微電子在醫學中的應用論文

　　微電子技術與生物醫學之間有著非常緊密的聯系。隨著微電子技術的發展,生物醫學也在快速的發展,另一方面生物醫學的發展也對微電子技術的發展起著巨大的推動作用。本文將從生物醫學電子學的三個重要發展領域以及仿生系統等的基本概念出發,結合當今最新進展介紹生物醫學和微電子技術之間的相互作用與發展。

　　生物醫學電子學是由電子學、生物和醫學等多學科交叉的一門邊緣科學,為使得生物醫學領域的研究方式更加精確和科學,所以將電子學用于生物醫學領域。生物體本身就是一個精細的復雜系統,它形成的生物信息處理的優異特性將會給電子學以重要的啟示,使電子信息科學以其為一個發展研究方向。在生物醫學與電子學交叉作用部分中最活躍、最前沿、作用力最大的一項關鍵技術就是微電子技術。

　　它主要表現在:

　　1)實現生物醫學電子設備的集成化和微型化是生物醫學電子學的一個主要發展方向,體現在神經電極、生物醫學傳感器、監護技術、植入式電子系統、生物芯片等方面。微電子技術的發展實現其微型化;

　　2)按照目前微電子器件微型化趨勢,醫學器件尺寸很快就會達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)借鑒生物醫學的最新成果,在很大程度上能促進微電子技術的發展。

　　1、以下將主要從生物醫學傳感器、植入式電子系統、生物芯片這三個方面結合當前國際上最新進展來介紹兩者之間的關系與發展

　　1.1 生物醫學傳感器

　　生物醫學傳感器的作用是把人體中和生物體包含的生命現象、性質、狀態、成分和變量等生理信息轉化為與之有確定函數關系的電子信息。生物醫學傳感器是連接生物醫學和電子學的橋梁,所以說它是生物醫學電子學中一項最關鍵的技術。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。

　　其中最重要的發展方向之一就是生物醫學傳感器的集成化和微型化,因為它是實現生物醫學設備集成化和微型化的基礎,它發展將使得生物醫學的測量和控制更加精確即達到分子和原子水平,從而把生物醫學帶入一個嶄新時代。

　　隨著微電子技術的不斷發展,生物醫學傳感器在集成化和微型化方面也取得了很大進展,目前最值得關注的發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以無機物為材料的生物醫學傳感器的研究,主要是基于CMOS工藝傳感器的研制和設計;2)充分汲取了有機物的優點利用有機物和無機物相結合的生物醫學傳感器。

　　比如基于神經細胞的生物傳感器、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、融合與智能化技術,這樣不僅滿足了對參數測量的要求,同時還可以使相互有影響的參數起到互補的作用,從而大大地提高了傳感器的測量精度。4)納米技術與微電子機械技術這些新的前沿的微電子技術的引入,為納米封裝技術與分子生物學技術的集成提供了技術支持,同時將生物醫學傳感器從二維發展到了基于立體三維的微電子機械系統的傳感器。

　　1.2 植入式電子系統

　　植入式電子系統是一種埋植在人體或生物體內的電子設備,它用來測量生命體內的生理、生化參數的變化,或用來診斷與治療一些疾病,即實現在生命體自然狀態下體內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展,植入式電子系統的能源供給方式的多樣化,無毒性生物相容性等性能優良的生物材料研究的深入,以及顯微外科手術水平的不斷提高,使得植入式電子系統得到飛速的發展。

　　植入式電子系統在微電子方面研究的關鍵技術主要有:

　　1)植入式天線的設計技術。主要是解決效率與天線微型化之間的矛盾;

　　2)RF 射頻電路的設計技術。

　　射頻電路是植入體內部分與體外部分通信的關鍵電路;

　　3)低功耗植入式集成電路設計技術,它一方面是要保證植入式系統在有限能源的前提下能在體內長期穩定工作,另一方面是電路產生過多熱量會對生命體本身造成危害;

　　4)植入式系統的能量供給技術。

　　由于經常把把植入體內設備拿出體外進行充電是不實際的,目前一般采用下述四種方式給體內供能:植入式電源、紅外線偶合供能、射頻供能或者是利用體內其他能量的轉換,比如溫差供電、利用血液中氫和氧進行燃料電池反應或利用生物體自身的機械能等;

　　5)微弱信號的提取技術。

　　生物信號都是微弱信號,而且往往存在著背景噪音都很強大的情況;

　　6)一些前沿的數字信號處理技術的應用。

　　比如利用人工神經網絡技術與線性預測技術來通過腦電實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應用于人工耳蝸等;7)植入式電子系統的制作與封裝技術。主要研究的是如何利用生物相容性優良的生物材料來對集成電路進行封裝,這樣既能保證植入到體內的系統不會對生命體造成危害,也能保證其能在人體環境中長期穩定地工作。

　　1.3 生物芯片

　　生物芯片是上世紀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功能分子進行組裝,構建一個微功能的單元以實現信息的獲取、存儲、處理和傳輸等功能,來研制仿生信息處理系統和生物計算機。上世紀90年代以來,其概念發生了變化。

　　生物芯片指的是集成了數目巨大的生命信息,可以進行各種生物反應,具有多種操作功能、可以對 DNA/RNA 分子、活體細胞、蛋白分子乃至人體軟組織等進行快速并行分析和處理的微器件,簡稱之為片上的縮微實驗室。

　　其材料的選擇很廣泛,可以用半導體工業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,而最具代表性的是基因芯片,聚合酶鏈擴增反應(PCR)、毛細管電泳等芯片。

　　生物芯片的技術主要是依賴于分子生物學、微加工與微電子等三方面技術的進步和發展,它是將生命科學研究中所涉及的許多分析步驟,利用微電子、微機械、化學、物理和計算機等技術,使樣品檢測、分析過程能夠連續化、集成化、微型化和自動化。

　　2、結語

　　本文對與微電子技術密切相關的生物醫學電子學的七個重要領域中的三個進行了介紹,綜述了這些領域的基本研究問題,一方面著重討論了微電子技術在這些領域中起的關鍵作用、最新的研究水平和發展方向,另一方面也討論了生物醫學的發展對微電子技術起的巨大推進作用。

　　隨著微電子技術與生物醫學的進一步發展,這兩者的相互作用將越來越大,微電子技術的發展將為生物醫學帶來巨大的變革,同樣生物醫學也將會給微電子技術的創新提供嶄新的思路。

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