在過去的幾十年里,醫(yī)療技術(shù)越來越先進(jìn),促使醫(yī)療保健行業(yè)在當(dāng)前時(shí)代經(jīng)歷了根本性的變革。在電子元件上普遍使用創(chuàng)新的半導(dǎo)體,迅速為開發(fā)能夠有效診斷和管理各種疾病的高度先進(jìn)的醫(yī)療儀器打開了大門。

導(dǎo)言

半導(dǎo)體,無論是無機(jī)的還是有機(jī)的,都是多用途材料,能夠根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)、溫度、曝光和摻雜劑的存在等幾個(gè)因素來控制導(dǎo)電。半導(dǎo)體通常用于制造醫(yī)療設(shè)備,以精確調(diào)節(jié)電流。

正在進(jìn)行的逐步小型化電子組件的努力導(dǎo)致了小型、可穿戴或便攜式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展,從而能夠進(jìn)行長(zhǎng)期和細(xì)致的病人監(jiān)測(cè),在不犧牲醫(yī)療監(jiān)督質(zhì)量的情況下為大多數(shù)病人提供在家護(hù)理的便利?？纱┐鞯谋銛y式設(shè)備、先進(jìn)的成像系統(tǒng)和先進(jìn)的傳感器都是高度先進(jìn)和復(fù)雜的醫(yī)療工具,是現(xiàn)代病人護(hù)理、診斷和治療不可或缺的一部分。

半導(dǎo)體組件

"半導(dǎo)體"一詞指的是僅具有部分導(dǎo)體性質(zhì)的材料,它介于導(dǎo)體和絕緣體之間,根據(jù)所應(yīng)用的電刺激來導(dǎo)電。半導(dǎo)體,通常由硅制成,但現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都多由碳化硅和氮化鋇組成,真正代表了現(xiàn)代電子的基礎(chǔ)。

最常見的半導(dǎo)體材料包括硅、鈰和砷化鎵。銨是有史以來最早使用的半導(dǎo)體材料之一,但自20世紀(jì)50年代以來,它逐漸被棄用,轉(zhuǎn)而使用硅,這是繼碳之后地球上最豐富的元素。砷化鎵也是一種廣泛存在的半導(dǎo)體,但它有幾個(gè)局限性,因?yàn)樗壬鲜龉韪y以大規(guī)模生產(chǎn),而且涉及使用劇毒化學(xué)品。

石墨烯有可能超越硅的流行,但大規(guī)模的商業(yè)化可能仍需要很多時(shí)間。硅和碳的化合物碳化硅目前在電力電子學(xué)領(lǐng)域很突出,因?yàn)樗c硅相比具有許多優(yōu)勢(shì)。它是超過1200伏的高壓應(yīng)用的最佳選擇,廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車、快速充電系統(tǒng)、可再生能源和工業(yè)應(yīng)用。

半導(dǎo)體材料具有相當(dāng)獨(dú)特的電氣特性,使操作員能夠精確地控制電流的流動(dòng)。半導(dǎo)體具有很高的定制潛力,可以根據(jù)不同的規(guī)格和應(yīng)用要求進(jìn)行導(dǎo)電;它們?cè)趦r(jià)格和可用性方面有所不同,從豐富和經(jīng)濟(jì)的硅元素到昂貴的稀土元素,對(duì)于太陽(yáng)能電池、晶體管、傳感器和電動(dòng)汽車電路的正確運(yùn)行至關(guān)重要。

現(xiàn)代世界的存在歸功于半導(dǎo)體,隨著現(xiàn)有材料達(dá)到其物理極限,新材料也準(zhǔn)備好取代它們。半導(dǎo)體是大多數(shù)現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備的核心(見圖1)。有p型和n型半導(dǎo)體,當(dāng)暴露于光、熱或其他形式的勢(shì)能時(shí),它們可以導(dǎo)電。當(dāng)電流通過時(shí),半導(dǎo)體器件就會(huì)被激活,使電子能在原子間自由流動(dòng)。

在醫(yī)療電子學(xué)中使用半導(dǎo)體的一些常見例子包括成像設(shè)備,如X射線、CT和MRI機(jī)器中的傳感器、起搏器和胰島素泵等治療工具、實(shí)驗(yàn)室血液和DNA分析儀、植入式和仿生假體等。半導(dǎo)體使電子工業(yè)發(fā)生了革命性的變化,幾乎所有的電子設(shè)備和電路都有半導(dǎo)體,這是由于它們具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,并且能夠在非常特殊的條件下轉(zhuǎn)換和放大電子信號(hào)。

一般而言,半導(dǎo)體在某些特性發(fā)生變化時(shí),會(huì)成為絕緣體,能夠控制通過它們的電流流動(dòng)。在最重要的半導(dǎo)體元件中,人們不能忽視二極管,這是第一個(gè)以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的電子器件。它具有不對(duì)稱性,對(duì)一個(gè)方向的水流有很高的阻力,對(duì)相反方向的阻力很低。

另一個(gè)廣泛使用的半導(dǎo)體電子元件是晶體管,這是電子世界的一個(gè)革命性元素。它既可以作為開關(guān),也可以作為電信號(hào)的放大器,由三層不同層次的半導(dǎo)體材料組成,摻雜在一起,創(chuàng)造出具有不同電氣特性的區(qū)域。通過對(duì)基座施加小電流,可以控制在收集器和發(fā)射器之間流動(dòng)的大得多的電流。

一個(gè)現(xiàn)代集成電路可以容納數(shù)十億個(gè)晶體管。另一個(gè)相當(dāng)流行的成分是MOSFET。它的特點(diǎn)是使用電場(chǎng)來控制兩個(gè)不同的端子之間的電流流動(dòng)。?莫斯費(fèi)茨 與其他類型的晶體管相比,提供了許多優(yōu)點(diǎn),如高輸入阻抗、高開關(guān)速度和低電阻(rDS(on)),這些特點(diǎn)很容易使它們成為各種醫(yī)療應(yīng)用的最佳。

醫(yī)療應(yīng)用

如今,由于其精確的控制、處理、存儲(chǔ)和功率管理能力,半導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)自己處于大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備的核心。雖然舊的醫(yī)療工具大多依靠機(jī)械操作,但更先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備大大提高了傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備的性能,大大降低了相關(guān)成本。

半導(dǎo)體是醫(yī)院和醫(yī)生辦公室使用的各種醫(yī)療設(shè)備的組成部分(見圖2)。醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用包括從小型便攜式設(shè)備到大型高功率固定式機(jī)器的設(shè)備,所有這些設(shè)備都必須確保最大的安全性和可靠性。幾乎不可能列出包括半導(dǎo)體在內(nèi)的所有醫(yī)療應(yīng)用,因?yàn)槊恳环N應(yīng)用都有其特殊的規(guī)格;然而,它們都有一個(gè)共同的目標(biāo),即在診斷和最重要的疾病的有效治療方面變得越來越復(fù)雜。

它們被大量應(yīng)用于監(jiān)控若干重要參數(shù)水平的設(shè)備中,例如糖尿病患者血液中的葡萄糖量或心血管疾病患者的心率。即使是CT掃描儀、心電圖儀或血壓監(jiān)測(cè)器的開發(fā),也因使用最新的半導(dǎo)體而大大促進(jìn),從而確保了極高的性能和可靠性。由于它們的半導(dǎo)體組件,醫(yī)療應(yīng)用,如成像和監(jiān)測(cè)(包括在特別護(hù)理中),可穿戴醫(yī)療設(shè)備,外科設(shè)備,血糖血氧素,血壓監(jiān)測(cè)器和紅外溫度計(jì),可以產(chǎn)生極端精確的結(jié)果。

新的發(fā)展包括圍繞核醫(yī)學(xué)和放射學(xué)的創(chuàng)新技術(shù)。使用特殊的半導(dǎo)體元件,確保了高質(zhì)量的圖像的產(chǎn)生,通常在三維和顏色。半導(dǎo)體核輻射探測(cè)器在許多領(lǐng)域被普遍用于高分辨率光譜分析,由于其優(yōu)越性,在二維和三維X射線成像系統(tǒng)的開發(fā)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。半導(dǎo)體(硅或鈰)探測(cè)器能夠通過檢測(cè)輻射來測(cè)量電荷粒子或光子的影響。它們與光電板非常相似。當(dāng)電離輻射進(jìn)入半導(dǎo)體時(shí),它與之相互作用,激發(fā)電子并留下一個(gè)洞;然后,通過收集電子孔對(duì),最終形成探測(cè)信號(hào)。半導(dǎo)體探測(cè)器用于輻射防護(hù)和放射性材料分析。

隨著新的檢測(cè)儀器和相關(guān)電子設(shè)備的日益發(fā)展,X射線圖像采集越來越普遍,特別是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。新的研究?jī)A向于使用同步加速光束,這種光束可以返回一個(gè)大的動(dòng)態(tài)范圍、高對(duì)比度,最重要的是,減少產(chǎn)生高質(zhì)量圖像所需的輻射劑量。在這種情況下,半導(dǎo)體探測(cè)器可以滿足大多數(shù)用戶的需求。

數(shù)字射線攝影是一個(gè)偉大的現(xiàn)實(shí),提供了非常高的分辨率和對(duì)比。截至最近,科學(xué)家們正在開展幾個(gè)項(xiàng)目,開發(fā)更先進(jìn)的半導(dǎo)體探測(cè)器,因?yàn)楣韬外嫷瘸Ｒ?guī)半導(dǎo)體往往不能完全滿足醫(yī)療成像用高能光子的技術(shù)要求。這種研究圍繞著成本和材料的可獲得性,然而,這些問題是持續(xù)不斷地解決的。

結(jié)論

毫無疑問,半導(dǎo)體已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子學(xué)中不可或缺的組成部分,加速了小型電子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。?可穿的 ,以及可持續(xù)監(jiān)測(cè)病人的便攜式裝置。這些部件廣泛用于各種醫(yī)療應(yīng)用,從成像系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)裝置、治療工具和實(shí)驗(yàn)室儀器,到假肢和植入物。

半導(dǎo)體被認(rèn)為是醫(yī)療工業(yè)的革命性材料,證明自己是傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)和性能增長(zhǎng)的關(guān)鍵組成部分,同時(shí)降低成本,導(dǎo)致更精確和更可靠的結(jié)果。半導(dǎo)體技術(shù)的最新發(fā)展有望進(jìn)一步擴(kuò)大診斷和治療能力,為醫(yī)療創(chuàng)新的新時(shí)代鋪平道路。

半導(dǎo)體材料具有與導(dǎo)電性有關(guān)的特性,其未來取決于能否以類似硅或甚至更低的價(jià)格大規(guī)模生產(chǎn)具有類似性質(zhì)的新材料。