原创 半导体技术前沿应用：实现医疗设备创新

生物医学研究在揭示人体生理奥秘和确认新的可能疗法和诊断仪器方面正取得巨大进展。同时，电子学的进步使这些新设备成为现实。因此医学应用成为半导体领域增长最快的一个部分。电子和医学越来越紧密的融合趋势也可在这两个领域内看出同样的端倪。虽然看起来这两个领域似乎没太多关联，但实际上，两者有几个技术前沿相同：都受到小的物理体积、低功耗和先进连接能力的推动。

自晶体管收音机问世以来，对小型化无休无止的追求就没停止过。摩尔定律常被引用来表述，在一个芯片内所能集成的最大器件数量的增长速率，实际上也同样适用于描述能被制造出的最小设备的体积的递减速率。

在有些场合，一些医疗设备需要最大的处理能力。特别是放射和磁成像系统将其具有的处理能力发挥到极致，而通常对体积不太关注。但在其它许多应用，虽对计算的需求不苛刻，却没有空间装下大的器件。使这些设备得以实现的关键因素是：在给定的空间内，容纳足够的处理能力。

医疗设备能允许的最大体积受到某些有趣的约束。例如，许多人对糖尿病人用于测血糖的血糖仪很熟悉。一般情况，这些便携式电子医疗设备的大小和形状与一个PDA差不多。使用者将一滴血滴在测试带上，然后将其插入测试仪，该仪器采用电化学或光学传感器来测定血液中血糖的浓度。一家公司已开发出一个小到能装入药瓶盖的血糖仪，并把测试带放入罐装药瓶内。传感器、MCU、LCD和电池全被装进体积约为女士腕表大小的一个精致产品内。体积小还带来了低成本，这款血糖仪是一次性用品－在50条测试带用完后，装有测试仪的整个药瓶被一起扔掉。

对植入设备来说，在确定能将其放在哪个部位时，体积同样重要。考虑一个动脉肿瘤—当心脏主动脉(大动脉)出现一个因血压压迫而凸起的脆弱点时发生的情况。常规的手术处理是通过脆弱的大动脉操控一个称为覆膜支架(stent graft)的人工衬垫。现在，已能同时在大动脉内放置一个微小的压力传感器。该传感器使用一个微机电系统(MEMS)压力元件以监测手术的长期效果。

MEMS传感器采用与集成电路相同的工艺制成。为读取大动脉压力，外科医生利用一个无线遥控查询器激活该器件，器件以无线方式将数据发出。若覆膜支架失效，随后的检查将显示压力增加，表示需进一步干预。从小体积获益的其它植入设备包括心脏起博器、用于治疗中枢神经系统疾患(范围从慢性疼痛到帕金森症)的神经刺激器及包括耳蜗植入在内的助听器。

利用医疗设备和电子器件在体积方面都在缩小的好处的最激动人心的应用之一是设计得象药丸一样可吞服的传感器。利用RF技术，这些微型仪器在其工作生命周期，游走于整个消化系统。首例这种传感器是用于监测并发射体温的传感器，它已被用于宇航员和运动员。最新的此类传感器能报告食道内的pH值，以诊断胃酸返流疾病及其它症状。

最新的设备能传输静态图像，这些图像可组成视频流，该技术允许医生检查小肠(否则只能通过手术进行)。该“照相机药丸”将一款微小的CMOS成像器与一个ASIC发射器整合在一起。镜头周围的白光LED提供照明。集成了导航控制和自推进能力从而允许对特定部位进行更详细成像的下一代可吞服设备的早期工作正在进行。

与小型化齐头并进的是低功耗趋势。对植入设备来说，最低电流消耗及相应的电池寿命的延长带来的好处是显而易见的。虽然通过皮肤的感应耦合能给某些植入设备充电，但更低的电池消耗永远是一个值得不懈追求的目标。

外部设备也对功耗敏感。随着电子元件越来越小，曾经固定的医疗设备正变得可以携带。超声波成像仪曾是“可移动”的，但只是意味着它们通常被固放在小车上从而可从一个房间推到另一房间。现在，它们已能被做得像一台笔记本电脑的大小。

除颤器曾一度是在医院里由受过专门训练的专业人员操作的设备。现在，自动外部除颤器在机场、购物中心、学校甚至飞机上都很常见。便携式氧气收集器为进行氧疗的患者从空气中提取氧，其可以将像提包一样背在肩上。使所有这些设备得以实现的除小体积外，还有低功耗。需通过各种手段以满足这些设备苛刻的功耗要求。

但也许出乎意料的是，电子元件体积的减小实际上却可能对降低功耗带来负面影响。当芯片内的晶体管越来越小、密度越来越高时，有效沟道长度变短，漏电流增加。类似门隧道等其它机理随着几何尺寸的缩小对功耗具有类似的负面影响。芯片制造商通过优化硅工艺参数(预计该努力将一直进行下去)以应对几何尺寸不断缩减带来的消极影响。另外，数字和模拟领域的设计师都花了很多心血以在各自电路设计中降低功耗。他们采取了降低工作电压、管控容抗、门控时钟及其它技术以消除不必要的电流消耗。

芯片设计师也在其器件中增加了特性以允许医疗设备设计师控制功耗。例如，Microchip公司的dsPIC33F系列MCU具有空闲、休眠和打盹模式，每种模式有多个选项，从而使医疗设备设计师拥有调整功耗的灵活性。在许多医疗设备中，在大多时间内MCU无所事事。

危重症候监视器(vital-sign monitor)、输液泵、数据记录仪及许多诊断仪器的输入信号是变化相当缓慢的温度、压力和生物电信号。这类设备内的处理器在大多时间内处在低功耗状态，可每几个毫秒唤醒一次，以执行指令。以这种方式工作时，总体平均电流只是该处理器正常工作电流的一部分。

能量保持方面的进一步进展将催生新一类设备。在某些植入设备中，压电和热电电源也许有一天会取代电池。一款微传感器已被整合进一个髋关节植入设备内，以监测植入设备与康复骨组织的结合情况。该设备是由运动供电的，它以患者的运动作为能源。

电子和医疗设备共享的第三个趋势是连通性。在这两个领域，无线已成为主导技术。在1999年，美国联邦通信委员会(FCC)将402到405 MHz频段分配给医疗植入通信服务(Medical Implant Communication Service)。该频段用于与植入设备的通信。例如，病人床边的基站可监测心脏起博器的工作。基站定时把记录下来的数据发送给医生进行分析。

其它外部设备采用蓝牙、红外、ZigBee协议、Wi-Fi或其它专有协议进行通信。家庭健康看护网络将体重秤、血压计、体温计、肺活量计和其它诊断仪器与远程医疗终端连接起来。这些网络能实现高效的疾病管理看护而无需经常光顾医生办公室。

当然，并非全部医疗网络都是无线的。一些设备足够复杂，所以使用自己的内部网络。例如，一台透析机会包含十几个或更多的MCU。一个CAN总线将一个主控单元与机器内控制多个蠕动泵的若干其它设备连接起来。CAN总线上的其它节点监控压力或控制流通阀的开闭。

有线和无线LAN在医院里用得也越来越多。电子病人档案、处方下达和传递以及成像数据都可通过网络或在病人床边获得。

随着电子和医学在围绕小型化、低功耗和连接性方面取得的创新，新电子医疗设备的研发预期将加速。但，同时留意因这两个领域的不同带来的挑战是明智的。半导体技术的变化要比医疗设备的快得多。元器件制造商自然愿意提供用最新工艺制造的最新产品；另一方面，医疗设备设计师在设计中通常更愿意选用已上市一段时间、具有良好口碑的元器件。同样，当医疗设备通过美国联邦食品及药物管理局(FDA)的审批投入生产后，制造商一般不情愿对元器件做出更改。

最后，正在电子和医疗设备间经历的融合是不可避免的。生物医学研究继续确定新的疾患治疗方法。电子研究很可能继续在帮助应用这些疗法的设备成为现实。上述两个领域内工程师的更紧密合作将以现在难以想象的方式加速健康护理的进展步伐。

作者：Steve Kennelly

医疗产品部门主管

Microchip 公司