生物醫(yī)學工程BME導論

生物醫(yī)學工程BME導論第一頁，共七十九頁，2022年，8月28日我國著名科學家顧方舟先生在“中國生物醫(yī)學工程的今天與明天”一書中這樣寫到“生物醫(yī)學工程學是這樣一門學科：它把人體各個層次上的生命過程（包括病理過程）看作是一個系統(tǒng)的狀態(tài)變化的過程；把工程學的理論和方法與生物學、醫(yī)學的理論和方法有機地結(jié)合起來去研究這類系統(tǒng)狀態(tài)變化的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用各種工程技術(shù)手段，建立適宜的方法和裝置，以最有效的途徑，人為地控制這種變化，以達預定的目標。生物醫(yī)學工程學的根本任務(wù)在于保障人類健康，為疾病的預防、診斷、治療和康復服務(wù)。第二頁，共七十九頁，2022年，8月28日

生物醫(yī)學工程是理、工、醫(yī)相結(jié)合的新興邊緣學科，是多種工程學科向生物學、醫(yī)學滲透并相互作用的結(jié)果。雖然它作為一門獨立的學科發(fā)展的歷史尚不太長（50年），但由于它在保障人類健康方面所起的巨大作用，它已經(jīng)成為當前醫(yī)療保健性產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)和支柱，許多國家都將其列為高技術(shù)領(lǐng)域。第三頁，共七十九頁，2022年，8月28日以人工心臟瓣膜這一典型的生物醫(yī)學工程項目為例，為了進行人工心臟瓣膜的設(shè)計和制造，人們需要作如下工作：1.了解心臟瓣膜開啟和關(guān)閉的機理，弄清人體心臟瓣膜的運動學和力學特性（定量）；2.解決人工心臟瓣膜材料問題（相容性、毒性、力學性質(zhì)和制備工藝等）；3.了解人工心臟機械瓣和生物瓣的力學特性和疲勞壽命，以及植入心臟后的長期生物效應(yīng)等。人工心臟瓣膜的制作和質(zhì)量控制與監(jiān)測等還要涉及一系列工程問題，此外還有成本控制問題。風濕性心臟病第四頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物醫(yī)學工程的特點：大跨度的、多學科的綜合性應(yīng)用學科。以人工器官為例，它需要生物材料學、生物力學、生理學及有關(guān)機電、化工工程技術(shù)的有機結(jié)合，甚至涉及社會倫理學。這種大跨度（從非生命科學到生命科學，乃至從自然科學到人文科學）的綜合，是傳統(tǒng)學科所沒有的，其發(fā)展需要工程技術(shù)與醫(yī)學兩方面人材的密切結(jié)合。既為醫(yī)學、生物學提供技術(shù)與裝備，又為醫(yī)學、生物學的發(fā)展開辟新路：因此它是變革醫(yī)學和生物學本身的一支重要力量。社會效益與經(jīng)濟效益的結(jié)合。醫(yī)學注重社會效益，工程學注重經(jīng)濟效益，生物醫(yī)學工程才是二者必然的結(jié)合。第五頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.1生物醫(yī)學工程學的發(fā)展狀況生物醫(yī)學工程是從20世紀50年代以來，隨著電子學、材料學、工程力學、信息科學和電子計算機等多種學科的進步并廣泛應(yīng)用于醫(yī)學和生物學領(lǐng)域而逐漸形成和發(fā)展的。電子學的滲入使心電、腦電、心音、B超等實用診斷技術(shù)逐步地出現(xiàn)和應(yīng)用于臨床；人體植入性心臟起搏器研制成功挽救了成千上萬心臟病患者的生命；與材料科學的結(jié)合，成功地研制出如醫(yī)用硅橡膠、醫(yī)用聚氨酯和有機玻璃制作的人工股骨等人體功能輔助及衛(wèi)生保健材料和制品；工程力學原理和方法的運用，使人們能夠定量地研究血液在心血管中流動特性，建立了本構(gòu)方程來刻畫血液的流動行為；以醫(yī)用材料為基礎(chǔ)的多學科相結(jié)合，開始早期的人工器官如人工腎、人工肺、人工晶體、人工心瓣膜的研制和臨床應(yīng)用。第六頁，共七十九頁，2022年，8月28日本構(gòu)規(guī)律：指生物體、組織器官的力學性質(zhì)，特別是其應(yīng)力與應(yīng)變的規(guī)律，稱為本構(gòu)規(guī)律。本構(gòu)方程：如果能將本構(gòu)規(guī)律以數(shù)學方程的形式表達出來，這一方程即稱為本構(gòu)方程。第七頁，共七十九頁，2022年，8月28日進入60年代以后，微電子學、信息科學、計算機科學、控制論、工程力學及材料科學等的迅速發(fā)展并緊密地與醫(yī)學結(jié)合，導致大量的醫(yī)療儀器設(shè)備如X線機、超聲儀、心電圖、腦電圖及球式機械人工心臟瓣膜等廣泛地應(yīng)用于臨床。這些對醫(yī)學進步，對臨床診療水平的提高起到了極大的推動作用，產(chǎn)生了巨大的社會效益；另外，醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)已形成規(guī)模，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。由此，生物醫(yī)學工程學這一新興的邊緣學科作為一門獨立的學科成立，成為時代的需要。第八頁，共七十九頁，2022年，8月28日

美國、日本和西方一些國家成立了醫(yī)學電子學和生物醫(yī)學工程學組織。世界性的國際生物醫(yī)學工程聯(lián)合會于1965年正式成立。七十年代以后，生物醫(yī)學工程涉及到生物醫(yī)學的各個方面，并取得長足的發(fā)展。理論研究方面，利用生物系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)對極為復雜的生命現(xiàn)象和生理過程的機制進行定量描述，如胰島素釋放控制模型和傳染病流行模型等；生物力學對骨、軟組織和血液的流變特性作了系統(tǒng)的研究，對心血管中血液流動建立了更接近生理的本構(gòu)方程；第九頁，共七十九頁，2022年，8月28日

應(yīng)用技術(shù)方面，X射線計算機斷層掃描裝置（X-線CT,X-ComputedTomography）在短短的二十年間已發(fā)展到第五代，同位素斷層圖像的放射型CT（ECT)，使單純形態(tài)檢查發(fā)展到功能診斷，多種斷層技術(shù)使醫(yī)學影像成為臨床診斷的支柱；第十頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物傳感器的問世，使有機物的測量進入了無試劑分析的時代，使連續(xù)動態(tài)監(jiān)測體內(nèi)有機成分成為可能；單板機、單片機使得醫(yī)療儀器微型化、智能化；高性能個人計算機的出現(xiàn)，使醫(yī)療儀器具有了多功能化特征，集醫(yī)學信息采集、檢測、處理和管理為一體，大大地提高了醫(yī)療效能；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬技術(shù)的實用化，使遠程醫(yī)療成為現(xiàn)實.第十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日現(xiàn)代醫(yī)學基本上是構(gòu)筑在生物醫(yī)學工程的基礎(chǔ)上。四大影像設(shè)備、各種生物電和器官壓力流量監(jiān)測等功能檢查設(shè)備、各種自動生化分析儀器，是現(xiàn)代臨床診斷的基礎(chǔ)；射頻儀、碎石機治愈了不少的患者；除顫器、埋藏式心臟起搏器和人工心瓣膜挽救和維持了全世界數(shù)百萬心臟病人的生命；人工腎等血液凈化技術(shù)，維持著數(shù)十萬腎功能衰竭病人的正常生活；人工晶體、人工關(guān)節(jié)、功能性假體已廣泛用于傷殘人的康復和功能輔助；生物力學的研究，對動脈粥樣硬化的血栓形成認識及對骨外科器具和人工器官的設(shè)計起了十分重要的作用?？傊?，現(xiàn)代醫(yī)學的進步離不開生物醫(yī)學工程的發(fā)展，反過來又提出了新的課題，促進生物醫(yī)學工程的進步。第十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日但是，另一方面，由于生物醫(yī)學工程的進步，高技術(shù)的醫(yī)療儀器裝備層出不窮，使得醫(yī)療保健費用呈指數(shù)曲線急劇上升，成為整個社會越來越沉重的負擔。目前這個負擔已經(jīng)沉重到北美、西歐等經(jīng)濟發(fā)達國家都難以承受的地步。具有諷刺意義的是，當初推動生物醫(yī)學工程發(fā)展的原因之一是指望借助于工程的方法來控制醫(yī)療費用的膨脹。但結(jié)果卻事與愿違，生物醫(yī)學工程技術(shù)越發(fā)達，醫(yī)療費用增長所造成的社會負擔卻越沉重。第十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日而從這種困境中解脫出來的唯一辦法，就是改變觀念，重視生物醫(yī)學工程的社會性。不能將生物醫(yī)學工程看成是一門單純的技術(shù)科學，看作是各種現(xiàn)代科學技術(shù)在醫(yī)學上的簡單應(yīng)用。實際上生物醫(yī)學工程服務(wù)的對象是社會的每一個成員，因而必然受到社會經(jīng)濟承受能力的約束。如果忽略了這一點，片面地追求科學技術(shù)的先進性，或一味地追求生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益，其結(jié)果必然是使生物醫(yī)學工程自身陷于困境。第十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日中國生物醫(yī)學工程學科中國生物醫(yī)學工程學科是1978年由國家科委正式確立的，并于1980年成立了中國生物醫(yī)學工程學會，中國醫(yī)學科學院院長黃家駟教授任首屆會長。先后在18個省、直瞎市成立了分會，并于1986年正式加入IFMBE。至今設(shè)10個學科分會和專業(yè)委員會。目前全國有近四十所高校有相當規(guī)模的生物醫(yī)學工程研究室、所，博士點十多個，碩士點幾十個，對我國的生物醫(yī)學工程學發(fā)展起了十分重要的作用。第十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日我國的生物醫(yī)學工程是仿效西方的模式建立起來的。在學科形成的初期，這種仿效是必然的。但是在西方生物醫(yī)學工程的進步與它的社會效應(yīng)的矛盾日益顯露的今天，中國的生物醫(yī)學工程要發(fā)展，就必須要充分認識我國的基本國情，要以大多數(shù)中國人的衛(wèi)生保健的急需為目標，立足于我國經(jīng)濟和技術(shù)的可能，在促進我國醫(yī)學水平提高的同時，必須有助于社會醫(yī)療費用的控制。第十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日1.2生物醫(yī)學工程學的科學范圍生物醫(yī)學工程學是工程學與生物學、醫(yī)學結(jié)合的產(chǎn)物，任何工程學科與生物學和醫(yī)學的結(jié)合均屬于生物醫(yī)學工程的范疇，因此生物醫(yī)學工程的研究領(lǐng)域十分廣泛，并在不斷的發(fā)展，目前較成熟的領(lǐng)域有如下八個：生物力學生物材料生物系統(tǒng)建模與仿真第十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日物理因子在治療中的應(yīng)用及其生物效應(yīng)生物醫(yī)學信號檢測與傳感器生物醫(yī)學信號處理醫(yī)學圖像技術(shù)人工器官第十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物力學（BiologicalMechanics）：生物力學是力學與生物學、醫(yī)學等學科之間相互滲透的邊緣學科。它的目的是試圖從力學的角度來了解生命。具體地說，它將用經(jīng)典力學、固體力學、流體力學的知識來解釋生命的某些現(xiàn)象；用力學的方法定量地分析、研究生命系統(tǒng)的功能與構(gòu)造的關(guān)系，進而探討生命的整個力學過程。第十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物力學所涉及的領(lǐng)域很廣，目前認為它主要包括骨骼生物力學、人體運動力學、血液循環(huán)力學、呼吸流變學和生物熱力學等分支學科。生物力學的研究，加深了對血液流變特性與疾病的關(guān)系，骨力學特性與骨折愈合的關(guān)系，血液流動規(guī)律與心血管疾病的關(guān)系等的理解。應(yīng)用生物力學的研究成果，指導人工關(guān)節(jié)、人工心臟瓣膜等人工器官的設(shè)計。第二十頁，共七十九頁，2022年，8月28日近年來，由于醫(yī)學科學技術(shù)的發(fā)展．仿生學、宇航技術(shù)的進步，給生物力學提出了一系列問題，促進了生物力學的蓬勃發(fā)展。60年代后期，電子計算機開始用于醫(yī)學，為生物力學開辟了新的前景。生物力學的研究開始于60年代。1960年，美國的第一屆仿生學討論會引起了人們對生物力學的注意和興趣。此后，美、歐、日、蘇、澳、加等國都相繼建立了專門的研究機構(gòu)，并多次召開國際性生物流變學會議和生物力學討論會。第二十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日1978年，在中國科學院組織的全國力學規(guī)劃會議上，將生物力學作為一門獨立的學科列入規(guī)劃中。與此同時，中國力學會組織了全國性的生物力學專業(yè)組。此后，國內(nèi)諸多著名大學相繼建立了生物力學研究所或研究機構(gòu)，并召開了多次全國性和地方性生物力學學術(shù)會議，通過交流更進一步促進了我國生物力學的發(fā)展。第二十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日骨骼生物力學

(SkeletonBiologicalMechanics）骨骼生物力學是生物力學的重要分支。盡管骨力學的研究已有上百年的歷史，但至今仍有許多問題處于有待深入研究的狀態(tài)。這是因為生物體是有生命的，與無生命的工程材料結(jié)構(gòu)有著根本的不同。因此．用力學原理來研究生物組織、器官和生物體是一件比較艱難和復雜的工作。第二十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日骨骼生物力學研究骨和骨骼體系的力學問題、骨的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學效應(yīng)的關(guān)系、骨的耦合力學效應(yīng)、骨的生長與斷裂的力學問題及骨骼生長的控制論等。骨骼在生物體內(nèi)占有重要的地位。骨的組織結(jié)構(gòu)十分復雜，與生物材料力學的關(guān)系十分密切。第二十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日近年來還有對骨的一般力學性質(zhì)、骨的粘彈性性質(zhì)、人顱骨沖擊韌度的測定、脊柱力學的性質(zhì)、關(guān)節(jié)受力分析、人工關(guān)節(jié)、骨傷、骨愈合的臨床研究，骨科復位固定器的效應(yīng)分析等有成效的研究。目前，對于骨的動力特性和骨作為一種有生命的組織的微觀力學效應(yīng)等方面，研究尚較少。骨骼生物力學在醫(yī)學方面的研究與應(yīng)用有著廣闊的前景，如骨的再造理論，骨的生長與應(yīng)力關(guān)系的理論等，對于矯形外科、骨傷的治療、防護及輔助器具的設(shè)計等許多方面都有著重要的作用。第二十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日骨骼生物力學的臨床應(yīng)用舉例：人工關(guān)節(jié)材料的選擇人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是骨骼生物力學最活躍的一個應(yīng)用領(lǐng)域。人工關(guān)節(jié)的應(yīng)用已有近百年歷史?，F(xiàn)在人工關(guān)節(jié)種類繁多，從人工關(guān)節(jié)設(shè)計、制造、植入和維護，既有工程問題，也有骨力學問題。選做工關(guān)節(jié)材料的基本要求是：與骨組織間有良好的生理相容性與耐腐蝕性；有足夠高的強度與疲勞壽命、較好的抗磨損性；良好的可加工性等。

第二十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日已被用做人工關(guān)節(jié)的材料有：超高分子聚乙烯、不銹鋼、鈦合金、鈷鉻鉬合金、陶瓷、硅橡膠和炭質(zhì)材料，其中陶瓷材料正逐漸被重視。由于以上材料的使用，使人工關(guān)節(jié)的適應(yīng)范圍和效果都有很大發(fā)展。從臨床的使用來看，以上材料的人工關(guān)節(jié)尚未引起抗原性反應(yīng)或致癌。第二十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日金屬材料的磨屑可增加感染率。單純的鈦抗磨損能力較差，但鈦合金則能提高抗磨損性能。鈷鉻鉬合金也有好的耐磨性，但與骨相比，其剛硬度太大：另外炭質(zhì)材料有優(yōu)良的生物相容性，其力學性質(zhì)上，有很強的耐磨損性。它的力學性質(zhì)與密質(zhì)骨也比較接近，其疲勞壽命也較長，但其強度較低，目前只用于小關(guān)節(jié)。動物實驗表明：鈷鉻鉬合金有較好的生理相容性，但長期使用這種臺金制成的人工關(guān)節(jié)，其血液與頭發(fā)中鈷的含量明顯增加。第二十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日超高分子聚乙烯有高度疏水性，耐磨性也好，多用來做人工關(guān)節(jié)臼。陶瓷材料有足夠的強度，耐磨性能好。硅橡膠有較好的生理相容性，但強度低，一般也只用于小關(guān)節(jié)。盡管人工關(guān)節(jié)材料有較多優(yōu)點，但也存在尚未克服的缺點．如金屬的電解、疲勞、腐蝕、磨損、松動、骨質(zhì)吸收等；塑料材料的老化、變脆；陶瓷優(yōu)點較多，但其質(zhì)脆、易折。上述材料有否致癌作用，尚待進一步研究。第二十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物材料（Biomaterial)：生物材料學是研究用以治療或替換機體內(nèi)的組織、器官或增強其功能的材料，以及這些材料與生物體之間的相互作用的學科。生物材料是與人體組織、體液或血液相接觸或作用而對人體無毒、無副作用、不凝血、不溶血，不引起人體細胞突變、畸變和癌變，不引起免疫排異和過敏反應(yīng)的特殊功能材料。迄今，生物材料有近千種，但被廣泛應(yīng)用的僅十余種。這些材料主要分為醫(yī)用合成或天然高分子材料、醫(yī)用金屬材料、醫(yī)學陶瓷、醫(yī)用碳素材料，以及它們的復合材料等類。第三十頁，共七十九頁，2022年，8月28日較活躍的研究開發(fā)領(lǐng)域有高抗凝血材料、生物活性陶瓷及玻璃、鈦及鈦合金、生物活性緩釋及描靶藥物載體材料、生物粘合劑、可吸收性生物材料、甲殼素及其衍生物的醫(yī)學應(yīng)用等。生物材料的種類十分繁多，用途非常廣泛。對生物材料的基本要求是：1.對生物體無害（生物性能）；2.有一定機械強度（機械性能）；3.有一定使用壽命（耐生物老化性能）。第三十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物材料已成功地就用于人工心臟瓣膜、人工血管、人工骨與關(guān)節(jié)、醫(yī)用導管、齒科材料、外科縫線、藥物緩釋載體、透析與超濾膜材料及一次性和植入性醫(yī)用制品等方面。材料技術(shù)的發(fā)展趨勢之一是尺度向越來越小的方向發(fā)展，以前組成材料的顆粒，其尺寸都在微米（百萬分之一米）量級，而現(xiàn)在出現(xiàn)了向納米（十億分之一米）尺度發(fā)展的材料。納米技術(shù)是繼互聯(lián)網(wǎng)、基因之后人們關(guān)注的又一大熱點。第三十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日洞察微觀世界的秘密，需要借助儀器來開拓視野、延伸雙手。８０年代初期，ＩＢＭ公司在世界上第一次研制成功表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（ＳＴＭ），使人類第一次能夠觀察到單個原子或分子的排列狀態(tài)。它給我們提供了對納米結(jié)構(gòu)進行測量和處理的“眼睛”和“手指”。形象地說，如果人站在月球上看地球，肉眼看見地球是一個球體，無法分辨出細節(jié)。用放大２０００倍的光學顯微鏡可以看到地球上的樓房。但如果使用放大上億倍的掃描隧道顯微鏡，則可以看到建筑物水泥墻或泥土中的沙粒。第三十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日什么是納米？納米(nanometer):長度單位的一種，1納米=10-9米，即十億分之一米。大約相當于頭發(fā)粗細的八萬分之一。21世紀，信息科學技術(shù)、生命科學技術(shù)和納米科學技術(shù)是科學技術(shù)發(fā)展的主流。人們普遍認為，納米技術(shù)是信息和生命科學技術(shù)能夠進一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)。納米技術(shù)所帶動的技術(shù)革命及其對人類的影響，遠遠超過電子技術(shù)。

第三十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日90年代起，各國科學家紛紛投入一場“納米戰(zhàn)”：在0.10至100納米尺度的空間內(nèi)，研究電子、原子和分子運動規(guī)律和特性。而納米材料則是由許多的原子分子構(gòu)成的具有納米結(jié)構(gòu)特征的物質(zhì)。納米粒子就是納米尺寸大小的微小顆粒。這種納米粒子表面積很大，每克達幾百至幾千平方米。表面具有很大的能量，具有常規(guī)材料根本不可能出現(xiàn)的多種新的功能和特性。第三十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日納米材料中包含了若干個原子、分子，使得人們可以在原子層面上進行材料和器件的設(shè)計和制備。幾十個原子、分子或成千個原子、分子"組合"在一起時，表現(xiàn)出既不同于單個原子、分子的性質(zhì)，也不同于大塊物體的性質(zhì)，如它的熔點、磁性、電容性、導電性、發(fā)光性和顏色及水溶性都有重大變化。第三十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日納米技術(shù)是在納米尺度內(nèi)，通過對物質(zhì)反應(yīng)、傳輸和轉(zhuǎn)變的控制來實現(xiàn)創(chuàng)造新的材料、器件和充分利用它們的特殊的性能，并且探索在納米尺度內(nèi)物質(zhì)運動的新現(xiàn)象和新規(guī)律。由于顆粒極度細化，晶界所占體積百分數(shù)增加，使得材料的某些性能發(fā)生截然不同的變化，例如，以前給人極脆印象的陶瓷，納米化居然可以用來加工制造發(fā)動機零件，在醫(yī)學上被用于骨科及齒科材料.第三十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日納米技術(shù)的基本涵義：

是指在微觀環(huán)境下，即在納米尺寸范圍內(nèi)，人類將認識和改造自然的能力延伸到原子、分子水平，通過直接操縱和安排原子、分子，原子團或分子團，使其重新排列、組合，創(chuàng)造出新的物質(zhì)或物品的高新技術(shù)。

納米材料的主要特點是什么？

呈現(xiàn)出與常規(guī)材料完全不同的性質(zhì)，納米鐵具有極強的磁性、不導電材料變成導電、特殊的遠紅外線輻射、強的紫外反射、強吸附性、強催化作用等等。第三十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日晶粒尺寸的減小將對力學性能產(chǎn)生很大的影響，使材料的強度、韌性和超塑性大大提高。在人工器官制造、臨床應(yīng)用等方面，納米陶瓷材料比傳統(tǒng)陶瓷材料有更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景。納米碳材料的應(yīng)用，使碳質(zhì)人工器官、人工骨、人工齒、人工肌腱的強度、硬度、韌度等多方面性能顯著提高。利用納米碳材料的高效吸附性，可將它用于血液的凈化，清除某些特定的病毒或成分。第三十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日目前盡管已對納米材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能進行了大量的研究，但在基礎(chǔ)理論及應(yīng)用開發(fā)等方面尚有大量的問題待探討。但其所表現(xiàn)出的優(yōu)異性能預示它在生物醫(yī)學工程領(lǐng)域尤其是在生物材料和人工器官、介入性治療、藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。第四十頁，共七十九頁，2022年，8月28日納米技術(shù)已經(jīng)滲透到：材料與制造、醫(yī)學與健康、環(huán)境與能源、納米電子學與計算機技術(shù)、航空航天探測等領(lǐng)域。美國科學基金會發(fā)表了400頁的報告，來說明納米技術(shù)對人類社會帶來的影響。報告指出：在十到十五年間，整個半導體產(chǎn)業(yè)和一半以上的制藥工業(yè)，將依賴于納米技術(shù)。

2000年美國克林頓政府提出了一個國家納米技術(shù)創(chuàng)新計劃，2001撥款達為4.22億美元。第四十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物系統(tǒng)建模與仿真生物系統(tǒng)建模是對生物的細胞、器官和整體各個層次的行為、參數(shù)及其關(guān)系建立數(shù)學模型的工作，最終希望用數(shù)學的形式表達出來。建模的目的是為了更好地了解生物系統(tǒng)的行為及規(guī)律，為生物控制奠定基礎(chǔ)。生物系統(tǒng)的仿真是用電子計算機求解生物系統(tǒng)的數(shù)學模型以分析和預測各種條件下生物系統(tǒng)運行機制和狀態(tài)的工作。第四十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物體是十分復雜的系統(tǒng)，即使最簡單的紅細胞也包含著約2000種代謝反應(yīng)，而大腦的復雜性就更是無法比擬的了。因此研究這種復雜的生物系統(tǒng)就需要十分復雜的實驗，而對于某些條件下的生物系統(tǒng)研究，其實驗往往難以進行。生物系統(tǒng)建模與仿真可以將生物系統(tǒng)簡化為數(shù)學模型并對此模型進行計算機分析，從而代替實際的復雜、長期、昂貴及至無法實現(xiàn)的實驗，大大提高研究效率和定量性，并可研究人為施加控制條件以影響生物系統(tǒng)運行過程。第四十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物系統(tǒng)建模與仿真可用于鑒別人體參數(shù)的異常以進行疾病診斷、糖尿病等疾病的預報、血壓等參數(shù)的自適應(yīng)控制。此外，在醫(yī)療儀器的研制和生物學、生理學、仿生學等學科的發(fā)展中，生物系統(tǒng)建模與仿真也具有很大價值。第四十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物系統(tǒng)控制是人為地外加控制條件來影響生物系統(tǒng)的生命過程，以達到某種特定的目的。如我們研究血壓、PH、體溫與心率的關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學模型，為研制按需型心臟起搏器提供理論基礎(chǔ)。建立流行病模型，為人們制定疾病的防疫措施提供理論依據(jù)。第四十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日物理因子在治療中的應(yīng)用及其生物效應(yīng)應(yīng)用電、磁、輻射、超聲等物理能量作為治療疾病或緩解病痛是藥物和手術(shù)治療以外的重要的治療手段。研究電、磁、輻射、超聲等物理能量作用和機理，并確定其有效劑量和安全標準，從而發(fā)展應(yīng)用物理因子治療疾病的技術(shù)，并防止其可能的有害影響。第四十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日激光輻射生物體后，由于組織可能產(chǎn)生光致熱、化學、壓強、電磁場和生物刺激等效應(yīng)，發(fā)生組織形態(tài)和功能的變化，故可用于臨床治療。強激光用于光凝、汽化和切割等手術(shù)治療，弱激光用于一般理療和針灸等非手術(shù)治療，應(yīng)用激光光動力學治療惡性腫瘤，激光治療已擴展到臨床各領(lǐng)域。第四十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日以微波和超聲為熱源的腫瘤加熱療法，近年來進行了大量的研究和開發(fā)工作，已有產(chǎn)品應(yīng)用于臨床。這種方法的優(yōu)點是可在不損傷正常細胞情況下殺傷癌細胞。加熱療法的研究動向主要在熱源、加熱區(qū)域定位、體內(nèi)測量與控制等方面。第四十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日在動態(tài)實時圖像引導下，把精巧的手術(shù)器械經(jīng)腔口、小切口或血管導管送到病患的部位進行手術(shù)治療的方法稱作介入性療法，由于創(chuàng)傷小，危險性小，費用少，故近年來發(fā)展較快。最具代表性的是經(jīng)皮冠狀動脈腔內(nèi)成形手術(shù)，還可施行熱切除、射頻消融、除顫、高速旋切等操作。介入性治療中必須有超小型精巧的工具、符合臨床要求的材料和良好的工藝，這是工程性研究的主要內(nèi)容。第四十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日高能量電離輻射光子或高能粒子照射人體內(nèi)病變部位可起到治療作用，這種方法稱為放射治療?，F(xiàn)已廣泛使用的是以鈷60的γ射線和直線加速器產(chǎn)生的電子流在靶上打出的硬X射線照射病變部位，主要用于治療惡性腫瘤。近年來用中子流和同步加速器中高能粒子束輻射出的連續(xù)硬X射線治療惡性腫瘤的報道很多，但這需要昂貴的設(shè)備和條件，難以推廣。第五十頁，共七十九頁，2022年，8月28日此外利用聚焦的連續(xù)超聲振動或沖擊波振碎病變結(jié)石的沖擊波碎石技術(shù)近年來發(fā)展很快。各種低頻或直流電場、磁場已經(jīng)被用于治療，有的與中醫(yī)針灸療法相結(jié)合，在治療某些常見病上有一定療效，特別是已開發(fā)了多種家用性電磁治療儀器。但這類技術(shù)需要進一步開展生物學效應(yīng)的研究，以避免盲目性，提高治療效果，防止對人體的有害影響。第五十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物醫(yī)學信號檢測與傳感器生物醫(yī)學信號檢測是對生物體中包含的生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)及變量和成分等信息的信號進行檢測和量化的技術(shù)。生物醫(yī)學傳感器是獲取各種生物信息并將其轉(zhuǎn)換成易于測量和處理的信號（一般為電信號）的器件，是生物醫(yī)學信號檢測的關(guān)鍵技術(shù)。第五十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物醫(yī)學信號涉及生物體各層次的生理、生化和生物信號，這些信息以物理量、化學量或生物量變化的形式表現(xiàn)出來，如心電、腦電、肌電、眼電、等生物電信號；血壓、體溫、呼吸、血流、脈搏等非電磁生理信號；血液、尿液、血氣等生物化學量信號；酶、蛋白、抗體、抗原等生物量信號。利用生物醫(yī)學傳感器將這些生物信息轉(zhuǎn)換成易于測量和處理的信號，一般為電信號，以便進一步處理，以了解生命活動的規(guī)律和本質(zhì)，為醫(yī)學研究和臨床診斷服務(wù)。如血壓和血流等信息可以了解心血管系統(tǒng)的狀態(tài)。第五十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物醫(yī)學信號的特點是信號微弱，隨機性強，噪聲和干擾背景強，動態(tài)變化和個體差異大，因此若要把摻雜在噪聲和干擾信號中的有用的生物醫(yī)學信號檢測出來，除要求用于檢測的傳感器系統(tǒng)具有靈敏度高、噪聲小、抗干擾能力強、分辨力強、動態(tài)特性好之外，對信號提取和分析的手段亦有較高的要求。第五十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物醫(yī)學傳感器按被檢測量劃分為物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器三類。物理型傳感器已用于血壓、血流、體溫、呼吸等各種生理量的測量，化學型傳感器用于對體液中的各種無機離子的測量，生物型傳感器能對生物體的酶、抗原抗體、激素、神經(jīng)遞質(zhì)以及核糖核酸等生物活性物質(zhì)的測量。由于生物系統(tǒng)十分復雜，生物體內(nèi)的信息豐富，生物信號檢測技術(shù)十分重要。第五十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物醫(yī)學傳感技術(shù)因其關(guān)鍵地位而受到各發(fā)達國家的重視。８０年代以來，美國、日本等國先后將生物傳感器列為重點研究項目，１９８５年起創(chuàng)辦了國際性專門刊物《Biosensor》，由此推動了生物傳感器的研究熱潮。生物體內(nèi)物質(zhì)互相作用或與外界物質(zhì)相互作用，常同時伴有物理變化及化學變化，故生物醫(yī)學信號的檢出‘既可以用物理傳感器也可以用化學傳感器’,化學傳感器常受較多干擾，如電極電位漂移、電極表面中毒等，使這類傳感器的性能提高受到限制。第五十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日

與傳統(tǒng)的電化學傳感器相比，光纖化學傳感器（ＦＯＣＳ）有如下特點：（１）光纖及探頭均可微型化，生物兼容性好，加之良好的柔韌性和不帶電的安全性，使其更加適合臨床醫(yī)學上的實時、在體檢測；（２）光纖傳輸功率損耗小，傳輸信息容量大，抗電磁干擾，耐高溫、高壓，防腐，阻燃，防爆，使之可用于遠距離遙測和某些特殊環(huán)境的分析；（３）可采用多波長和時間分辨技術(shù)來提高方法的選擇性，可同時進行多參數(shù)或連續(xù)多點檢測，以獲得大量信息；第五十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日（４）適當選擇化學試劑及其固定方法，可檢測多種物質(zhì)，靈活性很大；（５）不需要電位法的參比電極，用廉價光源照射樣品，可使成本大大降低；（６）在大多數(shù)情況下，ＦＯＣＳ不改變樣品的組成，是非破壞性分析。目前，光纖傳感器已成為生物醫(yī)學分析的一個重要發(fā)展方向。第五十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日物理傳感器主要包括熱敏生物傳感器、聲效應(yīng)管生物傳感器、光學生物傳感器、聲波道生物傳器。熱敏生物傳感器應(yīng)用范圍較廣，它具有線路簡單、靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點，適用于對病人進行實時監(jiān)護。光學生物傳感器是利用生物發(fā)光或生物物質(zhì)對光波的擾動進行測量，精度高，抗電磁干擾，非常靈敏，但線性范圍窄。聲效應(yīng)管生物傳感器是今后的重要發(fā)展方向之一，高度集成化后，可做成多功能微型傳感器。聲波道傳感器對力學及電學量都很敏感,它具有靈敏度高、易于集成化、微型化等優(yōu)點，應(yīng)用范圍較廣，越來越受到人們的重視。第五十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日目前，物理傳感器已經(jīng)實用化，化學傳感器也多已達到實用水平，生物傳感器大多數(shù)尚處于實驗開發(fā)階段。隨著微電子、光電子技術(shù)的發(fā)展，生物醫(yī)學傳感器也將繼續(xù)向微型化、多參數(shù)、實用化發(fā)展。微電子和微加工技術(shù)的進步，將導致集微傳感器、微處理器和微執(zhí)行器集于一體的微系統(tǒng)的問世與應(yīng)用。第六十頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物醫(yī)學信號處理生物醫(yī)學信號一般都是伴隨著噪聲和干擾的信號，如心電、肌電信號總是伴隨著因肢體動作和精神緊張等帶來的假象，而且有較強的工頻干擾；誘發(fā)腦電信號，總是伴隨著較強的自發(fā)腦是信號；超聲回波信號總是伴隨著其它反射雜波。此外，信號中無用成份亦應(yīng)視為檢測中的干擾。第六十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物信息處理技術(shù)即是研究從被檢測的湮沒在干擾和噪聲中的生物醫(yī)學信號中提取有用的生物醫(yī)學信息的方法。生物醫(yī)學信號的檢測與處理的方法，包括在強噪聲背景下對微弱生理信號的動態(tài)提取、多道生理信號的同步觀察與處理、生理信號的時間―頻率表示、自適應(yīng)處理、醫(yī)學專家系統(tǒng)等。另外，生物傳感器輸出的信號一般十分微弱，需要放大。第六十二頁，共七十九頁，2022年，8月28日再者，生物信號的特征部分才包含著生物信息，把這些信號的特征識別出來也是生物醫(yī)學信號處理的主要任務(wù)。例如累加平均技術(shù)對誘發(fā)腦電，希氏束電位、心室晚位等微弱信號的提取；在心電和腦電的體表檢測中采用計算機進行多道信號的同步觀察與處理，并推求原始信號原的活動；在生理信號的數(shù)據(jù)壓縮中開始引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法；在醫(yī)藥學特別是中國傳統(tǒng)醫(yī)學中的醫(yī)學專家系統(tǒng)已在發(fā)揮實際效益。第六十三頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物醫(yī)學信息處理技術(shù)的研究領(lǐng)域廣泛，但在發(fā)展之中，并存在大量的前沿性課題，均需繼續(xù)加強系統(tǒng)的、深入的研究，擴大其實用價值。近年來，小波變換（WT）被廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學信號檢測的許多領(lǐng)域。特別是其在時間－頻率平面具有良好的定位特性。第六十四頁，共七十九頁，2022年，8月28日在過去的幾年中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetworks，NN）在生物醫(yī)學領(lǐng)域中的應(yīng)用迅速擴大。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了一種與常規(guī)分析方法不同的計算方法。一般情況下，操作人員先用某種類型的一組輸入輸出數(shù)據(jù)訓練系統(tǒng)，讓系統(tǒng)學習，以后當把屬于這種類型的新數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)時，NN就能用學過的數(shù)據(jù)推測出而無需編制任何處理這類事件的特殊程序。第六十五頁，共七十九頁，2022年，8月28日雖然NN計算最初的重點是為了更好地了解大腦的活動，但它卻已經(jīng)在許多神經(jīng)生物學以外的應(yīng)用領(lǐng)域獲得了驚人的成功。已有多種NN模型被提出，其中某些模型已取得了引人注目的成果。在高分子序列分析，包括蛋白質(zhì)和DNA的NN研究對于醫(yī)學有潛在的重要性。第六十六頁，共七十九頁，2022年，8月28日NN在圖像分析及輔助診斷中的應(yīng)用，近年來受到了重視，用NN對胸部透視數(shù)據(jù)進行分析，對于鑒別良性與惡性病灶很有幫助，同時還減少了不必要的活組織檢查。在單光子發(fā)射計算機斷層成像（SPECT）中，NN分析甚至比人工看片在病灶探測方面更為準確。在診斷老年癡呆癥時NN能和專家相媲美。除圖像分析外，NN還被廣泛地應(yīng)用于心血管疾病的診斷及生化和化學分析等領(lǐng)域。第六十七頁，共七十九頁，2022年，8月28日生物醫(yī)學信號檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于臨床檢查、病人監(jiān)護、醫(yī)學實驗、在體控制、人工器官和運動醫(yī)學等領(lǐng)域，并成為生物醫(yī)學工種研究各領(lǐng)域的共用性技術(shù)。在各方面的應(yīng)用中，計算機發(fā)揮了重要的作用。例如，在心電和腦電的體表檢測中，計算機對多種生理信號進行同步觀察與處理，以利于更好地反應(yīng)信號源的活動。第六十八頁，共七十九頁，2022年，8月28日計算機心電圖診斷系統(tǒng)已被用戶所接受，成為知識處理在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域內(nèi)為數(shù)不多的幾個成功應(yīng)用的例子之一，在門診檢查、基礎(chǔ)護理、職業(yè)病防治、人口篩選和流行病研究等領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用。雖然目前的心電圖診斷系統(tǒng)還比不上專業(yè)醫(yī)生的水平，但心電圖的自動分析仍有改進的余地，研究人員正從不同的著重點對診斷程序作進一步的改進，如：利用每一心跳中有用的信息；綜合不同程序的結(jié)果；吸收心電學其它領(lǐng)域的知識；采用非心電圖的數(shù)據(jù)；利用記錄完備的心電數(shù)據(jù)來評估心電圖診斷程序等。第六十九頁，共七十九頁，2022年，8月28日醫(yī)學圖像技術(shù)從顯微鏡技術(shù)到CT、核磁共振以及各種內(nèi)窺鏡，醫(yī)學圖像一直是醫(yī)學信息的主要來源。醫(yī)學圖像技術(shù)包括醫(yī)學成像技術(shù)和圖像處理技術(shù)。醫(yī)學成像是把生物體中的有關(guān)信息以圖像形式提取并顯示出來。以成像的手段來分有X線成像、超聲成像、磁共振成像、放射性核素成像等;以圖像所包含的信息種類來分有形態(tài)學成像、成分成像和功能成像。圖像處理則是對已獲得的醫(yī)學圖像進行分析、識別、分割、解釋、分類以及作三維重建與顯示，其目的是把獲得的醫(yī)學圖像的某些部分增強，或提取某些特征，為醫(yī)生提供感興趣的信息。成像與圖像處理技術(shù)有時是結(jié)合成一體的。第七十頁，共七十九頁，2022年，8月28日醫(yī)學圖像具有直觀、形象和信息量豐富的特點，便于觀測和儲存，因而發(fā)展十分迅速，在現(xiàn)代醫(yī)學臨床診斷中已占越來越重要的地位。各種醫(yī)學圖像設(shè)備的產(chǎn)值也已在醫(yī)療裝備總產(chǎn)值中占有重要份額，并成為醫(yī)院診斷水平和裝備現(xiàn)代化程度的重要標志。第七十一頁，共七十九頁，2022年，8月28日

醫(yī)學圖像技術(shù)種類很多，傳統(tǒng)的顯微圖像、x線射線圖像和內(nèi)窺鏡圖像技術(shù)得到不斷發(fā)展；與計算機技術(shù)相結(jié)合的