概述+生物力學

10/16/20231生物醫(yī)學工程概論

IntroductiontoBiomedicalEngineering(BME)南方醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院周凌宏10/16/20232主要內(nèi)容1、生物醫(yī)學工程的定義2、生物醫(yī)學工程的發(fā)展3、生物醫(yī)學工程的經(jīng)典研究領(lǐng)域10/16/202331生物醫(yī)學工程的定義

WhatisBiomedicalEngineering(BME)?10/16/20234邊緣交叉科學(Interdisciplinary)綜合：生物學醫(yī)學工程學理論和方法近幾十年內(nèi)建立與發(fā)展10/16/20235三個有代表性的定義1、“三合一學說”生物學＋醫(yī)學＋工程學＝生物醫(yī)學工程學2、“工程應(yīng)用學說”工程學在醫(yī)學和生物學中應(yīng)用3、“結(jié)合學說”生物醫(yī)學工程學是生物學、醫(yī)學和其它非生物學科的結(jié)合10/16/20236一般定義：“應(yīng)用物理學和工程學的技術(shù)來解決生命系統(tǒng)中的問題，突出強調(diào)人類疾病的診斷、治療、預防和保健”綜合運用現(xiàn)代自然科學和工程技術(shù)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(jié)構(gòu)、功能和其它生命現(xiàn)象，揭示和論證生命運動的規(guī)律，深化對生命系統(tǒng)的認識，提供防病、治病、衛(wèi)生保健、康復、安全防護的新理論和新方法，設(shè)計和研制用于防病、治病等的新材料、人工器官、裝置與系統(tǒng)的交叉學科生物醫(yī)學工程學科領(lǐng)域基礎(chǔ)生物學物理學(生物醫(yī)學物理學）醫(yī)學生物醫(yī)學工程生物化學信息科學電子與現(xiàn)代工程技術(shù)10/16/20238生物醫(yī)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(shù)開發(fā)的最佳手段

提供治療、預防與保健的有效方法10/16/20239基本任務(wù)：運用物理學、數(shù)學和工程技術(shù)手段，研究和解決生物學與醫(yī)學中的有關(guān)問題?；拘再|(zhì)：以應(yīng)用基礎(chǔ)性研究為主，研究的對象是人體(一個多層次的龐大系統(tǒng))，所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，并在不斷的擴展之中。研究內(nèi)容和基本任務(wù)10/16/202310生命的活動可分為若干層次整體層次：人體與外界環(huán)境的熱量、質(zhì)量、動量交換，有聲、光、電、熱、味、壓的信息交換，有環(huán)境對于人體的作用，人與生活環(huán)境及工作環(huán)境的相互關(guān)系，有人對于環(huán)境的能動作用10/16/202311器官和組織層次：生物力學、生物材料、生物信號、醫(yī)學圖象、人工器官、控制、建模、康復、組織工程等都發(fā)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10/16/2023121、迅速發(fā)展的新興學科生物醫(yī)學工程是在近幾十年才從醫(yī)學中分離而形成一門獨立學科。當代高新科技的飛速發(fā)展，為它提供基礎(chǔ)。生物醫(yī)學工程的特點10/16/2023132、大跨度、多學科的綜合性應(yīng)用學科醫(yī)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(jié)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10/16/2023143、是醫(yī)學和生物學發(fā)展的重要動力一方面生物醫(yī)學工程為醫(yī)學、生物學提供技術(shù)與裝備另一方面又為醫(yī)學和生物學的發(fā)展開辟新路——帶來生物學與醫(yī)學的變革10/16/2023154、是社會效益與經(jīng)濟效益的綜合醫(yī)學重于社會效益，工程重于經(jīng)濟效益，生物醫(yī)學工程是醫(yī)學與工程學的結(jié)合，是社會效益與經(jīng)濟效益必然的結(jié)合10/16/2023162生物醫(yī)學工程的發(fā)展回顧自發(fā)地應(yīng)用于生物學和醫(yī)學1604年 Jansen－顯微鏡，Hook發(fā)現(xiàn)細胞1895年 Roentgen－X射線，人體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)獲得人體切面聲象圖

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

七十年代生物醫(yī)學工程涉及到生物醫(yī)學的各個方面，微型機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬技術(shù)形成巨大的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代醫(yī)學基本上是構(gòu)筑在生物醫(yī)學工程基礎(chǔ)上

我國的生物醫(yī)學工程學科1978年國家科委組織BME科研發(fā)展規(guī)劃1980年成立了中國生物醫(yī)學工程學會近年來，豐富、多彩10/16/202321當前，在醫(yī)學的幾乎所有領(lǐng)域生物醫(yī)學工程學已經(jīng)發(fā)揮、將會發(fā)揮巨大的作用生物力學在人體生理系統(tǒng)建模與仿真中發(fā)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(yī)學工程發(fā)展現(xiàn)狀10/16/202322生物醫(yī)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……10/16/202323生物醫(yī)學電子學在生物醫(yī)學工程中的巨大作用生物醫(yī)學信號檢測、處理與識別是是醫(yī)學圖象處理的基礎(chǔ)，與生物材料、生物力學、人工器官、生物醫(yī)學儀器等關(guān)系密切……生物醫(yī)學圖像技術(shù)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……10/16/202324生物醫(yī)學儀器對提高醫(yī)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(zhì)子刀、中子刀、射波刀、康復輔助系統(tǒng)、機器人外科手術(shù)系統(tǒng)……10/16/202325近20年，生物醫(yī)學工程制品飛速發(fā)展并形成規(guī)模性產(chǎn)業(yè)，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)社會需求量大，產(chǎn)品技術(shù)含量和產(chǎn)品附加值高美國目前已有1100萬人體內(nèi)植入有一個人工器官，200萬人體內(nèi)有2個或2個以上人工器官生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展10/16/2023262012年，世界生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約4000億美元，年增長率持續(xù)保持在10%上下。2012年，我國生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約3000億元，年增長率持續(xù)保持在15~20%。美國、日本、西歐等發(fā)達國家都把生物醫(yī)學工程列入高技術(shù)發(fā)展的前沿10/16/202327我國有13億人口，醫(yī)療保健基數(shù)大，生物醫(yī)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?cè)丝?/3大量血液病患者需人工腎大量糖尿病患者需人工胰10/16/2023283生物醫(yī)學工程經(jīng)典研究領(lǐng)域10/16/202329生物材料學人工器官生物系統(tǒng)建模與仿真生物醫(yī)學信號與傳感器生物醫(yī)學信息處理醫(yī)學圖像技術(shù)物理因子在治療中應(yīng)用及生物學效應(yīng)生物力學……10/16/202330生物醫(yī)學材料學生物醫(yī)學材料是用以和生物系統(tǒng)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?？梢允翘烊徊牧希部梢允呛铣刹牧匣蛘呤撬鼈兊慕Y(jié)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(jié)合而成的雜化材料。10/16/202331生物醫(yī)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(yī)用導管材料、醫(yī)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(shù)縫合線、皮膚創(chuàng)面保護膜等材料。10/16/202332人工器官人工器官主要研究模擬人體器官的結(jié)構(gòu)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(fā)生病變而用常規(guī)方法不能醫(yī)治時，有可能給病人使用一個人工制造的系統(tǒng)來取代或部分取代病損的自然器官，補償或修復其功能。10/16/202333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。10/16/202334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(jié)構(gòu)和功能上均與自然器官有很大差別，大多數(shù)人工器官尚不能完全替代自然器官。人工器官的應(yīng)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(chuàng)造有利條件。10/16/202335生物系統(tǒng)建模與仿真生物系統(tǒng)的建模與仿真包括生物系統(tǒng)的建模、仿真、辯識與控制等內(nèi)容，其中心為建模與控制。生物系統(tǒng)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(shù)及其關(guān)系建立數(shù)學模型的工作。生物系統(tǒng)的控制是人為地外加控制條件來影響生物系統(tǒng)的生命過程，以達到某種特定的目的。10/16/202336生物醫(yī)學信號與傳感器生物醫(yī)學信號檢測是對生物體中包含的生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)、變量和成分等信息進行檢測和量化的技術(shù)。生物醫(yī)學傳感器是獲取各種生物信息并將其轉(zhuǎn)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(yī)學信號檢測的關(guān)鍵技術(shù)。10/16/202337生物醫(yī)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(jīng)質(zhì)等生物化學量信號。10/16/202338生物醫(yī)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(tài)變化和個體差異大，因此要求檢測傳感器和系統(tǒng)的靈敏度高，噪聲小，抗干擾能力強，分辨力強，動態(tài)特性好。由于以人體為對象，故應(yīng)有良好的對人體內(nèi)環(huán)境的適應(yīng)性，對人體生理狀態(tài)擾動小，尤其對傳感器系統(tǒng)的可靠性和安全性有特別嚴格的要求。10/16/202339生物醫(yī)學信息處理生物醫(yī)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(fā)腦電信號總是伴隨強的自發(fā)腦電信號；超聲波回波信號中往往伴隨其他發(fā)射雜波；生物磁信號強度遠遠低于地磁場和環(huán)境磁噪聲強度。10/16/202340生物