未来可挽救生命或改善生命质量的新技术

2008-07-13 10:03:46来源: 电子系统设计 关键字:DNA芯片输出  处理  信息  传感器

 

  毫无疑问,科学注定将改善并丰富人类的生命体验。微机电系统(MEMS)、微流体技术、纳米技术、实验室级芯片(lab-on-a-chip)器件、数字信号处理器(DSP)、可植入基因芯片和机器人等所有这些技术都将被整合在一起以捍卫我们的健康。它促成了一个技术新纪元的到来,其中,电子工程师、化学家和化学工程师、生物学家和生物工程师、医生、伦理学家、物理学家和机械工程师携手并肩,共襄改善生命质量这一壮举。

  整合了活体细胞、聚合体和芯片的生物复合器官是其中特别热的一个领域。这些器官的构造体取自无机材料,而活体细胞取自尸体、动物或人体组织,这些活体细胞能最好地完成诸如生化功能及血液过滤等复杂工作。这些装置能减缓疾病症状、延长生命。最终目标是将这些器件植入体内以发挥最大效用。完整的器官移植将是下一步工作。

  密苏里大学哥伦比亚分校的研究人员最近示范了一项研究进展?D?D有一天,该技术将使喷墨打印人体器官成为现实。打印器官以器官受赠者的细胞为蓝本以确保与器官捐赠者的生物一致性,通过将打印层和构造层交替层叠的方式构造出打印器官。

  肾辅助设备(RAD)就是这样一种生物复合器官,已证明该设备具有改善传统肾透析设备的作用(图1)。研究人员还开发了一种肝生物复合器官(图2)。德雷珀实验室(即脱胎于原MIT仪器实验室的Charles Stark Draper Laboratories)的科学家正在进行一种微流体器件的研究,该器件1mm厚、25cm2大小,研究的最终目的是在一个芯片上生成一个完整肝。另外,麻省理工学院(MIT)的研究人员正与J.P. Sercel Associates公司一道进行细胞保有绞刑架的研究,该绞刑架由激光加工的聚合体构成(由聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺合成)。这些绞刑架有极细的通道和孔隙,研究人员利用它们也许有一天能在一个芯片上制成一个肝脏。

  在匹兹堡大学的McGowan再生医学院,正在开发一个生物合成肺以模拟人体正常肺的呼吸功能。该MEMS装置交织着含有空气或血液的微通道。这些微通道由细隔膜分开,细隔膜模拟正常肺的肺泡壁功能。

  当然,作为最重要器官的心脏也不会被遗忘。例如,有些生物合成器官能起着绷带的功能,它们能修复不健康人体心脏病变的部分。在MIT,研究人员计划开始用于心脏组织构造的动物实验,他们将其称为“收缩修补”,以替代受损的心脏组织。对完全可植入心脏的开发研究仍在继续。

  眼和耳也将从中受益

  人造眼和人造耳是最成功合成人体器官技术成就中的两项;人造眼为视力残障者和盲人带来光明,人造耳为听力受损者和聋人送去福音。实际上,已经进行了仿生眼和视网膜及耳蜗植入应用。

  其中,一个雄心勃勃的项目有南加州大学的Doheny视网膜学院、Keck医学院、Second Sight公司、德州仪器和美国国家实验室的参与。这些组织正在试图制造一个人造视网膜,该项目显示出巨大前景。该研究隶属美国能源部的人造视网膜计划,由美国能源部资助。在一个5mm2的视网膜平台上,装入一个有60个电极的视网膜(图3)。据信,它被认为是在单位面积内,有最高信道电极密度的人造视网膜。

  美国空军和VSX 公司部分资助了另一个雄心勃勃的视网膜修复项目,他们正在开发一种无需利用信号恢复部分视力、直接模拟眼睛内部视网膜运动的方法以为视力残障者带来光明。这一3 mm的芯片使佩戴者的视力恢复10%。犹他大学与橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Labs)及田纳西州大学健康科学中心一道努力,同样在向失明发起挑战。MIT及日本和德国的一些大学也在从事类似研究。

  仿生耳的研究可用一句话来概括:壮观。密歇根大学已经开发出首例实体大小的MEMS可植入机械耳蜗。植入耳蜗是通过将不同频率的信号发射给植入在耳蜗螺旋体(cochleal spiral)内的电极工作的。听觉神经然后将这些信号传送至大脑。为机械耳蜗增加的传感器阵列有助于驱动植入耳蜗的电极。

  为解决听力障碍,NVE公司开发出巨型磁阻传感器(GMR),这些传感器无需人工干预能自动调节助听器的音量。这些电子自旋(spintronic)磁阻传感器由Starkey Laboratories制造,他们利用电子的旋转而不是充电来存储信息

  乔治亚州技术研究学院向Peacock Communications公司转让了可佩带配文技术,Peacock Communications提供一种其称为COMMplements的软件系统,它为失聪者送区福音。该软件借助IEEE 802.11b无线传输能力,使失去听力的移动用户能方便访问因特网,通过PDA为体育运动配上文字说明。

  更好的疾病监护、诊断和早期预警

  将疾病危害减至最小的途径之一是采用更正确、有效的无创监护、诊断和早期预警帮助。与以往相比,通过无线RF成象,可吞服成象药片为肠胃学家提供了更准确的小肠图象(图4)。

  加拿大卡尔加里大学的研究人员采用MEMS技术制造了一只电子蚊子原型,称作“e-mosquito,”这只电子蚊子模拟真体蚊子的吸血过程(图5)。其目的是提供受控的连续刺激及编排插入人体皮肤内的微细针孔以抽取极少量的血液供以后做进一步分析。该设备为无线控制、无痛感、实时、半创血液分析和生理细胞核识别提供了一个全面和实用的解决方案。

  正采用新DSP器件以进行更好的无创诊断。这里以加拿大Canamet公司的Piesometer MK-1便携式血压监测仪为例。它采用Atmel的Diopsis双浮点超长指令字(VLIW)DSP及一片ARM微处理器,从而克服了传统听诊法具有的限制。听诊法采用水银血压计及自动血压设备中采用的振动测波(oscillometric)技术。Canamet的仪器支持自调节信号处理方法,其中包括:自调节干扰消除、带通滤波和峰值识别算法。

  可植入实验室级器件,有时又称作生物芯片,它在无创监测、诊断和控制方面最终将起着关键作用。许多这类器件是采用MEMS技术设计的。Affymetrix是最早推出这种生物芯片的公司之一,它早在1994年就推出了GeneChip(基因芯片)。安捷伦科技、Biosite、Cepheid、CombiMatrix、Nanogen和STMicroelectronics等公司此后相继推出此类复杂平台。这些生物芯片形成了一个巨大的分子电子学市场,在未来几年内该市场将有长足发展。

  生物芯片的发展催生了一门新学科生物信息学,需要该技术以处理来自实验室级芯片和DNA芯片输出的大量数据。处理这样的信息需要融合计算机科学、数据库技术和算法研究。例如,Affymetrix的GeneChip(图6)就能说明这一状况。象这样的一块实验室级芯片有大量的数据需要处理和分析。必须从这些巨量数据中析取出有用信息的要求对电子产业提出挑战,也正是这些挑战映射出信息技术发展中面临的机遇。

  在可植入领域之外,圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的科学家在忙于一个5磅重手持便携式医疗诊断设备的跟踪研究,该设备能立即检测出心脏和齿龈部位的病变(图7)。

  新技术同样为残疾人带来福音

  在修补和矫正器械方面同样取得长足进展以改善残疾人的生活质量。机器人手臂帮助上肢残缺者重新获得心手和谐;机器人假腿帮助下肢不全者走上新的生活之路;心脏植入术使瘫痪的人仅使用其心脏和该植入装置就能操控人工手臂。

  所有这些将为我们带来怎样的美好前景?微加工技术、纳米技术、机器人和生物工程这些技术将协同合作以更迅速准确地诊断癌症肿瘤。最重要的是,采用这些技术能在这些肿瘤引发大的病变前,将其彻底摧毁。华盛顿大学的一群研究人员正在为这一目标而努力。基于他们的研究成果,将能通过为病人注射自组纳米粒子的手段治愈癌症,这些粒子能发现早期癌变并能用药物将这些小肿瘤包裹并摧毁。

关键字:DNA芯片输出  处理  信息  传感器

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0713/article_141.html
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