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1、生物医学工程概论生物医学工程概论 王伟王伟 生物医学工程概论生物医学工程概论一、什么叫生物医学工程一、什么叫生物医学工程 运用现代自然科学和技术工程的原理和方法，从工程学角度研究人体的结构、功能及其他生命现象，研究和开发为防病治病及人体功能辅助等医学应用服务的人工装置和系统的一门综合性高技术学科。根本任务根本任务:为疾病的预防、诊治和康复服务，确保人类健康 我国著名科学家顾方舟先生在“中国生物医学工程的今天与明天”一书中写到“生物医学工程学是这样一门学科：它把人体各个层次上的生命过程（包括病理过程）看作是一个系统的状态变化的过程；把工程学的理论和方法与生物学、医学的理论和方法有机地结合起来去研
2、究这类系统状态变化的规律，并在此基础上，应用各种工程技术手段，建立适宜的方法和装置，以最有效的途径，人为地控制这种变化，以达预定的目标。人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜进行人工心脏瓣膜的设计和制造，需要作如下工作：1.了解心脏瓣膜开启和关闭的机理，弄清人体心脏瓣膜的运动学和力学特性（定量）；2.解决人工心脏瓣膜材料问题（相容性、毒性、力学性质和制备工艺等）；3.了解人工心脏机械瓣和生物瓣的力学特性和疲劳寿命，以及植入心脏后的长期生物效应等。人工心脏瓣膜的制作和质量控制与监测等还要涉及一系列工程问题，此外还有成本控制问题。生物医学工程特点生物医学工程特点l大跨度的、多学科的综合性应用学科。以人工器官为例
3、，它需要生物材料学、生物力学、生理学及有关机电、化工工程技术的有机结合，甚至涉及社会伦理学。这种大跨度（从非生命科学到生命科学，乃至从自然科学到人文科学）的综合，是传统学科所没有的，其发展需要工程技术与医学两方面人材的密切结合。l既为医学、生物学提供技术与装备，又为医学、生物学的发展开辟新路：因此它是变革医学和生物学本身的一支重要力量。l社会效益与经济效益的结合。医学注重社会效益，工程学注重经济效益，生物医学工程才是二者必然的结合。二、学科分类二、学科分类u以应用范畴为依据分类医学工程（Medical Engineering）临床工程（Clinical Engineering）康复工程（Reh
4、abilitation）环卫工程（Environmental Engineering）中医工程（the Engineering of Chinese Traditional Medical）u以学科专业为依据分类生物材料（Biomaterial）人工器官（Artificial Organs）生物信息（Bioinformation）生物控制（Biocybernetic）生物效应（Bioeffect）生物反馈（Biofeedback）生物能量与质量传递（Bioenergy and Mass Transfer）生物力学（Biomechanics）医学电子（Medical Electronics）医学
5、仪器及装备（Medical device&Instrument）人工智能（Artificial Intelligence）医用超声（Medical Ultrasound）医用激光（Medical Laser）辐照医学（Medical Radiation）核医学（Nuclear Medicine）生物医学工程学的发展状况生物医学工程学的发展状况 生物医学工程是从20世纪50年代以来，随电子学、材料学、工程力学、信息科学和电子计算机等学科的进步并广泛应用于医学和生物学领域而逐渐形成和发展的。u电子学的渗入使心电、脑电、心音、B超等实用诊断技术逐步地出现和应用于临床；u植入性心脏起搏器研制成功挽救了
6、成千上万心脏病患者的生命；u与材料科学的结合，成功地研制出如医用硅橡胶、医用聚氨酯和有机玻璃制作的人工股骨等人体功能辅助及卫生保健材料和制品；u工程力学原理和方法的运用，使人们能够定量地研究血液在心血管中流动特性，建立了本构方程来刻画血液的流动行为；u以医用材料为基础的多学科相结合，开始早期的人工器官如人工肾、人工肺、人工晶体、人工心瓣膜的研制和临床应用。进入60年代以后，微电子学、信息科学、计算机科学、控制论、工程力学及材料科学等的迅速发展并紧密地与医学结合，导致大量的医疗仪器设备如X线机、超声仪、心电图、脑电图及球式机械人工心脏瓣膜等广泛地应用于临床。这些对医学进步，对临床诊疗水平的提高起
7、到了极大的推动作用，产生了巨大的社会效益；另外，医疗器械产业已形成规模，产生了巨大的经济效益。由此，生物医学工程学这一新兴的边缘学科作为一门独立的学科成立，成为时代的需要。七十年代以后，生物医学工程涉及到生物医学的各个方面，并取得长足的发展。理论研究方面：利用生物系统建模与仿真技术对极为复杂的生命现象和生理过程的机制进行定量描述，如胰岛素释放控制模型和传染病流行模型等；生物力学对骨、软组织和血液的流变特性作了系统的研究，对心血管中血液流动建立了更接近生理的本构方程；应用技术方面：X射线计算机断层扫描装置、同位素断层图像扫描装置等影像设备使单纯形态检查发展到功能诊断，多种断层技术使医学影像成为临
8、床诊断的支柱；生物传感器的问世，使有机物的测量进入了无试剂分析的时代，使连续动态监测体内有机成分成为可能；单片机使得医疗仪器微型化、智能化；高性能个人计算机的出现，使医疗仪器具有了多功能化特征，集医学信息采集、检测、处理和管理为一体，大大地提高了医疗效能；网络技术和虚拟技术的实用化，使远程医疗成为现实。三、生物医学工程对医学发展的贡献三、生物医学工程对医学发展的贡献经验医学到实验医学的转变医学听诊技术的建立心电图学的形成放射医学的创建超声医学的创建医用光学的创建人工器官的发明诊断治疗仪器推进了医学诊断治疗技术的跨越式发展生物医学工程学较成熟领域生物医学工程学较成熟领域1、生物力学 2、生物材料
9、 3、生物系统建模与仿真 4、物理因子在治疗中的应用及其生物效应 5、生物医学信号检测与传感器 6、生物医学信号处理 7、医学图像技术 8、人工器官生物力学生物力学 生物力学是力学与生物学、医学等学科之间相互渗透的边缘学科，目的是试图从力学的角度来了解生命。具体地说：用经典力学、固体力学、流体力学的知识来解释生命的某些现象；用力学的方法定量地分析、研究生命系统的功能与构造的关系，进而探讨生命的整个力学过程。生物力学所涉及的领域很广，目前认为它主要包括骨骼生物力学、人体运动力学、血液循环力学、呼吸流变学和生物热力学等分支学科。生物力学的研究，加深了对血液流变特性与疾病的关系，骨力学特性与骨折愈合
10、的关系，血液流动规律与心血管疾病的关系等的理解。应用生物力学的研究成果，指导人工关节、人工心脏瓣膜等人工器官的设计。近年来，由于医学科学技术的发展仿生学、宇航技术的进步，给生物力学提出了一系列问题，促进了生物力学的蓬勃发展。60年代后期，电子计算机开始用于医学，为生物力学开辟了新的前景。生物力学的研究开始于60年代。1960年，美国的第一届仿生学讨论会引起了人们对生物力学的注意和兴趣。此后，美、欧、日、苏、澳、加等国都相继建立了专门的研究机构，并多次召开国际性生物流变学会议和生物力学讨论会。1978年，在中国科学院组织的全国力学规划会议上，将生物力学作为一门独立的学科列入规划中。与此同时，中国
11、力学会组织了全国性的生物力学专业组。此后，国内诸多著名大学相继建立了生物力学研究所或研究机构，并召开了多次全国性和地方性生物力学学术会议，通过交流更进一步促进了我国生物力学的发展。生物材料生物材料生物材料学是研究用以治疗或替换机体内的组织、器官或增强其功能的材料，以及这些材料与生物体之间的相互作用的学科。生物材料是与人体组织、体液或血液相接触或作用 而对人体无毒、无副作用、不凝血、不溶血，不引起人体细胞突变、畸变和癌变，不引起免疫排异和过敏反应的特殊功能材料。较活跃的研究开发领域有高抗凝血材料、生物活性陶瓷及玻璃、钛及钛合金、生物活性缓释及描靶药物载体材料、生物粘合剂、可吸收性生物材料、甲壳素
12、及其衍生物的医学应用等。生物材料的种类十分繁多，用途非常广泛。对生物材料的基本要求是：1.对生物体无害（生物性能）2.有一定机械强度（机械性能）3.有一定使用寿命（耐生物老化性能）生物系统建模与仿真生物系统建模与仿真生物系统建模是对生物的细胞、器官和整体各个层次的行为、参数及其关系建立数学模型的工作，最终希望用数学的形式表达出来。目的是为了更好地了解生物系统的行为及规律，为生物控制奠定基础。生物系统的仿真是用电子计算机求解生物系统的数学模型以分析和预测各种条件下生物系统运行机制和状态的工作。物理因子在治疗中的应用及其生物效应物理因子在治疗中的应用及其生物效应应用电、磁、辐射、超声等物理能量作为
13、治疗疾病或缓解病痛是药物和手术治疗以外的重要的治疗手段。研究电、磁、辐射、超声等物理能量作用和机理，确定其有效剂量和安全标准，从而发展应用物理因子治疗疾病的技术，防止其可能的有害影响。生物医学信号检测与传感器生物医学信号检测与传感器 生物医学信号检测是对生物体中包含的生命现象、状态、性质及变量和成分等信息的信号进行检测和量化的技术。生物医学传感器是获取各种生物信息并将其转换成易于测量和处理的信号（一般为电信号）的器件，是生物医学信号检测的关键技术。生物医学信号涉及生物体各层次的生理、生化和生物信号，这些信息以物理量、化学量或生物量变化的形式表现出来，利用生物医学传感器将这些生物信息转换成易于测
14、量和处理的信号，一般为电信号，以便进一步处理，以了解生命活动的规律和本质，为医学研究和临床诊断服务。如血压和血流等信息可以了解心血管系统的状态。生物医学信号的特点是信号微弱，随机性强，噪声和干扰背景强，动态变化和个体差异大，因此若要把掺杂在噪声和干扰信号中的有用的生物医学信号检测出来，除要求用于检测的传感器系统具有灵敏度高、噪声小、抗干扰能力强、分辨力强、动态特性好之外，对信号提取和分析的手段亦有较高的要求。生物医学传感器按被检测量划分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三类。物理型传感器已用于血压、血流、体温、呼吸等各种生理量的测量，化学型传感器用于对体液中的各种无机离子的测量，生物型传感器
15、能对生物体的酶、抗原抗体、激素、神经递质以及核糖核酸等生物活性物质的测量。由于生物系统十分复杂，生物体内的信息丰富，生物信号检测技术十分重要。生物医学信号处理生物医学信号处理生物医学信号一般都是伴随着噪声和干扰的信号，如心电、肌电信号总是伴随着因肢体动作和精神紧张等带来的假象，而且有较强的工频干扰；诱发脑电信号，总是伴随着较强的自发脑是信号；超声回波信号总是伴随着其它反射杂波。此外，信号中无用成份亦应视为检测中的干扰。医学图像技术医学图像技术医学图像技术包括医学成像技术和图像处理技术医学成像技术是把生物体中的有关信息以图像形式提取并显示出来。以成像的手段来分有X线成像、超声成像、磁共振成像、放
16、射性核素成像等;以图像所包含的信息种类来分有形态学成像、成分成像和功能成像。图像处理技术则是对已获得的医学图像进行分析、识别、分割、解释、分类以及作三维重建与显示，其目的是把获得的医学图像的某些部分增强，或提取某些特征，为医生提供感兴趣的信息。成像与图像处理技术有时是结合成一体的。人工器官人工器官当人体器官病伤而不能用常规方法医治时，有可能给病人使用一种人工制造的装置来部分或全部替代病损的自然器官，以补偿、替代或修复自然器官的功能，这样的器件或装置称为人工器官。例如：人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液和人工心脏及心脏辅助装置，可补偿血液循环功能；人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱和假肢具有支持
17、运动功能；人工肾、人工肝具有血液净化功能；人工肺、人工气管和人工喉具有呼吸辅助功能；人工食管、人工胆管和人工肠具有支持消化功能；人工器官是生物工程各领域知识和技术的综合体现。这个领域的进展，取决于对自然器官功能的充分了解和诸如生物力学、生物材料学、生物医学传感器和控制系统、生物系统的建模与仿真等各领域的进步。离开生物相容性好和坚固耐用的生物材料，离开传感器和控制系统的完善，人工器官是不可能实现的。生物医学工程将孕育以下十大突破点：生物医学工程将孕育以下十大突破点：1、各种诊疗仪器、实验装置趋向计算机化、智能化，远程医疗信息网络化，诊疗机器人将被广泛使用。2、介入性微创、无创诊疗技术广泛应用于临
18、床医疗，激光技术、纳米技术和植入型超微机器人将在医疗各领域发挥重要作用。3、随着PET的问世和应用，形态和功能相结合的新型检测系统将迅速发展，非影像增显剂型心血管、脑血管影像诊查系统将问世。4、生物材料和组织工程将有较大发展，生物机械结合型、生物型人工器官将获新突破，人工器官将在临床医疗中广泛应用。5、材料和药物相结合的新型给药技术及装置将有很大发展，植入型药物长效缓释材料、药物贴覆透入材料、促上皮和组织生长可降解材料、生物制药材料将有突破。6、用于社区、家庭、个人医疗保健诊疗器，康复保健装置，以及微型健康自我监测医疗器械及用品，将有广泛需求和应用。7、研制精神分析、心理安抚、生物反馈型诊疗技术和设备，将是生物医学工程的新起点。8、研制新型创伤防护装置、生命急救系统，是未来生物医学工程的重要课题。9、有关分子生物学的诊疗新技术将快速发展，遗传、疾病基因诊疗技术，生物技术和微电子技术相结合的DNA芯片、蛋白芯片和诊疗系统将被广泛应用。10、研究和开发劳动保护、家庭保健、个人防护用的人工气候微环境，是未来生物医学工程不可忽视的问题。