半导体技术如何推动现代医疗电子的发展

在过去几十年中，医疗技术不断进步，促使医疗行业在当前时代经历了彻底的变革。创新半导体在电子元件中的广泛应用迅速为开发高度复杂的医疗仪器打开了大门，这些仪器能够高效地诊断和管理各种病理状况。

 

持续的小型化电子元件的努力，促成了更小、更可穿戴或便携的医疗设备的发展，使得患者可以进行持续而细致的监测，为大多数患者提供在家护理的便利，而不牺牲医疗监督的质量。可穿戴和便携设备、先进的成像系统和复杂的传感器，构成了现代患者护理、诊断和治疗中不可或缺的高度先进和复杂的医疗工具。

 

半导体元件

 

“半导体”这个词指的是一种具有部分导电特性的材料，介于导体和绝缘体之间，能够根据施加的电刺激导电。半导体通常由硅制成，但现在越来越多地包含碳化硅和氮化镓，真正代表了现代电子的基础。

 

最常见的半导体材料包括硅、锗和砷化镓。锗是最早使用的半导体材料之一，但自20世纪50年代以来，它逐渐被硅取代，硅是地球上仅次于碳的最丰富元素。砷化镓也是一种常用的半导体，但由于其更难于大规模生产，并且涉及使用极其有毒的化学物质，因此有一些局限性。

 

石墨烯有潜力超越硅的受欢迎程度，但大规模商业化可能仍需较长时间。碳化硅(SiC)是一种硅和碳的化合物，目前在电力电子领域表现突出，因为与硅相比，它在高压应用(超过1200 V)中提供了许多优势，广泛应用于电动车、快速充电系统、可再生能源和工业应用中。

 

半导体材料具有独特的电气特性，允许操作人员准确控制电流的流动。凭借其高度的可定制潜力，半导体可以根据应用的独特规范和要求导电;它们的价格和可得性各不相同，从丰富且经济的硅到昂贵的稀土元素，都是太阳能电池、晶体管、传感器和电动汽车电路正常运行的关键。

 

现代世界的存在离不开半导体，随着现有材料达到其物理极限，新材料已准备好取而代之。半导体是大多数现代医疗设备的核心(见图1)。有P型和N型半导体，当暴露于光、热或其他形式的势能时，它们可以导电。半导体器件在电流通过时被激活，允许电子在原子之间自由流动。

 

医疗电子中一些常见的半导体应用示例包括成像设备，例如X光、CT和MRI机器中的传感器，治疗工具如起搏器和胰岛素泵，实验室血液和DNA分析仪，可植入和生物假肢，以及许多其他设备。得益于其出色的适应性和在特定条件下转换和放大电子信号的能力，半导体彻底改变了电子行业，并几乎在所有电子设备和电路中都有应用。

 

一般来说，半导体作为绝缘体，当其某些特性发生变化时会变为导体，能够控制通过它们的电流流动。在最重要的半导体元件中，二极管是不可忽视的第一个基于半导体的电子设备。它具有不对称特性，在一个方向上对电流流动具有高阻抗，而在相反方向上具有低阻抗。

 

另一种广泛使用的半导体电子元件是晶体管，这是电子世界的革命性元素。它可以作为电信号的开关或放大器，由三层不同的半导体材料组成，掺杂以创建具有不同电气特性的区域。通过施加小电流到基极，可以控制在集电极和发射极之间流动的更大电流。

 

现代集成电路可以容纳数十亿个晶体管。另一种相对流行的组件是MOSFET。它通过使用电场来控制两个不同端子之间的电流流动而区别于其他类型的晶体管。MOSFET相比其他类型的晶体管具有许多优点，如高输入阻抗、高开关速度和低开关电阻(Rds(ON))，这些特性使其在各种医疗应用中表现优异。

 

半导体医疗应用

 

如今，由于其精确的控制、处理、存储和电源管理能力，半导体成为大多数医疗设备的核心。虽然较旧的医疗工具主要依赖机械操作，但更先进的半导体设备显著提高了传统医疗设备的性能，大大降低了相关成本。

 

半导体是医院和医生办公室中各种医疗设备不可或缺的一部分(见图2)。医疗领域的应用包括从小型便携设备到大型高功率固定机器的设备，所有设备必须确保最大安全性和可靠性。几乎不可能列出所有包含半导体的医疗应用，因为每种应用都有其特殊规格;然而，它们都以越来越复杂的方式为疾病的诊断和最重要的有效治疗服务。

 

半导体被大规模用于监测多个生命体征的设备，例如监测糖尿病患者血液中的葡萄糖水平或心脏病患者的心率。即便是CT扫描仪、电图仪或血压监测仪的开发，也因最新半导体的使用而得到显著促进，确保极高的性能和可靠性。借助其半导体组件，医疗应用如成像和监测(包括在重症监护中)、可穿戴医疗设备、外科设备、血糖检测仪、血压监测仪和红外温度计都能够产生极高精度的结果。

 

新的发展包括围绕核医学和放射学的创新技术。使用特殊的半导体组件确保生成高质量的图像，通常是三维和彩色的。半导体核辐射探测器通常用于多个领域的高分辨率光谱学，对2D和3D X射线成像系统的发展起到了关键作用，得益于其优势特性。半导体(硅或锗)探测器能够通过检测辐射来测量带电粒子或光子的影响。它们与光伏面板相似。当电离辐射进入半导体时，它与之相互作用，激发电子并留下一个空穴;然后，通过收集电子-空穴对，最终形成检测信号。半导体探测器用于辐射保护和放射性材料的分析。

 

随着新检测仪器和相关电子设备的不断发展，X射线图像采集在医疗领域变得越来越普遍。新的研究倾向于使用回馈宽动态范围、高对比度的同步辐射束，最重要的是，减少生成高质量图像所需的放射性剂量。在这种背景下，半导体探测器能够满足大多数用户的需求。

 

数字放射摄影已经成为现实，提供出色的高分辨率和对比度。近年来，科学家们正在进行多个项目，以开发更先进的半导体探测器，因为传统的半导体(如硅和锗)往往无法完全满足与高能光子医疗成像相关的技术要求。这类研究围绕材料的成本和可得性进行，这些问题也在持续不断地解决中。

 

结论

 

毫无疑问，半导体已成为现代医疗电子学中不可或缺的组成部分，加速了更小、可穿戴和便携设备的开发，以实现持续的患者监测。这些组件广泛应用于各种医疗应用中，从成像系统、监测设备、治疗工具、实验室仪器，到假肢和植入物。

 

半导体被视为医疗行业的革命性材料，已证明自己是传统设备技术和性能提升的关键组成部分，同时降低了成本，从而实现更精确和可靠的结果。半导体技术的最新发展有望进一步扩展诊断和治疗能力，为医疗创新的新纪元铺平道路。

 

半导体材料具有与电导率相关的特定特性，其未来取决于大规模生产新材料的可能性，这些新材料应具有类似的特性，价格应与硅相似或更低。