生物医学工程概论

浅谈MEMS 生物传感器在生物医学信号处理中的应用 经过八周的概论课学习和老师们耐心地，我对于生物医学工程有了更新更全面的认识。生物医学工程(Biomedical Engineering, BME)是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的新兴边缘学科，其主要研究方向是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题。因为这个专业中存在多学科的交叉，使它不同于那些经典的学科，也有别于生物、医学和纯粹的工程学科。现在的生物医学工程在疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面起着巨大作用，世界各个主要国家均将它列入高技术领域，重点投资优先发展。

下面，我将以MEMS 传感器和生物医学信号处理为中心简要谈一下我自己的认识。随着人类社会全面向信息化迈进，信息系统的微型化、多功能化和智能化是人们不断追求的目标，也是电子整机部门的迫切需求。因此MEMS 传感器应运而生，生物医学信号处理也得到了大量的发展。MEMS 传感器是指利用微电子机械系统(MEMS)技术，在微米到纳米的尺度上制造固态传感器，并与信息处理电路集成在一块芯片上 ，为微传感器实现小型化、便携式 、低成本、高灵敏度提供了有力技术支持的一类器械。而生物医学信号处理，根据生物医学信号的特点，对所采集到的生物医学信号进行分析、解释、分类、显示、存储、和传输。 MEMS传感器在生物学医学的几点应用：1. 基于MEMS 技术的消化内镜技术。常规消化内镜用于消化系统检查时，由于内窥镜的植入过程采用人为植入，这样有可能对人体内部软组织造成擦伤和拉伤，并且由于内窥镜的左右摆动和扭曲等大幅度体内动作使病人蒙受很大痛苦。而MEMS 技术将内镜制成药丸状，通过吞咽进入肠道，可以对食道、胃、小肠和大肠进行特定和非特定位置图像拍摄和分析，从而可以对整个消化道系统进行检测，不仅减轻痛苦，还克服了传统推进式内窥镜只能检测胃部以上部位的缺陷。2. 人工耳蜗：电子耳蜗可以代替受损耳蜗进行工作，其主要由体内和体外两部分组成 ，体外部分包括微型话筒、言语处理器和信号发送器，体内部分包括接收器、刺激器和电极 。现代电子耳蜗采用复杂电子学处理声学信息 ，产生可翻译的编码电信号以及多导电极系统 ，包括微驱动装置 、微型麦克装置及微型刺激器等。微驱动装置用于传输驱动器和内耳流质产生的颤动波，微型克风中的磁体将产生磁波影响耳蜗周围区域，穿过内耳产生声音，较好的弥补了人体功能。3. 植入式神经电极阵列在脑机接口中的应用：通过记录人体或动物大脑在进行一系列动作的同时产生的电信号，经过长期的记录和观察后，在大脑中埋入电极，接受相应信号，并将此类信号与与其执行一致动作的器械相连，就可以实现用意念控制器械进行相应动作，这一技术有望实现残疾人肢体功能的恢复。目前MEMS 传感器正在逐步研究应用于植入式电子助听器、基于CMOS 集成电路设计的植入式神经微刺激和采集遥控芯片的研制等方面。

而生物医学信号处理作为一种有效研究方式广泛地应用于心脑电仿真、医学成像等领域。研究对象生物医学信号有以下几种定义：（1）对某种生物活动在空间、时间或时空上的记录。（2）生物活动中发生的电、化学和机械等活动产生可以被测量和分析的信号。（3）生物信号包含了可以用于解释某种特定生物活动或系统潜在的生理机制的信息。典型的生物医学信号包括：心电信号、脑电信号、胃电信号和肌电信号。而信号检测过程是生物医学信号通过传感器转换成电信号，经放大器及预处理器进行信号放大和预处理，然后经A/D转换器进行采样，将模拟信号转变为数字信号，输入计算机，然后通过各种数字信号处理算法进行

信号分析处理，得到有意义的结果。（过程如下图）

生物医学信号检测是对生物体中包含生命现象、状态、性质、变量和成份等信息的信号进行检测和量化的技术，其研究目的一是对生物体系结构与功能的研究，二是协助对疾病进行诊断和治疗。生物医学信号检测技术是生物医学工程学科研究中的一个先导技术，由于研究者所站的立场、目的以及采用的检测方法不同，使生物医学信号的检测技术的分类呈现多样化，又可分为：1）无创检测、微创检测、有创检测；2）在体检测、离体检测；3）直接检测、间接检测；4） 非接触检测、体表检测、体内检测；5）生物电检测、生物非电量检测；6）形态检测、功能检测；7）处于拘束状态下的生物体检测、处于自然状态下的生物体检测；8）透射法检测、反射法检测；9）一维信号检测、多维信号检测；10）遥感法检测、多维信号检测；11）一次量检测、二次量分析检测；12）分子级检测、细胞级检测、系统级检测。

MEMS 使传感器实现了微型化、可集成化、智能化，而在生物医学信号处理的过程中也是要用到电极传感器的，我认为我们可以把这两者结合起来，在生物医学信号处理中加以应用。首先是心电信号，目前心电仿真已经成为心电信号研究的趋势。心电逆问题要求我们根据体表电位分布，应用电磁场理论及物理数学方法建立模型从而计算心电源的状态。因此在获取体表电位时应用MEMS 生物传感器可以使获取数据更加精准从而完善模型的建立，使建立的模型更加精准。而在模型仿真的过程中，采用MEMS 生物传感器提高精度，可以使模型具有更强的仿真效果。其次脑电信号，与心电仿真原理相类似，也可以应用于建立模型。此外，通过记录人体或动物大脑在进行一系列动作的同时产生的电信号，经过长期的记录和观察后，在大脑中埋入电极，用MEMS 传感器接受相应信号，并将此类信号与其执行一致动作的器械相连，就可以实现用意念控制器械进行相应动作，这一技术有望实现残疾人肢体功能的恢复。然后胃部信号，可以采用基于MEMS 技术的消化内镜技术。常规消化内镜用于消化系统检查时，由于内窥镜的植入过程采用人为植入，这样有可能对人体内部软组织造成擦伤和拉伤，并且由于内窥镜的左右摆动和扭曲等大幅度体内动作使病人蒙受很大痛苦。而MEMS 技术将内镜制成药丸状，通过吞咽进入肠道，可以对食道、胃、小肠和大肠进行特定和非特定位置图像拍摄和分析，从而可以对整个消化道系统进行检测，不仅减轻痛苦，还克服了传统推进式内窥镜只能检测胃部以上部位的缺陷，提高了胃部信号检测的精度。还有肌电信号，通过MEMS 生物传感器可以更加精密地采集人体肌肉的性能的数据，可以根据肌电信号的变化和其他数据信号研究人体机能和建立模型。

此外，MEMS 传感器通过集成电路设计可以形成生物芯片。其本质是进行生物信号的平衡分析，采用MEMS 技术在厘米见方的芯片上集成成千上万与生命相关的信息分子, 这些信息分子可以对各种生物化学反应过程产生不同的敏感反应，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。生物芯片主要分为两大类：阵列芯片(Chip array) 和芯片实验室(Lab-on-a-chip)，阵列型芯片包括基因芯片、蛋白芯片、组织芯片、细胞芯片等。基因芯片是生物芯片技术中发展最成熟和最先实现商品化的产品，它是基于核酸探针互补杂交技术原理而研制的。芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目

标，它将样品制备、生化反应以及检测分析的整个过程集成化，形成微型分析系统。采用由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、传感器和探测器等组成的这一分析系统进行由反应物到产物的化学过程的分析；并进行化学信息与电、光信号的转换芯片分析系统集样品的注入、移动、混合、反应、分离、检测于一体，具有分析速度快、样品用量少、集成度高、自动化、便于携带等优点。在不久的将来, 只要取一滴血放到生物芯片上，便可以由计算机迅速自动诊断出各种可能患上的疾病。而MEMS 生物传感器还广泛应用与细胞操作、介入治疗、基因分析与遗传诊断等和生物医学信号处理等息息相关的领域。可见MEMS 生物传感器的对于生物信号的采集和处理有着十分重要的意义。

虽然我认为MEMS 生物传感器在生物医学信号处理的应用有着广阔的前景和重要的意义。但是以下的一些问题还要引起我们的重点关注：作为一种医疗器械，如何减小身体对MEMS 传感器所构成的设备的排异反应？在采集信号时如何减小误差？在检测脑电信号时如何减少它对大脑中复杂、密集的神经元的影响？植入式神经电极阵列在脑机接口中应用时，如何使它与大脑的活动同步？还有，如何减少无效信号对有效信号的影响？

虽然生物医学工程的研究充满了挑战，但相信生物医学工程领域的工作者们在不懈的努力中终将解决上述问题，将更多地技术与先进设备应用于科学研究与临床医疗，为广大患者带来福音、为生物医学工程的发展贡献力量。