生物醫(yī)學工程基礎(chǔ)第1章(2014-2)

生物醫(yī)學工程基礎(chǔ)

汪天富、陳昕、覃正笛、錢建庭、劉維湘、孫怡雯、張會生、沈圓圓、彭玨、周光前深圳大學醫(yī)學院課程簡介生物醫(yī)學工程是基于工程學和生命科學的交叉學科，運用工程學的原理、知識和方法解決醫(yī)學問題，如用電學、化學、光學、力學和其他工程學原理來解釋、修改、控制生物體系統(tǒng)，是工程學和臨床醫(yī)學之間的橋梁。本課程是生物醫(yī)學工程專業(yè)學生的專業(yè)必修課程，對于全面掌握生物醫(yī)學工程的主要研究領(lǐng)域具有重要的引導作用。課程簡介主要內(nèi)容歷史回顧、道德與倫理問題解剖生理學、生物電現(xiàn)象生物力學、康復工程及輔助技術(shù)生物材料、組織工程生物醫(yī)學傳感器、生物醫(yī)學儀器生物醫(yī)學信號處理生理系統(tǒng)建模與仿真基因與生物信息學醫(yī)學成像、放射成像計算細胞生物學與計算復雜性生物醫(yī)學光學與激光體外診斷儀器原版英文教材名稱作

者出

版社IntroductiontoBiomedicalEngineeringJohnEnderle,SusanBlanchard,JosephBronzinoAcademicPress,2005,SecondEdition翻譯教材生物醫(yī)學工程概論封洲燕譯機械工業(yè)出版社，2010年7月第1版課程教材考核形式平時成績×30％+期末成績×70％平時成績包括作業(yè)、考勤、課堂提問、課堂測驗等期末考試方式是撰寫課程報告（文獻綜述）。第一章歷史回顧生物醫(yī)學工程基礎(chǔ)汪天富深圳大學醫(yī)學院主要內(nèi)容現(xiàn)代醫(yī)療保健系統(tǒng)的演變現(xiàn)代醫(yī)療保健體系什么是生物醫(yī)學工程生物醫(yī)學工程師的職能生物醫(yī)學工程的專業(yè)狀況幾個生物醫(yī)學工程協(xié)會本章要求通過學習，學生應該能夠：理解先進醫(yī)療技術(shù)的巨大進步在建立現(xiàn)代健康醫(yī)療保健系統(tǒng)中所扮演的重要角色明確什么是生物醫(yī)學工程，并能理解生物醫(yī)學工程師在健康醫(yī)療服務系統(tǒng)中的重要作用能夠解釋為什么生物醫(yī)學工程師是專業(yè)人士醫(yī)療保健系統(tǒng)的演變—依靠經(jīng)驗和神學巫醫(yī)觀察某些疾病的特點，然后把經(jīng)驗輩輩流傳。例如，通過一些實踐經(jīng)驗而發(fā)展起來的先進科學有藥草學、接骨術(shù)、外科手術(shù)、助產(chǎn)術(shù)等。長期以來，埃及人敬重伊姆霍特普（Imhotep），并不是因為他是第一個金字塔（3000BC）的建造者，而是因為他是一位著名的醫(yī)生。他能讓病人安靜地入睡，所以他的名字代表著“安寧蒞臨者”在早期的埃及文化中他因醫(yī)術(shù)高明被尊稱為康復之神。埃及的神學和最初的宗教一樣，高度強調(diào)超自然和個人健康之間的相互關(guān)系。例如今天的處方中常用的神秘性標志Rx來源于古埃及地傳說“太陽神和魯斯（Horus）的眼睛”。Horus幼年時遭惡魔賽斯（Seth）的攻擊眼睛失明，他的媽媽（Isis）求助于健康之神Thoth，Thoth立即診治使Horus的眼睛的視力和神力都得以恢復。因此，Horus的眼睛成為埃及神靈解除災難和保護的標志，之后Rx便被用作來連接古代和現(xiàn)代醫(yī)學的紐帶。

Imhotep的思想和他所實踐的醫(yī)術(shù)被許多人記錄在蒲草紙書上（古墓中發(fā)現(xiàn)）。1873年GeorgeElbers

獲得的一個書稿（日期標注公元前1500年）就記錄了幾百種疾病的治療方法，從鱷魚咬傷到便秘無所不有。1862年EdwinSmith發(fā)現(xiàn)的莎草書稿（日期標注公元前1700年），被認為是古代最重要最完整的外科手術(shù)著作。這些文稿描述了一系列手術(shù)病例的診斷、預后和治療方法這兩本文稿無疑是醫(yī)學史上的杰出著作。受古埃及Imhotep的影響，希臘人樹立了自己的醫(yī)神艾斯庫累普（Aesculapius）。據(jù)神話記載，艾斯庫累普是太陽神Apollo造訪塵世時生的兒子，Apollo是個負責任的父親，和眾多現(xiàn)代父母一樣，他希望艾斯庫累普能成為一個內(nèi)科醫(yī)生。Apollo讓Chiron（人首馬身）做為家庭教師，教艾斯庫累普學習治病的方法。很快，艾斯庫累普在治療專業(yè)方面就很出色，而且青出于藍而勝于藍，他使人們的壽命大大延長，以至于陰間的人口數(shù)量都降低了。于是陰間之神Pluto非常憤怒，迫使天神Zeus用雷劈死了艾斯庫累普，并把他升至天堂，成為奧林匹斯山上的神。神學融入到了醫(yī)學希臘神話中的醫(yī)神艾斯庫累普是現(xiàn)代內(nèi)科醫(yī)師的標志到1000年，醫(yī)學已經(jīng)成為一個受人尊敬的專業(yè)。在希臘，艾斯庫累普寺廟屬于第一批醫(yī)院。圖1.1被送進艾斯庫累普教堂的患病兒童

稱作“醫(yī)學之父”的希波克拉底（Hippocrates）受醫(yī)生父親影響，年輕的時候就對醫(yī)術(shù)熟通，他給醫(yī)學注入了一種新的要素：科學精神，從此診斷檢測和臨床治療開始代替了迷信。

醫(yī)療保健系統(tǒng)的演變—首現(xiàn)“科學精神”希波克拉底使大家明白疾病是一種按邏輯逐步發(fā)展的自然過程，癥狀就是機體對病的反應，而不應該歸咎于神靈。希波克拉底和Cos寺廟培養(yǎng)了一大批人，他們遷移到地中海國家去行醫(yī)并傳播醫(yī)學理念。希波克拉底和他的學校以及起源于他的一些管理規(guī)定，構(gòu)成了醫(yī)學從巫術(shù)和神學中分離出來的突破口，成為現(xiàn)代理性醫(yī)學的奠基石。當羅馬帝國發(fā)展到鼎盛時期并且影響延伸到半個世界時，它們吸收的偉大文化包括醫(yī)學需要繼承傳下來。雖然羅馬在針對個人的臨床醫(yī)學方面的貢獻很小，但他們在公共醫(yī)療方面有顯著成就。例如，他們組織了遍及整個羅馬帝國的軍隊醫(yī)療服務隊，不僅在戰(zhàn)場上有急救站，在戰(zhàn)略要塞也建立了基地醫(yī)院。城市下水道系統(tǒng)和輸水管道的建設(shè)也是羅馬在醫(yī)療保健的社會醫(yī)療方面取得的顯著成就。堅持不喝臟水，不吃臟食有利于控制和預防流行病。這觀念雖然原始，至今在都市生活中依然適用。不幸的是，由于缺乏關(guān)于疾病的科學知識，羅馬人在公共醫(yī)療上所有的成就也不能避免周期性的疾病災難，特別是幾乎把整個城市摧毀的瘟疫。

起初羅馬統(tǒng)治者對希臘的醫(yī)師和醫(yī)術(shù)不屑一顧。但是幾年之后，希波克拉底的弟子門留下的良好印象廣泛傳播。為了回報他們對羅馬人提供的醫(yī)療服務，愷撒大帝（Caesar，46BC）對所有的希臘醫(yī)生授予羅馬公民身份。這使得希臘醫(yī)生在羅馬的地位十分穩(wěn)固，以至于同一年當羅馬遭受饑荒時，希臘醫(yī)生是唯一沒有被驅(qū)逐出境的外國人，相反，還給獎金以使他們留下來。具有諷刺性的是：被尊稱為羅馬歷史上著名醫(yī)生的蓋倫（Galen）實際上是個希臘人。因為他醫(yī)治好了“宮廷發(fā)熱病”變成了羅馬醫(yī)學史上的名人。其實他和希波克拉底完全不一樣，蓋倫自大傲慢，自夸自詡，只報道成功的案例。不過蓋倫也確實是一名杰出的醫(yī)生，他的醫(yī)療診斷是一門藝術(shù)，除了照顧好病人，他還對遠至而來的醫(yī)學咨詢進行答復。蓋倫很勤奮，寫下了300多本解剖體檢的書，內(nèi)容包括精選的歷史病例、他開過的藥方。但由于他反對人體解剖，只能根據(jù)動物的解剖來畫出人體的解剖器官，這具有誤導性。由于當時蓋倫主宰了醫(yī)學界，又獲得羅馬天主教會支持，事實上也阻礙了醫(yī)學的求真探索。在之后宗教統(tǒng)治的黑暗時期，他的醫(yī)學觀點和著作被羅馬教皇和權(quán)威人士看作“圣經(jīng)”和“法律”。隨著羅馬帝國的滅亡，教堂變成了知識庫，尤其是幾世紀以來逐漸漂移到地中海區(qū)域的知識寶蔵，包括通過傳教士的書面?zhèn)鞑サ尼t(yī)學知識，并且分散在各教堂，在教徒中流傳。醫(yī)院系統(tǒng)伴隨著基督教的信仰、人道主義和慈善一起傳播，散及全歐洲隨后又通過十字軍傳播到中東地區(qū)。但是，訓練過的醫(yī)生主要在病人的家里治病，只有那些疲倦旅人、貧困者和認為沒希望的病人才會去醫(yī)院。雖然有一些醫(yī)院有完善的財政和管理系統(tǒng)，能夠人性化對待病人，但是大多數(shù)醫(yī)院其實就是看守所，主要就是把棘手的或患傳染病的人和公眾隔離。在這些機構(gòu)里充斥著擁擠、骯臟，病人和醫(yī)護人員死亡率都很高。因此，人們通常害怕并躲避醫(yī)院。

15，16世紀文藝復興和宗教改革解除了教會對醫(yī)院和行醫(yī)者的強權(quán)控制。文藝復興時期，人們追求醫(yī)學知識等自然界真正奧秘的渴望再次被激發(fā)。人類解剖的研究得到發(fā)展，藝術(shù)家米開朗琪羅、拉斐爾、杜勒，還有天才畫家達芬奇等都為深入研究人體解剖學作出了貢獻。醫(yī)療保健系統(tǒng)的演變—文藝復興時期的巨大進步伽利略（1564～1642）在文藝復興時期，檢測技術(shù)也開始發(fā)展，其中伽利略的貢獻最大。他通過對大批醫(yī)學學生講演數(shù)學科學，詳細說明了他的著名理論和發(fā)明（望遠鏡、溫度計、擺錘等）。伽利略提倡用實驗和精確的測量方法幫助醫(yī)師進行有效的診斷。測量的體溫、脈搏數(shù)據(jù)和一些特殊疾病的癥狀相關(guān)。顯微鏡的發(fā)展擴大了人們的視野。隨著人口城市化的擴張，英國的醫(yī)院尤其是大都市里的醫(yī)院和設(shè)備變得供不應求。因此，在17世紀倫敦兩個大型醫(yī)院（St.Bartholomew’s和St.Thoma）實施了一項新的政策，即只接受可能被治愈的病人。那些無法治愈的病人就會被遣散到其他機構(gòu)，比如收容所、監(jiān)獄或濟貧院。

直到19世紀，醫(yī)院才有能力讓大量的病人受益。這一時代的進步是要歸功于護理水平的提高南丁格爾從克里米亞戰(zhàn)爭回到英國，她認為醫(yī)院死亡情況更多得是由于醫(yī)院的條件而不是疾病。在19世紀后期，南丁格爾的影響深遠，世界上很多醫(yī)院都是接受她的建議而建立起來的。

南丁格爾南丁格爾的護理觀點是：“護理可以使我們擁有可能最佳的條件，以便于病人自然恢復健康，并保持健康。請注意，我們是護理病人，而不是護理疾病”。醫(yī)療保健系統(tǒng)的演變—護理的發(fā)展

現(xiàn)代醫(yī)療保健體系20世紀，各種基礎(chǔ)科學（化學，生理學，藥理學等）開始迅猛發(fā)展，物理學學的各種發(fā)明促使醫(yī)學產(chǎn)生了飛躍。1903年威廉.愛因托芬發(fā)明了第一臺心電圖機，可以測量心跳時的電位變化，由此開創(chuàng)了心臟醫(yī)學和電位測量技術(shù)的新時代。這一時期新發(fā)明層出不窮，就像連鎖反應一樣，其中對臨床醫(yī)學發(fā)展最最重要的是X射線的發(fā)現(xiàn)。在倫琴描述他的新射線時，人體的秘密就開始向醫(yī)學檢查敞開了。1895年:X射線之父－倫琴倫琴夫人的手指倫琴的實驗室20世紀30年代磺胺藥物和40年代青霉素的開開發(fā)顯著降低了引起醫(yī)療危害的病人間的交叉感染。先進的科技促進了復雜的外科手術(shù)的發(fā)展。1927和1939年分別發(fā)明了呼吸機和心肺分流術(shù)。40年代，心導管及心血管造影術(shù)得到了快速發(fā)展。實現(xiàn)了對由于瓣膜紊亂引起的心臟病的診斷，開創(chuàng)了心臟和血管外科研究的新時代。50年代，顯微鏡進入了醫(yī)學領(lǐng)域，在觀察微小細胞方面成就顯著。早期的心電圖機手術(shù)室的發(fā)展醫(yī)學圖像技術(shù)及儀器從70年代起，醫(yī)學研究者已經(jīng)讓電子智能工具去進行復雜運算，進行記錄（通過人工智能），甚至控制支撐生活的儀器器具。依靠不斷發(fā)展的先進電腦技術(shù)開發(fā)了新的醫(yī)療成像技術(shù)，例如電腦斷層攝像（CT）和核磁共振技術(shù)（MRI）。“部分器官替換”手術(shù)變得司空見慣。隨著1954年第一例腎移植成功，人工器官的觀念就普遍被接受并在醫(yī)學領(lǐng)域逐漸流行。這些技術(shù)創(chuàng)新從根本上改變了外科的組織和應用。20世紀90年代最顯著的科學技術(shù)成就就是人類基因組計劃，結(jié)果，生物醫(yī)學工程一個主要的轉(zhuǎn)變就是從之前的僅僅對器官水平的研究集中到細胞分子水平。納米技術(shù)、組織工程和人工器官清晰地表明科學幻想將變成現(xiàn)實。技術(shù)對于影響醫(yī)療保健實踐提供了無限的潛能。通過閉路電視和通信工具，可以為病人提供遠程醫(yī)療服務。多項普檢系統(tǒng)為大多數(shù)人群提供疾病預防，從而避免了需要診斷治療的人再跑到醫(yī)院。病人的自動化護理記錄可以告知醫(yī)生病人在家和在醫(yī)院的身體狀況。遠程醫(yī)療南極膝關(guān)節(jié)手術(shù)美國馬薩諸塞總醫(yī)院雙向聲像連接內(nèi)科醫(yī)師的新工具—激光手術(shù)

科學家和醫(yī)生將一顆狒狒的心臟

移植到出生兩周的女嬰體內(nèi)生物醫(yī)學材料康復工程德國

Tübingen大學的

Birbaumer教授利用腦機接口技術(shù)(腦電信號)幫助一個完全癱瘓的患者進行交流，病人甚至可以在家上網(wǎng)。關(guān)愛老年人：A全世界老年人口占12%

B到2050年，全世界老年人口數(shù)量將第一次超過兒童人口數(shù)量。C每年有500萬人死于中風返回

生物醫(yī)學工程（BME）是以工程科學技術(shù)的思維、方法、原理與技術(shù)，研究生命科學、支持生命科學、服務生命對象而形成的一門跨學科的、新興的、綜合性學科。工程科學與技術(shù)生命科學生物醫(yī)學工程

什么是生物醫(yī)學工程？生物醫(yī)學工程的綜合性非常強，它應用電學、化學、光學、力學和其他工程學原理來解釋、修改、控制生物系統(tǒng)。在醫(yī)院或醫(yī)療中心工作的生物醫(yī)學工程師稱作臨床工程師更適合，但是理論上的區(qū)別在實踐中往往不太明顯，今天許多在美國醫(yī)院工作的這類專家依然稱作生物醫(yī)學工程師。生物醫(yī)學工程擴展了許多新的研究領(lǐng)域，包括：工程系統(tǒng)分析應用（生理建模與仿真、生物控制）。生理信號的檢測和監(jiān)視（生物感應器，生物醫(yī)學儀器）。利用生物電信號的處理技術(shù)提取診斷信息。開發(fā)治療和康復設(shè)備（康復工程）。代替或增加人體功能的設(shè)備（如人造器官）。病人數(shù)據(jù)和計算機輔助分析和臨床診斷（醫(yī)學信息和人工智能）。醫(yī)學成像，即解剖結(jié)構(gòu)和生理功能的圖象顯示。新的生物制品的開發(fā)（如生物技術(shù)和組織工程）20世紀60年代，為了保障醫(yī)院病人的電氣安全，工程師開始進入臨床。當著名的消費者活動家RalphNader聲稱“每年至少1200名美國人在醫(yī)院的常規(guī)診斷和治療中被電死”時，對臨床用電的擔憂達到了頂峰。大家推測病人觸電死亡的原因是導管插入病人體內(nèi)之后就在體外到臨近心臟的血管之間形成了低阻抗通路，此時比正常電壓高得多的電壓就可能使病人。觸電死亡。盡管缺乏統(tǒng)計學的證據(jù)，但是強烈的抗議提高了醫(yī)務人員對病人使用醫(yī)療設(shè)備的安全意識。

一個新的產(chǎn)業(yè)---醫(yī)院電氣安全---迅速應運而生。電氣安全分析儀制造商和設(shè)備安全顧問急切希望能滿足醫(yī)院安全的需求，一些公司開發(fā)出確保病人安全的新產(chǎn)品，如隔離變壓器。為了滿足新的需求，醫(yī)院管理者考慮了一系列措施，包括：雇傭醫(yī)療設(shè)備制造廠家來進行設(shè)備安全審查；與共享的設(shè)備機構(gòu)簽訂合同；由醫(yī)院內(nèi)部員工來提供此項服務。很多醫(yī)院選擇了內(nèi)部服務并建立新部門來提供設(shè)備安全方面的技術(shù)。由此一個新興工程學科---臨床工程學誕生了，許多醫(yī)院建立了中心臨床工程部門。但電氣安全的敗例只代表了臨床環(huán)境中醫(yī)療設(shè)備安全的一小部分，設(shè)備既沒有完全清洗又沒有適當?shù)木S護。到20世紀70年代中期，設(shè)備使用前后的全面檢查已經(jīng)成為常規(guī)，形成了切合實際的檢查程序。在此發(fā)展過程中，臨床工程先驅(qū)人員發(fā)揮了重要的作用，他們作為醫(yī)院人員梯隊里的新成員，發(fā)揮的作用越來越大。他們的工作包括：積極參與開發(fā)低成本高效的方法，發(fā)展醫(yī)療技術(shù)。為醫(yī)院管理者提供咨詢，根據(jù)醫(yī)院條件和特定技術(shù)規(guī)格購買醫(yī)療設(shè)備。啟動科技新方法的應用，并且協(xié)助標準制定部門的工作。培訓醫(yī)護人員，使他們能夠安全有效地使用醫(yī)療設(shè)備。

20世紀90年代，在國際醫(yī)學與生物工程聯(lián)合會（IFMBE）下設(shè)立美國臨床工程學會（ACCE）和臨床工程部。今天臨床工程師為臨床職員提供了大量的工程技術(shù)服務，是整個醫(yī)院重要的一部分（圖1.10）?，F(xiàn)代臨床工程師既掌握醫(yī)院內(nèi)部具有的技術(shù)資源，又了解醫(yī)院外廠家的技術(shù)資源，使醫(yī)院可以有效地利用其資源。返回生物醫(yī)學工程師的職能生物醫(yī)學工程師包括三種類型：醫(yī)療保健系統(tǒng)的臨床工程師；工業(yè)界的生物醫(yī)學設(shè)計工程師；研究型科學家。第一種類型是最普遍的，也可以稱作問題解決者。生物醫(yī)學工程師必須能夠理解生物方面的問題，并且用生命科學家可以理解的語音描述所設(shè)計的解決方法，否則，無法稱之為“生物醫(yī)學”。第二種類型比較少見，也稱為“技術(shù)企業(yè)家”（更像工廠的生物醫(yī)學設(shè)計者）。他們認為生命科學家和醫(yī)生的教育與現(xiàn)有的應用技術(shù)能力間存在巨大差距，無法結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)水平來提出問題。因此，科技企業(yè)家發(fā)現(xiàn)在生物和醫(yī)學的前沿領(lǐng)域技術(shù)可以發(fā)揮很大的作用，自己提出問題，并自己解決。最終他們必須證明自己的成果是有用的，并說服醫(yī)學界接納。相對于問題解決者來說，技術(shù)企業(yè)家的活動帶有冒險性，沒有現(xiàn)成的用戶。如果冒險成功，不管是科學還是商業(yè)上，都會前進一大步。技術(shù)企業(yè)家的工作性質(zhì)決定了他們必須有大量的工程學，醫(yī)學知識和醫(yī)療系統(tǒng)的實踐經(jīng)驗。

第三類工程科學家，主要致力于應用工程學原理和技術(shù)來研究生物學過程。在此過程中最有力的工具是研究中構(gòu)建的生物系統(tǒng)的物理數(shù)學模型。通過模擬技術(shù)和可用的計算機器，他們可以用模型理解那些對于分析計算和直覺感知復雜的特性。而且模擬的過程促進了實際生物系統(tǒng)的實驗設(shè)計。實驗結(jié)果反過來也可以用來改善模型。因此，在這個過程中加深了對生物機理的認識理解。

像醫(yī)生和護士一樣，生物醫(yī)學工程師的最終職責為社會服務，這是一種職業(yè)，并不僅僅是熟練的技術(shù)服務。醫(yī)護人員和管理者需要充分認識這個新職業(yè)的重要性及其培訓目標，使他們充分發(fā)揮作用。生物醫(yī)學工程師具有巨大的潛力、挑戰(zhàn)和前景，給我們帶來的不僅僅師技術(shù)方面的效益，還有人道主義效益。生物醫(yī)學工程師的職能醫(yī)學基礎(chǔ)電子技術(shù)計算機技術(shù)信息技術(shù)生物醫(yī)學工程師的必備知識

生物醫(yī)學工程的專業(yè)狀況生物醫(yī)學工程師是專業(yè)人員，專業(yè)人員的定義就是在普通的集中培訓中共享的技術(shù)價值可以得到人們的認同。判斷一個人是不是專業(yè)人員取決于他是否具備某種內(nèi)在化的專業(yè)價值。而且基于技術(shù)能力得到相關(guān)的許可證書。他們大多有科學標準，專注其技術(shù)范圍內(nèi)的工作。在工作的時候，技術(shù)能力充分發(fā)揮，避免情感影響，尊重客觀現(xiàn)實，客戶的利益高于一切。專業(yè)人員的最后一個特征是職業(yè)道德。醫(yī)生總是盡量寬容和支持病人，同時在面對病人需求和社會利益時又在道德上進退兩難。例如：如何尊敬晚期病人的愿望又不促進他的死亡，關(guān)于醫(yī)學技術(shù)帶來的倫理道德問題的討論將在第二章詳細討論。以下六點可以判定職業(yè)化地位：（1）第一個培訓學校；（2）第一所大學；（3）第一個地方專業(yè)協(xié)會；（4）第一個國家專業(yè)協(xié)會；（5）第一部國家許可法律；（6）第一部正式的倫理道德準則。

生物醫(yī)學工程的專業(yè)狀況生物醫(yī)學工程師的職業(yè)模式生物醫(yī)學工程學（協(xié)）會美國醫(yī)學與生物工程研究院(AIMBE)美國擁有世界上最大的生物醫(yī)學工程協(xié)會團體，其相關(guān)專業(yè)機構(gòu)有：（1）美國臨床工程學會，（2）美國化學工程師協(xié)會，（3）美國醫(yī)學信息學協(xié)會，（4）美國農(nóng)業(yè)工程師協(xié)會，（5）美國人工器官學會，