微电子技术在生物医学中的应用与发展

分类：论文范文 发表时间：2021-04-23 08:47

　　摘要：微电子技术与生物医学之间有着非常紧密的联系。一方面微电子技术的发展，将大大地推动生物医学的发展，另一方面生物医学的研究成果同样也将对微电子技术的发展起着巨大的促进作用。本文将从生物医学电子学的几个重要发展领域：生物医学传感器、神经电极、植入式电子系统、监护技术、生物芯片、分子和生物分子电子学以及仿生系统等的基本概念出发，结合国际上最新进展介绍微电子技术和生物医学的相互作用与发展，并总结国际上的最新技术和研究动向。

　　关键词：微电子技术；生物医学；生物医学电子学；生物医学传感器；神经电极；植入式电子系统；监护技术；生物芯片；分子和生物分子电子学；仿生系统

　　1引言

　　生物医学电子学是一门由生物、医学、电子学和工程学等多学科交叉的边缘科学，它一方面将电子学用于生物医学领域，使这些领域的研究方式更加精确和科学，另一方面由于通过漫长的进化，生物体本身实际上就是一个十分优良和精细的复杂系统，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，使电子信息科学发生革命性的变化[1]。在电子学与生物医学交叉作用部分中最前沿、最活跃、作用力最大的一项关键技术则是微电子技术。它主要表现在：1）生物医学电子学的一个主要发展方向是实现生物医学电子设备的微型化和集成化，体现在生物医学传感器、神经电极、植入式电子系统、监护技术、生物芯片等方面。显然，微型化的实现主要依赖于微电子技术的发展；2）按照目前微电子器件微型化趋势，器件尺寸将很快达到原子和分子的水平[2]（图1），这将使得人们能够更精确地研究生物体；3）借鉴生物医学的最新成果，能大大地促进微电子技术的发展[55][56][57]。

　　2生物医学传感器

　　生物医学传感器的作用是把生物体和人体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等生理信息（包括物理量、化学量、生物量等）转化为与之有确定函数关系的电信息。生物医学传感器是生物医学电子学中最关键的技术，它是连接生物医学和电子学的桥梁。主要可分为如下几类：电阻式传感器，电容式传感器，电感式传感器，压电式传感器，光电传感器，热电式传感器，光线传感器，电化学传感器以及生物传感器等。

　　3神经电极

　　神经系统是人体的重要调节机构，它与内分泌系统、感觉器官一起，完成对人体各系统、器官机能的调节和控制，使人体成为完整的统一体并保持内外环境的平衡，即人的适应、协调和思维等重要功能。由于神经系统在人体中的关键作用，以及神经系统本身传递的是电信号（可以说它是人体与电子系统的一个重要且直接的界面），作为电子系统与神经系统的耦合部分—神经电极的设计显得格外重要。按工作性质神经电极可分为检测电极与刺激电极两种。检测电极主要完成在所关心的神经处检测微弱生物电信号来获得神经系统中传递的控制信号[29][36]；刺激电极则通过对神经施加电流或电压来达到治疗疾病[36]或恢复某些受损器官功能的目的[17][22]。这些电极一般主要用于植入式电子系统。

　　4植入式电子系统

　　植入式电子系统是一种埋置在生物体或人体内的电子设备，主要用来测量生命体内的生理、生化参数的长期变化，或用来诊断与治疗某些疾病，即实现在生命体无拘束自然状态下体内直接测量和控制功能，也可用来代替功能业已缺损的器官。其重要作用已经使“植入式电子学”成为生物医学电子学中一个极为重要的组成部分。随着低功率、高可靠性集成电路的发展，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。该系统主要包括：各类植入式测量系统、植入式刺激器、植入式药疗（控制）装置、植入式人工器官及辅助装置等。

　　结束语

　　本文对与微电子技术密切相关的生物医学电子学的七个非常重要的领域进行了介绍，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促进作用。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。

　　参考文献：

　　[1]MarchalP.Livingelectronicartifacts[A].1stAnnualIntern.Conf.onMicrotechnologiesinMedicineandBiology[C].2000,271–277.

　　[2]JoachimC*,GimzewskiJK,AviramA.Electronicsusinghybrid-molecularandmono-moleculardevices[J].Nature,2000,408:541-548.

　　[3]PalanB,RoubikK,HusakM,CourtoisB.CMOSISFET-basedstructuresforbiomedicalapplications[A].1stAnnualInternationalConferenceonMicrotechnologiesinMedicineandBiology[C].2000,502-506.

　　谢翔，张春，王志华

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