有助生醫檢驗儀器尺寸縮小　BioMEMS優勢盡顯

再者，利用相容於互補式金屬氧化物半導體(CMOS)之微機電製程，BioMEMS得以整合精密之應用IC電路與射頻(RF)晶片，不僅提高產品功能，亦能將生醫檢測資料進行傳輸與統整分析，有利於建立完整之醫療資訊網絡，甚或實現遠距照護服務。本文將從BioMEMS之感測技術發展，進一步分析其前瞻應用趨勢。  

精準度需求加速BioMEMS發展  

由於人口老化以及因為肥胖問題所衍生的心血管疾病與糖尿病等患者日益增多，在預防勝於治療之下，自我檢測與居家照護等應用逐漸盛行。然而，就目前之生醫檢驗市場而言，一般市售之傳統檢測器材無法應付微分子生物篩檢，而醫療院所使用之檢驗儀器也不方便一般人使用。  

為增加檢驗之精確量測需求，以及提高診斷與治療的便利性，應用微機電製程，結合生技醫學檢驗技術，因而開發出更小型，且便於慢性病患者長期配戴與使用之BioMEMS生醫感測器。  

此外，對於醫護人員而言，儀器微小化可使其達到易於攜帶與便利使用之目的，有助於醫護專業人員在醫療院所、救護車或救災現場皆能迅速完成醫療照護工作。  

BioMEMS呈現數位化資訊  

BioMEMS生醫感測器主要是利用微電子技術將大型檢測儀器微型化，其感測器之架構(圖1)結合微電子、微流體與生物檢測技術，搭配物理或化學轉換器，將生化參數轉換為電子訊號，最後再以數位化輸出將相關檢測資訊以圖文呈現，提供給使用者(生化研究人員、醫療專業人員、病患或其家屬等)進行判讀。

資料來源：資策會MIC ITIS計劃(03/2009) 圖1　BioMEMS感測器架構圖

在應用上，依量測原理與感測參數，可分為物理性、化學性與光學性等感測器，以下就分別介紹。

物理性感測類型廣泛  

物理性感測器主要是量測人體本身之物理特性之反應，其感測參數包括：尺寸或外型變化、力量/力距值、速度/加速度、溫度、壓力及流量等，應用這些物理參數，設計出可以感測細微物理量變化之BioMEMS感測器，用以量測人體反應，例如：肌肉收縮、血壓、體溫、血液流速、心電圖、視力等。相關參數如表1。

化學性感測應用多元  

人體本身就是一個化學性感測器，擁有各種化學感測功能，包括味覺、嗅覺、內分泌系統的荷爾蒙受體、神經傳導系統的神經化學傳遞物質等。  

化學性感測器即是運用生物科技方法獲取人體之生物活性分子，以特定物質之分子辨識材料使能產生化學反應，經由轉換器將此反應量轉換為電子訊號，並輸出圖文資訊給醫護人員判讀。例如：呼吸檢測、免疫力檢測、基因篩檢、用藥追蹤等皆是經常應用之化學性感測方式；其主要感測之生化參數包括：呼吸氣體成分、血液、血糖、酸鹼值、層析等。其參數如表2。

光學性感測具多項優點  

在生技醫學應用方面，利用光學原理之光學/光學式化學感測器是生物專業領域常用的方法。利用光學原理之生醫檢測方法，主要是利用生物分子本身的自發光效應或利用外加分子引發之外加光效應，使獲得光學訊號，並以定量光學量測方式，針對已獲得之各種光學訊號進行檢驗，此方法亦有利於在光學顯微鏡下做檢測。  

光譜分析是光學/光學式化學感測器常用之檢測方式，因光譜分析為非破壞性即時檢測技術，且光譜範圍廣，不受電氣雜訊干擾，因此可以同時檢測多項參數，具有快速、簡單、精確等優點。  

BioMEMS配合ICT技術如虎添翼  

利用微機電技術所製造之BioMEMS感測器，除了具有體積小之特色外，因為易於與積體電路整合，在相關之生醫檢測數位訊號處理器(DSP)、類比/數位轉換晶片等電路搭配上，具有整合性高之優點。因此在資料擷取與運算上，可較以往之檢測儀器有更高之解析度，且可同時處理多筆資料。  

CMOS提高整合度  

既有生技醫學應用之微機電感測器在導入CMOS標準製程後，有助於將生物感測元件與相關量測電路整合，並能進一步將射頻晶片、生醫檢測之DSP、類比/數位轉換晶片等電路以系統級封裝(System in Package, SiP)方式進行異質整合。其感測器將可包含檢體導入/導出、檢體感測、訊號判讀、資料儲存、無線傳輸、即時異常警示等多功能應用。  

此外，透過CMOS標準化製程可大量製造BioMEMS生醫感測器，因而大幅降低生產成本，此外也有利於在某些檢測應用上，可生產拋棄式產品，以減低檢體相互污染之風險。  

效率/精確度升高  

在臨床應用上，特別是在應付各種急性與慢性的疾病中，對於生理系統中各種生醫檢測訊號的改變進行即時量測，往往是診斷與治療的決策依據。  

利用微機電技術所構造之BioMEMS感測器，在數位化發展下，其感測器可以迅速完成檢體感測、資料儲存、異常警示等功能；除了可以提供更多資訊供專業人員判斷，也可進行連續監測與資料比對，使有助於醫護人員及早發現患者之異常反應，以即時採取適當醫療行動。  

有助長期監測  

在某些慢性病之診療過程中，患者必須經常抽血檢驗(如糖尿病患者)或配戴植入式醫療裝置(如心臟病患者須配戴心律調節器)。  

BioMEMS之微型化可使儀器能隨身佩戴或植入體內，使其達到連續監測與全面預防之目的，即時提供病患的生理狀況給醫護人員，讓病患之病情得以早期診斷和及時治療。再者，醫護人員也可針對所累積之資訊，協助改善病患生活方式。  

無線傳輸加速資料更新  

將各種照護設備如體溫計、體重計、血壓計、血糖檢測器與心電圖等採用無線技術(圖2)傳輸檢測資料，應用在一般醫療院所之醫護檢驗上，可實現即時資料彙整與即時醫療診斷作業方式。

資料來源：資策會MIC(03/2009) 圖2　結合植入式BioMEMS與後端醫療照護系統，可實現遠距、居家照護。

另一方面，應用在遠端/居家照護上，透過患者配戴具無線傳輸功能之植入式BioMEMS感測器，透過短距無線傳輸方式將資料儲存於後端醫療照護系統。除了可讓患者與病患家屬自我健康管理之外，經過後端醫療系統之長時間統計與分析其生理檢測資料，可在就診時讓醫生能夠有更完整之資訊以進行醫療診斷。 而部分醫療電子零組件更計畫整合至個人終端裝置如手機、手錶、衣物以及眼鏡等隨身物品上，進而提供更完整且全面的照護。  

低功耗挑戰仍在  

綜觀BioMEMS之技術與應用發展，可提供慢性病患者更便利與舒適之長時間監測應用。不過，未來開發上仍有一重要課題，便是實現超低功耗。  

為達到降低功耗，相關零組件廠商無不積極開發生物醫學檢測專用之低功率DSP與類比數位轉換器(ADC)；以及設計可自動微調工作週期的微型感測器裝置，讓感測器可週期性、自動切換工作或待機狀態，以減少功耗；此外，利用藍牙(Bluetooth)或其他更功耗之無線通訊技術，亦是目前廠商積極嘗試開發之方向。  

此外，更有廠商試圖開發MEMS能源收集技術，藉由從人體擷取微弱靜電等能量之方式，提供電源給感測器，以降低對電池電源之需求。 雖然上述技術不少仍在實驗階段，但從業者的動作頻頻已可看出此市場的熱度。  

高齡化社會促進醫療電子升溫  

在人口老化、心血管疾病及糖尿病等患者日益增多之社會環境發展趨勢下，自我檢測與居家照護等應用逐漸盛行。由於目前市場上所應用之居家型生醫檢測儀器的精確度不高、且不方便患者使用及自我追蹤管理，因此開發應用微機電技術之微型生醫檢測儀器遂成為相關廠商積極發展之目標。  

應用相容於CMOS製程的微機電技術來生產新一代BioMEMS生醫感測器，除了可以有效達成微型化之外，由於整合相關感測元件、應用IC電路、射頻晶片等，亦使其在生技醫療應用上，提高其精確度與整合應用之發展性。  

展望未來BioMEMS生醫感測器之發展，除了方便於患者與醫護人員使用之外，整合網路傳輸能力，更能進一步建立醫療照護網絡，達到遠距/居家照護應用之目標。而此一目標能否達成，端視業界生態系統的建立與技術的演進是否順利。  

(本文作者為資策會MIC資深產業分析師)