半導(dǎo)體技術(shù)如何推動現(xiàn)代醫(yī)療電子的發(fā)展

在過去幾十年中，醫(yī)療技術(shù)不斷進(jìn)步，促使醫(yī)療行業(yè)在當(dāng)前時代經(jīng)歷了徹底的變革。創(chuàng)新半導(dǎo)體在電子元件中的廣泛應(yīng)用迅速為開發(fā)高度復(fù)雜的醫(yī)療儀器打開了大門，這些儀器能夠高效地診斷和管理各種病理狀況。

持續(xù)的小型化電子元件的努力，促成了更小、更可穿戴或便攜的醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展，使得患者可以進(jìn)行持續(xù)而細(xì)致的監(jiān)測，為大多數(shù)患者提供在家護(hù)理的便利，而不犧牲醫(yī)療監(jiān)督的質(zhì)量?？纱┐骱捅銛y設(shè)備、先進(jìn)的成像系統(tǒng)和復(fù)雜的傳感器，構(gòu)成了現(xiàn)代患者護(hù)理、診斷和治療中不可或缺的高度先進(jìn)和復(fù)雜的醫(yī)療工具。

半導(dǎo)體元件

“半導(dǎo)體”這個詞指的是一種具有部分導(dǎo)電特性的材料，介于導(dǎo)體和絕緣體之間，能夠根據(jù)施加的電刺激導(dǎo)電。半導(dǎo)體通常由硅制成，但現(xiàn)在越來越多地包含碳化硅和氮化鎵，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、鍺和砷化鎵。鍺是最早使用的半導(dǎo)體材料之一，但自20世紀(jì)50年代以來，它逐漸被硅取代，硅是地球上僅次于碳的最豐富元素。砷化鎵也是一種常用的半導(dǎo)體，但由于其更難于大規(guī)模生產(chǎn)，并且涉及使用極其有毒的化學(xué)物質(zhì)，因此有一些局限性。

石墨烯有潛力超越硅的受歡迎程度，但大規(guī)模商業(yè)化可能仍需較長時間。碳化硅(SiC)是一種硅和碳的化合物，目前在電力電子領(lǐng)域表現(xiàn)突出，因?yàn)榕c硅相比，它在高壓應(yīng)用(超過1200 V)中提供了許多優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于電動車、快速充電系統(tǒng)、可再生能源和工業(yè)應(yīng)用中。

半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的電氣特性，允許操作人員準(zhǔn)確控制電流的流動。憑借其高度的可定制潛力，半導(dǎo)體可以根據(jù)應(yīng)用的獨(dú)特規(guī)范和要求導(dǎo)電;它們的價格和可得性各不相同，從豐富且經(jīng)濟(jì)的硅到昂貴的稀土元素，都是太陽能電池、晶體管、傳感器和電動汽車電路正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

現(xiàn)代世界的存在離不開半導(dǎo)體，隨著現(xiàn)有材料達(dá)到其物理極限，新材料已準(zhǔn)備好取而代之。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、熱或其他形式的勢能時，它們可以導(dǎo)電。半導(dǎo)體器件在電流通過時被激活，允許電子在原子之間自由流動。

醫(yī)療電子中一些常見的半導(dǎo)體應(yīng)用示例包括成像設(shè)備，例如X光、CT和MRI機(jī)器中的傳感器，治療工具如起搏器和胰島素泵，實(shí)驗(yàn)室血液和DNA分析儀，可植入和生物假肢，以及許多其他設(shè)備。得益于其出色的適應(yīng)性和在特定條件下轉(zhuǎn)換和放大電子信號的能力，半導(dǎo)體徹底改變了電子行業(yè)，并幾乎在所有電子設(shè)備和電路中都有應(yīng)用。

一般來說，半導(dǎo)體作為絕緣體，當(dāng)其某些特性發(fā)生變化時會變?yōu)閷?dǎo)體，能夠控制通過它們的電流流動。在最重要的半導(dǎo)體元件中，二極管是不可忽視的第一個基于半導(dǎo)體的電子設(shè)備。它具有不對稱特性，在一個方向上對電流流動具有高阻抗，而在相反方向上具有低阻抗。

另一種廣泛使用的半導(dǎo)體電子元件是晶體管，這是電子世界的革命性元素。它可以作為電信號的開關(guān)或放大器，由三層不同的半導(dǎo)體材料組成，摻雜以創(chuàng)建具有不同電氣特性的區(qū)域。通過施加小電流到基極，可以控制在集電極和發(fā)射極之間流動的更大電流。

現(xiàn)代集成電路可以容納數(shù)十億個晶體管。另一種相對流行的組件是MOSFET。它通過使用電場來控制兩個不同端子之間的電流流動而區(qū)別于其他類型的晶體管。MOSFET相比其他類型的晶體管具有許多優(yōu)點(diǎn)，如高輸入阻抗、高開關(guān)速度和低開關(guān)電阻(Rds(ON))，這些特性使其在各種醫(yī)療應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異。

半導(dǎo)體醫(yī)療應(yīng)用

如今，由于其精確的控制、處理、存儲和電源管理能力，半導(dǎo)體成為大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備的核心。雖然較舊的醫(yī)療工具主要依賴機(jī)械操作，但更先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備顯著提高了傳統(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)生辦公室中各種醫(yī)療設(shè)備不可或缺的一部分(見圖2)。醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用包括從小型便攜設(shè)備到大型高功率固定機(jī)器的設(shè)備，所有設(shè)備必須確保最大安全性和可靠性。幾乎不可能列出所有包含半導(dǎo)體的醫(yī)療應(yīng)用，因?yàn)槊糠N應(yīng)用都有其特殊規(guī)格;然而，它們都以越來越復(fù)雜的方式為疾病的診斷和最重要的有效治療服務(wù)。

半導(dǎo)體被大規(guī)模用于監(jiān)測多個生命體征的設(shè)備，例如監(jiān)測糖尿病患者血液中的葡萄糖水平或心臟病患者的心率。即便是CT掃描儀、電圖儀或血壓監(jiān)測儀的開發(fā)，也因最新半導(dǎo)體的使用而得到顯著促進(jìn)，確保極高的性能和可靠性。借助其半導(dǎo)體組件，醫(yī)療應(yīng)用如成像和監(jiān)測(包括在重癥監(jiān)護(hù)中)、可穿戴醫(yī)療設(shè)備、外科設(shè)備、血糖檢測儀、血壓監(jiān)測儀和紅外溫度計(jì)都能夠產(chǎn)生極高精度的結(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)體組件確保生成高質(zhì)量的圖像，通常是三維和彩色的。半導(dǎo)體核輻射探測器通常用于多個領(lǐng)域的高分辨率光譜學(xué)，對2D和3D X射線成像系統(tǒng)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用，得益于其優(yōu)勢特性。半導(dǎo)體(硅或鍺)探測器能夠通過檢測輻射來測量帶電粒子或光子的影響。它們與光伏面板相似。當(dāng)電離輻射進(jìn)入半導(dǎo)體時，它與之相互作用，激發(fā)電子并留下一個空穴;然后，通過收集電子-空穴對，最終形成檢測信號。半導(dǎo)體探測器用于輻射保護(hù)和放射性材料的分析。

隨著新檢測儀器和相關(guān)電子設(shè)備的不斷發(fā)展，X射線圖像采集在醫(yī)療領(lǐng)域變得越來越普遍。新的研究傾向于使用回饋寬動態(tài)范圍、高對比度的同步輻射束，最重要的是，減少生成高質(zhì)量圖像所需的放射性劑量。在這種背景下，半導(dǎo)體探測器能夠滿足大多數(shù)用戶的需求。

數(shù)字放射攝影已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，提供出色的高分辨率和對比度。近年來，科學(xué)家們正在進(jìn)行多個項(xiàng)目，以開發(fā)更先進(jìn)的半導(dǎo)體探測器，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體(如硅和鍺)往往無法完全滿足與高能光子醫(yī)療成像相關(guān)的技術(shù)要求。這類研究圍繞材料的成本和可得性進(jìn)行，這些問題也在持續(xù)不斷地解決中。

結(jié)論

毫無疑問，半導(dǎo)體已成為現(xiàn)代醫(yī)療電子學(xué)中不可或缺的組成部分，加速了更小、可穿戴和便攜設(shè)備的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的患者監(jiān)測。這些組件廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)療應(yīng)用中，從成像系統(tǒng)、監(jiān)測設(shè)備、治療工具、實(shí)驗(yàn)室儀器，到假肢和植入物。

半導(dǎo)體被視為醫(yī)療行業(yè)的革命性材料，已證明自己是傳統(tǒng)設(shè)備技術(shù)和性能提升的關(guān)鍵組成部分，同時降低了成本，從而實(shí)現(xiàn)更精確和可靠的結(jié)果。半導(dǎo)體技術(shù)的最新發(fā)展有望進(jìn)一步擴(kuò)展診斷和治療能力，為醫(yī)療創(chuàng)新的新紀(jì)元鋪平道路。

半導(dǎo)體材料具有與電導(dǎo)率相關(guān)的特定特性，其未來取決于大規(guī)模生產(chǎn)新材料的可能性，這些新材料應(yīng)具有類似的特性，價格應(yīng)與硅相似或更低。