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柔性混合电子元件,解锁下一代医疗传感
2018-08-09 14:53:32   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

在医疗保健传感器领域,柔性混合电子元件可提供许多优点和益处。像我们这样的组织,不仅在开发柔性传感器,而且利用基础研究证明了这些设备是可以实现的,并能通过规模制造降低成本,使这些传感器能够在全球普及。

柔性混合电子元件,解锁下一代医疗传感

柔性可穿戴医疗传感器,可以帮助医生轻松、无痛地收集患者数据,从而实现更精准的诊断和有效治疗。

过去10年来,曾经只有医院和专业医疗人员才能使用的医疗器械,在消费类医疗保健市场急剧增长,例如脉搏血氧仪、红外温度计、自动心率监测仪,甚至自动体外除颤器(AED)等主动干预设备。这些装置大大解放了患者,可帮助医生对患者进行远程诊疗,从而无需专门跑去诊所或医院。

为了满足日益增长的门诊监测和家庭诊断需求,研究人员一直在改进柔性混合电子元件(FHE)和数据驱动技术,并将这些技术融入可穿戴设备。他们还在开发弹性接口来连接病人和设备,以改善数据收集并提高数据的准确性。

四个等待组装的无线EKG心电图传感器

四个等待组装的无线EKG心电图传感器(图片源自GE Global Research)

什么是柔性混合电子元件(FHE)?

柔性混合电子元件(FHE)结构示意图

柔性混合电子元件(FHE)结构示意图

FHE通过将独特的新印刷工艺和新材料相结合,为日常生活中的产品提供硅集成电路的强大功能。其结果是:轻量化、低成本、柔性、舒适、可拉伸和高效的智能产品,在消费类、商业和军事应用中具有无线前景。

更频繁地定期收集患者数据,比如过去可能一年或半年才会做一次回访收集患者数据,可以为患者创建一个“个人基线”。例如,一个病人的心率或血压,与混合了许多因素的全球平均值相比,并没有与病人今天早上、昨天、上个星期或上个月的数据相比那么重要。后者的数据比较,通常可以表明病人是否需要就医或者采取其它干预手段。

不客气地说,现在我们的汽车都会定期保养,汽车检测诊断的历史数据,甚至做的比我们人要好。根据内科医生协会的一项研究,如今,美国的医生问诊时间平均长度不到20分钟,而在英国,这一数字甚至要少于8分钟。

在这种情况下,医生可能只能引用相隔3到18个月的数据信息,然后根据他们看到的其他病例,对病患个人病史的模糊记忆,以及医疗帐户档案,结合他们的训练和直觉,给出诊断结论和治疗建议。这显然不是一个科学的过程。因此,改善的个人基线数据,是提高未来诊断准确性的好方法。

美国柔性混合电子制造创新中心NextFlex

据麦姆斯咨询介绍,NextFlex是一支美国制造业研究网络的领导力量。NextFlex是由美国国防部(DoD)和FlexTech联盟合作组成,是由企业、学术机构、非营利组织以及美国州、地方和联邦政府组成的联盟,其共同目标是进一步推进美国FHE的制造。自2015年成立以来,NextFlex由思想领袖、教育工作者、问题解决者和制造商精英团队齐聚一堂,共同推动创新,加速美国FHE生态系统的形成,通过投资超薄型设备加工、传感器集成打印和封装、系统设计工具以及可靠性测试和建模,来促进FHE技术商业化。

NextFlex专注的其中一个重点领域是可穿戴医疗传感器和诊断设备。该组织的第一批项目涉及个人传感器系统的开发工作,包括氧传感和类皮肤医药绷带(由普渡大学、Integra LifeSciences和西密歇根大学领导);电刺激传感器和愈合器械(由加州大学伯克利分校和捷普集团领导);无线EKG设备(由GE Global Research和宾厄姆顿大学领导);口服生物标志物传感器(由PARC和UCSD领导)。这些传感器都在其设计中融入了FHE,通过对人体的持续监控提供了改善的病患数据采集。

如今,电子元件的组装可以在100˚C以下进行,因此新开发的传感器可以包含那些必须保持在相对较低温度下的组件。这意味着在新型传感器中可以使用生物材料,例如噬菌体和某些蛋白质,这为打造一类全新的传感器打开了大门。

具有可拉伸基板的柔性电路,可与患者皮肤紧密贴合,改善了数据采集和传输的准确性。在许多情况下,适应不同患者的能力,也改善了应用传感器的过程,这也会提高诊断准确性。

上图展示了薄膜传感器厚度如何影响其与皮肤表面的贴合适应性,最薄的薄膜贴合度最好

上图展示了薄膜传感器厚度如何影响其与皮肤表面的贴合适应性,最薄的薄膜贴合度最好(图片源自UT Austin)

除了改善的适应能力之外,传感器可以做得更小、更薄,因此它们可以做得不那么突出和笨重,变得更加舒适,从而在所需要的位置佩戴更久。患者也更有意愿去佩戴这类舒适的传感器,建立来自患者的连续数据流。

总体来看,它们整合了一系列可穿戴传感器的数据,这些数据之间的相互关联可以产生真正的突破。例如,一位医学研究人员表明,通过心率和体温的联合观察,可以比观测其中任何一种数据读出,更准确地预测某类病毒的暴露。

目前,很多公司正在开发多传感器可穿戴设备。例如,有一家公司的多传感器设备可以测量患者汗液的化学成分。

汗液传感器的构建

汗液传感器的构建(图片源自Epicore Biosystems)

另一家公司在开发一种具有中距离无线射频传输的低功耗多传感器贴花,可监控并记录任何传感器发送给它的反馈信息。

第三家公司则在组合几种临床级医疗传感器,以消除医院病人身上的各种电线和导线,以方便在舒适的家中监控患者。在一家医院,有近300家医疗护理供应商分别通过控制中心监控三名或更多的患者。

该计划非常成功,该医院已与其他三家连锁医院签订了合同,以提供同样的医疗监控能力。该医院还了解到,患者可以在家中修养,并在整个康复过程中得到良好的监控。更好的结果是,他们还发现通过这种方式患者恢复得更快,成本也降低了。

在医疗保健传感器领域,柔性混合电子元件可提供许多优点和益处。像我们这样的组织,不仅在开发柔性传感器,而且利用基础研究证明了这些设备是可以实现的,并能通过规模制造降低成本,使这些传感器能够在全球普及。

NextFlex发起新一轮1000万美元资金,用于柔性混合电子元件在航空、数字健康以及国家安全领域的创新。获资助项目将包括柔性混合电子器件工艺、电子纺织、3D电子设计和电源集成等方面的创新。

柔性混合电子元件,解锁下一代医疗传感

NextFlex近日发布了新一轮项目征集Project Call 4.0(PC 4.0),旨在寻求进一步开发和应用FHE的项目,为它们提供资金支持。前三次项目征集计划的反响令人震惊,共收到178份初始提案,投资额超过5900万美元。PC 4.0的总项目资金预计将超过1000万美元。

PC 4.0的需求范围非常广泛,代表了NextFlex在广泛的应用领域(从数字健康到商业航空到国家安全需求)所确定的技术和能力空白。这些领域涵盖了可穿戴设备封装技术、高性能和高层数FHE、3D电子设计、电子纺织领域的挑战性解决方案、生化监控平台以及无人机轻型电子设备等。

“NextFlex的项目征集计划已经证明是非常成功的,”NextFlex执行董事Malcolm J. Thompson博士说,“我们不断解决联盟成员单位提出的FHE制造挑战,凭借前三次Project Call计划正在进行中的31个项目,我们预计这将引起FHE领域更多的兴趣和关注。Project Call 4.0中的研究主题,将建立在已成功开发的基础之上,并将学习利用我们之前的项目成果。”

为了验证这些制造能力,项目提案将专注于以下方向:
- 无人机轻型柔性电子平台
- 用于结构健康监测的大面积传感器系统
- 用于监测流体生物标记物的微创可穿戴柔性装置

延伸阅读:

《柔性电子电路市场-2018版》

《联网医疗器械市场及业务模式-2017版》

《薄膜集成无源器件技术及市场-2018版》

《有机薄膜晶体管(OTFT):柔性显示及其它应用-2016版》

《病患监测设备市场-2018版》

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