生物醫(yī)學工程導論

生物醫(yī)學工程導論第一章概述什么叫生物醫(yī)學工程生物醫(yī)學工程〔BiomedicalEngineering,BME〕是運用自然科學和工程技術的原理和方法，研討人的生理、病理過程，提示人體的生命景象，并從工程角度處理防病治病問題的一門綜合性高技術學科。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)的形狀變化的過程；把工程學的實際和方法與生物學、醫(yī)學的實際和方法有機地結合起來去研討這類系統(tǒng)形狀變化的規(guī)律，并在此根底上，運用各種工程技術手段，建立適宜的方法和安裝，以最有效的途徑，人為地控制這種變化，以達預定的目的。生物醫(yī)學工程學的根本義務在于保證人類安康，為疾病的預防、診斷、治療和康復效力。生物醫(yī)學工程是理、工、醫(yī)相結合的新興邊緣學科，是多種工程學科向生物學、醫(yī)學浸透并相互作用的結果。雖然它作為一門獨立的學科開展的歷史尚不太長〔50年〕，但由于它在保證人類安康方面所起的宏大作用，它曾經成為當前醫(yī)療保健性產業(yè)的重要根底和支柱，許多國家都將其列為高技術領域。以人工心臟瓣膜這一典型的生物醫(yī)學工程工程為例，為了進展人工心臟瓣膜的設計和制造，人們需求作如下任務：1.了解心臟瓣膜開啟和封鎖的機理，弄清人體心臟瓣膜的運動學和力學特性〔定量〕；2.處理人工心臟瓣膜資料問題〔相容性、毒性、力學性質和制備工藝等〕；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等。人工心臟瓣膜的制造和質量控制與監(jiān)測等還要涉及一系列工程問題，此外還有本錢控制問題。風濕性心臟病生物醫(yī)學工程的特點：大跨度的、多學科的綜合性運用學科。以人工器官為例，它需求生物資料學、生物力學、生理學及有關機電、化工工程技術的有機結合，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，其開展需求工程技術與醫(yī)學兩方面人材的親密結合。既為醫(yī)學、生物學提供技術與配備，又為醫(yī)學、生物學的開展開辟新路：因此它是變革醫(yī)學和生物學本身的一支重要力量。社會效益與經濟效益的結合。醫(yī)學注重社會效益，工程學注重經濟效益，生物醫(yī)學工程才是二者必然的結合。1.1生物醫(yī)學工程學的開展情況生物醫(yī)學工程是從20世紀50年代以來，隨著電子學、資料學、工程力學、信息科學和電子計算機等多種學科的提高并廣泛運用于醫(yī)學和生物學領域而逐漸構成和開展的。電子學的滲入使心電、腦電、心音、B超等適用診斷技術逐漸地出現(xiàn)和運用于臨床；人體植入性心臟起搏器研制勝利挽救了成千上萬心臟病患者的生命；與資料科學的結合，勝利地研制出如醫(yī)用硅橡膠、醫(yī)用聚氨酯和有機玻璃制造的人工股骨等人體功能輔助及衛(wèi)生保健資料和制品；工程力學原理和方法的運用，使人們可以定量地研討血液在心血管中流動特性，建立了本構方程來描寫血液的流動行為；以醫(yī)用資料為根底的多學科相結合，開場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運用。本構規(guī)律：指生物體、組織器官的力學性質，特別是其應力與應變的規(guī)律，稱為本構規(guī)律。本構方程：假設能將本構規(guī)律以數學方程的方式表達出來，這一方程即稱為本構方程。進入60年代以后，微電子學、信息科學、計算機科學、控制論、工程力學及資料科學等的迅速開展并嚴密地與醫(yī)學結合，導致大量的醫(yī)療儀器設備如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運用于臨床。這些對醫(yī)學提高，對臨床診療程度的提高起到了極大的推進作用，產生了宏大的社會效益；另外，醫(yī)療器械產業(yè)已構成規(guī)模，產生了宏大的經濟效益。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，成為時代的需求。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)學工程結合會于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，并獲得長足的開展。實際研討方面，利用生物系統(tǒng)建模與仿真技術對極為復雜的生命景象和生理過程的機制進展定量描畫，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)的研討，對心血管中血液流動建立了更接近生理的本構方程； 運用技術方面，X射線計算機斷層掃描安裝〔X-線CT,X-ComputedTomography〕在短短的二十年間已開展到第五代，同位素斷層圖像的放射型CT〔ECT)，使單純形狀檢查開展到功能診斷，多種斷層技術使醫(yī)學影像成為臨床診斷的支柱；生物傳感器的問世，使有機物的丈量進入了無試劑分析的時代，使延續(xù)動態(tài)監(jiān)測體內有機成分成為能夠；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、處置和管理為一體，大大地提高了醫(yī)療效能；網絡技術和虛擬技術的適用化，使遠程醫(yī)療成為現(xiàn)實.現(xiàn)代醫(yī)學根本上是構筑在生物醫(yī)學工程的根底上。四大影像設備、各種生物電和器官壓力流量監(jiān)測等功能檢查設備、各種自動生化分析儀器，是現(xiàn)代臨床診斷的根底；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百萬心臟病人的生命；人工腎等血液凈化技術，維持著數十萬腎功能衰竭病人的正常生活；人工晶體、人工關節(jié)、功能性假體已廣泛用于傷殘人的康復和功能輔助；生物力學的研討，對動脈粥樣硬化的血栓構成認識及對骨外科器具和人工器官的設計起了非常重要的作用?？傊?，現(xiàn)代醫(yī)學的提高離不開生物醫(yī)學工程的開展，反過來又提出了新的課題，促進生物醫(yī)學工程的提高。但是，另一方面，由于生物醫(yī)學工程的提高，高技術的醫(yī)療儀器配備層出不窮，使得醫(yī)療保健費用呈指數曲線急劇上升，成為整個社會越來越繁重的負擔。目前這個負擔曾經繁重到北美、西歐等經濟興隆國家都難以接受的地步。具有挖苦意義的是，當初推進生物醫(yī)學工程開展的緣由之一是指望借助于工程的方法來控制醫(yī)療費用的膨脹。但結果卻事與愿違，生物醫(yī)學工程技術越興隆，醫(yī)療費用增長所呵斥的社會負擔卻越繁重。而從這種姿態(tài)中解脫出來的獨一方法，就是改動觀念，注重生物醫(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科學，看作是各種現(xiàn)代科學技術在醫(yī)學上的簡單運用。實踐上生物醫(yī)學工程效力的對象是社會的每一個成員，因此必然遭到社會經濟接受才干的約束。假設忽略了這一點，片面地追求科學技術的先進性，或一味地追求生物醫(yī)學工程產業(yè)的經濟效益，其結果必然是使生物醫(yī)學工程本身陷于姿態(tài)。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年正式參與IFMBE。至今設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)學工程研討室、所，博士點十多個，碩士點幾十個，對我國的生物醫(yī)學工程學開展起了非常重要的作用。我國的生物醫(yī)學工程是仿效西方的方式建立起來的。在學科構成的初期，這種仿效是必然的。但是在西方生物醫(yī)學工程的提高與它的社會效應的矛盾日益顯露的今天，中國的生物醫(yī)學工程要開展，就必需求充分認識我國的根本國情，要以大多數中國人的衛(wèi)生保健的急需為目的，立足于我國經濟和技術的能夠，在促進我國醫(yī)學程度提高的同時，必需有助于社會醫(yī)療費用的控制。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)學結合的產物，任何工程學科與生物學和醫(yī)學的結合均屬于生物醫(yī)學工程的范疇，因此生物醫(yī)學工程的研討領域非常廣泛，并在不斷的開展，目前較成熟的領域有如下八個：生物力學生物資料生物系統(tǒng)建模與仿真物理因子在治療中的運用及其生物效應生物醫(yī)學信號檢測與傳感器生物醫(yī)學信號處置醫(yī)學圖像技術人工器官生物力學〔BiologicalMechanics〕：生物力學是力學與生物學、醫(yī)學等學科之間相互浸透的邊緣學科。它的目的是試圖從力學的角度來了解生命。詳細地說，它將用經典力學、固膂力學、流膂力學的知識來解釋生命的某些景象；用力學的方法定量地分析、研討生命系統(tǒng)的功能與構造的關系，進而討論生命的整個力學過程。生物力學所涉及的領域很廣，目前以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。生物力學的研討，加深了對血液流變特性與疾病的關系，骨力學特性與骨折愈合的關系，血液流動規(guī)律與心血管疾病的關系等的了解。運用生物力學的研討成果，指點人工關節(jié)、人工心臟瓣膜等人工器官的設計。近年來，由于醫(yī)學科學技術的開展．仿生學、宇航技術的提高，給生物力學提出了一系列問題，促進了生物力學的蓬勃開展。60年代后期，電子計算機開場用于醫(yī)學，為生物力學開辟了新的前景。生物力學的研討開場于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留意和興趣。以后，美、歐、日、蘇、澳、加等國都相繼建立了專門的研討機構，并多次召開國際性生物流變學會議和生物力學討論會。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。以后，國內諸多著名大學相繼建立了生物力學研討所或研討機構，并召開了多次全國性和地方性生物力學學術會議，經過交流更進一步促進了我國生物力學的開展。骨骼生物力學

(SkeletonBiologicalMechanics〕骨骼生物力學是生物力學的重要分支。雖然骨力學的研討已有上百年的歷史，但至今仍有許多問題處于有待深化研討的形狀。這是由于生物體是有生命的，與無生命的工程資料構造有著根本的不同。因此．用力學原理來研討生物組織、器官和生物體是一件比較困難和復雜的任務。骨骼生物力學研討骨和骨骼體系的力學問題、骨的微觀構造與宏觀力學效應的關系、骨的耦合力學效應、骨的生長與斷裂的力學問題及骨骼生長的控制論等。骨骼在生物體內占有重要的位置。骨的組織構造非常復雜，與生物資料力學的關系非常親密。近年來還有對骨的普通力學性質、骨的粘彈性性質、人顱骨沖擊韌度的測定、脊柱力學的性質、關節(jié)受力分析、人工關節(jié)、骨傷、骨愈合的臨床研討，骨科復位固定器的效應分析等有效果的研討。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等方面，研討尚較少。骨骼生物力學在醫(yī)學方面的研討與運用有著寬廣的前景，如骨的再造實際，骨的生長與應力關系的實際等，對于矯形外科、骨傷的治療、防護及輔助器具的設計等許多方面都有著重要的作用。骨骼生物力學的臨床運用舉例：人工關節(jié)資料的選擇人工關節(jié)置換術是骨骼生物力學最活潑的一個運用領域。人工關節(jié)的運用已有近百年歷史。如今人工關節(jié)種類繁多，從人工關節(jié)設計、制造、植入和維護，既有工程問題，也有骨力學問題。選做工關節(jié)資料的根本要求是：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。

已被用做人工關節(jié)的資料有：超高分子聚乙烯、不銹鋼、鈦合金、鈷鉻鉬合金、陶瓷、硅橡膠和炭質資料，其中陶瓷資料正逐漸被注重。由于以上資料的運用，使人工關節(jié)的順應范圍和效果都有很大開展。從臨床的運用來看，以上資料的人工關節(jié)尚未引起抗原性反響或致癌。金屬資料的磨屑可添加感染率。單純的鈦抗磨損才干較差，但鈦合金那么能提高抗磨損性能。鈷鉻鉬合金也有好的耐磨性，但與骨相比，其剛硬度太大：另外炭質資料有優(yōu)良的生物相容性，其力學性質上，有很強的耐磨損性。它的力學性質與密質骨也比較接近，其疲勞壽命也較長，但其強度較低，目前只用于小關節(jié)。動物實驗闡明：鈷鉻鉬合金有較好的生理相容性，但長期運用這種臺金制成的人工關節(jié)，其血液與頭發(fā)中鈷的含量明顯添加。超高分子聚乙烯有高度疏水性，耐磨性也好，多用來做人工關節(jié)臼。陶瓷資料有足夠的強度，耐磨性能好。硅橡膠有較好的生理相容性，但強度低，普通也只用于小關節(jié)。雖然人工關節(jié)資料有較多優(yōu)點，但也存在尚未抑制的缺陷．如金屬的電解、疲勞、腐蝕、磨損、松動、骨質吸收等；塑料資料的老化、變脆；陶瓷優(yōu)點較多，但其質脆、易折。上述資料有否致癌作用，尚待進一步研討。生物資料〔Biomaterial)：生物資料學是研討用以治療或交換機體內的組織、器官或加強其功能的資料，以及這些資料與生物體之間的相互作用的學科。生物資料是與人體組織、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響的特殊功能資料。迄今，生物資料有近千種，但被廣泛運用的僅十余種。這些資料主要分為醫(yī)用合成或天然高分子資料、醫(yī)用金屬資料、醫(yī)學陶瓷、醫(yī)用碳素資料，以及它們的復合資料等類。較活潑的研討開發(fā)領域有高抗凝血資料、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資料、生物粘合劑、可吸收性生物資料、甲殼素及其衍生物的醫(yī)學運用等。生物資料的種類非常繁多，用途非常廣泛。對生物資料的根本要求是：1.對生物體無害〔生物性能〕；2.有一定機械強度〔機械性能〕；3.有一定運用壽命〔耐生物老化性能〕。生物資料已勝利地就用于人工心臟瓣膜、人工血管、人工骨與關節(jié)、醫(yī)用導管、齒科資料、外科縫線、藥物緩釋載體、透析與超濾膜資料及一次性和植入性醫(yī)用制品等方面。資料技術的開展趨勢之一是尺度向越來越小的方向開展，以前組成資料的顆粒，其尺寸都在微米〔百萬分之一米〕量級，而如今出現(xiàn)了向納米〔十億分之一米〕尺度開展的資料。納米技術是繼互聯(lián)網、基因之后人們關注的又一大熱點。洞察微觀世界的，需求借助儀器來開辟視野、延伸雙手。８０年代初期，ＩＢＭ公司在世界上第一次研制勝利外表分析儀器——掃描隧道顯微鏡〔ＳＴＭ〕，使人類第一次可以察看到單個原子或分子的陳列形狀。它給我們提供了對納米構造進展丈量和處置的“眼睛〞和“手指〞?；\統(tǒng)地說，假設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。但假設運用放大上億倍的掃描隧道顯微鏡，那么可以看到建筑物水泥墻或泥土中的沙粒。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、生命科學技術和納米科學技術是科學技術開展的主流。人們普遍以為，納米技術是信息和生命科學技術可以進一步開展的共同根底。納米技術所帶動的技術革命及其對人類的影響，遠遠超越電子技術。

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，研討電子、原子和分子運動規(guī)律和特性。而納米資料那么是由許多的原子分子構成的具有納米構造特征的物質。納米粒子就是納米尺寸大小的微小顆粒。這種納米粒子外表積很大，每克達幾百至幾千平方米。外表具有很大的能量，具有常規(guī)資料根本不能夠出現(xiàn)的多種新的功能和特性。納米資料中包含了假設干個原子、分子，使得人們可以在原子層面上進展資料和器件的設計和制備。幾十個原子、分子或成千個原子、分子"組合"在一同時，表現(xiàn)出既不同于單個原子、分子的性質，也不同于大塊物體的性質，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艱苦變化。納米技術是在納米尺度內，經過對物質反響、傳輸和轉變的控制來實現(xiàn)發(fā)明新的資料、器件和充分利用它們的特殊的性能，并且探求在納米尺度內物質運動的新景象和新規(guī)律。由于顆粒極度細化，晶界所占體積百分數添加，使得資料的某些性能發(fā)生截然不同的變化，例如，以前給人極脆印象的陶瓷，納米化通暢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資料.納米技術的根本涵義：

是指在微觀環(huán)境下，即在納米尺寸范圍內，人類將認識和改造自然的才干延伸到原子、分子程度，經過直接支配和安排原子、分子，原子團或分子團，使其重新陳列、組合，發(fā)明出新的物質或物品的高新技術。

納米資料的主要特點是什么？

呈現(xiàn)出與常規(guī)資料完全不同的性質，納米鐵具有極強的磁性、不導電資料變成導電、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。晶粒尺寸的減小將對力學性能產生很大的影響，使資料的強度、韌性和超塑性大大提高。在人工器官制造、臨床運用等方面，納米陶瓷資料比傳統(tǒng)陶瓷資料有更廣泛的運用和開展前景。納米碳資料的運用，使碳質人工器官、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。利用納米碳資料的高效吸附性，可將它用于血液的凈化，去除某些特定的病毒或成分。目前雖然已對納米資料的制備、構造與性能進展了大量的研討，但在根底實際及運用開發(fā)等方面尚有大量的問題待討論。但其所表現(xiàn)出的優(yōu)良性能預示它在生物醫(yī)學工程領域尤其是在生物資料和人工器官、介入性治療、藥物載體、血液凈化、生物大分子分別等方面具有廣泛的運用前景。納米技術曾經浸透到：資料與制造、醫(yī)學與安康、環(huán)境與能源、納米電子學與計算機技術、航空航天探測等領域。美國科學基金會發(fā)表了400頁的報告，來闡明納米技術對人類社會帶來的影響。報告指出：在十到十五年間，整個半導體產業(yè)和一半以上的制藥工業(yè)，將依賴于納米技術。

2000年美國克林頓政府提出了一個國家納米技術創(chuàng)新方案，2001撥款達為4.22億美圓。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、參數及其關系建立數學模型的任務，最終希望用數學的方式表達出來。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，為生物控制奠定根底。生物系統(tǒng)的仿真是用電子計算機求解生物系統(tǒng)的數學模型以分析和預測各種條件下生物系統(tǒng)運轉機制和形狀的任務。生物體是非常復雜的系統(tǒng)，即使最簡單的紅細胞也包含著約2000種代謝反響，而大腦的復雜性就更是無法比較的了。因此研討這種復雜的生物系統(tǒng)就需求非常復雜的實驗，而對于某些條件下的生物系統(tǒng)研討，其實驗往往難以進展。生物系統(tǒng)建模與仿真可以將生物系統(tǒng)簡化為數學模型并對此模型進展計算機分析，從而替代實踐的復雜、長期、昂貴及至無法實現(xiàn)的實驗，大大提高研討效率和定量性，并可研討人為施加控制條件以影響生物系統(tǒng)運轉過程。生物系統(tǒng)建模與仿真可用于鑒他人體參數的異常以進展疾病診斷、糖尿病等疾病的預告、血壓等參數的自順應控制。此外，在醫(yī)療儀器的研制和生物學、生理學、仿生學等學科的開展中，生物系統(tǒng)建模與仿真也具有很大價值。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，以到達某種特定的目的。如我們研討血壓、PH、體溫與心率的關系，建立相應的數學模型，為研制按需型心臟起搏器提供實際根底。建立流行病模型，為人們制定疾病的防疫措施提供實際根據。物理因子在治療中的運用及其生物效應運用電、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治療以外的重要的治療手段。研討電、磁、輻射、超聲等物理能量作用和機理，并確定其有效劑量和平安規(guī)范，從而開展運用物理因子治療疾病的技術，并防止其能夠的有害影響。激光輻射生物體后，由于組織能夠產生光致熱、化學、壓強、電磁場和生物刺激等效應，發(fā)生組織形狀和功能的變化，故可用于臨床治療。強激光用于光凝、汽化和切割等手術治療，弱激光用于普通理療和針灸等非手術治療，運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域。以微波和超聲為熱源的腫瘤加熱療法，近年來進展了大量的研討和開發(fā)任務，已有產品運用于臨床。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。加熱療法的研討動向主要在熱源、加熱區(qū)域定位、體內丈量與控制等方面。在動態(tài)實時圖像引導下，把精巧的手術器械經腔口、小切口或血管導管送到病患的部位進展手術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，故近年來開展較快。最具代表性的是經皮冠狀動脈腔內成形手術，還可施行熱切除、射頻消融、除顫、高速旋切等操作。介入性治療中必需有超小型精巧的工具、符合臨床要求的資料和良好的工藝，這是工程性研討的主要內容。高能量電離輻射光子或高能粒子照射人體內病變部位可起到治療作用，這種方法稱為放射治療?，F(xiàn)已廣泛運用的是以鈷60的γ射線和直線加速器產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延續(xù)硬X射線治療惡性腫瘤的報道很多，但這需求昂貴的設備和條件，難以推行。此外利用聚焦的延續(xù)超聲振動或沖擊波振碎病變結石的沖擊波碎石技術近年來開展很快。各種低頻或直流電場、磁場曾經被用于治療，有的與中醫(yī)針灸療法相結合，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。但這類技術需求進一步開展生物學效應的研討，以防止盲目性，提高治療效果，防止對人體的有害影響。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景象、形狀、性質及變量和成分等信息的信號進展檢測和量化的技術。生物醫(yī)學傳感器是獲取各種生物信息并將其轉換成易于丈量和處置的信號〔普通為電信號〕的器件，是生物醫(yī)學信號檢測的關鍵技術。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方式表現(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換成易于丈量和處置的信號，普通為電信號，以便進一步處置，以了解生命活動的規(guī)律和本質，為醫(yī)學研討和臨床診斷效力。如血壓和血流等信息可以了解心血管系統(tǒng)的形狀。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)變化和個體差別大，因此假設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、抗干擾才干強、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。生物醫(yī)學傳感器按被檢丈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丈量，化學型傳感器用于對體液中的各種無機離子的丈量，生物型傳感器能對生物體的酶、抗原抗體、激素、神經遞質以及核糖核酸等生物活性物質的丈量。由于生物系統(tǒng)非常復雜，生物體內的信息豐富，生物信號檢測技術非常重要。生物醫(yī)學傳感技術因其關鍵位置而遭到各興隆國家的注重。８０年代以來，美國、日本等國先后將生物傳感器列為重點研討工程，１９８５年起興辦了國際性專門刊物<Biosensor>，由此推進了生物傳感器的研討熱潮。生物體內物質相互作用或與外界物質相互作用，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、電極外表中毒等，使這類傳感器的性能提高遭到限制。

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平安性，使其更加適宜臨床醫(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，使之可用于遠間隔遙測和某些特殊環(huán)境的分析；〔３〕可采用多波長和時間分辨技術來提高方法的選擇性，可同時進展多參數或延續(xù)多點檢測，以獲得大量信息；〔４〕適中選擇化學試劑及其固定方法，可檢測多種物質，靈敏性很大；〔５〕不需求電位法的參比電極，用廉價光源照射樣品，可使本錢大大降低；〔６〕在大多數情況下，ＦＯＣＳ不改動樣品的組成，是非破壞性分析。目前，光纖傳感器已成為生物醫(yī)學分析的一個重要開展方向。物理傳感器主要包括熱敏生物傳感器、聲效應管生物傳感器、光學生物傳感器、聲波道生物傳器。熱敏生物傳感器運用范圍較廣，它具有線路簡單、靈敏度高、呼應快等優(yōu)點，適用于對病人進展實時監(jiān)護。光學生物傳感器是利用生物發(fā)光或生物物質對光波的擾動進展丈量，精度高，抗電磁干擾，非常靈敏，但線性范圍窄。聲效應管生物傳感器是今后的重要開展方向之一，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，運用范圍較廣，越來越遭到人們的注重。目前，物理傳感器曾經適用化，化學傳感器也多已到達適用程度，生物傳感器大多數尚處于實驗開發(fā)階段。隨著微電子、光電子技術的開展，生物醫(yī)學傳感器也將繼續(xù)向微型化、多參數、適用化開展。微電子和微加工技術的提高，將導致集微傳感器、微處置器和微執(zhí)行器集于一體的微系統(tǒng)的問世與運用。生物醫(yī)學信號處置生物醫(yī)學信號普通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視為檢測中的干擾。生物信息處置技術即是研討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)學信號的檢測與處置的方法，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察看與處置、生理信號的時間―頻率表示、自順應處置、醫(yī)學專家系統(tǒng)等。另外，生物傳感器輸出的信號普通非常微弱，需求放大。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)學信號處置的主要義務。例如累加平均技術對誘發(fā)腦電，希氏束電位、心室晚位等微弱信號的提??；在心電和腦電的體表檢測中采用計算機進展多道信號的同步察看與處置，并推求原始信號原的活動；在生理信號的數據緊縮中開場引入人工神經網絡方法；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)揚實踐效益。生物醫(yī)學信息處置技術的研討領域廣泛，但在開展之中，并存在大量的前沿性課題，均需繼續(xù)加強系統(tǒng)的、深化的研討，擴展其適用價值。近年來，小波變換〔WT〕被廣泛地運用于生物醫(yī)學信號檢測的許多領域。特別是其在時間－頻率平面具有良好的定位特性。在過去的幾年中，人工神經網絡〔ArtificialNeuralNetworks，NN〕在生物醫(yī)學領域中的運用迅速擴展。人工神經網絡提供了一種與常規(guī)分析方法不同的計算方法。普通情況下，操作人員先用某種類型的一組輸入輸出數據訓練系統(tǒng)，讓系統(tǒng)學習，以后當把屬于這種類型的新數據輸入系統(tǒng)時，NN就能用學過的數據推測出而無需編制任何處置這類事件的特殊程序。雖然NN計算最初的重點是為了更好地了解大腦的活動，但它卻曾經在許多神經生物學以外的運用領域獲得了驚人的勝利。已有多種NN模型被提出，其中某些模型已獲得了引人注目的成果。在高分子序列分析，包括蛋白質和DNA的NN研討對于醫(yī)學有潛在的重要性。NN在圖像分析及輔助診斷中的運用，近年來遭到了注重，用NN對胸部透視數據進展分析，對于鑒別良性與惡性病灶很有協(xié)助，同時還減少了不用要的活組織檢查。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還被廣泛地運用于心血管疾病的診斷及生化和化學分析等領域。生物醫(yī)學信號檢測技術已廣泛運用于臨床檢查、病人監(jiān)護、醫(yī)學實驗、在體控制、人工器官和運動醫(yī)學等領域，并成為生物醫(yī)學工種研討各領域的共用性技術。在各方面的運用中，計算機發(fā)揚了重要的作用。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展同步察看與處置，以利于更好地反響信號源的活動。計算機心電圖診斷系統(tǒng)已被用戶所接受，成為知識處置在醫(yī)療衛(wèi)生領域內為數不多的幾個勝利運用的例子之一，在門診檢查、根底護理、職業(yè)病防治、人口挑選和流行病研討等領域得到一定的運用。雖然目前的心電圖診斷系統(tǒng)還比不上專業(yè)醫(yī)生的程度，但心電圖的自動分析仍有改良的余地，研討人員正從不同的著重點對診斷程序作進一步的改良，如：利用每一心跳中有用的信息；綜合不同程序的結果；吸收心電學其它領域的知識；采用非心電圖的數據；利用記錄完備的心電數據來評價心電圖診斷程序等。醫(yī)學圖像技術從顯微鏡技術到CT、核磁共振以及各種內窺鏡，醫(yī)學圖像不斷是醫(yī)學信息的主要來源。醫(yī)學圖像技術包括醫(yī)學成像技術和圖像處置技術。醫(yī)學成像是把生物體中的有關信息以圖像方式提取并顯示出來。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狀學成像、成分成像和功能成像。圖像處置那么是對已獲得的醫(yī)學圖像進展分析、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)學圖像的某些部分加強，或提取某些特征，為醫(yī)生提供感興趣的信息。成像與圖像處置技術有時是結合成一體的。醫(yī)學圖像具有直觀、籠統(tǒng)和信息量豐富的特點，便于觀測和儲存，因此開展非常迅速，在現(xiàn)代醫(yī)學臨床診斷中已占越來越重要的位置。各種醫(yī)學圖像設備的產值也已在醫(yī)療配備總產值中占有重要份額，并成為醫(yī)院診斷程度和配備現(xiàn)代化程度的重要標志。醫(yī)學圖像技術種類很多，傳統(tǒng)的顯微圖像、x線射線圖像和內窺鏡圖像技術得到不斷開展；與計算機技術相結合的超聲醫(yī)學圖像、x線計算機斷層圖像(x線CT)、磁共振圖像(MRI)和放射性核素圖像等也已得到迅速開展和普及運用；熱成像、微波成像、電阻抗成像等技術亦在開發(fā)或研討之中，有的已構成產品。目前，B型超聲成像技術曾經普及運用，彩色超聲多普勒血流成像技術也已運用并日趨完善；x線CT已開展到第五代，掃描速度有了很大提高；MRI的磁體分量不斷減輕，并在血流成像和波譜分析方面獲得顯著進展；放射性核素成像可獲得組織化學及功能性圖像；運用計算機的顯微圖像技術已成為進展細胞和分子程度研討的重要手段。今后的重要課題是提高已有成像技術的成像速度和分辨力；擴展成像功能，特別是用于體內化學成份和生理功能的檢查；努力降低成像設備的本錢；提高圖像質量。此外，保證足夠的圖像質量和觀測精度的三維重建實際與技術的研討，也是遭到注重的課題。

醫(yī)學圖像處置方法很多。基于臨床知識、解剖學知識、成像技術知識和統(tǒng)計學知識等知識的綜合運用，使圖像處置技術開展迅速。此外，模糊處置技術、人工神經網絡等技術在醫(yī)學圖像處置中已遭到高度注重，三維圖像顯示技術亦是重要的開展方向。

人工器官當人體器官病傷而不能用常規(guī)方法治療時，有能夠給病人運用一種人工制造的安裝來部分或全部替代病損的自然器官，以補償、替代或修復自然器官的功能，這樣的器件或安裝稱為人工器官。例如，人工心臟瓣膜、人工血管、人工血液和人工心臟及心臟輔助安裝，可補償血液循環(huán)功能；人工關節(jié)、人工脊椎、人工骨、人工肌腱和假肢具有支持運動功能；人工腎、人工肝具有血液凈化功能；人工肺、人工氣管和人工喉具有呼吸輔助功能；人工食管、人工膽管和人工腸具有支持消化功能；

人工膀胱、人工輸尿管、人工尿道具有排尿輔助功能；人工胰、人工胰島細胞具有內分泌輔助功能；人工子宮、人工輸卵管、人工睪丸、人工陰道和陰莖假體具有生殖輔助功能；心臟起搏器、膈起搏器等具有神經傳導功能的輔助作用；人工視覺、人工聽覺、人工晶體、人工角膜、人工鼻等具有覺得輔助功能。可以說，除大腦以外，對人體的其他器官都在進展人工器官模擬和替代的研討，其中許多人工器官已不同程度地用于臨床，已構成了相當規(guī)模的人工器官產業(yè)。人工器官是生物工程各領域知識和技術的綜合表達。這個領域的進展，取決于對自然器官功能的充分了解和諸如生物力學、生物資料學、生物醫(yī)學傳感器和控制系統(tǒng)、生物系統(tǒng)的建模與仿真等各領域的提高。分開生物相容性好和鞏固耐用的生物資料，分開傳感器和控制系統(tǒng)的完善，人工器官是不能夠實現(xiàn)的。應該說，各種人工器官都存在許多問題有待處理。其中，心肺器官的輔助或替代是人工器官研討的首要問題。此外，血液凈化技術、內分泌功能輔助、覺得功能輔助等人工器官的研討和運用，對嚴重危害安康的腎功能疾病、糖尿病的治療和傷殘人的康復有重要意義，因此亦是重點開展的方向。人工器官的研討將愈來愈遭到注重并得到不斷開展和運用，可以預言，人工器官將成為愈來愈重要的和廣泛運用的治療手段，這將是二十一世紀醫(yī)學提高的一個顯著特點。與自然器官相比，人工器官仍有一定的差別，大多數人工器官不能完全替代自然器官。隨著自然器官移植的進展，人工器官作為自然器官移植的過渡，仍有一定的價值?？荚嚪椒耙蠓椒ǎ航灰黄C述要求：標題：不限，他所感興趣的生物醫(yī)學工程領域的各個方面均可。字數：3000字左右。不少于2000字。參考文獻：不少于3篇，且至少一篇英文文獻(應選擇近5年來的作品。文獻綜述的撰寫方法文獻綜述是對某一方面的專題搜集大量情報資料后經綜合分析而寫成的一種學術論文，它是科學文獻的一種。文獻綜述是反映當前某一領