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)，確保人類健康我國著名科學(xué)家顧方舟先生在“中國生物醫(yī)學(xué)工程的今天與明天”一書中寫到“生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是這樣一門學(xué)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(xué)的理論和方法與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的理論和方法有機(jī)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(dá)預(yù)定的目標(biāo)。人工心臟瓣膜進(jìn)行人工心臟瓣膜的設(shè)計和制造，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。心臟瓣膜示意圖二、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）生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r

生物醫(yī)學(xué)工程是從20世紀(jì)50年代以來，隨電子學(xué)、材料學(xué)、工程力學(xué)、信息科學(xué)和電子計算機(jī)等學(xué)科的進(jìn)步并廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域而逐漸形成和發(fā)展的。電子學(xué)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；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(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。這些對醫(yī)學(xué)進(jìn)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(jì)效益。由此，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)這一新興的邊緣學(xué)科作為一門獨立的學(xué)科成立，成為時代的需要。應(yīng)用技術(shù)方面：X射線計算機(jī)斷層掃描裝置、同位素斷層圖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)物的測量進(jìn)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(jī)成分成為可能；單片機(jī)使得醫(yī)療儀器微型化、智能化；高性能個人計算機(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、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(yuǎn)程醫(yī)療成為現(xiàn)實。三、生物醫(yī)學(xué)工程對醫(yī)學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)經(jīng)驗醫(yī)學(xué)到實驗醫(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)展生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)較成熟領(lǐng)域1、生物力學(xué)2、生物材料3、生物系統(tǒng)建模與仿真4、物理因子在治療中的應(yīng)用及其生物效應(yīng)5、生物醫(yī)學(xué)信號檢測與傳感器6、生物醫(yī)學(xué)信號處理7、醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)8、人工器官生物力學(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。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，美國的第一屆仿生學(xué)討論會引起了人們對生物力學(xué)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(jī)構(gòu)，并多次召開國際性生物流變學(xué)會議和生物力學(xué)討論會。1978年，在中國科學(xué)院組織的全國力學(xué)規(guī)劃會議上，將生物力學(xué)作為一門獨立的學(xué)科列入規(guī)劃中。與此同時，中國力學(xué)會組織了全國性的生物力學(xué)專業(yè)組。此后，國內(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)，并召開了多次全國性和地方性生物力學(xué)學(xué)術(shù)會議，通過交流更進(jìn)一步促進(jìn)了我國生物力學(xué)的發(fā)展。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(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）生物系統(tǒng)建模與仿真生物系統(tǒng)建模是對生物的細(xì)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(xué)模型的工作，最終希望用數(shù)學(xué)的形式表達(dá)出來。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(jī)求解生物系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以分析和預(yù)測各種條件下生物系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制和狀態(tài)的工作。生物醫(yī)學(xué)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(xué)量或生物量變化的形式表現(xiàn)出來，利用生物醫(yī)學(xué)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(jìn)一步處理，以了解生命活動的規(guī)律和本質(zhì)，為醫(yī)學(xué)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)。生物醫(yī)學(xué)信號的特點是信號微弱，隨機(jī)性強(qiáng)，噪聲和干擾背景強(qiáng)，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(xué)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(qiáng)、分辨力強(qiáng)、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(xué)傳感器按被檢測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量，化學(xué)型傳感器用于對體液中的各種無機(jī)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(fù)雜，生物體內(nèi)的信息豐富，生物信號檢測技術(shù)十分重要。生物醫(yī)學(xué)信號處理生物醫(yī)學(xué)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(qiáng)的工頻干擾；誘發(fā)腦電信號，總是伴隨著較強(qiáng)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。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。圖像處理技術(shù)則是對已獲得的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)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(xué)圖像的某些部分增強(qiáng)，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。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，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)域知識和技術(shù)的綜合體現(xiàn)。這個領(lǐng)域的進(jìn)展，取決于對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現(xiàn)的。生物醫(yī)學(xué)工程將孕育以下十大突破點：1、各種診療儀器、實驗裝置趨向計算機(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，植入型藥物長效緩釋材料、藥物貼覆透入材料、促上皮和組織生長可降解材料、生物制藥材料將有突破。6、用于社區(qū)、家庭、個人醫(yī)療保健診療器，康復(fù)保健裝置，以及微型健康自我監(jiān)測醫(yī)療器械及