概述+生物力學(xué)

2/4/20231生物醫(yī)學(xué)工程概論

IntroductiontoBiomedicalEngineering(BME)南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院周凌宏2/4/20232主要內(nèi)容1、生物醫(yī)學(xué)工程的定義2、生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展3、生物醫(yī)學(xué)工程的經(jīng)典研究領(lǐng)域2/4/202331生物醫(yī)學(xué)工程的定義

WhatisBiomedicalEngineering(BME)?2/4/20234邊緣交叉科學(xué)(Interdisciplinary)綜合：生物學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)理論和方法近幾十年內(nèi)建立與發(fā)展2/4/20235三個(gè)有代表性的定義1、“三合一學(xué)說(shuō)”生物學(xué)＋醫(yī)學(xué)＋工程學(xué)＝生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)2、“工程應(yīng)用學(xué)說(shuō)”工程學(xué)在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中應(yīng)用3、“結(jié)合學(xué)說(shuō)”生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和其它非生物學(xué)科的結(jié)合2/4/20236一般定義：“應(yīng)用物理學(xué)和工程學(xué)的技術(shù)來(lái)解決生命系統(tǒng)中的問(wèn)題，突出強(qiáng)調(diào)人類疾病的診斷、治療、預(yù)防和保健”綜合運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理、方法，從工程學(xué)的角度，在多種層次上研究生物體，特別是人體的結(jié)構(gòu)、功能和其它生命現(xiàn)象，揭示和論證生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，深化對(duì)生命系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，提供防病、治病、衛(wèi)生保健、康復(fù)、安全防護(hù)的新理論和新方法，設(shè)計(jì)和研制用于防病、治病等的新材料、人工器官、裝置與系統(tǒng)的交叉學(xué)科生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域基礎(chǔ)生物學(xué)物理學(xué)(生物醫(yī)學(xué)物理學(xué)）醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程生物化學(xué)信息科學(xué)電子與現(xiàn)代工程技術(shù)2/4/20238生物醫(yī)學(xué)工程的目標(biāo)探索人類正常生理活動(dòng)

表征組織與器官的病變機(jī)理

給出研究和技術(shù)開發(fā)的最佳手段

提供治療、預(yù)防與保健的有效方法2/4/20239基本任務(wù)：運(yùn)用物理學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)手段，研究和解決生物學(xué)與醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問(wèn)題?；拘再|(zhì)：以應(yīng)用基礎(chǔ)性研究為主，研究的對(duì)象是人體(一個(gè)多層次的龐大系統(tǒng))，所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，并在不斷的擴(kuò)展之中。研究?jī)?nèi)容和基本任務(wù)2/4/202310生命的活動(dòng)可分為若干層次整體層次：人體與外界環(huán)境的熱量、質(zhì)量、動(dòng)量交換，有聲、光、電、熱、味、壓的信息交換，有環(huán)境對(duì)于人體的作用，人與生活環(huán)境及工作環(huán)境的相互關(guān)系，有人對(duì)于環(huán)境的能動(dòng)作用2/4/202311器官和組織層次：生物力學(xué)、生物材料、生物信號(hào)、醫(yī)學(xué)圖象、人工器官、控制、建模、康復(fù)、組織工程等都發(fā)生在這一層次微觀層次：以分子、生物大分子、細(xì)胞等為對(duì)象細(xì)胞生物力學(xué)、分子生物力學(xué)、組織工程等可劃入這一范疇2/4/2023121、迅速發(fā)展的新興學(xué)科生物醫(yī)學(xué)工程是在近幾十年才從醫(yī)學(xué)中分離而形成一門獨(dú)立學(xué)科。當(dāng)代高新科技的飛速發(fā)展，為它提供基礎(chǔ)。生物醫(yī)學(xué)工程的特點(diǎn)2/4/2023132、大跨度、多學(xué)科的綜合性應(yīng)用學(xué)科醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、制造學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的有機(jī)結(jié)合，甚至涉及社會(huì)、倫理、道德、法律等非生命科學(xué)到生命科學(xué)自然科學(xué)到人文科學(xué)2/4/2023143、是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)發(fā)展的重要?jiǎng)恿σ环矫嫔镝t(yī)學(xué)工程為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)提供技術(shù)與裝備另一方面又為醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展開辟新路——帶來(lái)生物學(xué)與醫(yī)學(xué)的變革2/4/2023154、是社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的綜合醫(yī)學(xué)重于社會(huì)效益，工程重于經(jīng)濟(jì)效益，生物醫(yī)學(xué)工程是醫(yī)學(xué)與工程學(xué)的結(jié)合，是社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益必然的結(jié)合2/4/2023162生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展回顧自發(fā)地應(yīng)用于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)1604年 Jansen－顯微鏡，Hook發(fā)現(xiàn)細(xì)胞1895年 Roentgen－X射線，人體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1898年 居里－鐳，生物代謝示蹤，腫瘤治療1906年 Einthoven－實(shí)用的心電圖1933年Ruska－電子顯微鏡，亞細(xì)胞水平1947年無(wú)線電波傳遞心電、腦電1948年 利用超聲技術(shù)獲得人體切面聲象圖

能動(dòng)地研究生物學(xué)醫(yī)學(xué)的問(wèn)題五十年代起，工程學(xué)科廣泛滲入生物醫(yī)學(xué)。醫(yī)學(xué)電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)組織，1958年國(guó)際醫(yī)學(xué)電子學(xué)聯(lián)合會(huì)(IFME)誕生1963年國(guó)際醫(yī)學(xué)電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合會(huì)(IFMEBE)成立1965年世界性的國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)系會(huì)(IFMBE)學(xué)正式成立

七十年代生物醫(yī)學(xué)工程涉及到生物醫(yī)學(xué)的各個(gè)方面，微型機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬技術(shù)形成巨大的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)基本上是構(gòu)筑在生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)上

我國(guó)的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科1978年國(guó)家科委組織BME科研發(fā)展規(guī)劃1980年成立了中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)近年來(lái)，豐富、多彩2/4/202321當(dāng)前，在醫(yī)學(xué)的幾乎所有領(lǐng)域生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)已經(jīng)發(fā)揮、將會(huì)發(fā)揮巨大的作用生物力學(xué)在人體生理系統(tǒng)建模與仿真中發(fā)揮著巨大的作用細(xì)胞力學(xué)、運(yùn)動(dòng)力學(xué)、血流動(dòng)力學(xué)、呼吸力學(xué)……生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展現(xiàn)狀2/4/202322生物醫(yī)學(xué)材料在人體組織與器官修復(fù)(替代)中的巨大作用硬組織修復(fù)與替代、軟組織修復(fù)與替代、血管替代、人造皮膚、各類人工器官……人工器官在人體生理功能恢復(fù)中的巨大作用人工心臟、人工心臟瓣膜、人工肺、人工腎、人工胰……2/4/202323生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)在生物醫(yī)學(xué)工程中的巨大作用生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)、處理與識(shí)別是是醫(yī)學(xué)圖象處理的基礎(chǔ)，與生物材料、生物力學(xué)、人工器官、生物醫(yī)學(xué)儀器等關(guān)系密切……生物醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)在臨床診斷中的巨大作用X光片、CT圖像、B型超聲波圖像、MRI圖像、PET、SPECT……2/4/202324生物醫(yī)學(xué)儀器對(duì)提高醫(yī)學(xué)整體水平的巨大作用生理功能分析、放射治療、超聲碎石、γ刀、X刀、細(xì)胞刀、質(zhì)子刀、中子刀、射波刀、康復(fù)輔助系統(tǒng)、機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)……2/4/202325近20年，生物醫(yī)學(xué)工程制品飛速發(fā)展并形成規(guī)模性產(chǎn)業(yè)，是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)社會(huì)需求量大，產(chǎn)品技術(shù)含量和產(chǎn)品附加值高美國(guó)目前已有1100萬(wàn)人體內(nèi)植入有一個(gè)人工器官，200萬(wàn)人體內(nèi)有2個(gè)或2個(gè)以上人工器官生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展2/4/2023262012年，世界生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約4000億美元，年增長(zhǎng)率持續(xù)保持在10%上下。2012年，我國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約3000億元，年增長(zhǎng)率持續(xù)保持在15~20%。美國(guó)、日本、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家都把生物醫(yī)學(xué)工程列入高技術(shù)發(fā)展的前沿2/4/202327我國(guó)有13億人口，醫(yī)療保健基數(shù)大，生物醫(yī)學(xué)材料和人工器官的需求量大肢體不自由患者約1500萬(wàn)每年骨缺損和骨損傷約300萬(wàn)牙缺損(缺失)患者占總?cè)丝?/3大量血液病患者需人工腎大量糖尿病患者需人工胰2/4/2023283生物醫(yī)學(xué)工程經(jīng)典研究領(lǐng)域2/4/202329生物材料學(xué)人工器官生物系統(tǒng)建模與仿真生物醫(yī)學(xué)信號(hào)與傳感器生物醫(yī)學(xué)信息處理醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)物理因子在治療中應(yīng)用及生物學(xué)效應(yīng)生物力學(xué)……2/4/202330生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)生物醫(yī)學(xué)材料是用以和生物系統(tǒng)接合，以診斷、治療或替代機(jī)體中的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。可以是天然材料，也可以是合成材料或者是它們的結(jié)合，還可以是有生命力的活體細(xì)胞或天然組織與生命的材料結(jié)合而成的雜化材料。2/4/202331生物醫(yī)學(xué)材料用于制作植入人體的各種制品，也包括需要與血液直接接觸的醫(yī)用導(dǎo)管材料、醫(yī)療器械中需要進(jìn)入人體的探頭和電極材料，以及大部分齒科材料、藥物緩釋材料、外科手術(shù)縫合線、皮膚創(chuàng)面保護(hù)膜等材料。2/4/202332人工器官人工器官主要研究模擬人體器官的結(jié)構(gòu)和功能，用人工材料制成能部分或全部替代人體自然器官功能的機(jī)械裝置，當(dāng)人體器官發(fā)生病變而用常規(guī)方法不能醫(yī)治時(shí)，有可能給病人使用一個(gè)人工制造的系統(tǒng)來(lái)取代或部分取代病損的自然器官，補(bǔ)償或修復(fù)其功能。2/4/202333人體除大腦尚沒(méi)有人工大腦替代以外，幾乎人體各個(gè)器官都在進(jìn)行人工模擬研制中，其中已有不少人工制造的器官成功地用于臨床，修復(fù)了不少病損器官的功能，挽救了病人的生命。2/4/202334雖然人工器官研究已取得很大進(jìn)展，但從總體上看，人工器官在結(jié)構(gòu)和功能上均與自然器官有很大差別，大多數(shù)人工器官尚不能完全替代自然器官。人工器官的應(yīng)用與自然器官移植有互補(bǔ)作用，人工器官會(huì)為開展器官移植創(chuàng)造有利條件。2/4/202335生物系統(tǒng)建模與仿真生物系統(tǒng)的建模與仿真包括生物系統(tǒng)的建模、仿真、辯識(shí)與控制等內(nèi)容，其中心為建模與控制。生物系統(tǒng)的建模是對(duì)生物的分子、細(xì)胞、組織、器官和整體各層次的行動(dòng)、參數(shù)及其關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型的工作。生物系統(tǒng)的控制是人為地外加控制條件來(lái)影響生物系統(tǒng)的生命過(guò)程，以達(dá)到某種特定的目的。2/4/202336生物醫(yī)學(xué)信號(hào)與傳感器生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)是對(duì)生物體中包含的生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)、變量和成分等信息進(jìn)行檢測(cè)和量化的技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取各種生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量和處理的信號(hào)(一般為電信號(hào))的器件，是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。2/4/202337生物醫(yī)學(xué)信號(hào)包括生物體各層次的生理和生物化學(xué)信號(hào)，如心電、腦電、肌電、眼電等生物電信號(hào)，心磁、腦磁、眼磁等生物磁信號(hào)，血壓、體溫、呼吸、血流、脈搏等非電磁生理信號(hào)，血液、尿液、血?dú)庵械母鞣N化學(xué)量信號(hào)，酶、抗體、抗原、受體、激素、神經(jīng)質(zhì)等生物化學(xué)量信號(hào)。2/4/202338生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的一般特點(diǎn)是信號(hào)微弱，隨機(jī)性很強(qiáng)，噪聲和干擾背景強(qiáng)，動(dòng)態(tài)變化和個(gè)體差異大，因此要求檢測(cè)傳感器和系統(tǒng)的靈敏度高，噪聲小，抗干擾能力強(qiáng)，分辨力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性好。由于以人體為對(duì)象，故應(yīng)有良好的對(duì)人體內(nèi)環(huán)境的適應(yīng)性，對(duì)人體生理狀態(tài)擾動(dòng)小，尤其對(duì)傳感器系統(tǒng)的可靠性和安全性有特別嚴(yán)格的要求。2/4/202339生物醫(yī)學(xué)信息處理生物醫(yī)學(xué)信號(hào)種類繁多，其主要的外在特點(diǎn)是隨機(jī)性大，噪聲背景強(qiáng)，而且個(gè)體差異顯著。例如，心電、肌電信號(hào)總是伴隨有因肢體動(dòng)作和精神緊張等所帶來(lái)的假象，而且還常常有較強(qiáng)的工頻干擾及電極偽差；誘發(fā)腦電信號(hào)總是伴隨強(qiáng)的自發(fā)腦電信號(hào)；超聲波回波信號(hào)中往往伴隨其他發(fā)射雜波；生物磁信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地磁場(chǎng)和環(huán)境磁噪聲強(qiáng)度。2/4/202340生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)主要的研究任務(wù)是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信息的特點(diǎn)和測(cè)量的要求，應(yīng)用并發(fā)展信息科學(xué)的基本理論，研究從被干擾和噪聲所淹沒(méi)的信號(hào)中提取特定的生物醫(yī)學(xué)信息，并對(duì)其進(jìn)行分析、解釋和分類的方法。2/4/202341生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)是生理、測(cè)量、模式識(shí)別、人工智能和數(shù)字信號(hào)處理等多種學(xué)科的交叉領(lǐng)域。該技術(shù)一方面可以將隨機(jī)過(guò)程、統(tǒng)計(jì)檢測(cè)與估計(jì)、時(shí)間序列分析等數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)中；另一方面還要在深化對(duì)生命機(jī)理認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上建立獨(dú)特的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理理論與體系2/4/202342醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)醫(yī)學(xué)圖像含有極豐富的人體信息，因而在醫(yī)生進(jìn)行臨床診斷和病人治療中具有愈來(lái)愈重要的作用。醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)可分成兩部分內(nèi)容，即醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)。前者是把人體中醫(yī)生感興趣的信息提取出來(lái)，并以圖像形式表示，這些信息包括形態(tài)信息、功能信息及成分信息；圖像的形式可以是二維、三維及四維信息。后者是在獲得醫(yī)學(xué)圖像后對(duì)其進(jìn)行分析、識(shí)別、解釋和分類，以把某些部分增強(qiáng)，或提取某些特征。2/4/202343物理因子在治療中應(yīng)用及生物學(xué)效應(yīng)應(yīng)用電磁、磁場(chǎng)、電磁輻射、超聲等物理能量治療疾病或緩解病痛，是藥物和傳統(tǒng)手術(shù)治療以外的重要輔助治療手段，其優(yōu)點(diǎn)是創(chuàng)傷小，副作用小，費(fèi)用低，易于推廣，有些還特別適合于長(zhǎng)期保健性治療和功能輔助中。2/4/202344物理因子生物效應(yīng)主要是通過(guò)對(duì)生物群體的流行病學(xué)調(diào)查、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及在離體細(xì)胞和分子水平上的多層次研究，研究物理因子對(duì)人體疾病和治療作用及其機(jī)理，確定應(yīng)用的方法，確定有效作用的劑量和安全劑量，從而發(fā)展應(yīng)用各種物理因子治療疾病的技術(shù)，并防止其可能的有害影響。什么是生物力學(xué)力學(xué)生命科學(xué)生物體、器官的生長(zhǎng)、消亡以及運(yùn)動(dòng)中的力學(xué)問(wèn)題.了解生命組織的生理特征組織學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)裝置以及醫(yī)療器械等結(jié)合力學(xué)與生命科學(xué)、生理學(xué)等學(xué)科，研究力作用的生物效應(yīng)，進(jìn)而服務(wù)于臨床、科研以及實(shí)驗(yàn)及醫(yī)療器械、仿生器械的設(shè)計(jì)生物力學(xué)的發(fā)展過(guò)程數(shù)學(xué)家歐拉：理想流體在彈性管中的流動(dòng)方程，闡述了脈搏波的傳播數(shù)學(xué)家Borelli(博雷利)：《論生物的運(yùn)動(dòng)》，肌肉的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題英國(guó)醫(yī)生Yang：聲帶發(fā)音的彈性力學(xué)理論，楊氏模量法國(guó)流體力學(xué)家Poiseulle(泊肅葉)：動(dòng)脈壓的問(wèn)題生物工程之父：VonHelmholts

海姆霍斯Konigsberg(哥尼斯堡)大學(xué)波恩大學(xué)海德堡大學(xué)柏林大學(xué)視覺(jué)三色理論測(cè)定神經(jīng)傳播速度共振儀渦量守恒定律馮元楨：航空工程專家，后又致力于生物力學(xué)研究世界生物力學(xué)組織主席、美國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)主席等職舉世公認(rèn)的生物力學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人生物軟組織本構(gòu)關(guān)系的研究肺血流動(dòng)力學(xué)規(guī)律的研究生物組織器官生長(zhǎng)和應(yīng)力關(guān)系的研究生物力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀納米機(jī)器人生物力學(xué)分析軟件臨床與理論綜合微觀層面與系統(tǒng)層面相結(jié)合多學(xué)科交叉信息技術(shù)在生物力學(xué)中的應(yīng)用圖像處理、光學(xué)、電信測(cè)量等生物力學(xué)的研究方向涉及內(nèi)容廣泛，有很大的臨床及工程應(yīng)用價(jià)值生物力學(xué)的研究方向生物材料力學(xué)生物流體力學(xué)生物固體力學(xué)生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)生物熱力學(xué)生物材料力學(xué)硬組織：牙齒，骨骼等軟組織：肌肉，皮膚，血管及生物膜生物材料的特點(diǎn)：多相(multi-phase)，非