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微電子在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用論文
微電子技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)之間有著非常緊密的聯(lián)系。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,生物醫(yī)學(xué)也在快速的發(fā)展,另一方面生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展也對微電子技術(shù)的發(fā)展起著巨大的推動作用。本文將從生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的三個重要發(fā)展領(lǐng)域以及仿生系統(tǒng)等的基本概念出發(fā),結(jié)合當(dāng)今最新進(jìn)展介紹生物醫(yī)學(xué)和微電子技術(shù)之間的相互作用與發(fā)展。
生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)是由電子學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉的一門邊緣科學(xué),為使得生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究方式更加精確和科學(xué),所以將電子學(xué)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。生物體本身就是一個精細(xì)的復(fù)雜系統(tǒng),它形成的生物信息處理的優(yōu)異特性將會給電子學(xué)以重要的啟示,使電子信息科學(xué)以其為一個發(fā)展研究方向。在生物醫(yī)學(xué)與電子學(xué)交叉作用部分中最活躍、最前沿、作用力最大的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是微電子技術(shù)。
它主要表現(xiàn)在:
1)實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的集成化和微型化是生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的一個主要發(fā)展方向,體現(xiàn)在神經(jīng)電極、生物醫(yī)學(xué)傳感器、監(jiān)護(hù)技術(shù)、植入式電子系統(tǒng)、生物芯片等方面。微電子技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)其微型化;
2)按照目前微電子器件微型化趨勢,醫(yī)學(xué)器件尺寸很快就會達(dá)到分子和原子的水平,為人們更加精確地研究生物體提供了條件;
3)借鑒生物醫(yī)學(xué)的最新成果,在很大程度上能促進(jìn)微電子技術(shù)的發(fā)展。
1、以下將主要從生物醫(yī)學(xué)傳感器、植入式電子系統(tǒng)、生物芯片這三個方面結(jié)合當(dāng)前國際上最新進(jìn)展來介紹兩者之間的關(guān)系與發(fā)展
1.1 生物醫(yī)學(xué)傳感器
生物醫(yī)學(xué)傳感器的作用是把人體中和生物體包含的生命現(xiàn)象、性質(zhì)、狀態(tài)、成分和變量等生理信息轉(zhuǎn)化為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電子信息。生物醫(yī)學(xué)傳感器是連接生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)的橋梁,所以說它是生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)中一項(xiàng)最關(guān)鍵的技術(shù)。主要可分為以下幾種:電阻式傳感器,電感式傳感器,電容式傳感器,壓電式傳感器,熱電式傳感器,光電傳感器以及生物傳感器等。
其中最重要的發(fā)展方向之一就是生物醫(yī)學(xué)傳感器的集成化和微型化,因?yàn)樗菍?shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備集成化和微型化的基礎(chǔ),它發(fā)展將使得生物醫(yī)學(xué)的測量和控制更加精確即達(dá)到分子和原子水平,從而把生物醫(yī)學(xué)帶入一個嶄新時代。
隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,生物醫(yī)學(xué)傳感器在集成化和微型化方面也取得了很大進(jìn)展,目前最值得關(guān)注的發(fā)展方向可概括為以下幾個方面:充分利用已有的微電子和微加工技術(shù)以無機(jī)物為材料的生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究,主要是基于CMOS工藝傳感器的研制和設(shè)計;2)充分汲取了有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)利用有機(jī)物和無機(jī)物相結(jié)合的生物醫(yī)學(xué)傳感器。
比如基于神經(jīng)細(xì)胞的生物傳感器、酶傳感器、免疫傳感器 以及微生物傳感器等。3)多傳感器的集成技術(shù)、融合與智能化技術(shù),這樣不僅滿足了對參數(shù)測量的要求,同時還可以使相互有影響的參數(shù)起到互補(bǔ)的作用,從而大大地提高了傳感器的測量精度。4)納米技術(shù)與微電子機(jī)械技術(shù)這些新的前沿的微電子技術(shù)的引入,為納米封裝技術(shù)與分子生物學(xué)技術(shù)的集成提供了技術(shù)支持,同時將生物醫(yī)學(xué)傳感器從二維發(fā)展到了基于立體三維的微電子機(jī)械系統(tǒng)的傳感器。
1.2 植入式電子系統(tǒng)
植入式電子系統(tǒng)是一種埋植在人體或生物體內(nèi)的電子設(shè)備,它用來測量生命體內(nèi)的生理、生化參數(shù)的變化,或用來診斷與治療一些疾病,即實(shí)現(xiàn)在生命體自然狀態(tài)下體內(nèi)直接測量和控制功能或者代替功能殘缺的器官。隨著高可靠性、低功率集成電路的發(fā)展,植入式電子系統(tǒng)的能源供給方式的多樣化,無毒性生物相容性等性能優(yōu)良的生物材料研究的深入,以及顯微外科手術(shù)水平的不斷提高,使得植入式電子系統(tǒng)得到飛速的發(fā)展。
植入式電子系統(tǒng)在微電子方面研究的關(guān)鍵技術(shù)主要有:
1)植入式天線的設(shè)計技術(shù)。主要是解決效率與天線微型化之間的矛盾;
2)RF 射頻電路的設(shè)計技術(shù)。
射頻電路是植入體內(nèi)部分與體外部分通信的關(guān)鍵電路;
3)低功耗植入式集成電路設(shè)計技術(shù),它一方面是要保證植入式系統(tǒng)在有限能源的前提下能在體內(nèi)長期穩(wěn)定工作,另一方面是電路產(chǎn)生過多熱量會對生命體本身造成危害;
4)植入式系統(tǒng)的能量供給技術(shù)。
由于經(jīng)常把把植入體內(nèi)設(shè)備拿出體外進(jìn)行充電是不實(shí)際的,目前一般采用下述四種方式給體內(nèi)供能:植入式電源、紅外線偶合供能、射頻供能或者是利用體內(nèi)其他能量的轉(zhuǎn)換,比如溫差供電、利用血液中氫和氧進(jìn)行燃料電池反應(yīng)或利用生物體自身的機(jī)械能等;
5)微弱信號的提取技術(shù)。
生物信號都是微弱信號,而且往往存在著背景噪音都很強(qiáng)大的情況;
6)一些前沿的數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用。
比如利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與線性預(yù)測技術(shù)來通過腦電實(shí)時控制多自由度的假肢的研究,以及基于小波變換的語音信號處理技術(shù)應(yīng)用于人工耳蝸等;7)植入式電子系統(tǒng)的制作與封裝技術(shù)。主要研究的是如何利用生物相容性優(yōu)良的生物材料來對集成電路進(jìn)行封裝,這樣既能保證植入到體內(nèi)的系統(tǒng)不會對生命體造成危害,也能保證其能在人體環(huán)境中長期穩(wěn)定地工作。
1.3 生物芯片
生物芯片是上世紀(jì)80年代提出的,最初指的是分子電子器件。試圖把生物活性分子或有機(jī)功能分子進(jìn)行組裝,構(gòu)建一個微功能的單元以實(shí)現(xiàn)信息的獲取、存儲、處理和傳輸?shù)裙δ?來研制仿生信息處理系統(tǒng)和生物計算機(jī)。上世紀(jì)90年代以來,其概念發(fā)生了變化。
生物芯片指的是集成了數(shù)目巨大的生命信息,可以進(jìn)行各種生物反應(yīng),具有多種操作功能、可以對 DNA/RNA 分子、活體細(xì)胞、蛋白分子乃至人體軟組織等進(jìn)行快速并行分析和處理的微器件,簡稱之為片上的縮微實(shí)驗(yàn)室。
其材料的選擇很廣泛,可以用半導(dǎo)體工業(yè)中常用的硅還可以用如玻璃、陶瓷或塑料等其他材料。目前已有多種生物芯片出現(xiàn),而最具代表性的是基因芯片,聚合酶鏈擴(kuò)增反應(yīng)(PCR)、毛細(xì)管電泳等芯片。
生物芯片的技術(shù)主要是依賴于分子生物學(xué)、微加工與微電子等三方面技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,它是將生命科學(xué)研究中所涉及的許多分析步驟,利用微電子、微機(jī)械、化學(xué)、物理和計算機(jī)等技術(shù),使樣品檢測、分析過程能夠連續(xù)化、集成化、微型化和自動化。
2、結(jié)語
本文對與微電子技術(shù)密切相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的七個重要領(lǐng)域中的三個進(jìn)行了介紹,綜述了這些領(lǐng)域的基本研究問題,一方面著重討論了微電子技術(shù)在這些領(lǐng)域中起的關(guān)鍵作用、最新的研究水平和發(fā)展方向,另一方面也討論了生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展對微電子技術(shù)起的巨大推進(jìn)作用。
隨著微電子技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,這兩者的相互作用將越來越大,微電子技術(shù)的發(fā)展將為生物醫(yī)學(xué)帶來巨大的變革,同樣生物醫(yī)學(xué)也將會給微電子技術(shù)的創(chuàng)新提供嶄新的思路。
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