InCube公司的创办者Mir Imran最近在拉斯维加斯举行的2009年国际消费电子展(CES)上的一个医疗电子讨论组中描绘了上述情景。与会人员讨论了这些可植入设备的巨大潜力，它们能精确和快速地监视和治疗位于全球任何地方的慢性*病病人，如心脏病、癫痫症、糖尿病和帕金森综合症等。
除了传感器植入外，还有更多的措施可改善人们的医疗保健水平。像胰岛素泵等设备现在已经非常成熟，可为所有器官提供服务。可植入的视觉系统也取得了显著的进步。微机电系统(MEMS)和碳纳米管(CNT)神经系统植入正在提供人类如何行为的大量信息。
用于诊断和治疗许多健康问题的工具也正在日新月异地改善。一些外科仪器可以通过导管访问人体的几乎每个部分。缓释药物胶囊正变得更加有效，并增强诊断和治疗效果。外部可佩戴的设备对治疗等应用来说也非常重要，而实验室级芯片设备可以快速取样、诊断和报告病人的重要医学体症。
医疗保健技术还能满足急救需要。全球大约80%的医疗保健成本用于治疗得了 慢 性 病 的老年人。大约6亿病人遭受着慢 性 病 的折磨，如慢性阻塞性肺疾病(COPD)、充血性心力衰竭和癫癎性精神障碍等。更长的寿命、缺乏医疗保健专业人员以及螺旋式上升的保健成本使得这一情形越来越糟糕。
“单美国的医疗保健市场就达2.5万亿美元。”Diamond Management & Technology Consultants公司分析师Andrew Rocklin表示，“任何不想参与这一市场的人都将失去潜在巨大的收入。”但在技术显示出成效之前还必须克服一系列障碍，其中之一是医疗保健系统，包括美国和全球各地，都需要进行彻底的改革。
糖尿病和心脏病人的福音
Debiotech公司和ST(意法半导体)公司共同宣布开发出了首个一次性胰岛素泵片的原型(图1)。这个采用微流体MEMS技术的纳米泵已经通过了最初的测试阶段，并从去年夏天开始投入了批量生产。它的尺寸只是原有胰岛素泵设备的四分之一，佩戴在皮肤上几乎看不见。
这个纳米泵使用的连续皮下胰岛素注入(CSII)技术能够很好地模拟胰腺胰岛素的自然分泌，同时检测影响病人安全的潜在泵故障。据这两家公司介绍，与每天必须做好几次的单独胰岛素注射相比，它的成本更低，是一种更具吸引力的替代技术。
密歇根大学研究人员Mark Meyerhoff正在帮助美国*军事研究实验室开发可植入皮下的葡萄糖传感器，这种传感器可以实时监视糖尿病人的症状。他使用聚合物材料来催生低浓度的一氧化氮。作为外科植入式电流计葡萄糖传感器的外层封套，这些材料有更好的生物兼容性，因为它们能减少由于植入传感器引发的炎症。心血管病是引起死亡和残疾的常见因素。美国有三分之一的死亡病例是由包括心律不齐在内的心脏病引起的，这也激励人们去开发各种医疗监视设备和工具。比利时IMEC公司设计的无线心电图(ECG)片状监视器就是这样一种设备(图2)。
该监视器在一个只有非常薄的腕表大小的封装内集成了电极、生物芯片传感器、微控制器单元和无线电单元。在这个片状监视器的处理器上运行的算法时刻监视着病人的心律状态。这个设备在20x20x5mm的小型电池供电下可连续工作约一周时间，平均功耗为2mW。
用于治疗心律失常的工具已经有了显著的发展，这可以从Endosense公司用于治疗心脏疾病的强制传感消融导管中可见一斑。这家位于瑞士的公司开发出了首个强制传感强制消融导管，可以帮助外科医师在导管消融过程中实时客观地测量接触点。
医师通常采用传统外科手术治疗心脏病，为了消除异常的心脏搏动，这种手术会在心壁上留下创伤。但医师很难评估是否形成了最佳的伤口，因为到目前为止还没有一种精确的方法来测量制造这些伤口所需的探针力量。
TactiCath导管通过病人腹股沟中的静脉向上通到心脏的心房。通过无线电波的指引它能到达心壁周围区域。荧光透视、三维映射和超声波提供外部指导。压力、幅度和方向数据从导管尖端传送到监视器，以便医师完全控制消融过程(图3)。
德国研究机构Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems开发出了一个可植入的血压检测系统，这种系统曾是许多研究人员的研究目标。与心脏起搏器不同，这种系统不需要内部电池，因为它能通过感应的方式从外界获得能量。这个血压测量系统由一个传感器单元和一个收发器组成。
传感器被*插入动脉中，并通过10到15厘米长的微丝连接到收发器。收发器植入在病人的皮肤下面，用来数字化、预处理和传送血压数据。它的能量来自一个微型感应器，这个感应器与病人体外的另一个感应器通过磁性耦合在一起。这第二个感应器也是病人随身携带的读取设备的一部分。
这两个感应器将电能发送给收发器。同时感应器也用于收发器和读取设备之间的无线数据交换。目前为止研究人员能够给植入对象提供约200到300uW的功率。
所有外科植入手术，如臀和膝盖替换，都能从提供可靠性和安全性的革命性智能材料中受益。例如，英国科学技术设施研究理事会(STFC)研究人员就与Electrospinning有限公司及Anglia Ruskin大学合作开发出了用于覆盖外科植入体的先进纳米材料。这极大地促进了植入体与骨骼的绑定，让它们在病人的整个生命期内持续工作(图4)。
“接收外科植入的病人中有10%会产生继发感染和植入体的松动，使得英国每年至少要花费1400万英磅、全球2.24亿英磅解决这些问题。”Electrospinning公司首席执行官Mansel Williams表示，“我们希望通过创建完美匹配各个病人的理想植入体表面来解决这个问题，从而使病人和经济同时受益。”
实验室级芯片设备即将上市
心脏病发作的早期诊断还受益于实验室级芯片技术。由位于澳斯汀的德州大学开发出来的一款纳米生物芯片只需几滴唾液就能完成对心脏状况的化验。只有信用卡大小的这个系统可以在短短的15分钟内提供结果。为了降低生产成本，研究人员是用微型制造技术从不锈钢片生产出硅纳米生物芯片的，比全硅结构相比，其成本低1000倍。
在Purdue大学，研究人员采用了一种动电匹配技术，这种技术在分析生物样本时使用激光全息照相来快速定位众多的微型颗粒，从而有效地改进了实验室级芯片性能。研究人员表示，这种方法能够实现采用最小可能样本的高吞吐量芯片。
ST则与Veredus实验室合作推出了首个用于现场护理时快速流感分子检测的实验室级芯片设备。这个指甲大小的设备采用了ST的In-Check MEMS微流体平台。它通过一次测试就能识别和区分人类的流感A和B病毒，包括禽流感H5N1。研究人员指出，这种设备与其它检测方法相比，复杂性低，速度快，成本低。
欧盟(EU)也对雄心勃勃的智能BioMEMS项目提供了大力的资金支持，这个项目旨在现场护理中使用便携式诊断实验室级芯片设备实现完整的DNA分析。专门针对癌症化验和诊断设计的原型有望于最近通过完整测试和演示。
神经系统植入
过去几年来使用神经系统植入技术对身体的各个部分进行研究、分析和治疗得到了快速发展。例如，St. Jude医疗中心高级神经系统仿真(ANS)事业部推出的Eon Mini就是针对脊椎疼痛管理而开发的。
该中心研究人员指出，这是市场上用于治疗障碍性慢性疼痛和其它神经系统失常病人的最小的神经系统仿真器。TI和ANS合作生产了这款设备，其中使用了TI的微控制器。
根据消除疼痛所需的输出功率不同，病人持续佩戴Eon Mini的时间从一周到几个月不等，之后可通过无线方式充电。电池可用10年。该设备通过16个电极提供刺激信号，医师可调整每个电极以产生不同的强度和频率。病人也可以用感应式耦合的编程棒控制激励信号。
癫痫症病人有望使用Purdue大学的最新研究成果。该所大学的研究人员开发出了一个微型设备，上面的发射器只有人类头发宽度的三倍大小，可植入在头皮下面。
该设备能实时记录位于大脑不同部分的电极发出的异常神经信号，并预测癫痫将要发作的时刻，然后采取措施进行预防。发射器功耗是8.8mW，仅为其它可植入发射器的三分之一左右，同时可传送10倍以上的数据。
Purdue大学研究人员还在研究两眼间传感器项目，以期更好地了解青光眼的发病机理，并通过足够的事前警告来防止青光眼的发生。该疾病会致盲，因为眼睛前房中的流体压力会持续增加，最终切断视神经纤维。
这种现象是间歇性的，因此需要连续不断地监视眼压，从而让病人接受快速有效的治疗。研究人员在眼睛的两层组织之间放置采用纳米技术的压力传感器，由该传感器连续测量两眼间的压力，并将这个信息发送给外部接收器。
全球还有许多其它涉及视网膜植入的研究工作正在进行。位于Santa Cruz的加州大学开发出了一种人造视网膜芯片，并由Second Sight Medical Products公司成功生产。这种下一代Argus II视网膜修补系统还得到了美国能源部的资助。
该芯片直接植入在眼睛内的视网膜上部(这种方法只可用于视网膜退化、但连接大脑的神经仍完好的病人)，并由一组电极刺激视神经元，将图像发送给大脑的视觉中心。大脑视觉处理功能的可塑性能使它适应这种人工合成的信号。
智能药物释放
以受控和有目的的方式释放药物的可吞咽药片将用于未来更高效更简单的治疗各种疾病。包含成像芯片的可吞咽胶囊还能实现对内科疾病的更精确诊断。
由飞利浦公司开发的原型iPill包括微处理器、电池、无线发射器、泵和药物池，它能在身体的特定区域内释放药物(图5)。iPill还能测量温度，并通过无线方式将温度数据发送给外部接收器。菲利浦公司表示，提供药物治疗消化道疾病(如克罗恩氏病)可直接作用到疾病部位，这意味着药剂可以更小，从而减少副作用。
受控的药物释放可以最大化药物功效，并最小化对病人的副作用。植入手术是实现这种控制的一种途径。MicroChips公司生产了嵌入在硅晶圆上的可植入专用MEMS药物阵列，其中装满了生物传感器或用于延时释放的药物。它能实现智能药物释放，在需要时可在身体内启用填满了有效治疗药物的小设备。
马萨诸塞州科技大学研究人员开发出了一种使用纳米金颗粒的药物释放系统，它能让多种药物(多达3或4种)以受控的方式进行释放。该系统是通过外部控制的。它的原理是当纳米金颗粒暴露在红外线下时，它们会融化并释放附着于它们表面的药物成分。
该系统使用了两种不同形状的纳米颗粒-纳米骨和纳米胶囊。前者在1100nm波长处融化，后者在800nm波长处融化。研究人员相信这种技术可以用来治疗癌症。
在伦斯勒理工学院(RPI)，研究人员正在研究纳米材料的磁性行为，利用这种特性可开发出选择性药物释放器件。他们发明了一种用于创建单墙碳纳米管(CNT)的工艺，这种CNT可与1到10nm宽的钴纳米结构嵌入在一起。
CNT的电导率非常敏感，很容易检测，并容易受磁性痕量的影响，比如嵌入式钴结构中的磁性变化。研究人员相信这是全球首次演示使用单个CNT实现这么小磁体的磁场检测。
作者：Roger Allan
*博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。
发布文章
