用于生理参数的非侵入式监测的微电子传感器制造技术

本发明专利技术公开了在一些实施方案中，将基于PC‑HEMT的微电子传感器用在心血管和肺监测、心电图信号检测和测量、原发性心脏活动信号检测及中央静脉压和心率变异性测量、左右心房压力测量、心音图录制、S2分裂现象检测、呼吸动态测量和肺活动诊断、脑活动监测及与脑电图有关的电信号的测量和监测、以及眼部压力诊断中。

Microelectronic Sensor for Non-invasive Monitoring of Physiological Parameters

In some implementations, the microelectronic sensor based on PC HEMT is used in cardiovascular and lung monitoring, ECG signal detection and measurement, primary cardiac activity signal detection, central venous pressure and heart rate variability measurement, left and right atrial pressure measurement, phonocardiogram recording, S2 splitting phenomenon detection, respiratory dynamic measurement, lung activity diagnosis and brain activity monitoring. And the measurement and monitoring of EEG-related electrical signals, as well as the diagnosis of ocular pressure.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生理参数的非侵入式监测的微电子传感器
本申请涉及基于高电子迁移率晶体管的微电子传感器及其在人体所产生电信号的检测和持续监测中的用途的领域。具体地讲，本申请涉及开栅伪导电高电子迁移率晶体管及其在人体生理参数的非侵入式监测中的用途。
技术介绍
人体健康状态由许多自我相互依赖的生理参数来确定。不是所有这些参数都具有同等的信息性和重要性。此外，不是所有这些参数都可以被轻松且精确地监测，因为它们的测量需要特殊的条件、昂贵的医疗设备和材料。在设计综合监测系统时，不仅必须评估所测量参数的重要性，而且还必须评估其测量技术以及应用到实际系统中的潜力。医学研究已证实，最重要的参数是那些指示心脏和呼吸系统或肺系统的工作情况的参数。反映要监测的心血管系统和呼吸或肺系统的状态的典型参数是与心电图有关的心输出量和原发性心脏活动、中央静脉压、左右心房压力、与呼吸周期有关的肺部或肺活动、呼吸率和呼吸量、以及与脑电图有关的脑活动。可通过上述参数评估的其他生理参数有心搏量、心搏量的呼吸相关变化、外周血管阻力、动脉顺应性、呼吸频率和幅度(或潮气量)。心血管系统和肺系统是内在多元的闭环系统。这些系统的主要生理参数具有紧密的相互关系，这种关系由还可通过监测脑活动来评估的各种力学和神经机制来调节。自主神经系统通过持续神经调制从而使变量围绕其均值发生小变化，来控制该系统的不同部分。作为外部刺激元素的呼吸能够显著调制血液动力参数。脑活动、血液循环和呼吸之间的关系和相互作用非常紧密，着重突出了在临床工作中对同时监测和评估这些系统的需求。当前，有多种不同类型的装置可用于以非侵入方式监测人体主体。例如，可通过使用必须附接到患者的皮肤的电极来监测患者的心脏功能。尽管是非侵入式，但对于附接到包含线缆和有线传感器的网络的患者而言，这些设备是不舒服的。此外，此类设备成本高，仅局限于用在医院、实验室以及成本和患者的不适可以被视为合理的其他医疗机构中。一般来讲，需要对人体主体进行非侵入式和持续监测。为了有助于在其正常环境中(例如，在家中或办公室中)对人体主体进行监测，设备必须是非侵入式且易于使用。例如，此类监测可能非常适合用作患者总体健康维护的一部分，并且可能用来在伴随而来的健康退化变得明显之前检测患者生理状况的退化。医院和实验室中使用的典型设备能够监测患者的至少一个生理参数，而不需要患者执行任何复杂的处理和/或操作复杂的装置。然而，如上所述，可能高度优选的是，将设备纳入作为使用者或患者常规日常生活例行活动的一部分，因为对患者身体部分的任何额外或特殊处理的需求都可能导致顺应性降低。此外，设备应稳健且不昂贵，例如用于将生理传感器附接到使用者的手腕的小手环。当前有多种不同类型的此类手环装置，下面将对其加以说明，大多数这些手环装置预期用作独立的装置来提供有关使用者自身身体状况的信息，主要是心率和血压方面的信息。心电描记法始终建议在评估人体健康状况时记录与心脏工作相关的生理参数，因为心脏工作与对人体至关重要的生理功能有关。与主要心脏功能相关的生理参数是心脏工作速率(脉搏)和血压。心电图(ECG)是心脏工作的最具代表性的生理特征之一。心电描记法是使用置于患者身体上的电极来记录心脏在一定时间周期内的电活动的过程。这些电极检测皮肤上因每次心跳期间心肌极化和除极产生的微小电变化，并且由此和/或由另一装置(诸如电极识读器)生成记录。常规心电图仪采用多个(8-12个)电极来测量心脏的电活动。每个电极以一定的容差范围放置在患者身上的特定位置。通过这些电极，心脏电位的总量级通常从十二个不同的角度(“导联线”)测得并在一定时间周期(通常为10秒)内记录。这样，心脏电偶极子的总量级和方向就在完成整个心动周期的每个时刻被捕捉。最终得到的由这种非侵入式医疗程序产生的电压和时间的关系图被称为心电图(ECG或EKG)。各种常规心电仪包括3、5、15、16条导联线。在每次心跳期间，健康的心脏具有有序的除极和极化进程，其始于窦房结的起搏细胞，向外蔓延通过心房，通过房室结向下进入希氏束并进入向下延伸的浦金氏纤维并向左贯穿整个心室。除极和极化的有序模式使特征性ECG跟踪得以实现。因此，ECG是医疗诊断的一种绝对基础的方法。从ECG提取的健康医疗信息对于直接确定心脏功能以及许多其他重要身体参数(诸如心脏疾病、心房颤动、胆固醇堵塞、心脏病预测、高血压等)是必不可少的。ECG提供了大量与心脏的结构及其导电系统的功能有关的信息。尤其是，ECG可用于测量心跳的速率和节律、心腔的尺寸和位置、心脏肌细胞或传导系统的任何损伤的存在、心脏药物的效用、以及植入的起搏器的功能。日常生活中的持续ECG检测的可能性，对于现代社会中的可以尽早检测到心脏病信号的预测性医疗保健，是极为重要且非常宝贵的。使用光电容积描记法(脉搏血氧定量法)从手腕上的单一位点测量心率的脉搏表近来已商售。RunnerCardio和Alpha表使用光电容积描记法来持续测量血液动力血液波和心率。它们的工作原理基于使用额外的ECG信号来计算血压的脉搏传导时间法。沿手臂的皮肤表面电位根据定义，ECG是一种差分测量。根据生物电容积导体身体性质以及表示心脏偶极子功能的动态电场容积源，沿手臂存在梯度电场分布。这个心脏偶极子电场在皮肤上形成动态体表电位图，这个电位图在表示ECG信号的至少两个皮肤位点处差分测得。如图1a至图1f所示(Bioelectromagnetismandthe12LeadECGSystem(生物电磁和12导联线ECG系统)，NationalInstrumentsTM在线教程，2013年5月8日发布)，为了获得P-QRS-T心搏周期的最大最明显振幅，根据Einthoven三角偶极子矢量投影法，在偶极子上正常测量ECG信号。在这种方法中，电极连接到三个肢体部(左臂、右臂和左脚)以获得由心脏在其除极周期中产生的电偶极子矢量的投影。如果在心脏的电激励中观察到可能因心肌梗塞导致的一定不规则性，则说明相关的电激励正在改变并且信号正朝其他方向移动。这种不规则性然后将在投影信号中可见。可以使用标准差分低噪放大器沿手臂轻松测量ECG信号。图2a示意性地示出了17个标记身体位点上相对于初始位点“1”的各种ECG记录。图2b示出了在标记电极位置1至15(位置16和17为手和指尖)处记录的电压值(Q至R峰振幅)。图2c显示了在50msQRS时间间隔期间的三个体表电位图。电位被颜色编码到体表上。来自心源的电场的分布用数值法计算。当参比电极放置在患者胸部靠近其心脏的位置(位点1)并且第二电极正相应地朝位点2-16之间的指尖方向逐渐移动时，使用标准Ag/AgCl凝胶ECG电极测量差分ECG信号。在电极位置8(手肘)处，差分信号达到最大值，并保持恒定直至到达指尖(位置16)。这个实验观察源于身体容积导体内的在图2c中示出并且在图2b中明确证实的电场分布性质。由于Q至R峰振幅在手腕区域(电极位置13-14)不改变，因此信号分布非常妨碍藉由(使用)基于脉搏血氧定量法的上述腕表装置进行的实际ECG检测。因此，需要一种将基于不同检测原理的新型传感器。这些新型传感器将附接到肢体的下部，并提供持续单点心血管监测。甚至更需要如下这样的心血管传感器：这些心血管传感器确实需要附接到身本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于持续监测患者的至少一个生理参数的非侵入式方法，其包括：1)将所述患者身体上的单个传感点与微电子传感器接触，或者将微电子传感器放置在远离所述患者身体的空间中，所述微电子传感器包括开栅伪导电高电子迁移率晶体管(以下定义为“晶体管”)或所述晶体管的阵列；2)使用所述传感器随时间推移持续记录从所述患者身体接收的电信号，所述电信号为所述晶体管的源‑漏电流的形式(定义为IDS动态)；3)将所述记录信号从所述传感器持续传输到外部存储器；以及4)处理所述外部存储器中的所述传输信号，将所述IDS动态与所述生理参数相关联，并从所述信号中提取医疗数据形式的所述生理参数，从而持续监测所述生理参数；其中所述晶体管包括：a)由III‑V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构沉积在衬底层上或放置在无支撑薄膜上；b)包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；c)所述源极触点和所述漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG或2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电子电路的电金属化层；以及d)位于所述源极触点与所述漏极触点之间的开栅区；其中：(i)在所述晶体管的所述开栅区中的所述结构的顶层(势垒层或缓冲层)的厚度为5‑9纳米(nm)，对应于所述晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的所述伪传导电流范围，并且(ii)所述顶层的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.10 US 15/067,093;2016.05.17 US 15/157,2851.一种用于持续监测患者的至少一个生理参数的非侵入式方法，其包括：1)将所述患者身体上的单个传感点与微电子传感器接触，或者将微电子传感器放置在远离所述患者身体的空间中，所述微电子传感器包括开栅伪导电高电子迁移率晶体管(以下定义为“晶体管”)或所述晶体管的阵列；2)使用所述传感器随时间推移持续记录从所述患者身体接收的电信号，所述电信号为所述晶体管的源-漏电流的形式(定义为IDS动态)；3)将所述记录信号从所述传感器持续传输到外部存储器；以及4)处理所述外部存储器中的所述传输信号，将所述IDS动态与所述生理参数相关联，并从所述信号中提取医疗数据形式的所述生理参数，从而持续监测所述生理参数；其中所述晶体管包括：a)由III-V单晶或多晶半导体材料制成的多层异质结结构，所述结构包括至少一个缓冲层和至少一个势垒层，所述层交替堆叠，并且所述结构沉积在衬底层上或放置在无支撑薄膜上；b)包括二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)的导电沟道，所述导电沟道形成在所述缓冲层与所述势垒层之间的界面处并在所述晶体管中源极触点与漏极触点之间提供电子或空穴电流；c)所述源极触点和所述漏极触点，所述源极触点和所述漏极触点连接到所述2DEG或2DHG导电沟道并且连接到用于将所述晶体管连接到电子电路的电金属化层；以及d)位于所述源极触点与所述漏极触点之间的开栅区；其中：(i)在所述晶体管的所述开栅区中的所述结构的顶层(势垒层或缓冲层)的厚度为5-9纳米(nm)，对应于所述晶体管的常开工作模式与常闭工作模式之间的所述伪传导电流范围，并且(ii)所述顶层的表面的粗糙度为大约0.2nm或更少。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述被监测的生理参数是与心电图(ECG)有关的心输出量和原发性心脏活动。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述被监测的生理参数是中央静脉压(CVP)。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述被监测的生理参数是左心房压力和右心房压力(LAP和RAP)。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述被监测的生理参数是心率变异性(HRV)。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述被监测的生理参数是与心音图有关的第二分裂心音(S2)。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述被监测的生理参数是与肺或肺活动有关的呼吸周期和动态、呼吸率和呼吸量。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述被监测的生理参数是与脑电图有关的脑活动。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述被监测的生理参数是心搏量、所述心搏量的呼吸相关变化、外周血管阻力、呼吸频率和幅度(潮气量)、以及动脉顺应性。10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述患者身体上的所述单个传感点是任意患者肢体。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述患者肢体为手臂、手肘、前臂、手腕、手掌或手指。12.根据权利要求1所述的方法，其中将所述患者身体上的所述单个传感点与所述微电子传感器接触的所述步骤通过将包含所述传感器的可穿戴装置固定到患者的手腕来完成。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器是非接触式的并且以远离患者身体的方式使用，所述传感器放置在远离所述患者身体的空间中。14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述晶体管的所述多层异质结结构包括一个缓冲层和一个势垒层。15.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述晶体管的所述多层异质结结构包括一个顶部缓冲层、一个势垒层和一个底部缓冲层，所述势垒层放置在所述顶部缓冲层与所述底部缓冲层之间，并且所述二维电子气(2DEG)导电沟道形成在所述势垒层上方的所述顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层与所述势垒层之间的所述界面，从而得到所述晶体管的N面极性。16.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述晶体管的所述多层异质结结构包括一个顶部缓冲层、一个势垒层和一个底部缓冲层，所述势垒层放置在所述顶部缓冲层与所述底部缓冲层之间，并且所述二维空穴气(2DHG)导电沟道形成在所述势垒层上方的所述顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层与所述势垒层之间的所述界面，从而得到所述晶体管的Ga面极性。17.根据权利要求1-16中任一项所述的方法，其中所述晶体管的所述源极触点和所述漏极触点是欧姆触点。18.根据权利要求1-16中任一项所述的方法，其中所述晶体管的所述源极触点和所述漏极触点是非欧姆触点。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述晶体管的所述电金属化层电容耦合到所述2DEG导电沟道或所述2DHG导电沟道以感应出位移电流，从而形成所述非欧姆源极触点和非欧姆漏极触点。20.根据权利要求1-19中任一项所述的方法，其中所述晶体管的所述III-V单晶或多晶半导体材料选自GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO3/SrTiO3。21.根据权利要求20所述的方法，其中所述III-V单晶或多晶半...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿亚尔·拉姆，阿米尔·利希滕斯坦，
申请(专利权)人：艾皮乔尼克控股有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG