生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科分支及研究進(jìn)展.doc

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科分支及相關(guān)研究進(jìn)展生物醫(yī)學(xué)工程是一門(mén)由理、工、醫(yī)相結(jié)合的邊緣學(xué)科,是多種工程學(xué)科向生物醫(yī)學(xué)滲透的產(chǎn)物。它是運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法，從工程學(xué)的角度，在多層次上研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系，揭示其生命現(xiàn)象，為防病、治病提供新的技術(shù)手段的一門(mén)綜合性、高技術(shù)的學(xué)科。有識(shí)之士認(rèn)為，在新世紀(jì)隨著自然科學(xué)的不斷發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展前景不可估量。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科是一門(mén)高度綜合的交叉學(xué)科,這是它最大的特點(diǎn)。生物醫(yī)學(xué)工程的主干學(xué)科是生物醫(yī)學(xué)工程二級(jí)學(xué)科主要包括如下方面：1.學(xué)習(xí)科學(xué)：研究學(xué)習(xí)的規(guī)律，研究學(xué)生如何有效地從原有知識(shí)和能力，向新知識(shí)和能力的轉(zhuǎn)移。 2.生物信息技術(shù)：實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)和信息技術(shù)以及其他學(xué)科的有機(jī)結(jié)合，發(fā)展生物信息高通量、高效、快速的提取方法，發(fā)展疾病檢測(cè)的新方法和新技術(shù)，發(fā)展研究藥物與靶標(biāo)作用的新方法，發(fā)展基因組數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)基因組數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理、分析和可視化方法，解析生物大分子結(jié)構(gòu)和功能之間關(guān)系等，提高生物信息處理、分析和利用的水平，為我國(guó)生命科學(xué)和生物技術(shù)的源頭創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。 3.醫(yī)學(xué)圖像與醫(yī)學(xué)電子學(xué)：醫(yī)學(xué)圖像處理和分析、計(jì)算機(jī)輔助診斷和治療、醫(yī)學(xué)物理等，以及生物、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域理論和方法，并通過(guò)這些學(xué)科的交叉形成了新型學(xué)科。 4.生物與醫(yī)學(xué)納米技術(shù)：包括納米生物材料、納米生物器件研究、納米生物技術(shù)在臨床診療中的應(yīng)用、納米材料與器件的計(jì)算模擬。 5.生物醫(yī)學(xué)材料：生物醫(yī)用材料研究，用于人體、器官的診斷、修復(fù)、替換或增進(jìn)其功能。 6.醫(yī)學(xué)信息學(xué)及工程：應(yīng)用系統(tǒng)分析工具這一新技術(shù)（算法）來(lái)研究醫(yī)學(xué)的管理、過(guò)程控制、決策和對(duì)醫(yī)學(xué)知識(shí)科學(xué)分析。學(xué)科內(nèi)容生物力學(xué)是運(yùn)用力學(xué)的理論和方法，研究生物組織和器官的力學(xué)特性，研究機(jī)體力學(xué)特征與其功能的關(guān)系。生物力學(xué)的研究成果對(duì)了解人體傷病機(jī)理，確定治療方法有著重大意義，同時(shí)可為人工器官和組織的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 生物力學(xué)中又包括有生物流變學(xué)(血液流變學(xué)、軟組織力學(xué)和骨骼力學(xué))、循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和呼吸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等。目前生物力學(xué)在骨骼力學(xué)方面進(jìn)展較快。 生物控制論是研究生物體內(nèi)各種調(diào)節(jié)、控制現(xiàn)象的機(jī)理，進(jìn)而對(duì)生物體的生理和病理現(xiàn)象進(jìn)行控制，從而達(dá)到預(yù)防和治療疾病的目的。其方法是對(duì)生物體的一定結(jié)構(gòu)層次，從整體角度用綜合的方法定量地研究其動(dòng)態(tài)過(guò)程。 生物效應(yīng)是研究醫(yī)學(xué)診斷和治療中，各種因素可能對(duì)機(jī)體造成的危害和作用。它要研究光、聲、電磁輻射和核輻射等能量在機(jī)體內(nèi)的傳播和分布，以及其生物效應(yīng)和作用機(jī)理。 生物材料是制作各種人工器官的物質(zhì)基礎(chǔ)，它必須滿足各種器官對(duì)材料的各項(xiàng)要求，包括強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性、撓度及表面特性等各種物理、機(jī)械等性能。由于這些人工器官大多數(shù)是植入體內(nèi)的，所以要求具有耐腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性、無(wú)毒性，還要求與機(jī)體組織或血液有相容性。這些材料包括金屬、非金屬及復(fù)合材料、高分子材料等；目前輕合金材料的應(yīng)用較為廣泛。 醫(yī)學(xué)影像是臨床診斷疾病的主要手段之一，也是世界上開(kāi)發(fā)科研的重點(diǎn)課題。醫(yī)用影像設(shè)備主要采用 X射線、超聲、放射性核素磁共振等進(jìn)行成像。 X射線成像裝置主要有大型X射線機(jī)組、X射線數(shù)字減影(DSA)裝置、電子計(jì)算機(jī)X射線斷層成像裝置(CT)；超聲成像裝置有B型超聲檢查、彩色超聲多普勒檢查等裝置；放射性核素成像設(shè)備主要有照相機(jī)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像裝置和正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像裝置等；磁成像設(shè)備有共振斷層成像裝置；此外還有紅外線成像和正在興起的阻抗成像技術(shù)等。 醫(yī)用電子儀器是采集、分析和處理人體生理信號(hào)的主要設(shè)備，如心電、腦電、肌電圖儀和多參量的監(jiān)護(hù)儀等正在實(shí)現(xiàn)小型化和智能化。通過(guò)體液了解生物化學(xué)過(guò)程的生物化學(xué)檢驗(yàn)儀器已逐步走向微量化和自動(dòng)化。 治療儀器設(shè)備的發(fā)展比診斷設(shè)備要稍差一些。目前主要采用的是X射線、射線、放射性核素、超聲、微波和紅外線等儀器設(shè)備。大型的如：直線加速器、X射線深部治療機(jī)、體外碎石機(jī)、人工呼吸機(jī)等，小型的有激光腔內(nèi)碎石機(jī)、激光針灸儀以及電刺激儀等。 手術(shù)室中的常規(guī)設(shè)備已從單純的手術(shù)器械發(fā)展到高頻電刀、激光刀、呼吸麻醉機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、X射線電視，各種急救治療儀如除顫器等。 為了提高治療效果，在現(xiàn)代化的醫(yī)療技術(shù)中，許多治療系統(tǒng)內(nèi)有診斷儀器或一臺(tái)治療設(shè)備同時(shí)含有診斷功能，如除顫器帶有診斷心臟功能和指導(dǎo)選定治療參數(shù)的心電監(jiān)護(hù)儀，體外碎石機(jī)中裝備了進(jìn)行定位的X射線和超聲成像裝置，而植入人體中的人工心臟起搏器就具有感知心電的功能，從而能作出適應(yīng)性的起搏治療。 介入放射學(xué)是放射學(xué)中發(fā)展速度最快的領(lǐng)域，也就是在進(jìn)行介入治療時(shí)，采用了診斷用的x射線或超聲成像裝置以及內(nèi)窺鏡等來(lái)進(jìn)行診斷、引導(dǎo)和定位。它解決了很多診斷和治療上的難題，用損傷較小的方法治療疾病。 目前各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的高技術(shù)之一為醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，其中以圖像處理，阻抗成像、磁共振成像、三維成像技術(shù)以及圖像存檔和通信系統(tǒng)為主。在成像技術(shù)中生物磁成像是最新發(fā)展的課題，它是通過(guò)測(cè)量人體磁場(chǎng)，來(lái)對(duì)人體組織的電流進(jìn)行成像。 生物磁成像目前有二個(gè)方面。即心磁成像(可用以觀察心肌纖維的電活動(dòng)，可以很好地反映出心律失常和心肌缺血)和腦磁成像(用以診斷癲癇活動(dòng)、老年性癡呆和獲得性免疫缺陷綜合征的腦侵入，還可以對(duì)病損腦區(qū)進(jìn)行定位和定量)。 另一個(gè)世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的高技術(shù)是信號(hào)處理與分析技術(shù)，其中包括心電信號(hào)、腦電、眼震、語(yǔ)言、心音呼吸等信號(hào)和圖形的處理與分析。 高技術(shù)領(lǐng)域中還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，目前世界各國(guó)的科學(xué)家為此掀起了一個(gè)研究熱潮。它被認(rèn)為是有可能引起重大突破的新興邊緣學(xué)科，它研究人腦的思維機(jī)理，將其成果應(yīng)用于研制智能計(jì)算機(jī)技術(shù)。運(yùn)用智能原理去解決各類(lèi)實(shí)際難題，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的目的，在這一領(lǐng)域已取得可喜的成果。 工程分支生物醫(yī)用復(fù)合材料生物醫(yī)用復(fù)合材料(biomedical composite materials)是由兩種或兩種以上的不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用材料，它主要用于人體組織的修復(fù)、替換和人工器官的制造1。長(zhǎng)期臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料和高分子材料不具生物活性，與組織不易牢固結(jié)合，在生理環(huán)境中或植入體內(nèi)后受生理環(huán)境的影響，導(dǎo)致金屬離子或單體釋放，造成對(duì)機(jī)體的不良影響。而生物陶瓷材料雖然具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和相容性、高的強(qiáng)度和耐磨、耐蝕性，但材料的抗彎強(qiáng)度低、脆性大，在生理環(huán)境中的疲勞與破壞強(qiáng)度不高，在沒(méi)有補(bǔ)強(qiáng)措施的條件下，它只能應(yīng)用于不承受負(fù)荷或僅承受純壓應(yīng)力負(fù)荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿足臨床應(yīng)用的要求。利用不同性質(zhì)的材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用復(fù)合材料，不僅兼具組分材料的性質(zhì)，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結(jié)構(gòu)和性質(zhì)類(lèi)似于人體組織的生物醫(yī)學(xué)材料開(kāi)辟了一條廣闊的途徑，生物醫(yī)用復(fù)合材料必將成為生物醫(yī)用材料研究和發(fā)展中最為活躍的領(lǐng)域。 1.生物醫(yī)用復(fù)合材料組分材料的選擇要求 生物醫(yī)用復(fù)合材料根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，由基體材料與增強(qiáng)材料或功能材料組成，復(fù)合材料的性質(zhì)將取決于組分材料的性質(zhì)、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫(yī)用高分子、醫(yī)用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸鈣基或其他生物陶瓷、醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金等醫(yī)用金屬材料；增強(qiáng)體材料有碳纖維、不銹鋼和鈦基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強(qiáng)體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強(qiáng)體。 植入體內(nèi)的材料在人體復(fù)雜的生理環(huán)境中，長(zhǎng)期受物理、化學(xué)、生物電等因素的影響，同時(shí)各組織以及器官間普遍存在著許多動(dòng)態(tài)的相互作用，因此，生物醫(yī)用組分材料必須滿足下面幾項(xiàng)要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保證材料復(fù)合后不出現(xiàn)有損生物學(xué)性能的現(xiàn)象；(2)具有良好的生物穩(wěn)定性，材料的結(jié)構(gòu)不因體液作用而有變化，同時(shí)材料組成不引起生物體的生物反應(yīng)；(3)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，能夠承受人體的機(jī)械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應(yīng)，增強(qiáng)體材料還必須具有高的剛度、彈性模量和抗沖擊性能；(4)具有良好的滅菌性能，保證生物材料在臨床上的順利應(yīng)用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困難而使其應(yīng)用受到限制。 2.生物醫(yī)用復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用 陶瓷基生物醫(yī)用復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基體，通過(guò)不同方式引入顆粒、晶片、晶須或纖維等形狀的增強(qiáng)體材料而獲得的一類(lèi)復(fù)合材料。目前生物陶瓷基復(fù)合材料雖沒(méi)有多少品種達(dá)到臨床應(yīng)用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領(lǐng)域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨結(jié)合性能研究以及材料增強(qiáng)研究等。 Al2O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就開(kāi)始了臨床應(yīng)用研究，但它與生物硬組織的結(jié)合為一種機(jī)械的鎖合。以高強(qiáng)度氧化物陶瓷為基材，摻入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷優(yōu)良力學(xué)性能的基礎(chǔ)上賦予其一定的生物活性和骨結(jié)合能力。將具有不同膨脹系數(shù)的生物玻璃用高溫熔燒或等離子噴涂的方法，在致密Al2O3陶瓷髖關(guān)節(jié)植入物表面進(jìn)行涂層，試樣經(jīng)高溫處理，大量的Al2O3進(jìn)入玻璃層中，有效地增強(qiáng)了生物玻璃與Al2O3陶瓷的界面結(jié)合，復(fù)合材料在緩沖溶液中反應(yīng)數(shù)十分鐘即可有羥基磷灰石的形成。為滿足外科手術(shù)對(duì)生物學(xué)性能和力學(xué)性能的要求，人們又開(kāi)始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷與生物玻璃的復(fù)合研究，以使材料在氣孔率、比表面積、生物活性和機(jī)械強(qiáng)度等方面的綜合性能得以改善。近年來(lái)，對(duì)羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)復(fù)合材料的研究也日益增多。30% HA與70%TCP在1150燒結(jié)，其平均抗彎強(qiáng)度達(dá)155MPa，優(yōu)于純HA和TCP陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)HA-TCP致密復(fù)合材料的斷裂主要為穿晶斷裂，其沿晶斷裂的程度也大于純單相陶瓷材料。HA-TCP多孔復(fù)合材料植入動(dòng)物體內(nèi)，其性能起初類(lèi)似于-TCP，而后具有HA的特性，通過(guò)調(diào)整HA與TCP的比例，達(dá)到滿足不同臨床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末與HA制備而成的復(fù)合材料，植入兔骨中8周后取出，骨質(zhì)與復(fù)合材料之間的剪切破壞強(qiáng)度達(dá)27MPa，比純HA陶瓷有明顯的提高。 生物醫(yī)用陶瓷材料 生物醫(yī)用陶瓷材料由于其結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，其力學(xué)可靠性(尤其在濕生理環(huán)境中)較差，生物陶瓷的活性研究及其與骨組織的結(jié)合性能研究，并未能解決材料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的增強(qiáng)研究成為另一個(gè)研究重點(diǎn)，其增強(qiáng)方式主要有顆粒增強(qiáng)、晶須或纖維增強(qiáng)以及相變?cè)鲰g和層狀復(fù)合增強(qiáng)等3，57。當(dāng)HA粉末中添加10%50%的ZrO2粉末時(shí)，材料經(jīng)13501400熱壓燒結(jié)，其強(qiáng)度和韌性隨燒結(jié)溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復(fù)合材料，抗折強(qiáng)度達(dá)400MPa、斷裂韌性為2.83.0MPam1/2。ZrO2增韌-TCP復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性也隨ZrO2含量的增加而得到增強(qiáng)。納米SiC增強(qiáng)HA復(fù)合材料比純HA陶瓷的抗彎強(qiáng)度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強(qiáng)度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當(dāng)。晶須和纖維為陶瓷基復(fù)合材料的一種有效增韌補(bǔ)強(qiáng)材料，目前用于補(bǔ)強(qiáng)醫(yī)用復(fù)合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纖維或晶須以及C纖維等，SiC晶須增強(qiáng)生物活性玻璃陶瓷材料，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度可達(dá)460MPa、斷裂韌性達(dá)4.3MPam1/2，其韋布爾系數(shù)高。 數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理作為信號(hào)和信息處理的一個(gè)分支學(xué)科，已滲透到科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、 工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，取得了豐碩的成果。對(duì)信號(hào)在時(shí)域及變換域的特性進(jìn)行分析、處理，能使我們對(duì)信號(hào)的特性和本質(zhì)有更清楚的認(rèn)識(shí)和理解，得到我們需要的信號(hào)形式，提高信息的利用程度，進(jìn)而在更廣和更深層次上獲取信息。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)為：1.靈活性好：當(dāng)處理方法和參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，處理系統(tǒng)只需通過(guò)改變軟件設(shè)計(jì)以適應(yīng)相應(yīng)的變化。2.精度高：信號(hào)處理系統(tǒng)可以通過(guò)A/D變換的位數(shù)、處理器的字長(zhǎng)和適當(dāng)?shù)乃惴M足精度要求。3.可靠性好：處理系統(tǒng)受環(huán)境溫度、濕度，噪聲及電磁場(chǎng)的干擾所造成的影響較小。4.可大規(guī)模集成：隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、產(chǎn)品一致性好等優(yōu)點(diǎn)。 然而，數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)由于受到運(yùn)算速度的限制，其實(shí)時(shí)性在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)不如模擬信號(hào)處理系統(tǒng)，使得數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的應(yīng)用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP(數(shù)字信號(hào)處理)芯片誕生以來(lái)，這種情況得到了極大的改善。DSP芯片，也稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器。DSP芯片的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的提高，許多新系統(tǒng)、新算法應(yīng)運(yùn)而生，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。目前，DSP芯片已廣泛應(yīng)用于通信、自動(dòng)控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。 70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕生標(biāo)志著DSP芯片的開(kāi)端。隨著半導(dǎo)體集成電路的飛速發(fā)展，高速實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的要求和數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，在80年代初至今的十幾年中，DSP芯片取得了劃時(shí)代的發(fā)展。從運(yùn)算速度看，MAC（乘法并累加）時(shí)間已從80年代的400 ns降低到40 ns以下，數(shù)據(jù)處理能力提高了幾十倍。MIPS（每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令）從80年代初的5MIPS增加到現(xiàn)在的40 MIPS以上。DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵部件乘法器從80年代初的占模片區(qū)的40%左右下降到小于5%，片內(nèi)RAM增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。從制造工藝看，80年代初采用4m的NMOS工藝而現(xiàn)在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數(shù)目從80年代初最多64個(gè)增加到現(xiàn)在的200個(gè)以上，引腳數(shù)量的增多使得芯片應(yīng)用的靈活性增加，使外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和各個(gè)處理器間的通信更為方便。和早期的DSP芯片相比，現(xiàn)在的DSP