第1講 生物醫(yī)學工程的發(fā)展歷史

生物醫(yī)學工程學概論

劉常春教授醫(yī)療保健體系的支柱——生物醫(yī)學工程(BME)我為什么要學BME？好的健康保障體系美國的MD制度交叉學科、創(chuàng)新思維迎接人類第三次生物革命

Envisions"ThirdRevolution"inLifeSciences

—美國麻省理工學院院長（MITPresidentSusanHockfield）談生命科學和工程學的融合

生命科學與物理學和工程學融合所帶來的第三次生物革命沃森和克里克于1953年發(fā)現(xiàn)的脫氧核糖核酸（DNA）結(jié)構(gòu)為生命科學的兩次革命奠定了基石。

這兩次革命分別是分子生物學和基因組學前者揭示了編碼在DNA內(nèi)的信息是如何通過核糖核酸（RNA）解譯給完成生命功能的蛋白質(zhì)的，后者幫助人們揭示了基因組所攜帶的信息。

沃森克里克一對最佳搭檔，沃森熟悉噬菌體方面的實驗，他的博士論文即與此有關(guān)，而克里克則精通數(shù)學、物理學這些被沃森視之為有點難度的學科，他倆的合作是生物學與物理學互補的最佳典范。

在生命科學方面，人們看到的將是生命科學與物理學和工程學融合所帶來的第三次生物革命。在生命科學和工程學間，這種合作表面看更像是工程師在為生物學家和醫(yī)學家提供服務(wù)，然而正是它們的合作才孕育了生命科學再次革命的來臨。

SUsan表示，兩門學科緊密的關(guān)系現(xiàn)在已經(jīng)演變進化成了強有力的、富有成效的新生體，它們逐漸形成平等的關(guān)系，并出現(xiàn)兩者走向融合的跡象。在未來，合作雙方各自將從融合中獲益匪淺

生命科學與物理學和工程學融合—生物醫(yī)學工程領(lǐng)域

遠古時期人們對疾病的認識與診治：神靈的懲罰（禮拜、禱告）巫醫(yī)利用巫術(shù)進行診治（精神、心理）治病方式：植物或動物治病術(shù)士或巫師們觀察疾病的性質(zhì)，憑經(jīng)驗形成了原始醫(yī)學（草藥醫(yī)生、接骨者、手術(shù)者、接生婆等）原始醫(yī)學:

經(jīng)驗醫(yī)學(經(jīng)驗的、定性的)醫(yī)療保健體系的形成過程病痛是隨著原罪來到人間的。健康是上帝帶給世俗最好的禮物，而上帝通過瘟疫將苦難施加于有罪之人，上帝的臣民需虔誠地接收所有的痛苦。在瘟疫或疾病發(fā)生的時候，人們往往聚集起來進行集體修煉，以鞭打自己或相互鞭打來贖罪。(古希臘)西方醫(yī)學之父：希波克拉底(Hippocrates,B.C.460-377)給醫(yī)學注入科學精神：疾病是體內(nèi)失平衡引起的，病癥是身體對抗疾病的反應(yīng)，身體自身有自我康復(fù)的能力，醫(yī)師的主要任務(wù)是幫助身體的自然力量恢復(fù)平衡。蓋倫（Galenus,129-216AD,Pergamon）根據(jù)希氏文集、柏拉圖和亞里士多德等人的思想，創(chuàng)立了醫(yī)學綜合體系，羅馬歷史上最偉大醫(yī)師實踐研究與科學邏輯相結(jié)合，解剖與生理，細致觀察與醫(yī)療實踐。撰寫了“蓋侖制劑”、《論解剖規(guī)程》等300部著作他寫的人體解剖學是根據(jù)對動物的研究結(jié)果畫出的人體器官，有蒙人的成分，他反對對人體解剖、傲慢、喜歡吹噓，但由于他當時主宰了醫(yī)學界，又得到羅馬天主教的支持，他實際上也阻礙了醫(yī)學的求真探索。達芬奇等畫家把蓋侖用文字描述的人體畫成實物圖像，勾畫出了人體的心臟、肺、大腦和肌肉的結(jié)構(gòu)運用伽利略的運動和力學定律，求解了血液循環(huán)問題，測出了流經(jīng)動脈的血流量，用于診斷心臟功能。維薩里是近代人體解剖學創(chuàng)始人。約翰·湯姆遜(Thomson，JosephJohn。1856年（丙辰年）——1940年（庚辰年）)，著名的英國物理學家，以其對電子和同位素的實驗著稱。他是第三任卡文迪許實險室主任。一幅他正在研究陰極射線管的肖像掛在實驗室的麥克斯韋講演廳里。看上去，他不善于具體操作，但對儀器工作原理的理解卻是非常敏捷的。他發(fā)現(xiàn)了電子，并且獲得了諾貝爾物理學獎。倫琴，1845年（乙巳年）3月27日－1923年（癸亥年）2月10日），德國物理學家，1895年（乙未年）1月5日，他發(fā)現(xiàn)倫琴射線（X射線，俗稱X光）。他因發(fā)現(xiàn)X光，于1901年獲諾貝爾物理學獎，是世界上第一位獲這特殊榮耀的人。這種光有非常強的穿透力，倫琴就根據(jù)《圣經(jīng)》希伯來書，取希臘文“基督”的第一個字母X為名，稱為X光，即基督之光。16世紀（文藝復(fù)興時期）開始了對疾病的測量時代（從經(jīng)驗或定性到定量）加里略（1592）溫度計、脈搏計胡克（hooke，1666）顯微鏡（cell)列文虎克（leeuwenhock,1676)發(fā)現(xiàn)細菌荷蘭生理學家艾因托分（Einthovn,1894)---心電描記儀德國物理學家倫琴（Roentgen,1895)----X線，開創(chuàng)了人類第一張醫(yī)學影像。德國物理學家布希（Busch,1926)----電子顯微鏡。1927---Drinker發(fā)明了呼吸機1939---有人創(chuàng)建了心肺搭橋；

1940---心導(dǎo)管血管造影；1947---生物無線電遙測技術(shù)（心、腦電）；CT:由英國物理學家hounsfield在1971年研制成功，先用于顱腦疾病診斷，后于1976年又擴大到全身檢查。CT是用X線束對人體的某一部分按一定厚度的層面進行掃描，當X線射向人體組織時，部分射線被組織吸收，部分射線穿過人體被檢測器接收，產(chǎn)生信號。經(jīng)計算機處理產(chǎn)生解剖圖像。PET：正電子發(fā)射計算機斷層顯像。將放射性核素注入人體該核素在人體內(nèi)衰變放出正電子與人體內(nèi)的負電子相遇湮滅轉(zhuǎn)化為一對光子，該光子被探測器探測到，經(jīng)計算機處理后產(chǎn)生清晰的生理功能、代謝圖像。PET-CT：是上述二者的有機一體化組合，產(chǎn)生二者結(jié)果的圖像融合，圖像可提供人體的解剖結(jié)構(gòu)、生理生化功能信息。放射性診斷工欲善其事，必先利其器現(xiàn)代有創(chuàng)呼吸機現(xiàn)代無創(chuàng)呼吸機現(xiàn)代醫(yī)療保健體系與生物醫(yī)學工程相輔相成發(fā)展與電子胃鏡類似，是一種帶有微型攝像頭的器械，腹腔鏡手術(shù)就是利用腹腔鏡及其相關(guān)器械進行的手術(shù)：使用冷光源提供照明，將腹腔鏡頭（直徑為3～10mm）插入腹腔內(nèi)，運用數(shù)字攝像技術(shù)與使腹腔鏡鏡頭拍攝到的圖像通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)至后級信號處理系統(tǒng)，并且實時顯示在專用監(jiān)視器上。然后醫(yī)生通過監(jiān)視器屏幕上所顯示患者器官不同角度的圖像，對病人的病情進行分析判斷，并且運用特殊的腹腔鏡器械進行手術(shù)。

三尖瓣如同一個“單向活門”，保證血液循環(huán)由右心房一定向右心室方向流動和通過一定流量。1963年，美國物理學家cormack—圖像重建數(shù)學理論應(yīng)用于放射醫(yī)學研究

1948---超聲診斷儀1958---植入式人體心臟起博器，醫(yī)用超聲診斷儀發(fā)明50年代生物醫(yī)學材料和人工器官開始研制與使用。如硅橡膠、聚氨脂；人工腎、人工肺、人工心瓣膜、人工晶體等。1972年，英國豪斯菲爾德工程師在美國科學家馬克研究的基礎(chǔ)上發(fā)明了X射線計算機斷層掃描儀（ComputedTomography，CT）。1979年，豪斯菲爾德和馬克獲得諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。1973年，美國科學家勞特布爾和英國科學家曼斯菲爾德研制出臨床實用的磁共振成像儀（MagneticResonanceImaging,MRI）。同期上市的醫(yī)療器械（儀器）還有：心臟起搏器，高頻電刀，激光刀，X線刀，超聲刀，電子直線加速器等。20世紀末，由于生物技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，醫(yī)用分析儀有了長足進步。生物醫(yī)學工程作為一門新興的邊緣學科，數(shù)十年來得到了巨大的發(fā)展，當代幾乎所有的高新技術(shù)都被他所吸收和利用，并形成了一個龐大的新興產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)

單光子發(fā)射型計算機斷層（SinglephotonEmissionComputedTomography,SPECTorECT)正電子發(fā)射型斷層（PositronEmissionTomography,PET)新近研制開發(fā)—電阻抗斷層（ElectronicalImpedanceTomography,EIT)一、現(xiàn)有醫(yī)療保障體系存在的問題1、醫(yī)學離完全了解人體和解決健康問題還很遠很多疾病得不到正確診斷（誤診；待查；亞健康）很多疾病得不到有效治療（無治療辦法；不肯定是否有效）靠什么來解決這些問題？加大生命科學與工程學的融合，發(fā)展生物醫(yī)學工程（健康系統(tǒng)工程）2、以還原論為基礎(chǔ)的現(xiàn)代醫(yī)學科學不能適應(yīng)人體和疾病的復(fù)雜系統(tǒng)我們應(yīng)該看到還原論思想帶來的科學進步、帶來的現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展和對生命體的由表及里的認知，但也必須清楚：在還原論的指導(dǎo)下，我們對生命和疾病的認識是局部的、分離的、缺乏系統(tǒng)的、綜合的、整體的和本質(zhì)的認識和理解。－－韓啟德院士在香山科學會議上的報告二.在保障全民健康中過于偏重疾病

診治和醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展21世紀醫(yī)學技術(shù)的發(fā)展從根本上改變了人類的生活，我們隨時都在享用著這些發(fā)展。但是，隨著醫(yī)學技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)學目的開始變得模糊，醫(yī)療技術(shù)發(fā)展在很大程度上失去控制?，F(xiàn)實的后果---全球性的醫(yī)療危機1.非傳染性慢?。∟CD)成為人類健康和生命的主要危險2.巨大財力、人力的投入，但總體上控制不住NCD的發(fā)展3.醫(yī)療費用消耗，遠大于社會經(jīng)濟發(fā)展速率，是一種不可持續(xù)的態(tài)勢

我要掌握哪些知識？

我應(yīng)該有何素質(zhì)?生物醫(yī)學工程學科的產(chǎn)生國際上起步于1958年法國巴黎，在1958—1961年間主要以醫(yī)學電子、生物醫(yī)學電子學。參加國家9個，與會學者50名。1965年在東京召開第6次國際會議，確立了醫(yī)學電子和生物醫(yī)學工程。(BiomedicalEngineering)

特點：醫(yī)用電子學為主導(dǎo)的醫(yī)學工程我國生物醫(yī)學工程1978年我國將生物醫(yī)學工程確定為獨立的學科，制定了學科發(fā)展規(guī)劃---生物醫(yī)學儀器及工程90年代正式列為生物醫(yī)學工程學科只有一級學科，無二級學科生物醫(yī)學工程定義綜合運用現(xiàn)代自然科學和工程技術(shù)的原理、方法，從工程學的角度，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，揭示和論證生命運動的規(guī)律，深化對生命系統(tǒng)的認識，提供防病、治病、衛(wèi)生保健、康復(fù)、安全防護的新理論和新方法，設(shè)計和研制用于防病、治病等的裝置與系統(tǒng)、新材料、人工器官的一門新興交叉學科

2003年3月國家計委就組織實施生物醫(yī)學工程高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項發(fā)布公告，其產(chǎn)業(yè)范圍為：“生物醫(yī)學材料制品、(生物)人工器官、醫(yī)學影像和診斷設(shè)備、醫(yī)學電子儀器和監(jiān)護裝置、現(xiàn)代醫(yī)學治療設(shè)備、醫(yī)學信息技術(shù)、康復(fù)工程技術(shù)和裝置、組織工程等”生物學醫(yī)學工程學生物醫(yī)學工程學現(xiàn)代醫(yī)學儀器及技術(shù)按其用途可分為三類：1.醫(yī)學診斷技術(shù)與設(shè)備現(xiàn)代醫(yī)學中影像觀察、生理參數(shù)檢測、臨床檢驗等是基本的輔助診斷手段，相應(yīng)的技術(shù)與設(shè)備：（1）影像檢查設(shè)備:X射線（包括CR、DR）、X-CT、MRI、PET、SPECT以及超聲診斷儀、內(nèi)窺鏡、紅外熱成像、電阻抗成像等（2）電生理檢測、分析與監(jiān)護設(shè)備：EEG（electroencephalograph）

、ECG、EMG（Electromyography）、EOG（Electro-Oculogram）等電生理信號檢測；心率、血壓、脈搏、血氧、呼吸、體溫等生命指征檢測及分析處理設(shè)備，動態(tài)心電監(jiān)護、多道生理監(jiān)護、母嬰監(jiān)護、胎兒監(jiān)護等監(jiān)護設(shè)備。（3）生化分析檢驗設(shè)備與方法：生化分析（肝功類、腎功離子、其他）、血液分析(血細胞分析儀)、血氣分析（ph,o2,co2)、尿液分析等常規(guī)檢驗設(shè)備，熒光、免疫、基因芯片等新型生物學檢驗方法2.現(xiàn)代物理治療技術(shù)與設(shè)備物理治療的原理：(a)病灶的損毀、殺滅、切除；

(b)活體組織與器官的修補替代或功能輔助；(c)通過功能刺激促進新陳代謝，恢復(fù)機體和組織的正常功能。相應(yīng)設(shè)備分6類：（1）放療設(shè)備（2）定向能量外科設(shè)備（3）人工器官與功能輔助器械（4）常規(guī)理療設(shè)備（5）康復(fù)醫(yī)學設(shè)備（6）醫(yī)療保健設(shè)備3.醫(yī)學信息系統(tǒng)與設(shè)備建立醫(yī)院信息系統(tǒng)（hospitalinformationSystem，HIS)是構(gòu)建醫(yī)學信息系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟，HIS包括3個子系統(tǒng)：2023/10/2463（2)醫(yī)院管理信息系統(tǒng)(MIS)包括門診管理、病區(qū)管理、財務(wù)管理、藥房管理、行政管理、人事管理系統(tǒng)等（3）醫(yī)院辦公自動化（OA）醫(yī)院網(wǎng)站、電子郵件、公文傳送處理及辦公系統(tǒng)、電子圖書館等（1）臨床信息系統(tǒng)（clinicalinformationSystem，C