《生物医学工程导论》PPT课件.ppt

生物医学工程导论 第一 讲 生物医学工程概 况 陈思平 课程简介 n生物医学工程是理、工、医相结合的边缘学科，其将现代工程技术 、近代物理学、生物学和医学结合起来，形成了对生命科学、现代 医学具有极其重要意义的新兴交叉学科。其属于技术科学范畴，是 以生命的人为对象，用工程学原理，研究开发防病、治病、人体辅 助功能等为医学应用服务的人工装置和系统。医疗仪器、医疗器械 即是其最广泛的应用。 n随之而起的生物医学工程产业被称为朝阳产业，我国形成环渤海湾 、长江三角洲、珠江三角洲等三大产业带，深圳是我国生物医学工 程产业中最具有竞争力的产业基地，其产值占珠江三角洲的百分之 八十以上，对该学科的人才有较高的需求。 n本课程以讲座形式，以交叉学科充满创新的特点，介绍生物医学工 程的基本原理、典型应用、最新成果及未来发展。在最后几讲中将 介绍生物医学工程产业和临床工程的一些基本知识，以帮助学生从 事实际工作时能尽快入门。 课程内容和教授 生物医学工程概况 陈思平 人体解剖与生理及生物电现象王晓梅 生物医学传感器 张会生 生物医学仪器张会生 生物医学信号处理纪震 康复工程王珏、陈思平* 组织工程张小云 生物技术和生物芯片 陈思平* 放射学成像和磁共振成像王晖 医学超声陈思平 生物医学中的光学与激光 屈乐生 生物材料陈思平* 医疗信息系统 纪震 临床工程及电气安全 陈思平 医疗器械产业基本知识陈思平 本讲内容提要 n生物医学工程学科简介 n生物医学工程产业现状 n学术组织介绍 n参考书和杂志 生物医学工程简介 生物医学工程发展 n 生物医学工程概念 生物医学工程的内容 生物医学工程的互动、现状。 中国医学超声诊断发源地? nA 北京 nB 上海 nC 广州 nD 武汉 nE 其他 中国超声诊断与无损检测 1958 1959 1960- 上海第六人民医院 江南材料厂 第一次超声诊断 大跃进献礼 超声探伤仪 超声诊断学习班 安适医生 n n 中国超声诊断四十年 超声回波幅度信息提取 生物医学工程概念 n技术科学范畴 ， 以生命的人为对象， 用工程 学原理 ， 研究开发防病、治病、人体辅助功能 等医学应用服务的人工装置和系统。 n边缘学科 理、工、医相结合 n交叉学科，将现代工程技术、近代物理学、生 物学和医学结合起来，形成了对生命科学、现 代医学具有极其重要意义的新兴学科。独立学 科发展历史仅50年 生物医学工程学科领域基础 生物学 物理学(生物医学物理学） 医学 生物医学 工程 生物 化学 信息科学 电子与现代工程技术 智能胶囊内窥镜技术 麻雀虽小 n现代集成电路技术 n射频通讯技术 n光学窥镜技术 n图像传输与处理技术 n无线电源技术 n无线遥控技术（舱） n生物材料 生物医学工程简介 n生物医学工程研究的内容 生物医学工程概念 生物医学工程发展 生物医学工程的互动、现状。 生物医学工程主要研究范畴 （1） n生物医学仪器与工程技术: n临床医学诊断、治疗仪器与设备：如各种 医学成像设备和技术、各种诊断、治疗、 检测分析仪、手术技术设备、监护技术及 仪器等； n康复医学工程与技术：医学康复技术、设 备和方法、物理康复技术与器械等； n基因芯片、DNA检测分析技术与设备等； n远程医疗：远程诊断、监护、治疗、手术 等； n生物医学传感器技术； n其他：微型手术与监测，植入式装置等。 生物医学工程主要研究范畴（ 2） n生物材料与生物组织工程： n具有生物组织特性的人工生物材料； n人工器官； n生物医学信息科学： n生物医学信息的提取、分析、识别技术； n医学信息网络与系统； n生物医学信息学。 生物医学工程主要研究范畴（ 3） n物理因子的生物组织效应及其应用： n电磁场的生物组织效应及其应用； n激光、红外线； nX-线、高能射线； n超声波等。 生物医学工程主要研究范畴（ 4） n其他： n环境医学工程：环境对生长、发育、致病的 关系； n生物力学：研究人体和生物在生长和发育过 程中的各种力学现象、力学条件及其应用； n生物物理： n生物数学： n生物医学光子学：光与生物组织的效应及应 用 生物医学工程简介 n生物医学工程发展 生物医学工程概念 生物医学工程的内容 生物医学工程的互动、现状。 生物医学工程发展 n生物医学工程孕育于十九世纪，1895年开创了 医学成像技术，形成于二十世纪。* n二十世纪五十年代形成学科领域(Ilmenau)， 发展迅速。* n1978年我国开始确立为独立学科，80年招研 究生。* n新世纪为生物医学工程的发展提供更广阔的发 展空间。 n生物医学工程是生命科学的重要领域，与人类 生活质量及健康的关系密切。 从医学成像技术看发 展 医学成像技术 n1. X射线成像 2.磁共振成像 n3. 超声成像 4. 核医学成像 5.光成像 X射线成像 功不可灭 n从1895年X射线发现后, X光机很快进入 医学临床，开创了医学图像学, 现代生物 医学工程逐步形成 从伦琴谈起 n1895年11月8日 n阴极射线仪器（电子 束），“X” 射线 n人类史上第一幅医学 图像 n1903年第一个诺贝 尔物理学奖 X射线成像原理 1%以下 诊断X线波长范围为0.008 0.031nm(40150kV） 荧光效应 摄影效应 电离效应 X线机主要部件示意图 X射线成像原理 不同厚度组织(密度相同)与X线成像的关 系 X射线成像装置 - 传统X射线机 - 心血管系统造影X射线装置 - X射线数字减影装置(DSA) - 移动式电视X射线机 - 双能X线减影骨密度测量仪 - 数字X射线成像装置（CR/DR)* - X-CT 螺旋CT、CT血管造影（CTA）、超快速CT X射线成像设备（安科） X射线成像原理 不能反映病灶三维空间位置 X射线 X射线 像物体 CT成像原理 A B C A B C D E F D E F G H I G H I I1 O1 I2 I3 I4 O2 O3 O4 I1-O1=H+E+B I2-O2=G+E+C I3-O3=D+E+F I4-O4=A+E+I X射线源 检测器 CT成像原理 CT 成像设备（安科） 生物医学工程简介 生物医学工程发展 生物医学工程的内容 生物医学工程概念 n生物医学工程的互动、现状 从X光机发展看学科互动 X光机 (1895年) 头部CT 全身CT 螺旋CT、 超高速CT 常见病诊断：肺 炎、骨折 脑部肿瘤、出血 ，颅骨外伤 内脏器官占位性 病变 肿瘤早期诊断、 心血管病变 计算机、软 件技术等 造影剂等 滑环技术、 快速摄影技 术等 人们对自己的认识 进程 超声成像 n生物医学工程不断发展的历史 -揭示隐含信息的历史 超声成像装置 A型 二维组织剖面图像(B)， 多普勒（D）-测流速， 彩色多普勒（C）， M型（M） 幅度信息提取 回波的反射、折射 幅度信息提取 1.垂直入射到两层相邻的介质 Z2 Z1 反射 入射 折射 声强 声强 声特性阻抗Z Z = C 密度C声速 空气 0.000429105瑞利 PZT-533.7105瑞利 水1.513105瑞利 肝1.648105瑞利 骨5.57105瑞利 幅度信息启示 1.反射和折射所产生的各层回波给我 们带来了人体内部各层组织的幅度信息 ，使我们可以利用这些信息及其变换进行 超声诊断：A超，B超，M超等。 A型：(A Scope)超声回波幅度为纵坐标，超声传 播时间为横坐标的显示方式。 幅度信息启示 nB型：辉度调制型 (Bright Modulation) ，以回波幅度调制声 束各扫描点的亮度， 形成二维显示断面图 。 n B超 速度信息的提取 超声多普勒效应速度信息的提取 1842奥地利数学家和天文学家C. Doppler 在观察天体运动时发现了一种物理现象,当星球朝 向地球或背离地球运动时，来自星球的光色发生了变化 ，即光波发射与接收的频率差和光源与接收器之间相对 运动有关。这种物理现象我们称之为多普勒效应。 日常生活： 如火车鸣笛而来，音调增高；呼啸而去 ，音调降低。这种频率变化称多普勒频移。 超声多普勒效应速度信息的提取 胎心、瓣膜、血管壁、血流等都是人体中 的运动体，当超声照射到它们时会产生多普 勒效应 体外检测由体内运动体产生的多普勒频 移信号就可达到无创伤地检测体内运动状况 的目的。 超声多普勒效应速度信息的提取 医学超声多普勒效应的基本测速公式 超声多普勒效应速度信息的提取 提取速度、方向信息 Sx() 0-0 正向流 反向流 0d 0-d 多普勒信号特点： *窄带随机信号 * 0d 提取速度、方向信息方法 n 2cosot 信号合成谱分析器 放大 多普勒回波信号 0d 2sinot 低通滤波 高通滤波 d 血流深度信息的提取 Nyquist采样频率限制 即 连续多普勒特点： 连续多普勒方法与脉冲多普勒不 同之处除了系统不同外，探头也 不同，它采用两组探 头，一组 连续发射脉冲，一组不断接收回 波。所以不可能有距离选通功能 。因为不存在PRF,故原理上可测 速度不受限制。但由于具体线路 限制，一般机器给出最大可测血 流速度在7m10m/S之间。 声束扫描多普勒血流成像 彩色超声多普勒血流成像 B mode+Doppler mode STATUS POST MITRAL VALVE REPAIRSTATUS POST MITRAL VALVE REPAIR CASE #2 Echo Lab U of C 我国第一台彩超 安科 公司 n1989 1998 2000 2003 发展方向 （1）高频、多频 （2）3D （3） 全数字化、小型化、软件化 （4）新的成像方法 1 mm Curved Array Single Elements of the Arrays Multi Element Transducer Curved Array 3D Color Doppler 3D Color Doppler CASE #2 Echo Lab U of C 还有什麽超声隐含信号 可以提取？ 超声谐波技术 谐波信息提取 还有什麽超声隐含信号 可以提取？ 衰减参数成像 讨 论 不断发展的揭示隐含信息的历史 n检测、提取医学超声信号方法： n传统：发射、接受单脉冲。 n扩谱技术： 伪随机码超声发射、接受脉冲序列 通讯 医学超声 形成新的产品 BME 交叉学科* * 西安交大1987年 研究 讨 论 生物医学工程不断发展的历史 -揭示隐含信息的历史 n 我们回顾过去几十年，从超声回波中检测出 幅度信息,到检测出多谱勒频移信息,进而检测 出谐波信息。 n可以说超声回波信号的检测历史就是一部不 断发展的揭示隐含信息的历史。 n从 B超，彩超，到谐波成象，应该说每一步 都有一个跃进。 n可以预见新的隐含信息检测出来将会带来超 声诊断仪新的突破。 医疗器械产业的现状和发展 1.国际医疗器械产业的概况 长青树 朝阳产业 （90年代，0-7，0-3，3-8） n全球销售总量超出1000亿 USD（2001），年增 长率%。 诊断医学影像类 134亿，增长9%， 病人监护仪类 70亿， 增长10%， 离体诊断器械用品210亿，增长12%， 整形器械 120亿 ，增长12%，* 1.国际医疗器械产业的概况 1.2 全球医疗器械市场特点:分布不均 享用不平衡 1.国际医疗器械产业的概况 n1.3全球的跨国性医疗器械制造商强强联合和兼并 n全球兼并、收购购、重组组的波澜澜此起彼伏 n医学影像业这业这 种强强联联合和兼并的结结果 形成了全球三大巨头头（Philips、GE medical，Siemens AG medical） 既竞竞争又合作，已走向“竞竞合”的成熟阶阶段 1.国际医疗器械产业的概况 n1.4 国外医疗器械制造产业正在向第三世界转移 n由于中国制造成本低廉，前述的国际际三大巨头头兼并、 重组组国内有实实力的企业现业现 象也在中国重演。事物总总是有正反两面， 随着“中国制造”席卷全球，这这也正是国内有实实力的企业业加入国际际 分工的大好时时机。 Made in China manufacture design 研发 服务 制造 . 我国医疗器械产业现状 3医疗器械产业发展的几点建 议 n3.2 重视原创产品的研究，开发有自主知 识 产权的新产品 医疗器械的原创产品的创新体现在三个方面： 能开拓和引导医疗技术新的发展 能和新技术应用结合，研制出有自主知识产权 的新 产品 医工结合，医学专家的作用前移 3医疗器械产业发展的几点建 议 n3.3 调整产品结构，适应医疗体制改革和医 疗保险制度 n 我国全面实施新的医疗保险制度， n使我国的卫生模式从以前的病后治疗转变为疗转变为 以预预防为为 主； n随着医疗改革的深入，我国又提出了“人人享有医疗疗保 健”的要求，这对医疗器械行业的发展将产生较大影响 。早期诊断和普查的基本诊疗项 目所使用的常规医疗 器械数量将会有稳定持续地增长；小型化适合携带，能 进入社区、带到家庭病床旁的B超是受欢迎的。 n 因此医疗器械产业需要调整医疗器械产品的结构， 使其适应这种变化。适用于基本医疗、社区医疗和面 向家庭医疗保健的各种新产品和医疗信息产品如远程 医疗设备 、移动医疗产品是将来发展的重要方向。 3医疗器械产业发展的几点建 议 n3.4 产业的发展应遏制医疗费用 的膨胀，促 进我国医学模式的 转变 n高技术的治疗、诊断设备的滥用， “推波助澜” 作用 n为了要遏制医疗费用的膨胀， n产业的重点往下移，市场主体应该是县级医院 、乡镇卫生院及社区医院； n往前移，重视开发保健、预防的医疗器械产品 。 学术组织 国际： *IEEE EMBS (Enginee