微電子技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用論文范文

微電子技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用論文范文微電子技術(shù)與生物學(xué)之間有著非常緊密的聯(lián)系。一方面微電子技術(shù)的開(kāi)展，將大大地推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)的開(kāi)展，另一方面生物醫(yī)學(xué)的研究成果同樣也將對(duì)微電子技術(shù)的開(kāi)展起著巨大的促進(jìn)作用。在這里我將主要從生物醫(yī)學(xué)傳感器、植入式電子系統(tǒng)、生物芯片這三個(gè)方面結(jié)合當(dāng)前國(guó)際上最新進(jìn)展來(lái)介紹兩者之間的關(guān)系與開(kāi)展。

一、引言

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)是由微電子學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉的邊緣科學(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。在生物醫(yī)學(xué)與電子學(xué)交叉作用局部中最活潑、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)。

特別是隨著集成電路集成度的提高和超大規(guī)模集成電路的開(kāi)展，元件尺寸到達(dá)分子級(jí)，進(jìn)入了分子電子學(xué)時(shí)代，用有機(jī)化合物低分子、高分子和生物分子作芯片，它們具有辨認(rèn)、采集、記憶、放大、開(kāi)關(guān)、傳導(dǎo)等功能，更大大促進(jìn)了醫(yī)學(xué)電子學(xué)的開(kāi)展。

下面將主要從生物醫(yī)學(xué)傳感器、植入式電子系統(tǒng)、生物芯片這三個(gè)方面結(jié)合當(dāng)前國(guó)際上最新進(jìn)展來(lái)介紹兩者之間的關(guān)系與開(kāi)展。

二、生物醫(yī)學(xué)傳感器

生物醫(yī)學(xué)傳感器的作用是把生物體和人體中包含的生命現(xiàn)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(zhuǎn)化為與之有確定函數(shù)關(guān)系的電信息。生物醫(yī)學(xué)傳感器是生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)中最關(guān)鍵的技術(shù)，它是連接生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)的橋梁。

主要可分為如下幾類：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(hào)轉(zhuǎn)換器捕捉目標(biāo)物與敏感膜之間的反饋，然后將反饋程度用連續(xù)的電信號(hào)敘述出來(lái)，從而得出被檢測(cè)樣品的濃度。生物醫(yī)學(xué)傳感器的微型化和集成化是其中最重要的開(kāi)展方向之一，其主要原因：1)它是實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備微型化、集成化的根底;2)將使得生物醫(yī)學(xué)測(cè)量和控制更加精確——到達(dá)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(xì)胞、細(xì)胞器、組織)，它們能特異地辨認(rèn)各種被測(cè)物質(zhì)并與之反饋;后者主要有電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)效應(yīng)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)。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(yī)學(xué)傳感器主要可分為下列幾種：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(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。在臨床醫(yī)學(xué)中，酶電極是最早研制且應(yīng)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(yīng)用于：藥物分析、腫瘤監(jiān)測(cè)、血糖分析等。

三、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(lái)測(cè)量生命體內(nèi)的生理、生化參數(shù)的變化，或用來(lái)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(cè)量和控制功能或者代替功能殘缺的器官。

隨著高可靠性、低功率集成電路的開(kāi)展，植入式電子系統(tǒng)的能源供應(yīng)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(tǒng)得到飛速的開(kāi)展，植入式電子學(xué)已成為生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)中一個(gè)極為重要的組成局部。

植入電子系統(tǒng)主要包括：植入式測(cè)量系統(tǒng)、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(shè)備。采用植入式電子測(cè)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(duì)各種生理、生化參數(shù)進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)測(cè)量與控制;2、采用植入式測(cè)量裝置后可大大減少各種干擾因素，因此體內(nèi)的各種信息不需經(jīng)皮膚測(cè)量就可得到更加精確的數(shù)據(jù);3、便于對(duì)器官和組織的直接調(diào)控，能獲得理想的刺激和控制響應(yīng)，有利于損傷功能的恢復(fù)和病情的控制;4、可以用來(lái)治療某些疾病，比方癲癇、癱瘓等;5、用來(lái)代替某些器官的功能，比方腎臟、四肢、耳蝸等。

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(jì)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(jì)技術(shù)。射頻電路是植入體內(nèi)局部與體外局部通信的關(guān)鍵電路;3、低功耗植入式集成電路設(shè)計(jì)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(zhǎng)期穩(wěn)定工作，另一方面是電路產(chǎn)生過(guò)多熱量會(huì)對(duì)生命體本身造成危害;4、植入式系統(tǒng)的能量供應(yīng)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，比方溫差供電，利用血液中氫和氧進(jìn)行燃料電池反饋或利用生物體自身的機(jī)械能等;5、微弱信號(hào)的'提取技術(shù)。

生物信號(hào)都是微弱信號(hào)，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(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用。比方利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與線性預(yù)測(cè)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(hào)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(lái)對(duì)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(huì)對(duì)生命體造成危害，也能保證其能在人體環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

四、生物芯片

生物芯片是根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過(guò)程集成于芯片外表，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測(cè)。狹義的生物芯片概念是指通過(guò)不同辦法將生物分子固著于硅片、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)又稱微陳列技術(shù)，含有大量生物信息的固相基質(zhì)稱為微陣列，又稱生物芯片。

生物芯片在此類芯片的根底上又開(kāi)展出微流體芯，亦稱微電子芯，也就是縮微實(shí)驗(yàn)室芯片。

生物芯片的第一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是檢測(cè)基因敘述。但是將生物分子有序地放在芯片上檢測(cè)生化標(biāo)本的策略是具有廣泛的應(yīng)用，對(duì)基因組DNA進(jìn)行雜交分析可以檢測(cè)DNA編碼區(qū)和非編碼區(qū)單個(gè)堿基改變、確失和插入，DNA雜交分析還可用于對(duì)DNA進(jìn)行定量，這對(duì)檢測(cè)基因拷貝數(shù)和染色體的倍性是很重要的。因此生物芯片對(duì)于基因項(xiàng)目的開(kāi)展具有重大意義。

五、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代和未來(lái)的信息社會(huì)中，信息處理系統(tǒng)要對(duì)自然和社會(huì)的各種變化做出反饋，首先需要通過(guò)傳感器將外界的各種信息提取