生理學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程課件

1、解剖生理學(xué)、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與生物醫(yī)學(xué)工程Physiology and biomedical engineering 人體解剖學(xué) human anatomy 正常人體形態(tài)、結(jié)構(gòu) 人體生理學(xué) human physiology 正常人體生命活動(dòng)（功能）規(guī)律 臨床醫(yī)學(xué) clinical medicine 研究、診治疾病的學(xué)科群,應(yīng)用科學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué) biomedical engineering 應(yīng)用工程技術(shù)的原理和方法探索生命奧秘，診治疾病的一門新興交叉學(xué)科，為生命科學(xué)與工程學(xué)相結(jié)合的獨(dú)立學(xué)科人體解剖生理學(xué)、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ) 與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的關(guān)系 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)基礎(chǔ)課 醫(yī)藥學(xué)、功能性食品科學(xué)等的基礎(chǔ) 與生

2、物化學(xué)、藥理學(xué)、毒理學(xué)關(guān)系密切 與我校開設(shè)的生物醫(yī)學(xué)工程、制藥工程、制藥工程、功能性食品學(xué)科有關(guān) 為后續(xù)課程如： 醫(yī)學(xué)成像技術(shù) 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理 醫(yī)學(xué)儀器及設(shè)備 生物力學(xué) 生物醫(yī)學(xué)材料的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的解剖學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ) 人體的結(jié)構(gòu)與功能 Structural & Functional Organizations泌尿系的組成模式人體的系統(tǒng) Organ Systems of the Body人體的系統(tǒng) Organ Systems of the Body人體的系統(tǒng) Organ Systems of the Body細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)及其功能 細(xì)胞cell： 人體形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理活動(dòng)的基本單位 大??？

3、形態(tài)？ 結(jié)構(gòu)？ 細(xì)胞膜 細(xì)胞漿（細(xì)胞器） 細(xì)胞核 膜性結(jié)構(gòu) 微纖維結(jié)構(gòu) 微球體結(jié)構(gòu) 細(xì)胞間質(zhì)intercellular substance： 存在于細(xì)胞之間的物質(zhì) 血漿 組織液 細(xì)胞間的纖維 骨板 基本組織 Basic Tissues人體組織的分類 Tissue Level of Organization（根據(jù)起源、結(jié)構(gòu)、功能） 組織學(xué)Histology：采用顯微鏡研究組織的學(xué)科 上皮組織 epithelial tissue 結(jié)締組織 connective tissue 肌肉組織 muscular tissue 神經(jīng)組織 nervous tissue 組織tissue：由結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的細(xì)

4、胞、細(xì)胞間質(zhì)集合形成組織 器官organ：由各種組織所組成的人體特定構(gòu)件就是器官 系統(tǒng)system：性質(zhì)關(guān)聯(lián)、能夠完成一定生理功能的一些器官組成系統(tǒng)： 鼻、喉、氣管、肺等器官組成呼吸系統(tǒng) 口腔、食道、胃、小腸、大腸等組成消化系統(tǒng) 心臟的結(jié)構(gòu)心肌細(xì)胞的生物電現(xiàn)象心肌的生理特性 興奮性 自動(dòng)節(jié)律性 傳導(dǎo)性 收縮性心臟的泵血功能體表心電圖心 臟 生 理新型的“生物心理社會(huì)醫(yī)學(xué)模式” 加拿大學(xué)者L、美國(guó)學(xué)者B 重視和肯定生物因素，增加心理、社會(huì)因素 面向個(gè)體的醫(yī)療保健面向群體的衛(wèi)生保健 更重視與心理、社會(huì)、環(huán)境因素密切相關(guān)的非傳染病 對(duì)人群的健康監(jiān)護(hù)，提高生活質(zhì)量 1984年世界衛(wèi)生組織憲章： 健康體

5、強(qiáng)無病健全的身心狀態(tài)和社會(huì)適應(yīng)能力“生物心理社會(huì)醫(yī)學(xué)模式”對(duì)衛(wèi)生服務(wù)的要求 病人：患有疾病、有心理活動(dòng)、 處于現(xiàn)實(shí)社會(huì)中 衛(wèi)生服務(wù)的目標(biāo)應(yīng)強(qiáng)調(diào)其整體觀 從局部到全身 從醫(yī)“病”到醫(yī)“人” 從個(gè)體到群體 從生物醫(yī)學(xué)范疇心理醫(yī)學(xué)、社會(huì)醫(yī)學(xué)的廣闊領(lǐng)域臨床醫(yī)學(xué)的主要特征1、研究、服務(wù)對(duì)象的復(fù)雜性 人的生命活動(dòng)受到各種自然因素、社會(huì)因素、心理因素的綜合作用，復(fù)雜性大 生命科學(xué)中的未知領(lǐng)域比較多：腫瘤、原發(fā)性高血壓的病因，SARS、AIDS的有效治療技術(shù)2、臨床工作的緊迫性 緩解痛苦，挽救和延長(zhǎng)生命，時(shí)間緊迫！不可耽誤！ 疾病未知因素，想法控制癥狀，努力防治：門診 病因暫時(shí)無法搞清，積極防治：腫瘤臨床醫(yī)學(xué)

6、的主要特征3、醫(yī)學(xué)上的重大課題多在臨床實(shí)踐中提出 對(duì)疾病的新認(rèn)識(shí)，臨床醫(yī)學(xué)啟動(dòng)：艾滋病AIDS 對(duì)疾病的認(rèn)識(shí)，臨床先總結(jié)表現(xiàn)規(guī)律 臨床醫(yī)學(xué)激發(fā)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、科研4、臨床醫(yī)學(xué)是檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)成果的基礎(chǔ) 離體研究成果不一定適用于整體或在體 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能完全取代人體實(shí)驗(yàn)結(jié)果臨床醫(yī)學(xué)的學(xué)科分類 WHO國(guó)際疾病分類(第九版)：人類疾病 1萬多種1、按治療手段建立的學(xué)科 內(nèi)科學(xué)：藥物 外科學(xué)：手術(shù) 理療學(xué)、放射治療學(xué)、核醫(yī)學(xué)、 營(yíng)養(yǎng)治療學(xué)、心理治療學(xué) 2、按治療對(duì)象建立的學(xué)科 婦產(chǎn)科學(xué) 兒科學(xué) 老年病學(xué)：60歲以上 圍生醫(yī)學(xué)： 產(chǎn)婦(妊娠26周/28周產(chǎn)后1個(gè)月/1周) 胎兒、新生兒 危重病醫(yī)學(xué)：多器官損傷的危

7、重病人 職業(yè)病學(xué) 男性病學(xué)3、按人體系統(tǒng)或解剖部位建立的學(xué)科 口腔科學(xué) 皮膚病學(xué) 眼科學(xué) 神經(jīng)病學(xué) 耳鼻喉科學(xué) 內(nèi)分泌學(xué) 心血管內(nèi)科 呼吸內(nèi)科 腎臟內(nèi)科 骨科學(xué) 泌尿外科 胸外科 數(shù)目不斷增加 注意人體的整體性4、按病種建立的學(xué)科 結(jié)核病學(xué) 腫瘤學(xué) 精神病學(xué) 疾病累及多個(gè)系統(tǒng) 疾病涉及內(nèi)、外、婦、兒等多個(gè)學(xué)科 結(jié)核?。航Y(jié)核性腦膜炎、結(jié)核性盆腔炎、腸結(jié)核、腎結(jié)核、結(jié)核性心包炎5、按診斷手段建立的學(xué)科 臨床病理學(xué) 醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)學(xué) 放射診斷學(xué) 超聲診斷學(xué) 醫(yī)學(xué)影像學(xué)(X線、CT、MRI、超聲、同位素等) 特殊設(shè)備與技術(shù) 多學(xué)科協(xié)同診斷 新型診斷手段 新的學(xué)科醫(yī)學(xué)工程技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展中的地位和作用 醫(yī)學(xué)

8、工程技術(shù)： 廣義，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用的一切儀器設(shè)備、人工臟器等的開發(fā)、研制技術(shù) 狹義，有關(guān)現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)應(yīng)用研究的工程技術(shù) 20世紀(jì)60年代，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)1、深化了醫(yī)學(xué)的認(rèn)識(shí)水平 16世紀(jì)，顯微鏡，切片、染色技術(shù) 細(xì)胞水平 電子顯微鏡，掃描電鏡，超薄切片技術(shù)、冷凍切片技術(shù)、放射性同位素標(biāo)記、熒光標(biāo)記技術(shù) 超微結(jié)構(gòu)的亞細(xì)胞水平 近年來，遺傳工程技術(shù)，分子生物學(xué)技術(shù) 分子水平2、推動(dòng)臨床診斷和治療水平的提高（1）臨床診斷技術(shù)的提高 提供先進(jìn)設(shè)備和儀器： 全自動(dòng)生化分析儀 電子計(jì)算機(jī)斷層攝像CT 內(nèi)窺鏡 （2）治療技術(shù)的提高 介入性治療：導(dǎo)管技術(shù)、相關(guān)器械 經(jīng)皮穿刺腔內(nèi)冠狀動(dòng)脈成形術(shù)PTCA 冠脈

9、內(nèi)支架 導(dǎo)管 射譜熱球囊冠脈成形術(shù) 現(xiàn)代外科技術(shù)：外科手術(shù)與新技術(shù)相結(jié)合 腔鏡技術(shù)： 人工低溫術(shù) 人工心肺機(jī) 器官移植技術(shù)：移植外科（人工器官） 激光手術(shù)刀 超聲波手術(shù)刀 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的特點(diǎn) 1、向微觀深入與宏觀擴(kuò)展（1）以分子生物學(xué)為帶頭學(xué)科的分子醫(yī)學(xué)學(xué)科群 （2）全面研究群體、環(huán)境、社會(huì)與人的健康、疾病的關(guān)系 按照“生物心理社會(huì)”醫(yī)學(xué)模式 環(huán)境醫(yī)學(xué)、社會(huì)醫(yī)學(xué)、職業(yè)醫(yī)學(xué)、地理醫(yī)學(xué)、宇宙醫(yī)學(xué)、臨床流行病學(xué)2、學(xué)科體系微分化、積分化并進(jìn)（1）專業(yè)化程度越來越高，縱向、橫向分化 全世界醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)會(huì)500余個(gè) 醫(yī)學(xué)新興學(xué)科、交叉學(xué)科219個(gè) 兒科學(xué)婦科學(xué)產(chǎn)科學(xué) 圍生醫(yī)學(xué) 數(shù)學(xué)醫(yī)學(xué) 衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)學(xué) 臨床藥

10、理學(xué)、介入診治學(xué)、仿生學(xué)2、學(xué)科體系微分化、積分化并進(jìn)（2）各學(xué)科相互滲透與綜合3、人文社會(huì)科學(xué)與醫(yī)學(xué)的交叉和滲透 哲學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、法學(xué)、倫理學(xué)醫(yī)學(xué) 社會(huì)醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、行為學(xué)、 醫(yī)學(xué)倫理學(xué)、衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)學(xué) 哲學(xué)對(duì)醫(yī)學(xué)的指導(dǎo)作用越來越受到重視 循證醫(yī)學(xué) Evidence-Based Medicine應(yīng)用最多的有關(guān)信息（最佳證據(jù)），通過謹(jǐn)慎、明確、明智的確認(rèn)和評(píng)估，作出醫(yī)學(xué)方面決策的實(shí)踐活動(dòng)。 4、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)具有高科技的特色 診斷方面的高科技特色： 影像學(xué) 醫(yī)用光導(dǎo)纖維技術(shù) 無創(chuàng)、微創(chuàng)性直視檢查技術(shù) 人體基因譜的分析 治療方面的高科技特色： 高科技 內(nèi)窺鏡操作手術(shù) 心臟起搏器、人工器官 基因治療 各種

11、人造組織、器官 人造皮膚 人造骨骼 人造關(guān)節(jié) 人造眼球 人造心臟、瓣膜。各種檢測(cè)儀、治療儀 心電圖儀、肌電儀、腦電儀 X檢查儀、CT儀、MRI儀、超聲儀、核醫(yī)學(xué)儀 X治療儀、紅外治療儀。生物醫(yī)學(xué)工程科研簡(jiǎn)介醫(yī)學(xué)信號(hào)處理及醫(yī)學(xué)儀器：腦電信號(hào)的提取與分析（matlab編程）麻醉深度智能控制系統(tǒng)（單片機(jī)、C、VB/C+）手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)（C、C+、matlab編程及相關(guān)硬件）遠(yuǎn)程醫(yī)療：基于J2ME的移動(dòng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（java及傳感器設(shè)計(jì)）面向社區(qū)家庭的醫(yī)療服務(wù)與檢測(cè)儀器：基于手機(jī)的心音信號(hào)采集與處理技術(shù)（Android、java）一、腦電信號(hào)特征提取及分類算法研究降采樣空間濾波導(dǎo)聯(lián)選擇頻譜分析信號(hào)分類原始運(yùn)

12、動(dòng)想象腦電信號(hào)預(yù)處理特征提取 2、信號(hào)特征提取小波分析： 小波多尺度分解的實(shí)質(zhì)：將信號(hào)分解成低頻的粗略部分與高頻的細(xì)節(jié)部分 3、整體框圖：1、研究意義：識(shí)別正常老化與癡呆早期 腦外傷康復(fù)評(píng)估 特殊人群認(rèn)知評(píng)估二、麻醉深度智能控制系統(tǒng)1、研究意義： 現(xiàn)代麻醉中麻醉深度的監(jiān)測(cè)與調(diào)控是人們關(guān)注的熱點(diǎn)課題。麻醉深度 監(jiān)測(cè)對(duì)提高麻醉質(zhì)量,保障病人的圍術(shù)期安全與康復(fù)具有極為重要的意義。2、麻醉的基礎(chǔ)知識(shí)： 麻醉是一種利用藥物或非藥物的方法使病人的整個(gè)機(jī)體或機(jī)體的某一部分 的知覺暫時(shí)性抑制或消失的方法。 理想麻醉狀態(tài)的五要素：鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、肌松、遺忘、適度控制應(yīng)激。 麻醉過深，可能有損于患者的腦組織引發(fā)癡呆癥

13、，甚至危及生命； 麻醉過淺，患者本能體動(dòng)導(dǎo)致手術(shù)困難，出現(xiàn)意外或術(shù)中知曉。3、麻醉深度的監(jiān)測(cè)方法：（一）臨床體征：體動(dòng)、流淚、出汗 存在問題：肌松藥可以掩蓋軀體體征；缺少研究證據(jù)表明可以減少知曉的 發(fā)生；不用肌松藥并不能防止知曉發(fā)生。（二）常規(guī)監(jiān)測(cè)：血壓、心率、呼吸率、呼氣末麻醉氣體濃度存在問題：心血管藥物可以掩蓋癥狀；缺少研究證據(jù)表明可以減少知曉的發(fā)生；生命體征正常仍可能發(fā)生知曉。聽覺系統(tǒng)在接受聲音刺激后,從耳蝸至各級(jí)聽覺中樞產(chǎn)生的相應(yīng)電活動(dòng)腦電雙頻譜指數(shù)(Bispectral Index,BIS)監(jiān)測(cè)聽覺誘發(fā)電位( Auditory evoked potentials ,AEP)監(jiān)測(cè)熵指數(shù)

14、（Entropy）監(jiān)測(cè)等腦電和麻醉深度監(jiān)測(cè)通過對(duì)腦電圖進(jìn)行處理 計(jì)算得到的綜合指數(shù)對(duì)大腦不規(guī)則意識(shí)活動(dòng)程度的測(cè)量（三）腦功能檢測(cè)（腦電）麻醉深度監(jiān)測(cè)方法BIS腦電AEPIEntropy肌電心率變異性肌松其他BIS是一個(gè)無量綱的簡(jiǎn)單變量，范圍從 0 100，數(shù)值越大,越清醒,反之提示大腦皮質(zhì)的抑制愈嚴(yán)重。一 般認(rèn)為 BIS值：100-85代表完全清醒狀態(tài)；65-85代表患者處于睡眠狀態(tài)；40-65代表處于全麻狀態(tài)；40以下人腦皮層處于暴發(fā)性抑制狀態(tài)；0完全無腦電活動(dòng)的狀態(tài)。4、靜脈麻醉給藥方法：?jiǎn)未戊o脈注射、重復(fù)靜脈注射：不能維持麻醉藥的有效濃度；重復(fù)給藥血藥濃度波動(dòng)大；藥物的血漿濃度與效應(yīng)室濃

15、度不能達(dá)到滿意的平衡狀態(tài)。 持續(xù)靜脈輸注按一定量和速度以微量泵靜脈持續(xù)輸入：達(dá)穩(wěn)態(tài)血漿濃度時(shí) 間較長(zhǎng)，不能滿足臨床麻醉誘導(dǎo)和維持。隨輸注時(shí)間延長(zhǎng)，清除速率減慢，血藥濃度逐漸升高產(chǎn)生蓄積作用，難以根據(jù)病人反應(yīng)和手術(shù)刺激強(qiáng)度隨時(shí)調(diào)節(jié)血藥濃度。靶控輸注（TCI）：可以維持恒定的血漿濃度、快速隨意調(diào)節(jié)、保持血漿濃度和效應(yīng)室濃度的平衡。5、靶控輸注（ Target Controlled Infusion ,TCI ）在輸注靜脈麻醉藥時(shí)應(yīng)用藥代動(dòng)力學(xué)和藥效動(dòng)力學(xué)原理，通過調(diào)節(jié)目標(biāo)或靶位（血漿或效應(yīng)部位）的藥物濃度來控制或維持麻醉在適當(dāng)?shù)纳疃?，以滿足臨床要求的一種靜脈給藥方法。房室模型的概念藥物經(jīng)靜脈注射進(jìn)

16、入血液，就會(huì)自血管向組織間液擴(kuò)散，擴(kuò)散范圍的大?。ㄈ莘e）就是房室概念。如果擴(kuò)散的容積只有1 個(gè)，稱之為一室模型，如果擴(kuò)散的容積是2個(gè)，稱之為二室模型，以此類推有三室、多室模型等。臨床常用的靜脈麻醉藥多為三室藥代動(dòng)力學(xué)模型（下圖所示）。中央室代表血或血漿，第二室代表血液充盈多的組織，第三室代表血液充盈少的組織，作用部位（中樞）為效應(yīng)室。三室模型PBPK模型6、TCI閉合環(huán)路控制系統(tǒng)通過反饋控制微量泵輸注麻醉藥的速率，調(diào)節(jié)麻醉深度，從而做到用藥個(gè)體化，以提高藥物應(yīng)用的質(zhì)量。使麻醉用藥更加精確，麻醉過程平穩(wěn)、安全，并大大解放了麻醉醫(yī)師的勞動(dòng)力。閉環(huán)TCI是麻醉發(fā)展的新方向。7、閉環(huán)TCI系統(tǒng)的構(gòu)成：

17、閉環(huán)TCI系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫選擇最適宜的麻醉對(duì)象模型模型結(jié)構(gòu)與靈敏度的分析與仿真閉環(huán)控制最佳算法及軟件開發(fā)8、TCI閉合環(huán)路控制系統(tǒng)-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖其工作原理是：系統(tǒng)以反映藥效的腦電雙頻指數(shù)為控制變量，采用PID控制算法，以PBPK對(duì)象生理模型來計(jì)算靶控所需的給藥方案。具體操作是由上位機(jī)給定一個(gè)目標(biāo)BIS值，單片機(jī)自動(dòng)采集病人當(dāng)前的BIS值，算法處理得出給藥的輸注量，控制輸注泵的輸注，從而讓病人的BIS值逐漸達(dá)到我們?cè)O(shè)定的目標(biāo)BIS值，實(shí)現(xiàn)麻醉深度的自動(dòng)控制。手術(shù)中，醫(yī)生只需在PC機(jī)的控制系統(tǒng)界面上輸入病人的基本信息和設(shè)定的目標(biāo)BIS值，通過命令提示即可指導(dǎo)醫(yī)生對(duì)麻醉深度進(jìn)行自動(dòng)控制。系統(tǒng)仿真原理

18、圖9、系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)三、手術(shù)導(dǎo)航 1、研究背景及意義手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)使得手術(shù)更加安全、精確和有效，提高手術(shù)成功率。2、手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)醫(yī)學(xué)神經(jīng)外科牙科與畸齒矯正整形外科介入治療放射治療3、手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)組成立體定位圖像顯示組成圖像工作站系統(tǒng)標(biāo)定三維數(shù)據(jù)獲取手術(shù)器械注冊(cè)器械匹配識(shí)別可視化跟蹤顯示 雙目立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定發(fā)光點(diǎn)亞像素提取三維坐標(biāo)計(jì)算 器械尖端位置計(jì)算 發(fā)光點(diǎn)與尖端位置 關(guān)系 基于點(diǎn)編碼和距離編碼的匹配和自動(dòng)識(shí)別 手術(shù)器械三維顯示 映射紋理圖像手術(shù)器械光學(xué)跟蹤信息獲取4、手術(shù)器械光學(xué)跟蹤信息獲取5、定位平臺(tái)-硬件構(gòu)建構(gòu)建定位平臺(tái)-采集數(shù)據(jù)、研究算法近紅外光學(xué)定位系統(tǒng)平臺(tái)近紅外相機(jī)

19、構(gòu)造示意圖實(shí)物圖手術(shù)器械近紅外發(fā)光點(diǎn)立體定位方法：光學(xué)定位、超聲定位、電磁定位、機(jī)械臂定位。圖像顯示：設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)定位定位跟蹤系統(tǒng)的軟件交互界面。Operate6、定位平臺(tái)-軟件構(gòu)建7、實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)2導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)錄像四、基于手機(jī)的心音信號(hào)采集與處理技術(shù)研究1、研究意義：實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)記錄、智能分析、遠(yuǎn)程發(fā)送和數(shù)據(jù)回放，能及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)和預(yù)防心血管疾?。煌ㄟ^藍(lán)牙、移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院與社區(qū)以及救護(hù)現(xiàn)場(chǎng)之間的醫(yī)療監(jiān)護(hù)和信息雙向通訊，有效地提高社區(qū)醫(yī)療服務(wù)、院前急救水平。2、研究?jī)?nèi)容：手機(jī)心音信號(hào)采集與傳輸服務(wù)器端心音特征提取手機(jī)與服務(wù)器信息交互基于手機(jī)心音信號(hào)監(jiān)護(hù)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)框圖1.手機(jī)上心音信號(hào)采集傳