微电子技术与生物医学之间有着非常紧密的联系。随着微电子技术的发展,生物医学也在快速的发展,另一方面生物医学的发展也对微电子技术的发展起着巨大的推动作用。本文将从生物医学电子学的三个重要发展领域以及仿生系统等的基本概念出发,结合当今最新进展介绍生物医学和微电子技术之间的相互作用与发展。
生物医学电子学是由电子学、生物和医学等多学科交叉的一门边缘科学,为使得生物医学领域的研究方式更加精确和科学,所以将电子学用于生物医学领域。生物体本身就是一个精细的复杂系统,它形成的生物信息处理的优异特性将会给电子学以重要的启示,使电子信息科学以其为一个发展研究方向。在生物医学与电子学交叉作用部分中最活跃、最前沿、作用力最大的一项关键技术就是微电子技术。
它主要表现在:1)实现生物医学电子设备的集成化和微型化是生物医学电子学的一个主要发展方向,体现在神经电极、生物医学传感器、监护技术、植入式电子系统、生物芯片等方面。微电子技术的发展实现其微型化;2)按照目前微电子器件微型化趋势,医学器件尺寸很快就会达到分子和原子的水平,为人们更加精确地研究生物体提供了条件;3)借鉴生物医学的最新成果,在很大程度上能促进微电子技术的发展。
1、以下将主要从生物医学传感器、植入式电子系统、生物芯片这三个方面结合当前国际上最新进展来介绍两者之间的关系与发展
1.1 生物医学传感器
生物医学传感器的作用是把人体中和生物体包含的生命现象、性质、状态、成分和变量等生理信息转化为与之有确定函数关系的电子信息。生物医学传感器是连接生物医学和电子学的桥梁,所以说它是生物医学电子学中一项最关键的技术。主要可分为以下几种:电阻式传感器,电感式传感器,电容式传感器,压电式传感器,热电式传感器,光电传感器以及生物传感器等。
其中最重要的发展方向之一就是生物医学传感器的集成化和微型化,因为它是实现生物医学设备集成化和微型化的基础,它发展将使得生物医学的测量和控制更加精确即达到分子和原子水平,从而把生物医学带入一个崭新时代。
随着微电子技术的不断发展,生物医学传感器在集成化和微型化方面也取得了很大进展,目前最值得关注的发展方向可概括为以下几个方面:充分利用已有的微电子和微加工技术以无机物为材料的生物医学传感器的研究,主要是基于CMOS工艺传感器的研制和设计;2)充分汲取了有机物的优点利用有机物和无机物相结合的生物医学传感器。
比如基于神经细胞的生物传感器、酶传感器、免疫传感器 以及微生物传感器等。3)多传感器的集成技术、融合与智能化技术,这样不仅满足了对参数测量的要求,同时还可以使相互有影响的参数起到互补的作用,从而大大地提高了传感器的测量精度。4)纳米技术与微电子机械技术这些新的前沿的微电子技术的引入,为纳米封装技术与分子生物学技术的集成提供了技术支持,同时将生物医学传感器从二维发展到了基于立体三维的微电子机械系统的传感器。
1.2 植入式电子系统
植入式电子系统是一种埋植在人体或生物体内的电子设备,它用来测量生命体内的生理、生化参数的变化,或用来诊断与治疗一些疾病,即实现在生命体自然状态下体内直接测量和控制功能或者代替功能残缺的器官。随着高可靠性、低功率集成电路的发展,植入式电子系统的能源供给方式的多样化,无毒性生物相容性等性能优良的生物材料研究的深入,以及显微外科手术水平的不断提高,使得植入式电子系统得到飞速的发展。
植入式电子系统在微电子方面研究的关键技术主要有:1)植入式天线的设计技术。主要是解决效率与天线微型化之间的矛盾;2)RF 射频电路的设计技术。
射频电路是植入体内部分与体外部分通信的关键电路;3)低功耗植入式集成电路设计技术,它一方面是要保证植入式系统在有限能源的前提下能在体内长期稳定工作,另一方面是电路产生过多热量会对生命体本身造成危害;4)植入式系统的能量供给技术。
由于经常把把植入体内设备拿出体外进行充电是不实际的,目前一般采用下述四种方式给体内供能:植入式电源、红外线偶合供能、射频供能或者是利用体内其他能量的转换,比如温差供电、利用血液中氢和氧进行燃料电池反应或利用生物体自身的机械能等;5)微弱信号的提取技术。
生物信号都是微弱信号,而且往往存在着背景噪音都很强大的情况;6)一些前沿的数字信号处理技术的应用。
比如利用人工神经网络技术与线性预测技术来通过脑电实时控制多自由度的假肢的研究,以及基于小波变换的语音信号处理技术应用于人工耳蜗等;7)植入式电子系统的制作与封装技术。主要研究的是如何利用生物相容性优良的生物材料来对集成电路进行封装,这样既能保证植入到体内的系统不会对生命体造成危害,也能保证其能在人体环境中长期稳定地工作。
1.3 生物芯片
生物芯片是上世纪80年代提出的,最初指的是分子电子器件。试图把生物活性分子或有机功能分子进行组装,构建一个微功能的单元以实现信息的获取、存储、处理和传输等功能,来研制仿生信息处理系统和生物计算机。上世纪90年代以来,其概念发生了变化。
生物芯片指的是集成了数目巨大的生命信息,可以进行各种生物反应,具有多种操作功能、可以对 DNA/RNA 分子、活体细胞、蛋白分子乃至人体软组织等进行快速并行分析和处理的微器件,简称之为片上的缩微实验室。
其材料的选择很广泛,可以用半导体工业中常用的硅还可以用如玻璃、陶瓷或塑料等其他材料。目前已有多种生物芯片出现,而最具代表性的是基因芯片,聚合酶链扩增反应(PCR)、毛细管电泳等芯片。
生物芯片的技术主要是依赖于分子生物学、微加工与微电子等三方面技术的进步和发展,它是将生命科学研究中所涉及的许多分析步骤,利用微电子、微机械、化学、物理和计算机等技术,使样品检测、分析过程能够连续化、集成化、微型化和自动化。
2、结语
本文对与微电子技术密切相关的生物医学电子学的七个重要领域中的三个进行了介绍,综述了这些领域的基本研究问题,一方面着重讨论了微电子技术在这些领域中起的关键作用、最新的研究水平和发展方向,另一方面也讨论了生物医学的发展对微电子技术起的巨大推进作用。
随着微电子技术与生物医学的进一步发展,这两者的相互作用将越来越大,微电子技术的发展将为生物医学带来巨大的变革,同样生物医学也将会给微电子技术的创新提供崭新的思路。
作者：刘英明 来源：数字技术与应用 2011年3期
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