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微電子技術(shù)在生物醫學(xué)中的應用論文
微電子技術(shù)與生物學(xué)之間有著(zhù)非常緊密的聯(lián)系。一方面微電子技術(shù)的發(fā)展，將大大地推動(dòng)生物醫學(xué)的發(fā)展，另一方面生物醫學(xué)的研究成果同樣也將對微電子技術(shù)的發(fā)展起著(zhù)巨大的促進(jìn)作用。在這里我將主要從生物醫學(xué)傳感器、植入式電子系統、生物芯片這三個(gè)方面結合當前國際上最新進(jìn)展來(lái)介紹兩者之間的關(guān)系與發(fā)展。
一、引言
生物醫學(xué)電子學(xué)是由微電子學(xué)、生物和醫學(xué)等多學(xué)科交叉的邊緣科學(xué)，為使得生物醫學(xué)領(lǐng)域的研究方式更加精確和科學(xué)，所以將電子學(xué)用于生物醫學(xué)領(lǐng)域。在生物醫學(xué)與電子學(xué)交叉作用部分中最活躍、最前沿、作用力最大的一項關(guān)鍵技術(shù)就是微電子技術(shù)。
特別是隨著(zhù)集成電路集成度的提高和超大規模集成電路的發(fā)展，元件尺寸達到分子級，進(jìn)入了分子電子學(xué)時(shí)代，用有機化合物低分子、高分子和生物分子作芯片，它們具有識別、采集、記憶、放大、開(kāi)關(guān)、傳導等功能，更大大促進(jìn)了醫學(xué)電子學(xué)的發(fā)展。
下面將主要從生物醫學(xué)傳感器、植入式電子系統、生物芯片這三個(gè)方面結合當前國際上最新進(jìn)展來(lái)介紹兩者之間的關(guān)系與發(fā)展。
二、生物醫學(xué)傳感器
生物醫學(xué)傳感器的作用是把生物體和人體中包含的生命現象、狀態(tài)、性質(zhì)、變量和成分等生理信息(包括物理量、化學(xué)量、生物量等)轉化為與之有確定函數關(guān)系的電信息。生物醫學(xué)傳感器是生物醫學(xué)電子學(xué)中最關(guān)鍵的技術(shù)，它是連接生物醫學(xué)和電子學(xué)的橋梁。
主要可分為如下幾類(lèi)：電阻式傳感器，電容式傳感器，電感式傳感器，壓電式傳感器，光電傳感器，熱電式傳感器，光線(xiàn)傳感器，電化學(xué)傳感器以及生物傳感器等。
它通過(guò)各種化學(xué)、物理信號轉換器捕捉目標物與敏感膜之間的反應，然后將反應程度用連續的電信號表達出來(lái)，從而得出被檢測樣品的濃度。生物醫學(xué)傳感器的微型化和集成化是其中最重要的發(fā)展方向之一，其主要原因：1)它是實(shí)現生物醫學(xué)設備微型化、集成化的基礎;2)將使得生物醫學(xué)測量和控制更加精確——達到分子和原子水平。
是生物體成分(酶、抗原、抗體、激素、DNA) 或生物體本身(細胞、細胞器、組織)，它們能特異地識別各種被測物質(zhì)并與之反應;后者主要有電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)效應晶體管( ISFET ) 、熱敏電阻器、光電管、光纖、壓電晶體(PZ) 等，其功能為將敏感元件感知的生物化學(xué)信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號。因而它具有快速大量處理信息的能力，和診斷精確的特點(diǎn)。
常見(jiàn)的生物醫學(xué)傳感器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。
醫學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用。在臨床醫學(xué)中，酶電極是最早研制且應用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器，廣泛應用于：藥物分析、腫瘤監測、血糖分析等。
三、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(lái)測量生命體內的生理、生化參數的變化，或用來(lái)診斷與治療一些疾病，即實(shí)現在生命體自然狀態(tài)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(zhù)高可靠性、低功率集成電路的發(fā)展，植入式電子系統的能源供給方式的多樣化，無(wú)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得到飛速的發(fā)展，植入式電子學(xué)已成為生物醫學(xué)電子學(xué)中一個(gè)極為重要的組成部分。
植入電子系統主要包括：植入式測量系統、植入式刺激器、植入式藥療(控制)裝置、植入式人工器官及輔助裝置等設備。采用植入式電子測量與控制裝置主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、可保證生物體在處于自然的生理狀態(tài)條件下對各種生理、生化參數進(jìn)行連續的實(shí)時(shí)測量與控制;2、采用植入式測量裝置后可大大減少各種干擾因素，因此體內的各種信息不需經(jīng)皮膚測量就可得到更加精確的數據;3、便于對器官和組織的直接調控，能獲得理想的刺激和控制響應，有利于損傷功能的恢復和病情的控制;4、可以用來(lái)治療某些疾病， 比如癲癇、癱瘓等;5、用來(lái)代替某些器官的功能，比如腎臟、四肢、耳蝸等。
植入式電子系統在微電子方面研究的關(guān)鍵技術(shù)主要有：1、植入式天線(xiàn)的設計技術(shù)。主要是解決效率與天線(xiàn)微型化之間的矛盾;2、RF射頻電路的設計技術(shù)。射頻電路是植入體內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計技術(shù)，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(cháng)期穩定工作，另一方面是電路產(chǎn)生過(guò)多熱量會(huì )對生命體本身造成危害;4、植入式系統的能量供給技術(shù)。
由于經(jīng)常把把植入體內設備拿出體外進(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供能：植入式電源、紅外線(xiàn)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(jìn)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(shù)。
生物信號都是微弱信號，而且往往存在著(zhù)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(shù)的應用。比如利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與線(xiàn)性預測技術(shù)來(lái)通過(guò)腦電實(shí)時(shí)控制多自由度的假肢的研究，以及基于小波變換的語(yǔ)音信號處理技術(shù)應用于人工耳蝸等;7、植入式電子系統的制作與封裝技術(shù)。
主要研究的是如何利用生物相容性?xún)?yōu)良的生物材料來(lái)對集成電路進(jìn)行封裝，這樣既能保證植入到體內的系統不會(huì )對生命體造成危害，也能保證其能在人體環(huán)境中長(cháng)期穩定地工作。
四、生物芯片
生物芯片是根據生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過(guò)程集成于芯片表面，從而實(shí)現對DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測。狹義的生物芯片概念是指通過(guò)不同方法將生物分子固著(zhù)于硅片、玻璃片(珠)、塑料片(珠)、凝膠、尼龍膜等固相遞質(zhì)上形成的生物分子點(diǎn)陣。因此生物芯片技術(shù)又稱(chēng)微陳列技術(shù)，含有大量生物信息的固相基質(zhì)稱(chēng)為微陣列，又稱(chēng)生物芯片。
生物芯片在此類(lèi)芯片的基礎上又發(fā)展出微流體芯，亦稱(chēng)微電子芯，也就是縮微實(shí)驗室芯片。
生物芯片的第一個(gè)應用領(lǐng)域是檢測基因表達。但是將生物分子有序地放在芯片上檢測生化標本的策略是具有廣泛的應用，對基因組DNA進(jìn)行雜交分析可以檢測DNA編碼區和非編碼區單個(gè)堿基改變、確失和插入，DNA雜交分析還可用于對DNA進(jìn)行定量，這對檢測基因拷貝數和染色體的倍性是很重要的。因此生物芯片對于基因工程的發(fā)展具有重大意義。
五、結束語(yǔ)
現代和未來(lái)的信息社會(huì )中，信息處理系統要對自然和社會(huì )的各種變化做出反應，首先需要通過(guò)傳感器將外界的各種信息提取出來(lái)并轉換成信息系統中的信息處理單元(即計算機)能夠接收和處理的信號。微電子技術(shù)在這些領(lǐng)域中起的關(guān)鍵作用，生物醫學(xué)的發(fā)展對微電子技術(shù)也起了巨大促進(jìn)作用，這兩者相互促進(jìn)，，微電子技術(shù)的發(fā)展將為生物醫學(xué)帶來(lái)巨大的變革，同樣生物醫學(xué)也將會(huì )給微電子技術(shù)的創(chuàng )新提供嶄新的思路。
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