生物醫(yī)學(xué)工程概論課件

生物醫(yī)學(xué)工程概論

生物醫(yī)學(xué)工程概論一、什么叫生物醫(yī)學(xué)工程運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和技術(shù)工程的原理和方法，從工程學(xué)角度研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其他生命現(xiàn)象，研究和開發(fā)為防病治病及人體功能輔助等醫(yī)學(xué)應(yīng)用服務(wù)的人工裝置和系統(tǒng)的一門綜合性高技術(shù)學(xué)科。根本任務(wù):

為疾病的預(yù)防、診治和康復(fù)服務(wù)，確保人類健康人工心臟瓣膜進(jìn)行人工心臟瓣膜的設(shè)計(jì)和制造，需要作如下工作：1.了解心臟瓣膜開啟和關(guān)閉的機(jī)理，弄清人體心臟瓣膜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)特性（定量）；2.解決人工心臟瓣膜材料問題（相容性、毒性、力學(xué)性質(zhì)和制備工藝等）；3.了解人工心臟機(jī)械瓣和生物瓣的力學(xué)特性和疲勞壽命，以及植入心臟后的長(zhǎng)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(cè)等還要涉及一系列工程問題，此外還有成本控制問題。生物醫(yī)學(xué)工程特點(diǎn)大跨度的、多學(xué)科的綜合性應(yīng)用學(xué)科。以人工器官為例，它需要生物材料學(xué)、生物力學(xué)、生理學(xué)及有關(guān)機(jī)電、化工工程技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，甚至涉及社會(huì)倫理學(xué)。這種大跨度（從非生命科學(xué)到生命科學(xué)，乃至從自然科學(xué)到人文科學(xué)）的綜合，是傳統(tǒng)學(xué)科所沒有的，其發(fā)展需要工程技術(shù)與醫(yī)學(xué)兩方面人材的密切結(jié)合。既為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)提供技術(shù)與裝備，又為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的發(fā)展開辟新路：因此它是變革醫(yī)學(xué)和生物學(xué)本身的一支重要力量。社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)合。醫(yī)學(xué)注重社會(huì)效益，工程學(xué)注重經(jīng)濟(jì)效益，生物醫(yī)學(xué)工程才是二者必然的結(jié)合。二、學(xué)科分類以應(yīng)用范疇為依據(jù)分類醫(yī)學(xué)工程（MedicalEngineering）臨床工程（ClinicalEngineering）康復(fù)工程（Rehabilitation）環(huán)衛(wèi)工程（EnvironmentalEngineering）中醫(yī)工程（theEngineeringofChineseTraditionalMedical）以學(xué)科專業(yè)為依據(jù)分類生物材料（Biomaterial）人工器官（ArtificialOrgans）生物信息（Bioinformation）生物控制（Biocybernetic）生物效應(yīng)（Bioeffect）生物反饋（Biofeedback）生物能量與質(zhì)量傳遞（BioenergyandMassTransfer）

生物力學(xué)（Biomechanics）

醫(yī)學(xué)電子（MedicalElectronics）醫(yī)學(xué)儀器及裝備（Medicaldevice&Instrument）人工智能（ArtificialIntelligence）醫(yī)用超聲（MedicalUltrasound）醫(yī)用激光（MedicalLaser）輻照醫(yī)學(xué)（MedicalRadiation）核醫(yī)學(xué)（NuclearMedicine）電子學(xué)的滲入使心電、腦電、心音、B超等實(shí)用診斷技術(shù)逐步地出現(xiàn)和應(yīng)用于臨床；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(xué)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(jī)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(xué)原理和方法的運(yùn)用，使人們能夠定量地研究血液在心血管中流動(dòng)特性，建立了本構(gòu)方程來刻畫血液的流動(dòng)行為；以醫(yī)用材料為基礎(chǔ)的多學(xué)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。進(jìn)入60年代以后，微電子學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、工程力學(xué)及材料科學(xué)等的迅速發(fā)展并緊密地與醫(yī)學(xué)結(jié)合，導(dǎo)致大量的醫(yī)療儀器設(shè)備如X線機(jī)、超聲儀、心電圖、腦電圖及球式機(jī)械人工心臟瓣膜等廣泛地應(yīng)用于臨床。這些對(duì)醫(yī)學(xué)進(jìn)步，對(duì)臨床診療水平的提高起到了極大的推動(dòng)作用，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)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(jì)效益。由此，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)這一新興的邊緣學(xué)科作為一門獨(dú)立的學(xué)科成立，成為時(shí)代的需要。

七十年代以后，生物醫(yī)學(xué)工程涉及到生物醫(yī)學(xué)的各個(gè)方面，并取得長(zhǎng)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(duì)極為復(fù)雜的生命現(xiàn)象和生理過程的機(jī)制進(jìn)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(xué)對(duì)骨、軟組織和血液的流變特性作了系統(tǒng)的研究，對(duì)心血管中血液流動(dòng)建立了更接近生理的本構(gòu)方程；應(yīng)用技術(shù)方面：X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描裝置、同位素?cái)鄬訄D像掃描裝置等影像設(shè)備使單純形態(tài)檢查發(fā)展到功能診斷，多種斷層技術(shù)使醫(yī)學(xué)影像成為臨床診斷的支柱；生物傳感器的問世，使有機(jī)物的測(cè)量進(jìn)入了無試劑分析的時(shí)代，使連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體內(nèi)有機(jī)成分成為可能；單片機(jī)使得醫(yī)療儀器微型化、智能化；高性能個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使醫(yī)療儀器具有了多功能化特征，集醫(yī)學(xué)信息采集、檢測(cè)、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(shí)用化，使遠(yuǎn)程醫(yī)療成為現(xiàn)實(shí)。三、生物醫(yī)學(xué)工程對(duì)醫(yī)學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)醫(yī)學(xué)到實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)的轉(zhuǎn)變醫(yī)學(xué)聽診技術(shù)的建立心電圖學(xué)的形成放射醫(yī)學(xué)的創(chuàng)建超聲醫(yī)學(xué)的創(chuàng)建醫(yī)用光學(xué)的創(chuàng)建人工器官的發(fā)明診斷治療儀器推進(jìn)了醫(yī)學(xué)診斷治療技術(shù)的跨越式發(fā)展生物力學(xué)生物力學(xué)是力學(xué)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科之間相互滲透的邊緣學(xué)科，目的是試圖從力學(xué)的角度來了解生命。具體地說：用經(jīng)典力學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)的知識(shí)來解釋生命的某些現(xiàn)象；用力學(xué)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(jìn)而探討生命的整個(gè)力學(xué)過程。生物力學(xué)所涉及的領(lǐng)域很廣，目前認(rèn)為它主要包括骨骼生物力學(xué)、人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)、血液循環(huán)力學(xué)、呼吸流變學(xué)和生物熱力學(xué)等分支學(xué)科。生物力學(xué)的研究，加深了對(duì)血液流變特性與疾病的關(guān)系，骨力學(xué)特性與骨折愈合的關(guān)系，血液流動(dòng)規(guī)律與心血管疾病的關(guān)系等的理解。應(yīng)用生物力學(xué)的研究成果，指導(dǎo)人工關(guān)節(jié)、人工心臟瓣膜等人工器官的設(shè)計(jì)。近年來，由于醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展．仿生學(xué)、宇航技術(shù)的進(jìn)步，給生物力學(xué)提出了一系列問題，促進(jìn)了生物力學(xué)的蓬勃發(fā)展。60年代后期，電子計(jì)算機(jī)開始用于醫(yī)學(xué)，為生物力學(xué)開辟了新的前景。生物力學(xué)的研究開始于60年代。1960年，美國(guó)的第一屆仿生學(xué)討論會(huì)引起了人們對(duì)生物力學(xué)的注意和興趣。此后，美、歐、日、蘇、澳、加等國(guó)都相繼建立了專門的研究機(jī)構(gòu)，并多次召開國(guó)際性生物流變學(xué)會(huì)議和生物力學(xué)討論會(huì)。1978年，在中國(guó)科學(xué)院組織的全國(guó)力學(xué)規(guī)劃會(huì)議上，將生物力學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科列入規(guī)劃中。與此同時(shí)，中國(guó)力學(xué)會(huì)組織了全國(guó)性的生物力學(xué)專業(yè)組。此后，國(guó)內(nèi)諸多著名大學(xué)相繼建立了生物力學(xué)研究所或研究機(jī)構(gòu)，并召開了多次全國(guó)性和地方性生物力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議，通過交流更進(jìn)一步促進(jìn)了我國(guó)生物力學(xué)的發(fā)展。生物材料生物材料學(xué)是研究用以治療或替換機(jī)體內(nèi)的組織、器官或增強(qiáng)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(xué)科。生物材料是與人體組織、體液或血液相接觸或作用而對(duì)人體無毒、無副作用、不凝血、不溶血，不引起人體細(xì)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。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(xué)應(yīng)用等。生物材料的種類十分繁多，用途非常廣泛。對(duì)生物材料的基本要求是：1.對(duì)生物體無害（生物性能）2.有一定機(jī)械強(qiáng)度（機(jī)械性能）3.有一定使用壽命（耐生物老化性能）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(jī)理，確定其有效劑量和安全標(biāo)準(zhǔn)，從而發(fā)展應(yīng)用物理因子治療疾病的技術(shù)，防止其可能的有害影響。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)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)及變量和成分等信息的信號(hào)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)。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)是信號(hào)微弱，隨機(jī)性強(qiáng)，噪聲和干擾背景強(qiáng)，動(dòng)態(tài)變化和個(gè)體差異大，因此若要把摻雜在噪聲和干擾信號(hào)中的有用的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)出來，除要求用于檢測(cè)的傳感器系統(tǒng)具有靈敏度高、噪聲小、抗干擾能力強(qiáng)、分辨力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)特性好之外，對(duì)信號(hào)提取和分析的手段亦有較高的要求。生物醫(yī)學(xué)傳感器按被檢測(cè)量劃分為物理傳感器、化學(xué)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(cè)量，化學(xué)型傳感器用于對(duì)體液中的各種無機(jī)離子的測(cè)量，生物型傳感器能對(duì)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(cè)量。由于生物系統(tǒng)十分復(fù)雜，生物體內(nèi)的信息豐富，生物信號(hào)檢測(cè)技術(shù)十分重要。醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)包括醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和圖像處理技術(shù)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)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(xué)成像、成分成像和功能成像。人工器官當(dāng)人體器官病傷而不能用常規(guī)方法醫(yī)治時(shí)，有可能給病人使用一種人工制造的裝置來部分或全部替代病損的自然器官，以補(bǔ)償、替代或修復(fù)自然器官的功能，這樣的器件或裝置稱為人工器官。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裝置，可補(bǔ)償血液循環(huán)功能；人工關(guān)節(jié)、人工脊椎、人工骨、人工肌腱和假肢具有支持運(yùn)動(dòng)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；人工器官是生物工程各領(lǐng)域知識(shí)和技術(shù)的綜合體現(xiàn)。這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展，取決于對(duì)自然器官功能的充分了解和諸如生物力學(xué)、生物材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)傳感器和控制系統(tǒng)、生物系統(tǒng)的建模與仿真等各領(lǐng)域的進(jìn)步。離開生物相容性好和堅(jiān)固耐用的生物材料，離開傳感器和控制系統(tǒng)的完善，人工器官是不可能實(shí)現(xiàn)的。生物醫(yī)學(xué)工程將孕育以下十大突破點(diǎn)：1、各種診療儀器、實(shí)驗(yàn)裝置趨向計(jì)算機(jī)化、智能化，遠(yuǎn)程醫(yī)療信息網(wǎng)絡(luò)化，診療機(jī)器人將被廣泛使用。2、介入性微創(chuàng)、無創(chuàng)診療技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)療，激光技術(shù)、納米技術(shù)和植入型超微機(jī)器人將在醫(yī)療各領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。3、隨著PET的問世和應(yīng)用，形態(tài)和功能相結(jié)合的新型檢測(cè)系統(tǒng)將迅速發(fā)展，非影像增顯劑型心血管、腦血管影像診查系統(tǒng)將問世。4、生物材料和組織工程將有較大發(fā)展，生物機(jī)械結(jié)合型、生物型人工器官將獲新突破，人工器官將在臨床醫(yī)療中廣泛應(yīng)用。5、材料和藥物相結(jié)合的新型給藥技術(shù)及裝置將有很大發(fā)展，植入型藥物長(zhǎng)效緩釋材料、藥物貼覆透入材料、促上皮和組織生長(zhǎng)可降解材料、生物制藥材料將有突破。6、用于社區(qū)、家庭、個(gè)人醫(yī)療