款大年夜尺寸微机械器件与其它微型电路元件封装在一路，构成了一款具有27mm3微型封装的完全振动能量采集器。它可以采取介于14至155Hz之间的┞否动能量，1.5gs的┞否动可产生200μW阁下的功率。

该器件可以将超等电容器充电至1.5V。然后超等电容器代替电容对无线传感器进行上电。研究人员估计，这种能量采集器可以反复这个环节10至20年，并且质量不会降低。

压电效应还可以用于采取氮化铝薄膜进行的超声波压力传感反响探测，可实现对活体组织的无创性测量。该技巧由日本工业科技协会开辟。厚度为40μm的薄膜可以直接测量接触压力，同时几乎不影响超声波的传输和接收。
该传感器具有机械强度和耐用性。这是因为在两个内侧具有压电层的薄膜外部电极之存放置了单个内部电极，并且大年夜外部完全樊篱了两个外部电极之间的内部电极(图3)。

图3：这款超声波压力测量传感慨头经由过程压电效应来实现人体组织的无创性测量。此探头由日本工业技巧协会开辟。

令人震动的植入

微型无源MEMS LC谐振器是CardioMEMS的Champion植入式装配的核心，这栽种入式装配用于监测和治疗心力弱竭的重要致病因——动脉瘤(图4)。美国食物和药品治理局(FDA)已赞成该器件可用于监测，并有望在不远的将来获得治疗许可。

RF无线压力传感器不须要电池，因为它采取外部电感耦合供电。压力产生变更时会使传感器的薄膜产生偏斜，并改变LC电路的谐振频率，这可以大年夜外部监测到。

压力传感器及其无线天线经由过程导管插在心脏邻近，这个手术只须要几分钟的时光。血压读数被发送到无线扫描仪中。如不雅几天以来所获取的血压读数在应有典范围之外，大夫就会收到德律风通知，以便进行进一步治疗。



内窥镜和机械人手术等很多手术正变得越来越简单，越来越轻易进行，这得益于新设备的赓续开辟。葡萄牙公司Awaiba Lda开辟了一款可以根据医疗应用的低功耗请求进行定制的晶圆级数字CMOS图像传感器。Nan Eye摄像头尺寸仅0.5×0.5 mm2，大年夜致相当于一个火柴头的大年夜小，该摄像头在40frame/s的帧速度下具有140×140像素的分辨率(图5)。

这种摄像头的镜头采取高硼硅浮法玻璃设计，这使得朝向被摄物体的外面是扁平的，大年夜而最大年夜限度地削减镜头与被摄物体之存放在中心物所产生的影响。是以，当体系在与体液接触的情况中工作时，仅有镜头的开度角减小。

该摄像头采取Bayer模式滤波器和3μm间距的250×250像素卷帘式快门，可供给清楚的彩色图像。此外还供给1.8V电池供电的低功耗版本，该摄像头的耗散电流仅600μA。

眼科植入

在另一个开辟范沉闼楝东京大年夜学研发出的新兴装配就是基于这种微流体技巧，该装配可以模仿食物和口服药物流经人体时经历的过程。其开辟人员认为，这种装配对药物筛选和化学药品风险评估等应用异常有效。
比来，眼科植入正引起越来越多的存眷。对于患有青光眼、色生性视网膜炎和老年性黄斑变性等疾病的病人，这个充斥欲望的新兴技巧很快就能奏效。

比如，意法半导体公司(ST)与瑞士的Sensimed AG公司联手开辟了一款名为Triggerfish的智能隐形眼镜。这种隐形眼镜可以测量、监测和控制病人的眼压程度，大年夜而及时发明青光眼的早期症状。它可以24小时测量眼压，然后向主治大夫供给记录。这种压力传感器是由意法半导体开辟的一种MEMS应变计，采取柔性基板制造(图6)。

图6：Triggerfish的眼科植入体可以24小时测量、监测和控制病人的眼压程度，

以便及时发明青光眼的早期症状。该植入体由Sensimed公司和意法半导体结合开辟。

测量的对象是与眼压读数直接相干的角巩膜连接处的圆周波动。然后该信息经由过程无线通信大年夜记录器传送出去。

有了可以简单便利、加倍精确地检测青光眼疾病的测试，须要看眼科大夫才能进行麻烦的青光眼测试很快就会成为汗青。阿拉巴马大年夜学航空和机械工程学传授Eniko Enokov设计的一种简单易用的自我测逝嘌只须要病人在本身家里轻轻地摩擦眼睑就可以检测是否患有青光眼了。

“这个体系可以检测硬度，然后据此揣摸出眼压，”Enokov表示。

探头概念看起来简单，然则这种概念背后所涉及的技巧却相当复杂。它涉及微力传感器、专门设计的微芯片以及编入探头中的基于数学的法度榜样。

“我们花了几年的时光进行完美和修改才达到了今朝的设计程度，”Enokov表示，“我们这个设备的立异在于它具有无创性，简单易用，实用于各类采取今朝的手术难以进行测试或无法测试的情况。”

这种研发上的进展使得生物医学工程师可以或许激活选定的神经元组，而不是像今朝的刺激探头一样，仅激活刺激部位邻近的细胞。光还可以用来克制神经元的触发，而探头只能刺激神经元。最有意思的可能是光触发的脑细胞的工程设计，这种设计可认为应用光链路联络生物组织和硅组件的混淆计算机铺平门路。


神经范畴的热点技巧
大年夜脑是若何工作的？这是一个持续推动研究人员寻找谜底的问题。研究人员正基于一些最新的研发结不雅，进一步深刻地为大年夜量复杂问题寻找解决筹划。

客岁，NeuroPace公司向FDA申请赞成采取大年夜脑植仁攀来治疗癫痫病。该公司有望很快就能获准应用其RNS体系。RNS是一种应用反竽暌功性大年夜脑的神经刺激的新兴研究器件，可以明显降低有通俗癫痫病(这种病很难经由过程药物治疗)的人群的发生发火频率。

“我认为，在接下来的十年迈，各类闭环和开环大年夜脑刺激器件会替代有创性外科手术，”NeuroPace公司首席医务官Martha Morrell表示。

这种器件是浩瀚仍在研究阶段的神经外科植入体中的个一一种，它的感化是减轻和治疗大年夜苦楚悲伤处理、抑郁症到帕金森症和阿尔茨海默氏病等各类疾病。NeoStim和Trifectas Medical公司只是浩瀚大年夜事此范畴研究的公司中的个中两家。



南佛罗里达大年夜学的研究人员正在用脑部深度刺激术来治疗原发性震颤。原发性震颤会影响手、头部和声音，比帕金森症广泛三倍。这种主如果遗传引起的神经体系疾病可能会导致无法控制的动摇，进而影响正常的日常晃荡。

根据这些研究人员的申报，这种技巧可以使77%做过此刺激术的病人在治疗后的一年后就不再须要应用后续的药物治疗了。这种治疗采取一种类似于起搏器的植入式装配，经由过程电脉冲刺激大年夜脑的目标部位，大年夜而阻拦或者修改引起震颤的不正常神经旌旗灯号。FDA于1997年赞成进行词攀类治疗。

微流体

微流体技巧在植入式装配和芯片实验室技巧范畴正在获得稳步晋升。很多芯片实验室开辟都在专注于供给低成本、高精度和快速的血液诊断办法来检测癌症。事实上，这也是旨在经由过程血液检测癌症的Miracle(单一轮回和扩散的肿瘤细胞的磁性隔离和分子生物学分析)项目标目标，该项目是客岁由比利时的IMEC及其合作伙伴提议的。

CardioMEMS(佐治亚理工学院的分支机构)临盆电子浏览器、旌旗灯号处理电路和传输电路。MEMSCAP供给这类装配的传感器、天线和封装。到今朝为止取得了异常了不得的成就。


客岁提议的CSI(中枢神经体系成像)欧洲项目致力于进步脑部疾病的┞凤疗程度，同时降低相干的┞凤疗费用。该项目有望在用于传感、计算和设备平台的最新3D医疗成像平台范畴取得长足的进步。该项目标会员包括领先的欧洲电子公司、大年夜学和科研中间。

这些开辟人员设计了一个三站式器官路程，在这段路程中，微型肠道和微型肝脏接收化学药品，并产生代谢，然后将其传送到乳腺癌细胞——目标组织。它们将这三个器官的细胞收集到一个尺寸为7.5×2.5cm2的玻璃和塑燎９依υ流体芯片上。样本经由过程一小我口进入细胞中，大年夜而按次序进入这三个器官腔内。结不雅在输出端测得(图7)。
图7：微流体技巧可以模仿食物和口服药物流经人体达到目标乳腺癌细胞时经历的过程。东京大年夜学的开辟人员认为，这种装配对药物筛选和化学药品风险评估等应用异常有效。

个一一个比较有名的微流体给药装配是Debiotech与意法半导体采取Debiotech的微流体MEMS技巧结合开辟的Jewel胰岛素泵。(该装配正在等待FDA的赞成。)这种胰岛素泵可以安装在一次性皮肤贴布上，大年夜而持续输注胰岛素。这种装配的出现，预示着糖尿病患者的治疗效力和生活质量将获得明显进步。

智能输液就是一种异常复杂的装配，它须要异常细心地推敲到设计的各个方面。比来FDA经由对这类输液泵进行分析后发明，在其收到的56,000份与应用输液泵相干的医疗器材申报中(五年时光内)，一半以汕９依υ题是因为用户缺点引起的，个中软件缺点比较广泛。
可以经由过程光导通的人工视网膜的应用已经取得了长足的进步。这种非侵人道视网膜是伦敦帝国粹院研发出来的产品，它可以实现经由过程光来控制神经元，为实现功能更强大年夜的脑机接口创造了前提。蓝宝石基板上的氮化镓LED阵列可用来触发1mW/mm2的脉冲，大年夜而激活神经元。

FDA揭穿了病人在精确设置和其它事项方面的教导有所欠缺的问题。不过，FDA也高度评价了这种输液泵所采取的技巧，并声称，出现问题的原因更有可能是用户缺点，而不是设备存在缺点。

伦敦帝国粹院生物技巧中间的研究人员决定采取仿生技巧，经由过程仿生胰腺简化胰岛素打针。仿生技巧就像天然的胰腺器官一样，依附两种激素的细胞群体工作：β细胞在血糖高时隐蔽胰岛素，而α细胞在血糖低时释放一种名为胰高血糖素的激素。这两种细胞都进行了芯片情势的仿真。

“应用Champion装配监测的病人的住院治疗率比今朝的黄金护理标准低38%，”佐治亚理工学院传授、CardioMEMS公司结合开创人Mark Allen表示。
研究人员设计的元件由一个刺入皮肤的电化学葡萄糖传感器、一个微芯片和两个戴在身上的小泵(每种激素一个)构成。传感器每五分钟检测血糖程度，并根据血糖程度经由过程旌旗灯号驱动马达，大年夜而激活各个响应的泵。马达会在须要时推配药打针器。
沃森WSEN
闻、呼吸、触摸、听和看都可以采取电子装配技巧作为根本的┞凤疗构建平台进行具体的监测。这些研发结不雅已触手可及，是以对进步仁攀类医疗程度的影响也必定会具有汗青性的意义。(end)