在過去的幾十年里,醫(yī)療技術越來越先進,促使醫(yī)療保健行業(yè)在當前時代經(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的醫(yī)療儀器打開了大門。

導言

半導體,無論是無機的還是有機的,都是多用途材料,能夠根據(jù)其化學結(jié)構、溫度、曝光和摻雜劑的存在等幾個因素來控制導電。半導體通常用于制造醫(yī)療設備,以精確調(diào)節(jié)電流。

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

半導體組件

"半導體"一詞指的是僅具有部分導體性質(zhì)的材料,它介于導體和絕緣體之間,根據(jù)所應用的電刺激來導電。半導體,通常由硅制成,但現(xiàn)在比以往任何時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。

最常見的半導體材料包括硅、鈰和砷化鎵。銨是有史以來最早使用的半導體材料之一,但自20世紀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體,但它有幾個局限性,因為它比上述硅更難以大規(guī)模生產(chǎn),而且涉及使用劇毒化學品。

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間。硅和碳的化合物碳化硅目前在電力電子學領域很突出,因為它與硅相比具有許多優(yōu)勢。它是超過1200伏的高壓應用的最佳選擇,廣泛應用于電動車、快速充電系統(tǒng)、可再生能源和工業(yè)應用。

半導體材料具有相當獨特的電氣特性,使操作員能夠精確地控制電流的流動。半導體具有很高的定制潛力,可以根據(jù)不同的規(guī)格和應用要求進行導電;它們在價格和可用性方面有所不同,從豐富和經(jīng)濟的硅元素到昂貴的稀土元素,對于太陽能電池、晶體管、傳感器和電動汽車電路的正確運行至關重要。

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

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

一般而言,半導體在某些特性發(fā)生變化時,會成為絕緣體,能夠控制通過它們的電流流動。在最重要的半導體元件中,人們不能忽視二極管,這是第一個以半導體為基礎的電子器件。它具有不對稱性,對一個方向的水流有很高的阻力,對相反方向的阻力很低。

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

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

醫(yī)療應用

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

半導體是醫(yī)院和醫(yī)生辦公室使用的各種醫(yī)療設備的組成部分(見圖2)。醫(yī)療領域的應用包括從小型便攜式設備到大型高功率固定式機器的設備,所有這些設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體在內(nèi)的所有醫(yī)療應用,因為每一種應用都有其特殊的規(guī)格;然而,它們都有一個共同的目標,即在診斷和最重要的疾病的有效治療方面變得越來越復雜。

它們被大量應用于監(jiān)控若干重要參數(shù)水平的設備中,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)測器的開發(fā),也因使用最新的半導體而大大促進,從而確保了極高的性能和可靠性。由于它們的半導體組件,醫(yī)療應用,如成像和監(jiān)測(包括在特別護理中),可穿戴醫(yī)療設備,外科設備,血糖血氧素,血壓監(jiān)測器和紅外溫度計,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)學和放射學的創(chuàng)新技術。使用特殊的半導體元件,確保了高質(zhì)量的圖像的產(chǎn)生,通常在三維和顏色。半導體核輻射探測器在許多領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)揮了關鍵作用。半導體(硅或鈰)探測器能夠通過檢測輻射來測量電荷粒子或光子的影響。它們與光電板非常相似。當電離輻射進入半導體時,它與之相互作用,激發(fā)電子并留下一個洞;然后,通過收集電子孔對,最終形成探測信號。半導體探測器用于輻射防護和放射性材料分析。

隨著新的檢測儀器和相關電子設備的日益發(fā)展,X射線圖像采集越來越普遍,特別是在醫(yī)學領域。新的研究傾向于使用同步加速光束,這種光束可以返回一個大的動態(tài)范圍、高對比度,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,半導體探測器可以滿足大多數(shù)用戶的需求。

數(shù)字射線攝影是一個偉大的現(xiàn)實,提供了非常高的分辨率和對比。截至最近,科學家們正在開展幾個項目,開發(fā)更先進的半導體探測器,因為硅和鈰等常規(guī)半導體往往不能完全滿足醫(yī)療成像用高能光子的技術要求。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,半導體已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學電子學中不可或缺的組成部分,加速了小型電子學的發(fā)展進程。?可穿的 ,以及可持續(xù)監(jiān)測病人的便攜式裝置。這些部件廣泛用于各種醫(yī)療應用,從成像系統(tǒng)、監(jiān)測裝置、治療工具和實驗室儀器,到假肢和植入物。

半導體被認為是醫(yī)療工業(yè)的革命性材料,證明自己是傳統(tǒng)設備技術和性能增長的關鍵組成部分,同時降低成本,導致更精確和更可靠的結(jié)果。半導體技術的最新發(fā)展有望進一步擴大診斷和治療能力,為醫(yī)療創(chuàng)新的新時代鋪平道路。

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