封面介绍
脑-机器接口让人通过意识与环境进行交流。很多任务可以诱发与运动控制、决策和注意等对应的特定脑活动。人们可以通过侵入（如微电极和脑皮层电图）或非侵入（如脑电图）的方式从相关的脑区记录脑的活动，进而解码人的认知状态。通过闭环视觉反馈系统和外部设备(如机器假肢)，用户可以直接得到脑的输出信号和传递的信息。经过逐步的训练，用户可以学会调控脑活动的状态从而实现与外部世界的成功交流。
本文主要关注大数据分析对改善健康、预防和检测早期疾病以及个性化干预措施的潜在影响，讨论了大数据分析在建立患者电子健康档案以获得更好的临床决策支持中的可能作用。笔者研究了药物遗传学的发展，以更好地理解患者对化学疗法产生不同反应的原因。此外，笔者评估了在线健康交流的发展， 以及如何利用这些数据检测公共健康威胁和控制传染病。最后， 笔者描述了新一代可穿戴和可植入的躯体传感器如何改善身体状况、简化慢性病管理和提高外科植入物质量。
视觉假体目前已经进入临床市场。最初，视觉假体用来治疗因视网膜色素变性(RP) 导致失明的患者。2015 年7 月下旬， 视网膜假体首次用于治疗干性年龄相关性黄斑变性。视网膜假体适用于治疗光感受器细胞受损而其他大部分视网膜神经元完好的疾病。而对视网膜输出功能完全丧失的眼部疾病，则需要植入与视觉中枢进行接口的假体类型。目前正在研发的中枢视觉假体的代表是视皮层假体。本文探讨了视觉假体所面临的技术方面和社会经济方面的挑战。
本文综述了在系统层面研究大脑内部活动最先进的技术。负责我们日常生活的神经活动是由大脑不同区域复杂的协调过程共同完成的。表面上，不同功能由具体的解剖结构所控制，然而事实上是通过内部大量相互连接的神经元和突触通路的动态网络来实现的。因此，从系统层面能更好地理解大脑的正常生理或病理状态。目前已有很多神经工程技术，但本文将重点关注三个领域：神经成像、神经接口和神经调控技术。神经成像能够帮助我们描绘大脑的结构和功能，这对理解正常和疾病状态下的神经系统功能至关重要。基于神经影像的知识，可以开发神经接口与神经系统进行交流，或者调控大脑的活动。这三个领域的研究对开发相关的仪器、设备及其应用很关键。在神经反馈的基础上，通过神经接口 ( 侵入式或非侵入式) 监测神经活动 ( 通过神经影像模式)，以一定的刺激参数，调控和改变神经功能。总之，系统神经工程是指利用工程工具和技术来成像、解码和调控大脑，进一步理解大脑的正常功能及障碍修复。这些领域之间的相互交叉将引领系统神经工程的发展方向——发展神经技术，来增强对大脑整体功能和功能障碍的理解，以及对神经和精神障碍的干预。
以新发展的光学多模成像、契伦科夫荧光成像和光学影像手术导航技术为代表的光学分子影像前沿技术，开辟了肿瘤研究、临床转化和医疗实践的新前沿领域。相对于传统成像技术，新技术在活体肿瘤成像上可以提供前所未有的灵敏度和精准度。活体肿瘤细胞和分子行为与事件的可视化正在系统地促进人们对肿瘤的深度理解。这些成像技术的新进展正被快速应用于肿瘤诊疗，如对不同肿瘤之间分子异质性信息的动态和量化获取， 以及通过实时成像辅助实现更有效的治疗性干预。在分子影像的时代中，光学技术为促进高灵敏度肿瘤诊断和个体化治疗的发展带来了巨大的希望，而这些正是精准医学的终极目标之一。
病毒载量测量对于人类免疫缺陷病毒(HIV) 阳性患者长期临床护理来说是一个必不可少的工具。然而，考虑到病毒载量测量所需的仪器体积、成本和操作的复杂性，在医疗基础设施较差的偏远地区( 尤其是在被HIV 感染人群比例较高的地区)普及标准的病毒载量测量仪器是较为困难的。为提高该检测方法的普及性，人们已经开始开发可以进行即时检测的病毒载量检测平台，然而尚没有解决办法能够同时满足低成本、便携、易于操作等多种实际要求。本文通过运用微流体和微型硅晶片平台，对经过最低程度处理的含有HIV 的全血样本进行了逆转录环介导等温扩增(RT-LAMP)，并利用智能手机进行了荧光检测。集成实验检测结果表明，一滴约60 nL 的反应液滴中仅有的3个病毒依然可以通过RT-LAMP 技术被检测到，这相当于每微升全血样品中只有670 个病毒。该技术在数字化RT-LAMP方法上具有重要意义，扩展该技术能够实现对HIV 阳性患者在临床护理中采集指血进行病毒载量检测。研究结果显示，病毒载量检测过程所需的各个步骤，从血滴的准备到RT-LAMP 反应的成像，都可以集成为晶片实验并且可以和移动设备兼容。
超声背散射技术在松质骨骨质无损评价中极具前景。本文介绍了一种新型超声背散射骨质诊断仪 (UBBD) 及其在新生儿骨质状况评价中的应用。超声背散射骨质诊断仪具有无损、无电离辐射、便携及操作简便等优点，可以在短时间内 (5 s) 获得人体松质骨背散射信号。笔者共采集了467 例新生儿 (268男/199 女) 左侧跟骨处的背散射信号，所用探头中心频率为3.5 MHz。逐步调节背散射有效信号 (SOI) 的延迟 (T1) 和长度(T2)，计算表观积分背散射 (AIB) 、表观背散射频率斜率 (FSAB)及零频率截距 (FIAB) 和频谱质心偏移量 (SCS) 等参数。结果表明，背散射有效信号的选取对背散射测量有直接的影响。当T1较短时 (<8 μs) ，AIB 和FIAB 与新生儿胎龄有显著的正相关性(|R|max= 0.45, P<0.001) ；而当T1 较长时 (>10 μs) ，AIB 和FIAB 负相关于新生儿胎龄 (|R| max= 0.56, P<0.001) ，还可以观察到FSAB 和SCS 与新生儿胎龄有中度的正相关性 (|R| max=0.45, P<0.001)。T2 对背散射测量的影响较小，引起相关系数的波动较小。本文通过自制的松质骨超声诊断仪证明超声背散射信号用于评价新生儿骨质状况的可行性。本文还提出了明确的背散射有效信号选取规则及新生儿骨质评价标准。
增强对流输注(CED) 是一项颇具前景的技术，其借助压力驱动流来增强输注药物进入细胞间隙的穿透力。为进一步提升CED 的药物分布容积，笔者发明了一种可产生局部亚致死热量的光纤微针装置。本文试图在琼脂糖组织模型中对该技术进行定量表征。在15 °C、20 °C、25 °C 和30 °C 的恒温条件下，染料的输注在质量分数为0.6 % 的琼脂糖组织模型中进行分析。输注指标通过自定义阴影成像技术和图像处理算法进行定量。利用所获数据构建一个分布容积的经验预测时序模型作为组织模型温度的函数。接下来通过一组概念验证实验来评估液体输注时新型光纤装置产生局部光加热的能力。恒温输注显示温度和分布容积呈正相关，在100 min 时，在30 °C 恒温条件下体积扩散是在15 °C 恒温条件下的7 倍。在光加热(1064 nm，500 mW) 过程中，输注呈现相似的效果：与对照组(0 mW) 相比，输注体积在4 h 时增大了3.5 倍。本文的分析和结果为体积扩散的热介导增强提供了特征描述及新思路。
使用内窥镜的目的是实现与组织病理诊断相符的即时诊断。在过去的十年里，共聚焦激光扫描显微成像技术被引入内窥镜领域。共聚焦内窥镜使得对活体组织的显微观察能够达到与组织学样品的体外显微成像相当的放大倍数和分辨率。发展这种内窥镜的主要挑战在于具有微米级分辨率的显微成像光纤探头的小型化。笔者研制了一套基于光纤束，分辨率为1.4 μm， 成像速度可达8 fps 的共聚焦内窥镜系统。光纤探头的直径为2.6 mm，可与常规内窥镜的活检通道兼容。该共聚焦内窥镜的样机已经被用于观察小鼠胃肠道上皮细胞，并将进一步被用于临床试验。此外，该共聚焦内窥镜能够被用于上皮细胞功能的转化研究，以监测自然生理环境中细微颗粒的功能和细胞间的相互作用。
基于8英寸绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 生产线的建设，重点解决了8英寸IGBT 先进工艺技术、第四代高压双扩散金属氧化物半导体 (DMOS+) IGBT 技术和第五代沟槽栅IGBT 技术等关键技术问题，实现了高压IGBT 芯片制造从6 英寸到8英寸的技术突破，自主开发的1600 A/1.7 kV 与1500 A/3.3 kVIGBT 模块已经被成功制造并通过考核，现已应用于轨道交通牵引系统。
笔者设计并实现了高通量多羽流脉冲激光沉积(MPPLD)系统，而且与传统的高通量薄膜材料合成技术进行了比较。目前大多数组合式脉冲激光沉积(PLD) 系统为了使沉积的薄膜厚度均匀而采用掩膜法多层薄膜沉积和沉积后退火的工艺，MPPLD 则同时利用了多个PLD 羽流的方向性和沉积速率的空间变化，在一个衬底上直接沉积不同成分的化合物以形成薄膜材料库。这个新系统更适合以高通量的手段制备多组分化合物薄膜材料。
为了满足微电子器件不断扩展到更小尺寸的需求，SiO2栅极介电层被高介电常量材料Hf(Zr)O2 所替代，以尽可能减少流过介电薄膜的漏电流。然而，与高介电常量(高κ) 电介质连接时，传统Si 通道中的电子迁移率由于库仑散射、表面粗糙度散射、远程声子散射和介电电荷捕获而有所下降。III-V 和Ge是两个有希望的候选材料，其迁移率均优于Si。尽管如此，与Si 基界面相比，Hf(Zr)O2/III-V(Ge) 的界面结合更为复杂。成功制造高质量器件关键在于优化器件界面设计时对Hf(Zr)O2/IIIV(Ge) 界面结合结构的理解与设计。因此，从原子尺度准确了解界面结合与界面态形成的机制变得尤为重要。在本文中，笔者利用第一性原理计算方法，对HfO2 与GaAs 之间的界面性质进行了研究。结果表明，隙间态主要由As—As 二聚物键合、Ga 部分氧化( 在3+ 和1+ 之间) 和Ga—悬挂键贡献。这些研究成果能为最优化界面钝化提供重要的指导意见。
为了能以低成本生产优质大型单晶硅，笔者提出了单晶种铸造技术。这项技术的实施，必须解决两个问题，即坩埚壁上的多晶成核问题和晶体内的位错增殖问题。在本文中，笔者尝试通过数值分析法来解决这两个问题。根据数值分析得出的优化熔炉结构和工况进行了实验，在实验中采用单晶种铸造技术来生长单晶硅。实验结果表明，该技术远优于常用的高性能多晶和准单晶铸造技术。
由于高蒸汽压力可能导致微电子器件在高温和高湿度环境中失效，蒸汽压力的描述和模拟对研究微电子器件的湿度可靠性至关重要。为了最大程度地减小湿度的影响，可以在器件外表面涂抹一层超疏水涂层，以防止水分渗入。但是，超疏水涂层提高微电子器件可靠性的具体机制目前仍没有完全被理解。本文首先介绍了微电子高分子材料蒸汽压力的现有的一些理论。笔者还根据实验结果论述了超疏水涂层在防止水蒸气进入器件方面的机制和有效性。本文重点讨论了两个理论模型：基于微观力学的全场蒸汽压力模型和对流扩散模型。这两种方法都已成功用于说明无涂层样本的实验结果。但是，当器件上涂有超疏水纳米复合涂层时，笔者仍发现器件质量增加，其原因很可能是水蒸气可以透过超疏水涂层渗入。这种现象导致人们对超疏水涂层的有效性产生怀疑。根据理论和实验结果，笔者认为需要提出一种新的理论来理解水蒸气如何渗透超疏水涂层。
高速运动精密定位是微电子封装设备中高加速轻载执行机构的基本运动需求。本文推导了高加速机构瞬态非线性动力学响应方程，揭示了刚度、频率、阻尼( 与材料空间布局相关) 和驱动频率( 与运动规划相关) 是主要影响因素。据此，在满足高加速机构精密定位的条件下，笔者提出了一种基于最优非线性动力学响应的结构优化和速度规划新方法。在结构优化中，首先分析了目前流行的基于等效静态载荷的柔性多体动力学优化方法未充分考虑惯性载荷的不足，然后提出了基于等效模态的柔性多体动力学最优动态响应优化新方法；在速度规划上，针对传统的几何光滑方法不能反映系统动态特性的缺陷，提出了基于变边界条件非线性动力学响应优化的速度规划新方法。将所提方法应用到高速固晶焊头的优化设计中，通过结构优化，降低振幅超过20%，再经非对称变加速规划，缩短定位时间超过40%。本文提出的方法为微电子封装类装备等高加速轻载机构精密定位的实现提供了有效的理论支撑和解决途径。