2/4/20231生物醫學工程概論

IntroductiontoBiomedicalEngineering(BME)南方醫科大學生物醫學工程學院周凌宏2/4/20232主要內容1、生物醫學工程的定義2、生物醫學工程的發展3、生物醫學工程的經典研究領域2/4/202331生物醫學工程的定義

WhatisBiomedicalEngineering(BME)?2/4/20234邊緣交叉科學(Interdisciplinary)綜合：生物學醫學工程學理論和方法近幾十年內建立與發展2/4/20235三個有代表性的定義1、“三合一學說”生物學＋醫學＋工程學＝生物醫學工程學2、“工程應用學說”工程學在醫學和生物學中應用3、“結合學說”生物醫學工程學是生物學、醫學和其它非生物學科的結合2/4/20236一般定義：“應用物理學和工程學的技術來解決生命系統中的問題，突出強調人類疾病的診斷、治療、預防和保健”綜合運用現代自然科學和工程技術的原理、方法，從工程學的角度，在多種層次上研究生物體，特別是人體的結構、功能和其它生命現象，揭示和論證生命運動的規律，深化對生命系統的認識，提供防病、治病、衛生保健、康復、安全防護的新理論和新方法，設計和研制用于防病、治病等的新材料、人工器官、裝置與系統的交叉學科生物醫學工程學科領域基礎生物學物理學(生物醫學物理學）醫學生物醫學工程生物化學信息科學電子與現代工程技術2/4/20238生物醫學工程的目標探索人類正常生理活動

表征組織與器官的病變機理

給出研究和技術開發的最佳手段

提供治療、預防與保健的有效方法2/4/20239基本任務：運用物理學、數學和工程技術手段，研究和解決生物學與醫學中的有關問題。基本性質：以應用基礎性研究為主，研究的對象是人體(一個多層次的龐大系統)，所涉及的領域十分廣泛，并在不斷的擴展之中。研究內容和基本任務2/4/202310生命的活動可分為若干層次整體層次：人體與外界環境的熱量、質量、動量交換，有聲、光、電、熱、味、壓的信息交換，有環境對于人體的作用，人與生活環境及工作環境的相互關系，有人對于環境的能動作用2/4/202311器官和組織層次：生物力學、生物材料、生物信號、醫學圖象、人工器官、控制、建模、康復、組織工程等都發生在這一層次微觀層次：以分子、生物大分子、細胞等為對象細胞生物力學、分子生物力學、組織工程等可劃入這一范疇2/4/2023121、迅速發展的新興學科生物醫學工程是在近幾十年才從醫學中分離而形成一門獨立學科。當代高新科技的飛速發展，為它提供基礎。生物醫學工程的特點2/4/2023132、大跨度、多學科的綜合性應用學科醫學、生物學、物理學、化學、力學、材料學、制造學、電子學、計算機科學等學科的有機結合，甚至涉及社會、倫理、道德、法律等非生命科學到生命科學自然科學到人文科學2/4/2023143、是醫學和生物學發展的重要動力一方面生物醫學工程為醫學、生物學提供技術與裝備另一方面又為醫學和生物學的發展開辟新路——帶來生物學與醫學的變革2/4/2023154、是社會效益與經濟效益的綜合醫學重于社會效益，工程重于經濟效益，生物醫學工程是醫學與工程學的結合，是社會效益與經濟效益必然的結合2/4/2023162生物醫學工程的發展回顧自發地應用于生物學和醫學1604年 Jansen－顯微鏡，Hook發現細胞1895年 Roentgen－X射線，人體的內部結構1898年 居里－鐳，生物代謝示蹤，腫瘤治療1906年 Einthoven－實用的心電圖1933年Ruska－電子顯微鏡，亞細胞水平1947年無線電波傳遞心電、腦電1948年 利用超聲技術獲得人體切面聲象圖

能動地研究生物學醫學的問題五十年代起，工程學科廣泛滲入生物醫學。醫學電子學和生物醫學工程學組織，1958年國際醫學電子學聯合會(IFME)誕生1963年國際醫學電子學和生物醫學工程聯合會(IFMEBE)成立1965年世界性的國際生物醫學工程聯系會(IFMBE)學正式成立

七十年代生物醫學工程涉及到生物醫學的各個方面，微型機、網絡技術和虛擬技術形成巨大的產業現代醫學基本上是構筑在生物醫學工程基礎上

我國的生物醫學工程學科1978年國家科委組織BME科研發展規劃1980年成立了中國生物醫學工程學會近年來，豐富、多彩2/4/202321當前，在醫學的幾乎所有領域生物醫學工程學已經發揮、將會發揮巨大的作用生物力學在人體生理系統建模與仿真中發揮著巨大的作用細胞力學、運動力學、血流動力學、呼吸力學……生物醫學工程發展現狀2/4/202322生物醫學材料在人體組織與器官修復(替代)中的巨大作用硬組織修復與替代、軟組織修復與替代、血管替代、人造皮膚、各類人工器官……人工器官在人體生理功能恢復中的巨大作用人工心臟、人工心臟瓣膜、人工肺、人工腎、人工胰……2/4/202323生物醫學電子學在生物醫學工程中的巨大作用生物醫學信號檢測、處理與識別是是醫學圖象處理的基礎，與生物材料、生物力學、人工器官、生物醫學儀器等關系密切……生物醫學圖像技術在臨床診斷中的巨大作用X光片、CT圖像、B型超聲波圖像、MRI圖像、PET、SPECT……2/4/202324生物醫學儀器對提高醫學整體水平的巨大作用生理功能分析、放射治療、超聲碎石、γ刀、X刀、細胞刀、質子刀、中子刀、射波刀、康復輔助系統、機器人外科手術系統……2/4/202325近20年，生物醫學工程制品飛速發展并形成規模性產業，是我國戰略性新興產業社會需求量大，產品技術含量和產品附加值高美國目前已有1100萬人體內植入有一個人工器官，200萬人體內有2個或2個以上人工器官生物醫學工程產業發展2/4/2023262012年，世界生物醫學工程產業產值約4000億美元，年增長率持續保持在10%上下。2012年，我國生物醫學工程產業產值約3000億元，年增長率持續保持在15~20%。美國、日本、西歐等發達國家都把生物醫學工程列入高技術發展的前沿2/4/202327我國有13億人口，醫療保健基數大，生物醫學材料和人工器官的需求量大肢體不自由患者約1500萬每年骨缺損和骨損傷約300萬牙缺損(缺失)患者占總人口1/3大量血液病患者需人工腎大量糖尿病患者需人工胰2/4/2023283生物醫學工程經典研究領域2/4/202329生物材料學人工器官生物系統建模與仿真生物醫學信號與傳感器生物醫學信息處理醫學圖像技術物理因子在治療中應用及生物學效應生物力學……2/4/202330生物醫學材料學生物醫學材料是用以和生物系統接合，以診斷、治療或替代機體中的組織、器官或增進其功能的材料。可以是天然材料，也可以是合成材料或者是它們的結合，還可以是有生命力的活體細胞或天然組織與生命的材料結合而成的雜化材料。2/4/202331生物醫學材料用于制作植入人體的各種制品，也包括需要與血液直接接觸的醫用導管材料、醫療器械中需要進入人體的探頭和電極材料，以及大部分齒科材料、藥物緩釋材料、外科手術縫合線、皮膚創面保護膜等材料。2/4/202332人工器官人工器官主要研究模擬人體器官的結構和功能，用人工材料制成能部分或全部替代人體自然器官功能的機械裝置，當人體器官發生病變而用常規方法不能醫治時，有可能給病人使用一個人工制造的系統來取代或部分取代病損的自然器官，補償或修復其功能。2/4/202333人體除大腦尚沒有人工大腦替代以外，幾乎人體各個器官都在進行人工模擬研制中，其中已有不少人工制造的器官成功地用于臨床，修復了不少病損器官的功能，挽救了病人的生命。2/4/202334雖然人工器官研究已取得很大進展，但從總體上看，人工器官在結構和功能上均與自然器官有很大差別，大多數人工器官尚不能完全替代自然器官。人工器官的應用與自然器官移植有互補作用，人工器官會為開展器官移植創造有利條件。2/4/202335生物系統建模與仿真生物系統的建模與仿真包括生物系統的建模、仿真、辯識與控制等內容，其中心為建模與控制。生物系統的建模是對生物的分子、細胞、組織、器官和整體各層次的行動、參數及其關系建立數學模型的工作。生物系統的控制是人為地外加控制條件來影響生物系統的生命過程，以達到某種特定的目的。2/4/202336生物醫學信號與傳感器生物醫學信號檢測是對生物體中包含的生命現象、狀態、性質、變量和成分等信息進行檢測和量化的技術。生物醫學傳感器是獲取各種生物信息并將其轉換成易于測量和處理的信號(一般為電信號)的器件，是生物醫學信號檢測的關鍵技術。2/4/202337生物醫學信號包括生物體各層次的生理和生物化學信號，如心電、腦電、肌電、眼電等生物電信號，心磁、腦磁、眼磁等生物磁信號，血壓、體溫、呼吸、血流、脈搏等非電磁生理信號，血液、尿液、血氣中的各種化學量信號，酶、抗體、抗原、受體、激素、神經質等生物化學量信號。2/4/202338生物醫學信號的一般特點是信號微弱，隨機性很強，噪聲和干擾背景強，動態變化和個體差異大，因此要求檢測傳感器和系統的靈敏度高，噪聲小，抗干擾能力強，分辨力強，動態特性好。由于以人體為對象，故應有良好的對人體內環境的適應性，對人體生理狀態擾動小，尤其對傳感器系統的可靠性和安全性有特別嚴格的要求。2/4/202339生物醫學信息處理生物醫學信號種類繁多，其主要的外在特點是隨機性大，噪聲背景強，而且個體差異顯著。例如，心電、肌電信號總是伴隨有因肢體動作和精神緊張等所帶來的假象，而且還常常有較強的工頻干擾及電極偽差；誘發腦電信號總是伴隨強的自發腦電信號；超聲波回波信號中往往伴隨其他發射雜波；生物磁信號強度遠遠低于地磁場和環境磁噪聲強度。2/4/202340生物醫學信號處理技術主要的研究任務是根據生物醫學信息的特點和測量的要求，應用并發展信息科學的基本理論，研究從被干擾和噪聲所淹沒的信號中提取特定的生物醫學信息，并對其進行分析、解釋和分類的方法。2/4/202341生物醫學信號處理技術是生理、測量、模式識別、人工智能和數字信號處理等多種學科的交叉領域。該技術一方面可以將隨機過程、統計檢測與估計、時間序列分析等數學方法應用于生物醫學中；另一方面還要在深化對生命機理認識的基礎上建立獨特的生物醫學信號處理理論與體系2/4/202342醫學圖像技術醫學圖像含有極豐富的人體信息，因而在醫生進行臨床診斷和病人治療中具有愈來愈重要的作用。醫學圖像技術可分成兩部分內容，即醫學成像技術和醫學圖像處理技術。前者是把人體中醫生感興趣的信息提取出來，并以圖像形式表示，這些信息包括形態信息、功能信息及成分信息；圖像的形式可以是二維、三維及四維信息。后者是在獲得醫學圖像后對其進行分析、識別、解釋和分類，以把某些部分增強，或提取某些特征。2/4/202343物理因子在治療中應用及生物學效應應用電磁、磁場、電磁輻射、超聲等物理能量治療疾病或緩解病痛，是藥物和傳統手術治療以外的重要輔助治療手段，其優點是創傷小，副作用小，費用低，易于推廣，有些還特別適合于長期保健性治療和功能輔助中。2/4/202344物理因子生物效應主要是通過對生物群體的流行病學調查、動物實驗以及在離體細胞和分子水平上的多層次研究，研究物理因子對人體疾病和治療作用及其機理，確定應用的方法，確定有效作用的劑量和安全劑量，從而發展應用各種物理因子治療疾病的技術，并防止其可能的有害影響。什么是生物力學力學生命科學生物體、器官的生長、消亡以及運動中的力學問題.了解生命組織的生理特征組織學、生理學、醫學設計各種實驗裝置以及醫療器械等結合力學與生命科學、生理學等學科，研究力作用的生物效應，進而服務于臨床、科研以及實驗及醫療器械、仿生器械的設計生物力學的發展過程數學家歐拉：理想流體在彈性管中的流動方程，闡述了脈搏波的傳播數學家Borelli(博雷利)：《論生物的運動》，肌肉的運動問題英國醫生Yang：聲帶發音的彈性力學理論，楊氏模量法國流體力學家Poiseulle(泊肅葉)：動脈壓的問題生物工程之父：VonHelmholts

海姆霍斯Konigsberg(哥尼斯堡)大學波恩大學海德堡大學柏林大學視覺三色理論測定神經傳播速度共振儀渦量守恒定律馮元楨：航空工程專家，后又致力于生物力學研究世界生物力學組織主席、美國生物醫學工程學會主席等職舉世公認的生物力學的開創者和奠基人生物軟組織本構關系的研究肺血流動力學規律的研究生物組織器官生長和應力關系的研究生物力學的發展現狀納米機器人生物力學分析軟件臨床與理論綜合微觀層面與系統層面相結合多學科交叉信息技術在生物力學中的應用圖像處理、光學、電信測量等生物力學的研究方向涉及內容廣泛，有很大的臨床及工程應用價值生物力學的研究方向生物材料力學生物流體力學生物固體力學生物運動力學生物熱力學生物材料力學硬組織：牙齒，骨骼等軟組織：肌肉，皮膚，血管及生物膜生物材料的特點：多相(multi-phase)，非