微电子学对生物医学的贡献的简要探讨

微电子学对生物医学的贡献的简要探讨孙朝清（北京大学医学部基础医学院2010级本科）摘要：随着现代科学技术的不断快速发展,生物医学也已经取得了惊人的成就,为人类的疾病的预防、诊断和治疗提供了有力帮助，而生物医学的发展是以微电子学为基石的,微电子学对生物医学的发展做出了巨大的贡献。本文主要从医疗电子仪器、疾病治疗、药物研制三个方面简要探讨微电子学对生物医学的贡献。关键词：微电子学，生物医学，医疗电子仪器，疾病治疗，药物研制AbriefdiscussionofthecontributionsofmicroelectronicsmadetobiomedicineAbstract:Withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,biologicalmedicinehasmaderemarkableachievement,offeringgreathelptohumanindiseaseprevention,diagnosisandtreatment,whichisprimarilybasedonmicroelectronics.Thisarticlebrieflydiscussesthecontributionsthatmicroelectronicshasmadetobiologicalmedicineinmedicalelectronicinstrument,diseasetreatmentanddrugdevelopment.Keywords:microelectronics,biomedicine,medicalelectronicinstrument,diseasetreatment,drugdevelopment.引言：微电子学作为电子学的一门分支，它是计算机技术、数字信号处理分析技术等 现代信息科学的基石，强有力地推动了信息技术的快速发展。它的综合性、渗透性很强，和其他学科结合而诞生了一系列新的交叉学科[1]。在生物医学发展的历程上，微电子学为医疗电子仪器的发展、疾病治疗手段的实现提供了知识技术支持，为药物的研制提供了思路和技术指导。在未来的信息时代，微电子学对生物医学的贡献将会更大，很多现阶段无法攻克的人类顽疾如癌症、艾滋病、心脑血管疾病等可能有望在以微电子学为主的其他科学技术的帮助下得以治疗。一、医疗电子仪器从1947年贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管以来，微电子学就开始迅速发展起来，随着IC（集成电路）的产生，人类也开始步入继青铜器时代、铁器时代后的“硅器时代”。而大规模的集成电路使得各种电子设备的出现成为必然，集成电路制造工艺的改进以及EDA系统促进集成电路设计自动化促进了集成电路大规模化、微型化和功能强大化，从而促进了集成电路在电子仪器设备中的大量应用。当前主流的CMOS集成电路已经非常广泛地应用在各种电子设备中,微机电系统也已经应用在航空航天、生物医学、信息通信等领域。在医疗电子仪器中，集成电路可以称为是仪器的细胞，也是仪器的控制中枢系统，对医疗电子仪器的开发和应用起到了很大作用。从古代医学上的四诊望、闻、问、切到现代的先进仪器如CT仪、核磁共振成像仪、超声检验等，医疗诊断工具有了极大地提高和改进，这些高科技的精密医疗电子仪器不仅提高了诊断的精确性,而且 对生物体内深层次信息的提取和处理能提供更丰富、更准确、更关键的诊断信息[2]；另外还有当今常用的放射性治疗、透析、医用激光器、心脏除颤起搏器等先进治疗仪器设备在疾病的治疗中能够有效地帮助医生判断病理和病区，从而可以提高了治疗的效果；而消毒灭菌设备、制冷设备、中心吸引及供氧系统等辅助仪器设备在医疗诊断和治疗中起到重要的保障作用，减小了诊断和治疗的风险，为患者康复增添了保证。现在诊断、监护和预防分析是医疗电子的重要发展方向，监护系统由一系列的电子设备如生物医学传感器（它的作用是把生物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关系的电信息）组成，通过获取患者的各种生理参数如心电图、心率、血压、体温、各种器官功能等，为医生及时提供患者生理参数的变化，以使医生正确掌握病情进行正确诊断制定医疗方案[3]。另外检测亚健康的、适合家庭条件或个人的医疗电子仪器如体温、血压、血糖等的测量仪器也正在微电子学的推动下蓬勃发展。[4]。可见，以微电子学为基础的计算机技术、图像扫描处理等技术是这些高端仪器的有力支撑。二、疾病治疗在现代疾病治疗中，计算机发挥着不可或缺的作用。通过计算机技术和网络可以把病人的病理信息集成化，形成个人信息数据库，医生可以用来交流和研讨疾病治疗方案 ，使治疗方案更加科学、准确和人文化。计算机还可用于生物信息系统的建模和仿真模拟手术，虚拟手术，使用计算机图形学与虚拟现实来模拟指导或实施医学手术所涉及的各种活动，优点提高疾病治疗的效果，降低手术费用，建造定制的修复拟合模型。如钟世镇院士创造的数字人，通过对人体的高密度切片、切片图像扫描、和图像三维重建合成完全数字化的三维人体模型，通过计算机屏幕可以对数字人进行任意方向的剖切、对任何器官和系统独立地进行放大和观察，更加的完善了人体机体信息和更加真实地模拟了人体手术，大大提高了手术的成功率。另外西门子Artiszeego介入手术中的机器人的诞生以及血管造影系统的成功构成[5]和正在研究的远程干预都将会给疾病的治疗带来革命，但这一切先进的疾病治疗手段的技术基础还是微电子学。三、药物研制在药物研制过程中提取原料是至关重要的。在以往人们主要是靠经验或亲身尝试来判断药物的疗效，但这无疑是很不准确并且带有很大危险性的。随着微电子学技术的发展，药物提取的精度和安全性也有了飞跃式的发展。通过各种微电子仪器可以先测定所要提取物质的含量，调控其中有效成分的提取量，并结合具体所需药物要求进行筛选提取，从而使得原料的提取更加精确并能够保证其具有很高的生物活性。 生物芯片是一种芯片技术，它借助于微加工和微电子技术将大量已知序列的核酸或蛋白质片段有序地组合在一个微小基因片表面，通过与标记的核酸或蛋白质进行反应，分析待测标本的相映成分。它可以应用到药物筛选中。如利用基因芯片分析用药前后机体的不同组织、器官基因表达的差异，再用cDNA表达文库得到的肽库制作肽芯片则可以从众多的药物形成分中筛选到起作用的部分物质。同时利用先进的微电子技术可以寻找和发现新药。利用大型的生化电子仪器和基因敲除或转基因技术建立基因缺乏或基因转入的动物或细胞系作为药物研究的病理模型，这对药物的研制产生很大作用,人类基因组的序列测定使人们对疾病的分子机制认识不断深化,针对新的靶基因、信号传导途径、基因表达调控机制[6]，研究针对性药物如单克隆抗体制成生物导弹与生物体内特定目标细胞或组织结合，并由所携带药物产生治疗作用，优点是特异性强灵敏度高。微型材料碳纳米管的穿透细胞能力强，并且生物相容性好，其空腔管体可以容纳生物特异性分子及药物，可以包埋药物然后进入细胞，实现药物的控释或缓释，降低药物的毒副作用，提高疗效，它还可作为疫苗的载体，运送疫苗到达靶细胞，使疫苗的作用得到充分发挥。[7]在药物研制过程中所使用的各种技术手段中，微电子技术是最先进的技术手段之一。在现在对抗各种疾病特别是癌症、艾滋病、心脑心管疾病等人类健康的最大杀手中，药物无疑是重要的一个环节，而微电子学却是药物研制强有力的助手，它和其他科学技术的联合将使得人类成功的攻克顽疾成为可能。 小结：本文从医疗电子设备、疾病治疗、药物研制三个方面对微电子学在生物医学上的巨大贡献进行了简要论述，但正如微电子学和其他学科的相互渗透一样，三个方面的内容也有相互交叉、相辅相成的部分。在当今的信息时代微电子学对生物医学的发展起到了很重要的推动作用，并且将来也会一直不断地推动生物医学向前发展，为人类的健康做出不可磨灭的贡献参考文献：[1]张兴、黄如、刘晓彦编著。《微电子学概论》（第三版）北京：北京大学出版社，2010年2月。[2]甘强著。东南大学，《生物医学电子学与21世纪高科技》。[3]谢翔，张春，王志华，清华大学。《微电子学技术在生物医学中的应用与发展》。电路与系统学报第8卷第2期2003年4月[4]俞梦孙，杨福生。《21世纪医学电子仪器》。首届全国医疗器械学术与产业论坛[5]《中国医疗器械信息》2008期第14卷第3期Vol.14No.3。[6]苗青,张吉安，沈鹤起，王进安，李柏强《生物技术在药物研制中的应用及我国生物医药发展对策》。中国药事2003年第17卷第7期。[7]于金刚，黄可龙，杨巧勤，刘素琴，唐金春。《碳纳米管作为药物载体的研究进展》药学学报2008,43（10）：985-991