生物醫(yī)學(xué)工程緒論課件

生物科學(xué)與工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系第一章緒論《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)》【目錄】§1.1學(xué)科領(lǐng)域和戰(zhàn)略地位§1.2BME的發(fā)展歷史§1.3BME主要研究領(lǐng)域§1.4生物醫(yī)學(xué)信息工程§1.5現(xiàn)代醫(yī)療器械§1.6發(fā)展中國特色的BME技術(shù)§1.1BME的學(xué)科領(lǐng)域和戰(zhàn)略地位生物醫(yī)學(xué)工程生物醫(yī)學(xué)工程（BME）BiomedicalEngineering工程技術(shù)Engineering生物學(xué)Biology醫(yī)學(xué)Medicine生物力學(xué)生物材料人工器官生物醫(yī)學(xué)信息工程生物醫(yī)學(xué)圖像處理BME定義

生物醫(yī)學(xué)工程是綜合應(yīng)用生命科學(xué)與工程科學(xué)的原理和方法，從工程學(xué)角度在分子、細(xì)胞、組織、器官乃至整個人體系統(tǒng)多層次認(rèn)識人體的結(jié)構(gòu)、功能和其他生命現(xiàn)象，研究用于防病、治病、人體功能輔助及衛(wèi)生保健的人工材料、制品、裝置和系統(tǒng)技術(shù)的總稱。

BME定義結(jié)合物理學(xué)、化學(xué)或數(shù)學(xué)和工程學(xué)原理，從事生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、行為學(xué)或衛(wèi)生學(xué)的研究提出基本概念，產(chǎn)生從分子水平到器官水平的知識開發(fā)創(chuàng)新的生物學(xué)制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息學(xué)方法用于疾病預(yù)防、診斷和治療，病人康復(fù)，改善衛(wèi)生狀況等目的

生物醫(yī)學(xué)工程是當(dāng)今生命科學(xué)與信息、材料、精密機(jī)械等學(xué)科交叉與高度綜合的產(chǎn)物，是將其它學(xué)科研究成果應(yīng)用于臨床，將生命體與診斷、醫(yī)療、康復(fù)等裝置視為一個系統(tǒng)，并充分考慮其相互作用的一類知識高度密集的技術(shù)領(lǐng)域。生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展不僅促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的現(xiàn)代化，而且形成了一個新的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域--生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)，并與制藥業(yè)構(gòu)成了現(xiàn)代醫(yī)療體系的兩大產(chǎn)業(yè)支柱。

學(xué)科領(lǐng)域綜合生命科學(xué)和工程技術(shù)，理、工、醫(yī)相結(jié)合的新興交叉學(xué)科（多學(xué)科交融，體現(xiàn)了新知識的綜合和發(fā)展）運用工程技術(shù)手段，研究和解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題，揭示人體奧秘，造福人類(不同于經(jīng)典學(xué)科，也有別于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和純粹的工程學(xué)科)戰(zhàn)略地位在保障人類健康和為疾病的預(yù)防、診斷、治療、康復(fù)等方面起著巨大作用（對提高醫(yī)學(xué)水平，促進(jìn)醫(yī)學(xué)科學(xué)的現(xiàn)代化發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用）醫(yī)療保健性產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)和動力，發(fā)達(dá)國家均將它列入高技術(shù)領(lǐng)域，投巨資予以發(fā)展在生物醫(yī)學(xué)研究、知識產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化研究和衛(wèi)生保健中扮演了許多重要角色生物醫(yī)學(xué)材料制品、（生物）人工器官、醫(yī)學(xué)影像和診斷設(shè)備、醫(yī)學(xué)電子儀器和監(jiān)護(hù)裝置、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療設(shè)備、醫(yī)學(xué)信息技術(shù)、康復(fù)工程技術(shù)和裝置、組織工程等?！獓矣嬑?003年《關(guān)于組織實施生物醫(yī)學(xué)工程高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化專項的公告》BME產(chǎn)業(yè)范圍（一）重大疾病的急救、診療、康復(fù)技術(shù)和裝置，包括心腦血管疾病的急救、康復(fù)和診療裝置，呼吸系統(tǒng)疾病診療和急救裝置，應(yīng)用物理原理的新型腫瘤治療技術(shù)和裝置等。（二）社區(qū)醫(yī)療系統(tǒng)工程技術(shù)和裝備（以亞健康狀態(tài)調(diào)控為核心），包括睡眠醫(yī)學(xué)工程技術(shù)和裝置，心腦血管系統(tǒng)功能檢測技術(shù)和裝置，便攜式（電）生理檢測裝置，小型化生化檢測裝置，社區(qū)醫(yī)學(xué)信息技術(shù)和系統(tǒng)等。（三）醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和裝備，包括技術(shù)含量高的常用醫(yī)學(xué)影像裝置，有限功能的小型化醫(yī)學(xué)影像裝置，手術(shù)中實時監(jiān)控醫(yī)學(xué)影像技術(shù)與裝置等。（四）生物醫(yī)學(xué)材料表面處理技術(shù)、器件（構(gòu)件）及其制備工藝，組織工程和生物人工器官，生物微系統(tǒng)技術(shù)（床旁生化檢測技術(shù)、介入式微型檢測技術(shù)等）等。

——國家計委02年重點技術(shù)方向（人口與健康）1)安全避孕節(jié)育與出生缺陷防治★重大出生缺陷篩查和遺傳病防治研究

☆避孕節(jié)育新技術(shù)和新方法的研究☆避孕節(jié)育和生殖健康適宜技術(shù)應(yīng)用示范與監(jiān)測評價研究2)心腦血管病、腫瘤等重大非傳染疾病防治★心腦肺血管疾病防治研究★常見惡性腫瘤預(yù)防、早診及綜合治療研究3)城鄉(xiāng)社區(qū)常見多發(fā)病防治☆常見病和多發(fā)病防治關(guān)鍵技術(shù)研究☆城鄉(xiāng)社區(qū)疾病預(yù)防與控制研究重點領(lǐng)域及優(yōu)先主題（人口與健康）4)中醫(yī)藥傳承與創(chuàng)新發(fā)展★重大疑難疾病中醫(yī)防治研究☆基于現(xiàn)代技術(shù)的中醫(yī)藥診療評價技術(shù)研究☆中藥資源可持續(xù)利用及中藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)研究☆中醫(yī)傳承及方法學(xué)研究☆中醫(yī)藥國際化示范研究☆針灸診療方案和評價研究☆亞健康狀態(tài)的評價和中醫(yī)干預(yù)研究5)先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備與生物醫(yī)用材料★重大數(shù)字化醫(yī)療設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)☆介入治療與臨床檢驗新技術(shù)新方法研究

——“十一五”科技支撐計劃和863計劃07年重點領(lǐng)域及優(yōu)先主題主要特點大跨度、多學(xué)科交叉的綜合性應(yīng)用學(xué)科多學(xué)科知識融合，醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)人才密切結(jié)合。

例如，人工器官，涉及生物材料學(xué)，生物力學(xué)，生理學(xué)以及機(jī)械、電子、化工技術(shù)等，甚至還包括社會倫理學(xué)。涉及面從非生命科學(xué)到生命科學(xué)，從自然科學(xué)到人文科學(xué)。促進(jìn)醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的變革探索原理與機(jī)制，提供技術(shù)與裝備。社會效益與經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)合促進(jìn)和保障人類健康，形成發(fā)展經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)。學(xué)科類型信息技術(shù)型IT-BME（InformationTechnology）材料技術(shù)型MT-BME（MaterialTechnology)生物技術(shù)型BT-BME

（BiologicalTechnology）生物醫(yī)學(xué)研究型BMR-BME（BiologicalMedicalResearch）醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)型MD-BME

（MedicalDevices）IT-BME知識體系電子技術(shù)信息技術(shù)計算機(jī)技術(shù)醫(yī)學(xué)生命科學(xué)基本知識……研究對象生理學(xué)病理學(xué)內(nèi)科學(xué)外科學(xué)……信息技術(shù)型MT-BME知識體系材料科學(xué)生物技術(shù)化學(xué)、力學(xué)生物化學(xué)醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)的基本知識……研究對象生物材料人工器官組織工程……材料技術(shù)型BT-BME生物技術(shù)型BME與生物技術(shù)交叉結(jié)合知識體系數(shù)學(xué)計算機(jī)技術(shù)信息技術(shù)生物學(xué)分子生物學(xué)遺傳學(xué)……研究對象針對造成疾病或生理缺陷的分子、細(xì)胞水平上的問題BMR-BME生物醫(yī)學(xué)研究型應(yīng)用目前的一切科學(xué)技術(shù)的理論、方法、技術(shù)以某一生命過程為研究對象知識體系數(shù)學(xué)、物理信息、生物生化生理系統(tǒng)分子生物學(xué)遺傳學(xué)……深入研究生命過程的規(guī)律，揭示生命的本質(zhì)MD-BME醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)型知識體系電子、信息計算機(jī)技術(shù)精密機(jī)械市場經(jīng)營生物醫(yī)學(xué)基本知識……研究對象各種醫(yī)療儀器醫(yī)療設(shè)備耗材……§1.2BME的發(fā)展歷史BME發(fā)展歷程新概念、新理論、新設(shè)備、新技術(shù)，推動醫(yī)學(xué)發(fā)展1950年代

隨著電子學(xué)、材料學(xué)、工程力學(xué)、信息科學(xué)和計算機(jī)等多種學(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（醫(yī)學(xué)電子學(xué)）1965

國際生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合會（IFMBE）InternationalFederationofMedicalBioengineering（醫(yī)學(xué)與工程結(jié)合）1980

成立中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會1978

國家科委生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科專業(yè)組

90年代生物醫(yī)學(xué)工程、生物工程80年代生物醫(yī)學(xué)儀器及工程國際形成發(fā)

展中

國生命科學(xué)發(fā)展21世紀(jì)展望BME發(fā)展孕育期：19世紀(jì)（1895年X射線）。形成學(xué)科領(lǐng)域：20世紀(jì)50年代（醫(yī)學(xué)電子）迅速發(fā)展：1970年CT我國確立獨立學(xué)科：1978年生命科學(xué)發(fā)展的重要領(lǐng)域新世紀(jì)更廣闊的發(fā)展空間醫(yī)學(xué)的發(fā)展生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)臨床醫(yī)學(xué)結(jié)合推動醫(yī)學(xué)發(fā)展加速醫(yī)學(xué)科學(xué)現(xiàn)代化1786

發(fā)現(xiàn)生物電現(xiàn)象(意大利伽伐尼，Galvani)19世紀(jì)中期用實驗方法研究心臟、肌肉和神經(jīng)的生物電信息，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中心電圖、肌電圖、眼電圖和腦電圖等人體生物電變化的記錄，已作為觀察各系統(tǒng)的生理或病理狀態(tài)的重要指標(biāo)。17世紀(jì)發(fā)明光學(xué)顯微鏡(Leewenhock)，推動解剖學(xué)向微觀層次發(fā)展，醫(yī)學(xué)研究提高到細(xì)胞形態(tài)學(xué)水平，相繼誕生了細(xì)胞學(xué)、組織學(xué)、細(xì)胞病理學(xué)。希臘語“解剖”(Anatomia)，意為用刀剖析肉眼觀察研究人體結(jié)構(gòu)變化。20世紀(jì)60年代發(fā)明的電子顯微鏡(赫斯費爾德)，能夠觀察研究細(xì)胞內(nèi)核結(jié)構(gòu)DNA、RNA等大分子變化，醫(yī)學(xué)跨進(jìn)了“超微結(jié)構(gòu)”觀察“分子水平”時代。

X射線計算機(jī)斷層掃描（XCT）、磁共振成像(MRI)、超聲成像、病人監(jiān)護(hù)和生化分析等大量新型臨床診斷與監(jiān)護(hù)技術(shù)、設(shè)備的出現(xiàn)和普及種類繁多的激光和電磁治療設(shè)備提供了新的治療和外科手術(shù)的手段，并推動了家庭保健的開展人工心臟起搏器和人工心臟瓣膜正在挽救和維持著世界數(shù)百萬心臟病患者的生命人工腎等血液凈化技術(shù)維持著數(shù)十萬腎功能衰竭病人的正常生活BME與醫(yī)學(xué)進(jìn)步人工晶體、人工關(guān)節(jié)和功能性假體等已廣泛用于傷殘人的康復(fù)和功能輔助生物力學(xué)的研究加深了對嚴(yán)重危害人類健康的動脈血管硬化和血栓形成機(jī)理的認(rèn)識，為心、腦血管疾病的防治和人工心臟瓣膜、人工血管等人工器官的設(shè)計提供了依據(jù)計算機(jī)和信息技術(shù)在醫(yī)學(xué)和臨床上的擴(kuò)大應(yīng)用，正在從根本上改變著醫(yī)院的面貌在我國將現(xiàn)代工程方法與中醫(yī)相結(jié)合，進(jìn)行了中醫(yī)四診客觀化、中醫(yī)專家系統(tǒng)和中醫(yī)經(jīng)絡(luò)的初步研究，為中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的新發(fā)展注入了活力。BME與醫(yī)學(xué)進(jìn)步分會、專業(yè)委員會：人工器官生物材料

生物力學(xué)生物醫(yī)學(xué)測量

生物信息與控制醫(yī)學(xué)物理醫(yī)學(xué)超聲工程心臟起搏與電生理(心律)

生物電磁學(xué)生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)臨床醫(yī)學(xué)工程中醫(yī)藥工程血療工程體外循環(huán)軍事醫(yī)學(xué)工程與裝備介入醫(yī)學(xué)工程

組織工程干細(xì)胞工程技術(shù)腫瘤靶向技術(shù)數(shù)字醫(yī)療及醫(yī)療信息化中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(中文版、英文版)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志醫(yī)用生物力學(xué)北京生物醫(yī)學(xué)工程國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程分冊生物醫(yī)學(xué)工程與臨床中國醫(yī)療器械雜志醫(yī)療衛(wèi)生裝備醫(yī)療設(shè)備信息中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志……學(xué)術(shù)刊物生物醫(yī)學(xué)工程只設(shè)一級學(xué)科近年來發(fā)展迅速全國各綜合性大學(xué)、醫(yī)科大學(xué)、理工科大學(xué)以及中科院等有關(guān)研究單位都設(shè)有生物醫(yī)學(xué)工程機(jī)構(gòu)(院、系、所、室)全國有數(shù)十個BME一級學(xué)科博士點、碩士點本科招生迅速增長，達(dá)到傳統(tǒng)學(xué)科規(guī)模……科研與教育§1.3BME主要研究領(lǐng)域以應(yīng)用基礎(chǔ)性研究為主領(lǐng)域十分廣泛，并在不斷擴(kuò)展BME研究領(lǐng)域基礎(chǔ)性研究

應(yīng)用性研究

生物力學(xué)生物材料與組織工程生物系統(tǒng)的建模與控制物理因子的生物效應(yīng)生物系統(tǒng)的質(zhì)量與能量傳遞細(xì)胞與細(xì)胞工程……人工器官生物醫(yī)學(xué)信號檢測與傳感器生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)醫(yī)學(xué)成像和圖像處理醫(yī)用制品和儀器治療與康復(fù)的工程方法……與分子生物學(xué)相結(jié)合，加強(qiáng)細(xì)胞和分子水平的研究，是BME發(fā)展的一個重要趨勢。利用多學(xué)科交叉的優(yōu)勢來揭示人類思維和認(rèn)知的奧秘，是21世紀(jì)BME的一個主攻方向。微創(chuàng)傷手術(shù)、老年醫(yī)學(xué)、家庭健康監(jiān)護(hù)和遠(yuǎn)程醫(yī)療等正在成長為新的研究領(lǐng)域。

BME研究的趨勢

——利用力學(xué)基本原理，結(jié)合生理學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)來研究生物體特別是人體的功能、生長、消亡及運動的規(guī)律。研究范圍

從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。

生物力學(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、動量定律、質(zhì)量守恒三定律，并加上描寫物性的本構(gòu)方程。研究與生理學(xué)、醫(yī)學(xué)有關(guān)的力學(xué)問題。

1.3.1生物力學(xué)研究重點：生物流體力學(xué)生物固體力學(xué)運動生物力學(xué)研究內(nèi)容舉例：循環(huán)系統(tǒng)力學(xué)、生物流變學(xué)、微循環(huán)、骨力學(xué)、聽力學(xué)、人工瓣膜、心臟輔助裝置、心肺機(jī)、外科的損傷與愈合、新的外科手術(shù)、骨科與整形、牙科、運動器械、假肢、職業(yè)安全與健康、公路交通與飛行中的安全、老人和聾、啞、盲人的輔助器械等。生物力學(xué)研究1582年前后伽利略得出擺長與周期的定量關(guān)系，并利用擺來測定人的脈搏率。1616英國生理學(xué)家哈維根據(jù)流體力學(xué)中的連續(xù)性原理，從理論上論證了血液循環(huán)的存在1661馬爾皮基解剖青蛙，在蛙肺中看到了微循環(huán)的存在，證實了哈維的論斷；博雷利在《論動物的運動》中討論了鳥飛、魚游和心臟以及腸的運動1775發(fā)表一篇關(guān)于波在動脈中傳播的論文1898蘭姆預(yù)言動脈中存在高頻波，現(xiàn)已得到證實英國物理學(xué)家托馬斯·揚(yáng)建立了聲帶發(fā)音的彈性力學(xué)理論，提出了材料力學(xué)中著名的揚(yáng)氏模量生物力學(xué)簡史1733英國生理學(xué)家黑爾斯測量了馬的動脈血壓，解釋了心臟泵出的間歇流如何轉(zhuǎn)化成血管中的連續(xù)流，引進(jìn)了外周阻力概念。

Poiseuille定律確定了血液流動過程中壓降、流量和阻力的關(guān)系福蘭克解釋了心臟的力學(xué)問題斯塔林提出透過膜的傳質(zhì)定律，解釋了人體中水的平衡問題1920Krogh，微循環(huán)力學(xué)，獲得諾貝爾獎

Hill，肌肉力學(xué)，獲諾貝爾獎20世紀(jì)60年代生物力學(xué)形成一個獨力學(xué)科生物力學(xué)創(chuàng)始人馮元禎生物力學(xué)簡史研究目標(biāo)：

探科學(xué)的新奇；增進(jìn)對生理學(xué)與醫(yī)學(xué)的了解；幫助醫(yī)療發(fā)展與提高防治疾病的水平；降低醫(yī)療費用；發(fā)展健康產(chǎn)業(yè)。向兩個方向發(fā)展：

系統(tǒng)（宏觀）方向：建立生物各層次上的力學(xué)模型，符合生物實際微觀方向：細(xì)胞、亞細(xì)胞及分子水平的生物力學(xué)生物力學(xué)的發(fā)展

——與人體組織、體液、或血流相接觸或作用，而對人體無毒，副作用，不凝血，不溶血、不引起人體的細(xì)胞突變，畸變或癌變，不引起免疫排異和過敏反應(yīng)的特殊功能材料。嚴(yán)格要求

良好的血液相容性和組織相容性耐生物老化：

長期植入材料生物穩(wěn)定性好，暫時植入材料可降解物理和力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易于加工成型、價格適當(dāng)便于消毒滅茵、無毒無熱源、不致癌不致畸1.3.2生物材料

合成高分子材料：通過分子設(shè)計，獲得很多具有良好物理機(jī)械性和生物相容性的生物材料。軟性材料常用作人體軟組織如血管、食道和指關(guān)節(jié)等的代用品；硬性材料用作人工硬腦膜、人工心瓣球形閥等；液態(tài)合成材料如室溫硫化硅橡膠用作注入式組織修補(bǔ)材料

天然高分子材料：膠原、絲蛋白、纖維素、殼聚糖

金屬材料：很高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞特性，承力植入材料，主要有鉆合金、鈦合金和不銹鋼的人工關(guān)節(jié)和人工骨。鎳鈦形狀記憶合金用于矯形、心血管外科無機(jī)材料：化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，生物相容性良好。生物活性陶瓷如羥基磷灰石；惰性生物陶瓷，如氧化鋁復(fù)合材料：碳纖維／聚合物、玻璃纖維／聚合物主要種類活躍的研發(fā)領(lǐng)域高抗凝血材料生物活性陶瓷及玻璃鈦及合金和鈦鎳記憶合金生物活性緩釋及描把藥物載體材料生物粘合劑可吸收性生物材料改進(jìn)和發(fā)展生物醫(yī)用材料的生物相容性評價研究新的降解材料研究具有全面生理功能的人工器官和組織材料研究新的藥物載體材料材料表面改性的研究主要研發(fā)方向

——使用一種人工制造的裝置來部分或全部代替病損的自然器官，以補(bǔ)償、替代或修復(fù)自然器官的功能。1.3.3人工器官

TissueEngineering——應(yīng)用生命科學(xué)與工程學(xué)的原理與技術(shù)，在正確認(rèn)識哺乳動物的正常及病理兩種狀態(tài)下的組織結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究、開發(fā)用于修復(fù)、維護(hù)、促進(jìn)人體各種組織或器官損傷后的功能和形態(tài)的生物替代物的一門新興學(xué)科。

組織工程一詞1987年美國科學(xué)基金會在華盛頓舉辦的生物工程小組會上提出。1.3.4組織工程四方面研究：種子細(xì)胞生物材料構(gòu)建組織和器官的方法和技術(shù)組織工程的臨床應(yīng)用。三種臨床上常用組織修復(fù)途徑：自體組織移植異體組織移植應(yīng)用人工代用品

這三種方法都分別存在不足，如免疫排斥反應(yīng)及供體不足等。

組織工程的發(fā)展將從根本上解決組織和器官缺損所致的功能障礙或喪失治療的問題。其核心是建立由細(xì)胞和生物材料構(gòu)成的三維空間復(fù)合體，這與傳統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)（如細(xì)胞培養(yǎng)）有著本質(zhì)的區(qū)別，其最大優(yōu)點是可形成具有生命力的活體組織，對病損組織進(jìn)行形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的重建并達(dá)到永久性替代；用最少的組織細(xì)胞通過在體外培養(yǎng)擴(kuò)增后，進(jìn)行大塊組織缺損的修復(fù)；可按組織器官缺損情況任意塑形，達(dá)到完美的形態(tài)修復(fù)。研究內(nèi)容與研究方法§1.4生物醫(yī)學(xué)信息工程信息

Information——對客觀事務(wù)感知到的新知識。如，五官感受到的大自然風(fēng)景優(yōu)美、聲音動聽、味道香甜、天氣涼爽等。消息

Massage——描述信息的一種表現(xiàn)形式。如，語言、圖像、文字、音樂、數(shù)據(jù)、符號等。

信息←→消息通常將二者等價看待信號

Signal——運載或攜帶消息的物理量，迅速有效地傳遞和交換信息。信號反映任何運動或狀態(tài)的變化。如，心電信號、腦電信號，反映心臟跳動、大腦活動。信息與信號

生物醫(yī)學(xué)信息工程（BMIE）是電子信息科學(xué)與技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)交叉、滲透形成的學(xué)科方向。又是電子信息技術(shù)、計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用和體現(xiàn)。生物醫(yī)學(xué)信息工程研究生物醫(yī)學(xué)信息的產(chǎn)生、獲取、檢測、處理、識別等的原理與技術(shù)各種醫(yī)學(xué)儀器及系統(tǒng)的原理與設(shè)計技術(shù)醫(yī)學(xué)圖像處理及醫(yī)學(xué)影像技術(shù)計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

……BMIE的研究內(nèi)容覆蓋了BME學(xué)科下的一個學(xué)科方向群：生物醫(yī)學(xué)信號處理與識別醫(yī)學(xué)成像與圖像處理生物醫(yī)學(xué)測量與傳感器醫(yī)學(xué)儀器生物系統(tǒng)的建模與控制物理因子的生物效應(yīng)醫(yī)院信息工程與遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)

……BMIE的研究方向

——檢測和量化生物體中包含生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)、變量和成分等信息的信號。

(信息獲取是開展BME研究的基礎(chǔ)和前提)

信號種類：

生物電信號：心電、腦電、肌電、眼電…

生物磁信號：心磁、腦磁、眼磁…

非電磁生理信號：血壓、體溫、呼吸、脈搏…

生物化學(xué)量信號：血液、尿液、血氣…

生物量信號：酶、蛋白、抗體、抗原…生物醫(yī)學(xué)測量與傳感器

——獲取各種生物信息并將其轉(zhuǎn)化成為易于測量和處理的信號的器件。傳感器類型：

物理傳感器：測量各種生理量，血壓、血流、體溫、呼吸…

化學(xué)傳感器：測量體液中各種無機(jī)離子，Ca++、K+、Na+…

生物傳感器：測量生物活性物質(zhì)，酶、抗原抗體、激素、核糖核酸…生物醫(yī)學(xué)傳感器生物醫(yī)學(xué)信號的特點：信號微弱、隨機(jī)性強(qiáng)、噪聲和干擾背景強(qiáng)、動態(tài)變化大、個體差異大。對傳感器和系統(tǒng)的要求：靈敏度高、噪聲小、分辨力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、動態(tài)特性好。

特別重視安全性和可靠性。特點和要求發(fā)展趨向以生物電，生物磁為代表的無創(chuàng)、微創(chuàng)檢測技術(shù)心電、腦電、血壓和血氧飽和度等信號的實時和長時間監(jiān)測技術(shù)吞入式、固定植入式和介入式檢測與傳感技術(shù)生物醫(yī)學(xué)信號的遙測技術(shù)，如紅外遙感生物阻抗法細(xì)胞水平的離體和在體檢測與傳感器技術(shù)熱點：血糖測定、免疫傳感器、DNA芯片

生物醫(yī)學(xué)信號處理與識別

——根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號特點，應(yīng)用并發(fā)展信息科學(xué)的基本理論，從被干擾和噪聲淹沒的觀察記錄中提取各種生物醫(yī)學(xué)信號中所攜帶的信息，并對它們進(jìn)行分析、識別、解釋和分類。主要作用：協(xié)助生物和生理系統(tǒng)的研究臨床診斷和治療的重要手段和工具生物醫(yī)學(xué)信號的特點隨機(jī)性強(qiáng)，一般不可能用確定性函數(shù)來描述，必須借助統(tǒng)計處理技術(shù)作處理。

非平穩(wěn)性，信號統(tǒng)計特性的時變性，增加了處理方法的難度。

變異性，表現(xiàn)為信號因人不同而異和同一人因時刻不同而變異。變異性可能蘊(yùn)含著有意義生理信息，也增加了處理難度。噪聲背景強(qiáng)，觀察信號中總是伴隨著非研究對象的信號。如胎兒心電常被比之強(qiáng)一個數(shù)量級的母親心電所淹沒，同時還受到肌電、工頻等干擾。信號微弱(μV~

mV)；頻率低(0.01~幾十Hz)學(xué)科范圍生物醫(yī)學(xué)工程研究的重要領(lǐng)域重要手段、不可缺少的工具多種科學(xué)技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)的交叉：數(shù)字信號處理、模式識別、人工智能、通信技術(shù)、生理學(xué)知識數(shù)學(xué)方法：隨機(jī)過程、統(tǒng)計檢測與估計、時間序列分析等處理方法強(qiáng)噪聲背景下微弱生理信號的動態(tài)提取多道生理信號的同步觀察與處理生理信號的時間―頻率表示自適應(yīng)處理人工智能、醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)新興趣點：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混沌理論、分形理論、高階相關(guān)和高階譜、生物反饋、心理醫(yī)學(xué)工程小波分析方法應(yīng)用例小波分析：具有優(yōu)良的時間–頻率局部化特性是分析處理非線性、時變信號的重要工具譽(yù)為“分析信號的顯微鏡”頸動脈搏動圖(CAP)特征提取優(yōu)點：

1)高頻噪聲干擾影響小

2)低頻的基線漂移影響小

3)定位準(zhǔn)確性高

4)運算速度快CAP特征提取正常頸動脈波

一般很難直接依據(jù)原始觀測數(shù)據(jù)來對信號作出解釋，往往需通過提取特征參數(shù)來進(jìn)行表征，進(jìn)而作信號分析和識別。

信號共性特征：過零點、極值點、過零間隔等。CAP小波變換(a)正常情況(b)疊加白噪聲

(c)有基線漂移(d)受干擾波形小波濾波器目的：去除高頻噪聲又盡可能保持信號高頻分量不失真原理：信號的高頻分量與高頻噪聲在小波變換下其表現(xiàn)不相同，據(jù)此可實現(xiàn)高頻信噪分離，再利用小波反變換實現(xiàn)濾波。效果：信號的特征部位失真很小醫(yī)學(xué)成像——把生物體中有關(guān)的信息以圖像形式提取并顯示出來。可以是形態(tài)學(xué)像、功能像或代謝信息成像。圖像處理——對已獲得的圖像進(jìn)行分析、識別、分割、解釋、分類以及三維重建與顯示處理，目的是增強(qiáng)或提取特征信息。醫(yī)學(xué)影像技術(shù)主要的成像模式X線成像（X-ray）X線計算機(jī)體層成像（X-raycomputedtomography，CT或X-CT）核醫(yī)學(xué)成像（γ閃爍成像、正電子發(fā)射體層成像PET）超聲成像（ultrasonography）核磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）發(fā)展簡史1895德國外科醫(yī)生倫琴（R?ntgen）首次利用X射線觀察到了人體的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)。1969英國工程師Hounsfield首次設(shè)計成功了一臺斷層攝影裝置。1972Hounsfield與英國神經(jīng)放射學(xué)家Ambrose一道將該技術(shù)首次應(yīng)用于腦部掃描，獲得了第一幅腦腫瘤圖像。該攝影裝置稱為計算機(jī)X射線斷層掃描攝影裝置，簡稱計算機(jī)層析成像或CT。1974由Ledley設(shè)計成功全身CT裝置，進(jìn)一步擴(kuò)大了CT的檢查范圍，從而為CT進(jìn)入臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。常規(guī)X線透射投影像三維結(jié)構(gòu)的二維重疊顯示橫斷體層像X-CT通過橫斷體層掃描和圖像重建得到X-CT圖像X線圖XCT圖CT/PET圖像融合CT圖像反映解剖結(jié)構(gòu)PET圖像揭示新陳代謝圖像融合，以協(xié)助進(jìn)行胰腺癌的病灶定位和手術(shù)計劃影像技術(shù)比較發(fā)展過程（縱向）模擬X線成像→數(shù)字X線成像體層成像CT、MRI形態(tài)成像診斷→形態(tài)成像功能成像代謝成像圖像融合綜合診斷發(fā)展過程（橫向）計算機(jī)輔助檢測CADDetection計算機(jī)輔助診斷CADDiagnosisPACS（圖像存檔與傳輸系統(tǒng)）（Picturearchivingandcommunicationsystem）介入放射學(xué)（interventionalrediology）在影像監(jiān)視進(jìn)行手術(shù)治療與內(nèi)科、外科并列為三大醫(yī)療體系DSA（數(shù)字減影血管造影術(shù)）電子內(nèi)窺鏡紅外熱成像新進(jìn)展阻抗成像微波成像實時三維影像重建

建模——對生物的細(xì)胞、器官和整體各層次的行為，參數(shù) 及其關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型。以便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)。仿真——用計算機(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)運行機(jī)制和狀態(tài)的工作。生物系統(tǒng)的建模與仿真鑒別人體參數(shù)的異常以進(jìn)行疾病診斷、糖尿病等疾病的預(yù)報、血壓等參數(shù)的自適應(yīng)控制。在醫(yī)療儀器的研制和生物學(xué)、生理學(xué)、仿生學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中，也具有很大價值。生物系統(tǒng)控制——人為地外加控制條件，影響生物系統(tǒng)的生命過程，以達(dá)到某種特定的目的：如，研究血壓、PH、體溫與心率的關(guān)系，為研制按需型心臟起搏器提供理論基礎(chǔ)；建立流行病模型，為制定疾病的防疫措施提供理論依據(jù)。建模、仿真與控制黑箱模型——只從系統(tǒng)的外部條件符合生物系統(tǒng)的實際。同胚模型——不僅從系統(tǒng)的外部條件，而且從系統(tǒng)的內(nèi)部條件（即受生物的解剖生理制約）符合生物系統(tǒng)的實際。模型必須進(jìn)行實驗驗證。例子：循環(huán)系統(tǒng)模型、神經(jīng)系統(tǒng)模式、免疫系統(tǒng)模型、流行病模型、人口發(fā)展模型模型的種類——應(yīng)用電、磁、輻射、激光、超聲等物理量治療疾病或緩解病痛，是藥物和手術(shù)治療以外的重要治療手段。優(yōu)點：創(chuàng)傷小、費用低、易于推廣研究內(nèi)容：了解物理因子對人體的治療作用及其機(jī)理，確定有效作用劑量和允許劑量。物理因子的生物效應(yīng)激光輻射：產(chǎn)生光致熱，化學(xué)、壓強(qiáng)、電磁場和生物刺激等效應(yīng)。以微波和超聲波為熱源的腫瘤加熱療法。放射治療：高能量電離輻射光子或高能離子照射病變部位進(jìn)行治療。沖擊波碎石：利用聚焦的連續(xù)超聲振動或沖擊波振碎病變結(jié)石。生物效應(yīng)的應(yīng)用計算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)診斷，能以咨詢、監(jiān)測、解釋和識別等形式向醫(yī)生提供認(rèn)識疾病、診斷治療疾病的科學(xué)依據(jù)。

爭取疾病的早期診斷、治療，提高家庭和社區(qū)醫(yī)療保健質(zhì)量。

醫(yī)學(xué)人工智能和醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)醫(yī)院數(shù)字化發(fā)展的3個階段：管理數(shù)字化階段以提高管理工作效率、輔助財務(wù)核算為主要目的醫(yī)療數(shù)字化階段以PACS、電子病歷系統(tǒng)以及麻醉監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、檢驗信息系統(tǒng)為代表，包括了對醫(yī)院所有醫(yī)療活動中所涉及的全部信息進(jìn)行以病人為中心的數(shù)字化管理并綜合利用。將以區(qū)域醫(yī)療為特色隨著各類區(qū)域性醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及社區(qū)醫(yī)療的發(fā)展，實現(xiàn)全社會范圍的醫(yī)療數(shù)字化。醫(yī)院信息工程與遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)醫(yī)院信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

管理信息系統(tǒng)(HIS)

是以經(jīng)濟(jì)核算、資源管理等為主要內(nèi)容。目前，中國大多數(shù)醫(yī)院實施的信息系統(tǒng)都是這種HIS系統(tǒng)。

臨床信息系統(tǒng)(CIS)

以病人信息為核心，對各種與病人診療有關(guān)的臨床信息進(jìn)行整理、處理、匯總、統(tǒng)計、分析等。目前中國還沒有醫(yī)院全面實現(xiàn)真正意義上的CIS，分步實施了某些模塊，例如PACS系統(tǒng)。

辦公自動化系統(tǒng)(OA)

對辦公系統(tǒng)的信息管理。HIS、CIS和OA心電信息學(xué)(臨床應(yīng)用)心電信息——采用不同手段和分析方法獲得的有關(guān)心臟生物電活動的各種曲線與圖形資料。

如，心電圖、動態(tài)心電圖、心電向量圖、頻域心電圖、體表電位標(biāo)測圖、心室晚電位、心率變異性、負(fù)荷心電圖、起搏心電圖、食管心臟起搏心電圖、竇房結(jié)電圖、希氏束電圖、心磁圖等。心電信息學(xué)——研究分析和闡明心電信息資料，為臨床提供診療信息。心電信息學(xué)已成為心血管病學(xué)不可缺少的檢查診斷方法，已形成一門獨立學(xué)科。1887Waller，毛細(xì)管靜電計第一次描記人體心電圖波群1901

Einthoven與VandenWoerd研制成功弦線電流計1903

Einthoven描記出滿意的心電圖波群，1905推廣到臨床應(yīng)用（近50年），1924獲諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。創(chuàng)建等邊三角形學(xué)說，設(shè)計I、II、III導(dǎo)聯(lián)，命名P、QRS、T各波群（Einthoven荷蘭萊頓大學(xué)生理學(xué)家）1912Waller命名ECG，Electrocardiograph1932Wilson創(chuàng)立零電位中心電端理論，導(dǎo)聯(lián)增加到12個，1942Goldberger概率中心電端，設(shè)計aVR、aVL、aVF。至此，形成Einthoven-Wilson理論體系。心電信息學(xué)簡史心電信息學(xué)簡史三個歷史階段：

1887~1978

心電圖學(xué)↓1979~1994心電學(xué)↓1995~心電信息學(xué)

Electrocardiographic

informatics

國際心電圖學(xué)會更名為國際心電學(xué)會心電信息學(xué)概念形成眾多方法和技術(shù)采集、分析、儲存和傳輸內(nèi)涵信息不斷得到充實內(nèi)容更加豐富和提高心電圖圖譜1

正常心電圖

竇性心律心率：70次/分PR間期：0.16秒QT間期：0.33秒PⅠⅡ↑

aVR↓QRS時間：0.10秒ST-T無異常偏移心電圖圖譜2

室性期前收縮（室早）

1、提前出現(xiàn)的寬大畸形的QRS波群，時限>0.12S，其前無P波，繼發(fā)S-T段與T波和主波方向相反。

2、聯(lián)律間期恒定

3、代償間期完全

4、室早可以孤立或規(guī)律出現(xiàn)、形成二聯(lián)律（上）、三聯(lián)律、成對室早（下）。

5、在同一導(dǎo)聯(lián)內(nèi)若出現(xiàn)不同形態(tài)的室早為多形或多源性室早。心電圖圖譜3

A圖為竇性心動過速

1、頻率>100次／分

2、其他波型值在正常范圍內(nèi)。B圖為竇性心動過緩

1、頻率<60次／分

2、其他波型值在正常范圍內(nèi)。心電圖圖譜4

Ⅲ°房室傳導(dǎo)阻滯

1、P－P間期相等，R－R間期相等

2、P與R無固定時間關(guān)系（P－R間期不等）

3、心房率快于心室率

4、QRS正常，表示心室起搏點在交界區(qū)；QRS增寬變形，表示起搏點在心室。

1947年美國物理學(xué)博士，實驗物理學(xué)家Nor-manJ·Holter首創(chuàng)連續(xù)記錄生物電技術(shù)通常稱之為Holter。最初無線電傳送人的腦電圖，隨身無線電放射機(jī)重31.9kg。1957年應(yīng)用晶體管電路實現(xiàn)磁帶記錄儀小型化，重1.5kg，連續(xù)記錄心電圖10h。

——動態(tài)心電圖（AmbulatoryECG）

AECG監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是用一種隨身攜帶的記錄儀，可以長時間（24～72小時）連續(xù)記錄并編集分析人體心臟在活動和安靜狀態(tài)下心電圖變化。動態(tài)心電圖心電記錄儀隨身佩帶，不受檢測距離影響，不受體位變化及活動的限制。心電信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)ECG，尤其對短暫性心律失常的捕捉及一過性心肌缺血的檢出有獨到之處。分析系統(tǒng)可分析顯示監(jiān)測期內(nèi)心搏總數(shù)、最高心率、最低心率、平均心率和每小時平均心率，自動分析和測量每小時室上性、室性期前收縮及心動過速的次數(shù)、程度和形態(tài)以及持續(xù)時間，房室傳導(dǎo)阻滯、心臟停搏的情況及P-R間期、QRS波群、ST-T變化的軌跡圖、趨勢圖及全覽圖等，其結(jié)果可用不同方式輸出，為臨床提供有價值的資料。AECG特點AECG已成為重要的無創(chuàng)傷性心血管檢測技術(shù)之一。數(shù)字化采集心電信號，重量輕，功耗低，壽命長等特點成為近年的主導(dǎo)產(chǎn)品。Holter的性能及應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷提高和拓展。動態(tài)監(jiān)測的領(lǐng)域從單純的AECG已拓展到：

動態(tài)血壓、動態(tài)腦電、動態(tài)睡眠呼吸、動態(tài)上消化道PH值等多項參數(shù)檢測，并在臨床科研及治療中得以廣泛應(yīng)用。

AECG特點§1.5現(xiàn)代醫(yī)療器械

醫(yī)療器械是指單獨或者組合使用于人體的儀器、設(shè)備、器具、材料或者其他物品，包括所需要的軟件；其用于人體體表及體內(nèi)的作用不是用藥理學(xué)、免疫學(xué)或者代謝的手段獲得，但是可能有這些手段參與并起一定的輔助作用；其使用旨在達(dá)到下列預(yù)期目的：①對疾病的預(yù)防、診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解；②對損傷或者殘疾的診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解、補(bǔ)償；③對解剖或者生理過程的研究、替代、調(diào)節(jié)；④妊娠控制?！?999年12月國務(wù)院批準(zhǔn)《醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例》醫(yī)療器械近年全球整體經(jīng)濟(jì)不景氣，但醫(yī)療器械行業(yè)仍然保持較高的增長速度。美國宏觀經(jīng)濟(jì)幾乎停滯，但醫(yī)療器械的增長率一直保持在9%左右。我國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)近年一直保持15%左右的高速增長，隨著我國宏觀經(jīng)濟(jì)將進(jìn)入另一個穩(wěn)定增長周期，今后幾年中國市場對醫(yī)療器械的需求將一直保持強(qiáng)勁勢頭?！?004版中國醫(yī)療器械市場研究報告產(chǎn)業(yè)發(fā)展（朝陽產(chǎn)業(yè)長青樹）美國歐盟日本中國41%27%14%僅2%我國醫(yī)械工業(yè)與發(fā)達(dá)國家有相當(dāng)差距（銷售份額）醫(yī)療器械和藥品的銷售比例:

美國1∶1

國際1∶1.9

中國1∶5可見我國醫(yī)療器械工業(yè)的發(fā)展空間很大。市場醫(yī)用手術(shù)、急救和診療器械與設(shè)備醫(yī)用電子儀器放射設(shè)備超聲儀器光學(xué)器具和激光儀器臨床檢驗分析儀器微機(jī)械及微創(chuàng)醫(yī)療技術(shù)體外循環(huán)及血液處理設(shè)備……醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)＝生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)心臟起搏器CardiacPacemaker

簡介

人工心臟起搏——用外加脈沖代替心臟起搏點的電興奮，刺激心臟搏動的一種治療方法。是心律失常非藥物治療的一種有效治療方法。

人工心臟起搏器——能產(chǎn)生一定形式電脈沖，并將脈沖傳至心臟，使心臟按一定頻率有效收縮的脈沖發(fā)生器。能替代或補(bǔ)充正常激勵和控制心臟收縮的生理電子系統(tǒng)。

人工心臟起搏技術(shù)是實現(xiàn)生物機(jī)能控制的典型范例。發(fā)展簡史1761～1846一種由于嚴(yán)重心律失常以致循環(huán)障礙、腦供血不足引起的危險急癥，稱為阿－斯綜合征，或“心源性腦缺氧綜合征”。是發(fā)展人工心臟起搏技術(shù)的重要背景。1791觀察到肌肉對電刺激有收縮反應(yīng)。1819用直流電刺激死刑者停止搏動的心臟，使之復(fù)跳。1858、1862動物實驗，用電刺激使心臟跳動。1930Hyman創(chuàng)制發(fā)條脈沖發(fā)生器心臟起搏器，重量7.2kg，用針穿刺心房通電起搏搶救心臟停搏患者，命名為心臟起搏器，臨床43例，救活14例，但受不公正輿論指責(zé)。發(fā)展簡史1947～1958刺激竇房結(jié)復(fù)跳；胸壁刺激(75～150V，2ms脈沖)成功，但痛苦大；心外膜電極起搏；心內(nèi)膜電極起搏。1958Elmqvis