9.2. Основные объекты медицинских изделий, проектируемых с помощью сапр.

С учетом специфики медицинских изделий, одним из первых объектов проектирования может стать биомедицинский датчик, являющийся интерфейсом между биологической и электронной системой.

Технологии изготовления биомедицинских датчиков, биосенсоров, биоэлектродов в значительной мере базируются на технологиях микроэлектроники, поэтому для проектирования биомедицинских датчиков нужны такие же средства, как и для проектирования биомедицинских микросистем.

Традиционной сферой, использующей специализированные интегральные схемы (ИС), являются имплантируемые электростимуляторы (слуховые аппараты, электрокардтостимуляторы, дефибриляторы-кардиовертеры, осуществляющие диагностику сердечной мышцы, обработку и интерпретацию электрофизиологических данных и организующие при необходимости достаточно мощные электрические разряды и др.). проектирования таких систем опирается на использование современной базы микроэлектроники, например, на использовании биполярных транзисторов с изолированным затвором, сигма-дельта аналого-цифровых преобразователей, цифровых сигнальных процессоров на одном кристалле при ультра-малом энергетическом потреблении и др.

САПР специализированных ИС, в том числе проектирования с использованием языков проектирования высокого уровня, таких как HDLs (hardware description languarge) и создаваемых системных языков, объединяющих проектирование аппапатных и программных средств (System level decign language (SLDL)).

В соответствии с общими тенденциями развития интеграции изделий микроэлектроники развивается и биомедицинская электроника:

• механоэлектрические микросистемы, интегрированные микросистемы (mechanoelectrical micrisystems (MEMS)) биомедицинские микросистемы (system-on-a-chip (SoC));

• биомедицинские лаборатории на чипе (lab-on-a-chip).

При этом понятие микросистемы определяется через две основные идей: технологию создания микроструктур и системный подход к их проектированию. В настоящее время среди микросистем массово выпускаются датчики физиологического давления, представляющие собой сложную биомедицинскую микросистему, состоящую из непосредственно самих датчиков, с различными типами компенсаций и калибровок, микроконтроллера и канала коммуникаций.

Продолжает наращиваться выпуск микросистем, как: микрочипы-таблетки, для доставки лекарств в локализованные области человека, причем микрочип может содержать электронную подсистему, управляющую механической подсистемой, с резервуарами фармацевтических препаратов; электрохимические микросистемы; миниатюрные системы комплексного анализа (miniaturized total analysis system (mTAS)), которые могут оперировать с микропотоками жидкостей и газа.

Дальнейшим развитием идеологии биомедицинских микросистем являются биомедицинские лаборатории на чипе (Lab-on-a-chip). Это направление бурно развивается на основе прогресса в генетических микротехнологиях.

В качестве инструментария для проектирования микросистем используют так называемые САПР микросистем. Отличительной особенностью таких САПР является то, что при проектировании биомедицинских микросистем необходимо моделировать большое число разнообразных физических явлений, в том числе из взаимосвязанных величин:

• электроника, электромеханика, электроакустика, электрооптика, магнитооптика, магнитоэлектроника, оптоакустоэлектроника, электрогидродинамика, биолектроника, биосенсорика, биофотоника и др.;

• материаловедение разнородных, в том числе пористых материалов на микро- и наноуровне.

В САПР микросистемы выделяют три взаимосвязанных уровня моделирования и проектирования:

1. Системный уровень (системы связанных обыкновенных дифференциальных урвнений).

2. Уровень энергетических макромоделей.

3. Физический уровень (3D системы связанных дифференциальных уравнений в частных производных).

В качестве примера, в таблице 9.1 представлена структура пакетов программного обеспечения фирмы «Coventor Inc» – одного из мировых лидеров в разработке САПР для микросистем

Таблица 9.1.

Название и номер пакета	Описание пакета.
1. Дизайнер	2D конструирование топологии, автоматическое построение 3D твердотельных моделей, база данных свойств материалов, эмуляция моделей, интерфейс GDS2, DXD, CIF, SAT, интерфейс к пакетам 2, 3, 4
2. Анализатор с III версией	Моделирование связанной электромеханики, термомеханики структур, демпфирования, джоулева нагрева, распространения оптических лучей, экстракция параметров
3. «Flume CAD Solvers»	Моделирование формирования капелек, пузырьков, их транспорта, моделирование связанных физических полей: температурных / гидродинамических / диффузионных / концентрационных с учетом химических реакций, моделирование электрофоретических / электроосмотических / электрокинечических явлений
4. Архитектор	Системное моделирование, библиотека моделей связанных опрических / механических / жидкостных систем, генератор топологии для пакета 2

Технологические процессы изготовления биомедицинских микросистем существенно разнообразней по сравнению со стандартным набором технологических процессов изготовления обычных ИС. Поэтому наиболее эффективно параллельно с проектированием непосредственно микросистемы проектировать процесс ее производства, используя технологические САПР.

В настоящее время значительное внимание уделяется научно-исследовательским работам в области геночипов (биочипов, ДНК-микроматриц), для проектирования которых требуется сознание специализированных САПР