生物医学工程学的基础理论

生物医学工程学基础理论,生物电磁学生物力学超声医学生物医学光子学生物技术,生物电磁学,生物电磁学,生物电磁学是研究生物体的电现象和磁现象以及生物电磁的应用的一门学科。生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之上的侧重于从宏观角度研究生物电现象和生物磁现象。现代生物电磁学在很多方面都已深入到细胞级甚至是分子级的研究水平。,生物电磁学的研究范围,外界电磁波（场）与生物体的相互作用主要包括生物组织的介电特性、各层次的生物学效应及其作用机理、生物电磁剂量容许暴露限值、生物医学中的应用及用于生物和医疗的辐射系统等。Bioelectromagnetics生物体自身产生的电磁现象主要包括电磁现象的产生机理，电磁信号的测量、处理和应用等。 Bioelectromagnetism,主要内容,生物电及生物电的发现生物电现象电磁波在医学中的应用微波的生物效应毫米波生物学效应生物磁场现象生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准生物电磁场热点问题,生物电磁学,生物电生物电的发现,生物电,生物电现象是“生命的火花” 。一旦生命活动停止，电现象也就消失了。 正常的生物电活动是生物和人体保持生命功能必不可少的条件。若由于机体内部或外界原因造成生物电活动障碍，如神经中毒、心电传导阻滞等，会引起疾病甚至死亡。 生物电的主要基础是细胞膜内外有电位差，即膜电位。生物电现象是生物系统内一种普遍的共有现象。生物电的测量宏观测量，如脑电、心电和肌电等。微观测量，利用微电极技术测量到单个细胞的电活动。,生物电的发现,人类很早就发现了生物体的电现象。早在公元前300多年前，古希腊人亚里士多德记载了地中海电鳐有强烈的“震击”作用。以后的资料陆续记载了非洲尼罗河内的电鲶和美洲的电鳗等都具有发电器官。早在公元一世纪，古罗马的医生就曾用电鳗的放电来治疗痛风。人类关于生物电现象的系统研究，就起源于伽伐尼与伏特的有益争论。,从科学发展史可知，对生物体内电现象的深入研究，开始于意大利的医生、生理学家伽伐尼与同时代的物理学家伏特间的一场著名争论。1678年荷兰生物学家斯威莫尔登用蛙的肌肉做实验，他把肌肉放在玻璃管内，用一根银丝和一根铜棒去触及肌肉，可引起肌肉的收缩活动。伽伐尼于1791年发表了肌肉运动中的电效应，提出：一块蛙的神经-肌肉标本，即使放在离放电的静电区很远的地方，当观察者触及它时，也会发生收缩。在雷电时刻竖立一条长的导线，那么大气的电荷也可用来刺激蛙腿。当将蛙腿用铜钩挂在铁栏杆上时，即使没有雷电，也会产生收缩。伽伐尼将这些现象发生的原因归之于标本中带有动物电。他认为，神经与肌肉带有相反的电荷，而金属导体的作用仅是把神经与肌肉之间的通路接通而已。,伏特认为，伽伐尼实验中发现的所有能使蛙肌肉收缩的实验都是由于双金属电流所引起的。他认为只要具备三件东西，即两种不同的金属以及完成电路的导体就能产生电流。由于伽伐尼连接标本所用的金属性质不同就可以产生电位差，而神经肌肉上的组织液体是含有电解质的。因此，用金属与组织液接触时就产生了电流，蛙肌肉只充当了电路的导体。伏特认为伽伐尼实验中所发生的现象，是外加电流刺激了肌肉标本，才引起肌肉收缩。伏特和伽伐尼的争论促使他们各自的派别进行进一步的实验，以此验证自己论点的正确。伏特采用一组铜板和一组锌板，中间用盐水浸过的呢绒隔开，由于不同金属与电解质相接触，产生了电动势，制造出了世界上第一个直流电电池伏特电池，这也是科学史上的一个重大发现。伽伐尼为了验证自己的观点，舍去金属作为通路，他发现，在无金属参与的情况下，神经肌肉标本上的肌肉仍可发生收缩现象，这就有力地证明了生物电的存在。,生物电磁学,生物电现象,生物电现象,人体和动物组织在静止状态和活动状态都会产生与生命状态密切相关的有规律的电现象，它是生物体兴奋的重要标志，也是活组织的基本特征之一。心脏的跳动，肌肉的收缩，大脑的活动等所体现的电活动都与单个细胞的电活动有关。人体内各部位产生的瞬时电位差，可以揭示出体内电活动的某些特性。现代医学临床和研究已广泛使用心电图、脑电图、肌电图、胃电图、眼电图等来记录人体各部分器官的生物电变化。研究生物电现象的生理学被称为电生理学。,生物电现象,心电脑电肌电其它生物电多道生理记录仪,心电,心脏的传导系统系指由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系统，这些细胞组织既有自动产生兴奋的功能，又有较一般心肌细胞更快的传导功能，这样使兴奋有节律地按一定顺序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持血液循环。,心脏传导系统包括窦房结、结间束、房室结、房室束（希氏束）和其分支以及分布到心室内的浦肯野纤维网。正常心脏兴奋的起源点在窦房结。,心脏是人体中血液循环的动力源泉，依靠心脏有节律性的搏动，使得血液不断在体内循环，以维持正常的生命活动。哺乳动物的心脏活动可概括为两个过程：心房收缩推动血液进人心室，由房室瓣膜控制血流流动方向。心室收缩推动血液进人主动脉和肺动脉，血液流动由半月瓣和肺动脉瓣控制。心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在兴奋过程中产生微弱电流，该电流经人体组织向各部分传导。由于身体各部分的组织不同，各部分与心脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，表现出不同的电位变化，这种人体心脏内电活动所产生的表面电位与时间的关系称为心电图，也称体表心电图。,心脏兴奋与相应的心电图波形,P波代表左右两心房兴奋除极过程所产生的电压变化。P-R期间代表心房开始除极传经房室结、希氏束至心室开始除极前的时间。QRS综合波代表室间隔与左右两心室除极过程产生的电压变化。ST段代表心室除极后慢慢恢复极化过程的电压变化。T波代表心室肌迅速恢复极化过程的电压变化。U波是在T波后的一个很小的正向波，代表心肌激动的“负后电位”。心脏病人心电图中各波的波形、幅度、占有时间以及波形偏转方向等与正常心电图之间的差异，就是利用心电图诊断心脏疾病的依据。随着临床心电图学的发展，又出现了心电向量图、心室晚电位、希氏束电图、高频心电图等方法。,脑电,人类大脑神经细胞数量达150亿个。神经元像人体中的其他细胞一样，具有生物电活动。神经细胞的跨膜静电息电位（或称膜电位）大约为-70mV，这个静息电位可认为是由K+外流而形成的。大脑皮层中单个神经元的膜电位通常在头皮上检测不到，在头皮上检测到的电位变化脑电波是由大脑皮层中无数个神经元同步化的电活动所形成。,大脑皮层具有持续、广泛而有节律的电位变化，这种不受外界刺激的脑电变化称为自发脑电位（EEG）。脑的电活动可以为直接的或外界的确定性刺激（电、光、声等刺激）所影响，产生另一种局部化的电位变化称为诱发脑电位（EP）。通常从人的头皮上所引导的诱发电位幅度较小，在0-10V，且常被淹没在自发脑电波中而难以观察。如果把一串相同的刺激做出的反应所获得的诱发电位加以叠加平均，则所产生的波形叫作平均诱发电位（AEP）。,脑电图信号,脑电图是一种随机性很强的生理信号，其规律性不如心电图明确，通常将脑电图的振幅和频率成分作为脑电诊断时的主要依据，而频率成分显得尤为重要，因为大脑活动的程度与脑电图的平均频率之间有密切的关系。自发脑电活动通常以一种占优势的频率为其标志。自发脑电信号较弱，在正常情况下，从波峰到波谷（幅值）为10-100V，其频率范围为150Hz，波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平有关，且存在很大的个体差异，也就是说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。,在国际上，一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分成五种类型，频率由高到低依次为波、波、波、波、波。波通常在觉醒、安静和闭眼时出现在枕叶。即脑在休息（但未人睡）时出现波，睁眼或人睡时，波消失。波存在很大的个体差异，约有10%的正常人记录不到典型的波。波具有较高的频率，常见于紧张的精神活动期间。波主要见于儿童和成人浅睡时，出现在顶部和颞部。波出现于成人深睡时，以及早产婴儿和幼儿。成人极度疲劳和麻醉时也出现波。波是由注意或感觉刺激引起的一种低幅高频波。,脑电图波可以因大脑皮层和脑干病理所改变。例如皮层中电活动的消失或阻尼可能是由于肿瘤压迫在神经元上并使其损伤，也可能是由于循环障碍引起缺氧，出血或栓塞。脑电图的波形也受影响意识水平的脑干中的病理过程所影响。脑电图是诊断某些精神疾患的重要依据。例如在临床上可应用于检查疑似癫痫和脑肿瘤病人，还可以用于测定意识水平和确定大脑的死亡。,采用诱发电位研究感觉系统投射部位及大脑皮层功能有重要作用。诱发电位可在脑皮层和中枢神经系统的其他部位（如丘脑、中脑等）引出。可从一个角度阐明中枢神经系统各部分之间、大脑皮层各部分以及皮层下不同细胞成分相互作用的机制。人的精神状态对脑电活动有极大影响，因此，脑电图对高级神经活动特别是心理活动具有重要意义，这对于模拟大脑功能及认知研究、人工智能研究等都具有非常重要的意义。,肌电,兴奋和收缩是骨骼肌的最基本机能，也是肌电图形成的基础。肌电图是不同机能状态下骨骼肌电位变化的记录，这种电位变化与肌肉的结构、收缩时的化学变化有关。在肌细胞中存在四种不同的生物电位：静息电位（RP）、动作电位（AP）、终板电位（EPP）和损伤电位（IP）。肌电图能直接反映肌肉活动的机能状态，有助于了解各部分肌肉在完成某一动作中所表现的作用。,其它生物电,研究证明，生物体除心脏及脑的活动能产生电现象外，许多其他器官、组织都存在不同程度的电现象。胃电图（EGG）通过附在腹部皮肤上的电极测量的胃电信号记录。由于胃电信号的频率很低，仅0.05Hz，通常与呼吸干扰（0.2-0.4Hz）、心电信号（0.81.0Hz）、电极与皮肤的接触噪声（3Hz）及其他噪声混叠，因而造成检测困难。视网膜电图眼电图眼震电图,1视网膜电图（ERG）当视网膜受到瞬间闪光刺激时，安放在视网膜内表面或角膜上的探测电极与安放在前额或耳垂部位的参考电极之间，可记录到短暂的电位顺序变化，这些电位变化总和称为视网膜电图。2眼电图（EOG）眼运动引起的电位变化记录。眼电图可提供眼睛的取向、角速度、角加速度的影响，可作为研究药物对眼运动的影响，以及研究睡眠和视角搜查时眼运动的手段。3眼震电图（ENG）眼球运动时角膜和视网膜电位变化的记录。眼震电图用于判定前底系统，中枢神经系统和视觉系统的功能。在临床体检、特种人员的选拔和健康鉴定方面均有广泛的应用。,多道生理记录仪,生物电磁学,电磁波在医学中的应用,电磁波在医学中的应用,几乎所有的电磁波频段都在医学上获得应用。电磁波传播及其与不同媒介相互作用的基本效应，要取决于电磁波频率、功率及射频信号波形等参数，当应用于生物医学研究时，它们常被作为生物效应参数，此外还要考虑辐照时间。 按照电磁波对原子分子结构作用的特点，可分成电离辐射与非电离辐射两类。若为前者，电磁波有可能引起原子或分子电离，从而导致对生物体的强烈不可逆作用；若属后者，则作用相对很弱而且多是可逆的。,电磁波的生物学效应不仅对生物体有热效应，而且有非热效应。 热效应又称为能量效应，是指通过微波照射生物体引起其组织器官生热所产生的生理影响。根据照射能量的不同可分为温热治疗、高温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法。根据使用频率的不同，而对皮肤的穿透深度不同，又可分为浅表热疗、深部透热治疗。 各种用途的微波热疗机、消融仪、微波电刀已成为医院重要治疗手段之一。 非热效应往往利用的是弱信号，机体组织不产生明显的发热现象。这类电磁波生物效应也被称作“信息效应”。,生物电磁学,微波的生物效应,微波的生物效应,微波是指300MHz至300GHz的电磁波。 微波对人体和动物的作用具有两重性。如果辐射剂量控制适当，对人体和动物可以产生良好的刺激作用：加速血液循环，血管扩张；刺激器官功能，促进新陈代谢，改善局部营养，从而促进机体的修复与再生；甚至选择性杀灭肿瘤细胞，增强机体抗电离辐射的能力。因此微波辐射疗法已广泛应用于临床。高强度微波辐射或低强度的长期照射都有可能对人体健康产生不良影响，形成所谓的“无线电波作用综合征”。,生物电磁学,毫米波生物学效应,毫米波生物学效应,毫米波是指自由空间波长在110mm的电磁波，相应的频率范围是30300GHz，处于微波波段的高频段。毫米波医疗的基本原因在于提高机体的非特异抵抗力和调动机体的内部潜力，基本的医疗方式是用毫米波能量辐射人体的有关部位。虽然毫米波只是在局部的皮肤表层被吸收，但由于在波的作用场内存在有感受细胞、血管、神经纤维等，因此有可能通过机体的神经纤维和体液系统将作用扩展到整个机体，对各种疾病，包括远离照射部位的疾患产生治疗效果。,毫米波在生物效应方面的特点，使其在医学应用中较其他微波段的临床应用有某些特色和优点。具有非侵入性，对机体无损伤，易于配合药物或其他疗法进行治疗。治疗剂量小，基本无变态反应，无副作用和远期后遗症。毫米波能提高机体的总紧张度，从而使患者有舒服的感觉。有抗应激因子的作用，能提高机体的免疫力；还可镇定止痛。毫米波对多种疾病有综合治疗作用，而且治疗过程中病人无痛苦，因此易于被患者接受。能改善人体的耐毒状态，提高血液的质量，而且有明显的升白作用。,生物电磁学,生物磁场现象,生物磁场现象,正常人体组织磁化率小，没有剩余的磁矩。因此，长期以来人们并不了解人体或生物存在着磁场。根据物理学中的比奥-萨代定律：电荷的运动会产生磁场，因此人体中凡能产生生物电现象的部位同时会产生生物磁现象。生物磁场很微弱，20世纪60年代中期之前缺乏测量微弱磁信号的有效手段。环境磁噪声（包括地磁场和人工磁场源）比生物磁信号强成千上万倍，微弱的生物磁信号被环境磁噪声淹没，给测量工作带来困难。,生物磁场的来源,（1）生物电流是引起生物磁场的源泉。（2）由生物磁性材料产生的感应场。（3）生物体本身含有的磁性物质产生的磁场。,（1）生物电流是引起生物磁场的源泉各种生命活动，例如，电子传递、离子转移、神经电活动等均属生物电过程，会产生频率、强度、波形各异的生物电流和伴随的微弱生物磁场（例如人体的心磁、脑磁、肌磁等都是由心电、脑电、肌电所引起的磁场）。（2）由生物磁性材料产生的感应场活体组织、器官等的组成物质具有一定的磁性，称为生物磁性材料，它们在地磁场及其他外界磁场的作用下产生感应场。例如人的脾脏所呈现的磁性就属于这一类。（3）生物体本身含有的磁性物质产生的磁场生物体所含磁性物质包括两个方面：一种是生物体中所具有的磁性物质；另一种是生物在环境中吸人或食人体内的磁性物质，所导致的剩余磁场，非生物本身固有的磁场。,生物磁测量的特点,测定生物磁场时，无需使用电极就能测得生物组织的内源电流。在身体表面安放电极是不可能测得身体内部的直流电；检测生物磁场无需使用与生物体接触的电极，就能测定生物组织的内源电流，同时避免了使用电极所引起的电极干扰。可以同时测量恒定的生物磁场和交变的生物磁场。可以获得生物磁场的三维空间分布。通过测量体外磁场强度和分布，可以了解体内强磁性物质的含量和分布，有助于诊断和检查某些职业病。,生物磁测量,人体磁性活动具有普遍性，但限于检测水平和应用，目前探测到的只有心磁场、脑磁场、肺磁场、肌磁场、眼磁场、肝磁场等。,磁场对人体的作用,磁场疗法（简称磁疗）是在人体的一定部位（经穴或患处）施加恒定或变化的磁场治疗疾病的方法。磁场具有镇痛、镇静、上泻、消炎等功能，临床上已能治疗急性扭挫伤、腰肌劳损、风湿性关节炎、高血压、神经性头痛、支气管哮喘、功能性腹泻、痛经等数十种常见病和多发病。磁疗具有以下特点：对症疗效显著、适应证广、经济节约、易学易用、省时省事、无痛苦、无创伤等，可同时治疗几种疾病，可与其他疗法配合治疗。,生物电磁学,生物电磁剂量学电磁辐射的安全标准,生物电磁剂量学,生物电磁学的一个基本问题是确定什么样的电磁场产生何种效应，这就需要测定生物体在特定照射条件下所接受的剂量。一般采用单位质量吸收的功率（次吸收率SAR），描述生物体受到电磁场作用的实际强度，包括平均SAR和局部SAR，方法学上又分为理论剂量学和实验计量学。,理论计量学采用适当的模型，通过计算，确定人体和动物体内电磁场分布或吸收功率密度。采用形状与人体相似的分块模型，利用计算机技术，使模型计算的电磁参数接近真实情形。实验剂量学采用实验手段来测定。从方法学上又分为两个发展方向：电测法和热测法。电测法直接测量照射生物模型或实体内的电磁剂量；热测法根据能量转换关系，通过温度测量、热量测量或红外热像法确定吸收的电磁剂量。新型电子和光学器件、多维温度和热像检测系统的开发，给实验剂量学研究创造了条件。今后的发展方向是模型的完善和计算方法的改进，使实验结果更加符合实际场合。,电磁辐射的安全标准,为了防止电磁场有害效应对人类健康产生危害，需要研究人体接受照射的安全电平和各种电磁设备的容许泄露电平，从而制定出电磁辐射卫生标准，为环境控制和预防医学服务。,生物电磁学,生物电磁场热点问题,生物电磁场热点问题,低强度低频磁场的生物学效应通信系统电磁场的生物学效应毫米波非热生物学效应电磁波热疗和电化学治疗磁刺激的医学应用,生物力学,主要内容,生物力学定义生物力学的发展简史生物力学的研究内容生物力学的研究方法生物力学的研究特点,生物力学定义,生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支，是研究力与生物体运动、生理、病理之间关系的学科。生物力学的意义对于人体而言，生物力学有助于了解人体器官以及循环和呼吸系统的功能。这方面的应用既有常见的听诊器和血压计等；也有利用工程学的原理和方法，实现器官的人工移植和替代；还有对牙和骨的修复和矫形，软组织的缝合，循环系统疾病的治疗和诊断；还可将传统的中医的脉诊、接骨和推拿等方法结合起来，为某些疾病的治疗和诊断提供理论基础等等。,生物力学的发展简史,伽利略在在1582年前后得出摆长与周期的定量关系，利用与脉搏合拍的摆长来表达人的脉搏率。1616年，英国生理学家哈维发现血液只能单向流出心室，并测出心室的容量是2英两（约等于56.7g），按每分钟心脏搏动72次计算，每小时搏出的血液约为245kg。这么多的血液从哪流来，又流向何处？他根据流体力学中的连续性原理，从理论上论证了血液循环的存在。但由于当时还没有显微镜，他并没有看见过微血管，也不可能见到血液经动脉流向静脉的过程，而且动脉中的血液和静脉中的血液看起来并不相同。因此，他的发现是逻辑推理的结果。,1661年，马尔皮基（Malpighi）在解剖青蛙时，在蛙肺中看到了微循环的存在，证实了哈维的论断。意大利的数学家和天文学家博雷利（Borelli）在论动物的运动（1680）一书中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动。欧拉（Euler）在1775年发表了关于波在动脉中传播的论文。兰姆（Lamb）在1898年预言动脉中存在高频波，现已得到证实。材料力学中著名的杨氏模量就是英国物理学家托马斯杨（Young）为建立声带发音的弹性力学理论而提出的。,1733年，英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压，并寻求血压与失血的关系，制作了心室处于舒张压时的模型，并据此估计了心输出量。他还测量了主动脉的膨胀特性，解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流，他在血液流动中引进了外周阻力概念，并正确指出：产生这种阻力的主要部位在毛细血管。泊肃叶（Poiseuille）在医科学校学习时就发明了水银计来测量狗主动脉的血压，并且发现了黏性流体在直圆管层流中压力差与流量的关系，也就是后来的Poiseuille定律，并通过这一研究为黏性流体力学奠定了理论基础，据此也确立了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系。,赫姆霍兹（Helmholtz）刚从医科学校毕业进人军队工作时，在营房里写出了能量守恒定律。他研究了眼的聚焦机理，提出了彩色视觉的三色理论，发明了用晶状体镜来研究眼球内的晶体变化，发明了眼底镜来观察视网膜；他研究了听觉的机理并发明了Helmholtz共振仪；他的涡量守恒定律成为了流体力学研究的基础；他对发音和神经生理学也做出了重要的贡献；并指出肌肉收缩所释放的热是动物热的重要来源。弗兰克（Frank）解释了心脏的力学问题。斯塔林（Starling）提出了透过膜的传质定律，并解释了人体中水的平衡问题。,克劳（Krogh）由于在微循环力学方面的贡献获得1920年诺贝尔生理学或医学奖。希尔（Hill）因肌肉能量和代谢的成就获得1922年诺贝尔生理学或医学奖。他们的工作为20世纪60年代开始的生物力学的系统研究打下基础。美籍华人科学家冯元祯教授在1966年以前主要从事航空工程和连续介质力学方面的研究并取得卓著成果，其第一部专著已成为气动-弹性力学领域的经典著作。1966年以后致力于生物力学的开拓，是举世公认的生物力学的开创者和奠基人。取得了三个具有里程碑性质的成就：生物软组织本构关系的研究，肺血流动力学规律的研究以及生物组织器官生长和应力关系的研究。,生物力学的研究内容,生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。,1生物固体力学生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。 2生物流体力学生物流体力学是研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论和流变学有关的力学问题。,3运动生物力学运动生物力学是用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。在人体运动中，应用层动学和动力学的基本原理、方程去分析计算运动员跑、跳、投掷等多种运动项目的极限能力，其结果与奥林匹克运动会的记录非常相近。在创伤生物力学方面，以动力学的观点应用有限元法，计算头部和颈部受冲击时的频率响应并建立创伤模型，从而改进头部和颈部的防护并可加快创伤的治疗。人体各器官、系统，特别是心脏循环系统和肺脏呼吸系统的动力学问题、生物系统和环境之间的热力学平衡问题、特异功能问题等也是当前研究的热点。生物力学的研究，不仅涉及医学、体育运动方面，而且已深入交通安全、宇航、军事科学的有关方面。,生物力学的研究方法,生物力学的研究方法和其他各种物理问题和工程问题的研究方法有较多的相似之处。主要通过三条途径来解决问题：用解析或数值方法来求解数学模型用试验的方法来测定物理模型或实际实验样品对现场进行分析研究,（1）分析生物的形态，器官的解剖及组织的结构和微结构，以了解所研究对象的几何特点。（2）测定组织和材料的力学性质，确定本构关系。（3）根据物理学中的基本原则（质量守恒、动量守恒、能量守恒和Maxwell方程等）和组织的本构方程，导出其主要的微分和积分方程。（4）分析器官工作的环境和状况，得到边界条件。（5）用解析方法或数值方法求解边界值问题。（6）做生理实验以验证上述问题的理论和数值解。（7）探讨理论和实验在实际中的应用，并做进一步的改进。,生物力学的研究特点,生物力学研究的对象是生物体。因此，在研究生物力学问题时，实验对象所处的环境十分重要。作为实验对象的生物材料，有在体和离体之分。在体生物材料一般处于受力状态（如血管、肌肉），一旦游离出来则处于自由状态，即非生理状态（如血管、肌肉一旦游离，即明显收缩变短）。两种状态材料的实验结果差异较大。在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两种情况。至于离体实验，在对象游离出来后，根据要求可以按整体正位进行实验，或进一步加工成试件进行实验。不同的实验条件和加工条件，对实验结果的影响很大。,超声医学原理,主要内容,医学超声定义诊断超声的应用治疗超声的应用超声的生物效应,医学超声定义,频率在20kHz以上的机械波称为超声波。超声是一门以声学、力学、材料学、电子以及机械为基础，学科交叉、应用广泛、发展迅速的科学技术。超声波是一种波动形式，因此它可以用于探测人体的生理和病理信息，这便是诊断超声，其声强大小在0.150mW/cm2，频率在210MHz之间。超声波同时又是一种能量形式。当达到一定剂量的超声波在生物体系内传播时，通过它们之间一定的相互作用，可能引起生物体系的功能或结构发生变化，这便是功率超声，其声强大小从每平方厘米零点几瓦到每平方厘米几百瓦，频率在2050kHz之间。,研究超声波与生物组织（主要指人体组织）的相互作用机理、规律及其应用的学科分支称为医学超声。超声应用于医学可分两大类：超声诊断和超声治疗。超声诊断研究如何利用各种组织的差异来区分不同组织，特别是区分正常和病变组织。超声波在生物组织中的传播规律及诊断信息提取方法是超声诊断的物理基础。超声治疗则研究如何利用超声波的生物效应（超声波照射引起的组织结构、功能和生物过程的变化）来治疗某些疾病。超声治疗的物理基础是超声生物效应的机理和超声计量学。,诊断超声的应用,1946年，Firestone提出A型超声诊断技术。在临床上得到广泛应用，对于脑中线检查及心、肝、胆囊和眼睛某些疾病的诊断取得了成功的结果。1958年，出现M型超声心动图。20世纪60年代，超声诊断从A型（一维回波振幅显示）向B型（二维图像亮度显示）过渡。70年代，随着灰阶显示和快速实时动态图像的实现，超声诊断的发展极为迅速，除了充气部位（如肺脏）和骨骼结构外，几乎人体内每个脏器都可用超声进行诊断。,超声诊断为非侵入式诊断，具有无害、无痛、使用方便、费用低廉、诊断可靠等优点，使其成为临床医学不可缺少的主要影响诊断方法之一，广泛的临床应用反过来又促进了超声诊断的研究工作。各种信号处理（特别是图像处理）技术的研究和应用使B型诊断仪的图像质量不断改进，其他形式的诊断仪相继出现和不断发展，如M型、多普勒型、PPI型、C型、F型、超声CT，合成孔径成像等。,治疗超声的应用,30年代德国就出现了超声治疗的专利。五六十年代，超声治疗以理疗为主。70年代，出现了超声粉碎结石、超声洁牙等。80年代，超声手术刀开始在外科大量应用，包括超声切割软组织、超声肝脑肿瘤吸引、超声骨科成形和超声眼科白内障乳化等。近年来，高强度聚焦治癌、超声治疗血管阻塞、超声药物渗透等技术的发展，拓宽了超声治疗的应用领域，使超声治疗发展成一门新兴的学科。,超声的生物效应及其在医学上的应用,（一）机械效应声波能量作用于介质，会引起质点高速细微的振动，产生速度、加速度、声压、声强等力学量的变化，从而引起机械效应。利用超声的机械效应，引起细胞的摩擦，增强细胞的弥散作用，能促进新陈代谢。高强度超声引起的振动效应，有可能超过组织材料的弹性极限，使之破裂，造成损伤。尤其考虑到其高达50000120000g的加速度值，任何生物组织处于如此激烈变化的运动场中，其功能和生理过程乃至结构都会受到巨大变化。不同的生物组织具有不同的切割阈值，软组织的切割阈值50000g，骨组织的切割阈值为120000g，g为重力加速度单位。,（二）空化效应当超声波作用于生物组织或液体中的微气泡（空化核）时，在周期性交变的声压作用下，空化核体积急剧膨胀，压缩，直至破裂，引起生物组织的破碎或位移，这就是空化效应。超声的空化效应的过程是集中声场能量并迅速释放的过程。空化核崩溃时，极短时间内在空化核周围的极小空间内，产生5000K以上的高温和大约5107Pa的高压，温度变化率高达109K/s，并伴生强烈的冲击波和时速达400km的射流。空化效应对生物机体有很大的破坏作用，因此应避免强超声照射眼睛、怀孕子宫等容易发生空化现象的部位。,（三）热效应超声在人体或在其他介质中均可显著产热，产热过程即是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程。热形成的原因：超声通过机体时，声能在介质中损耗而产热。超声通过介质时，有疏密交替的压力变化压缩相位中产热。不同组织得分界面上超声能量的反射而产热。在不同组织介质中形成的驻波，引起质点、离子的摩擦等也是产热的另一原因。超声治疗中，是利用热量在组织中不能及时带走，使温度升高到一定程度，使病变组织受到损伤，超声治癌便主要应用此机理。超声诊断中，由于仪器功率级很低，产生的热效应是微不足道的，仅能使局部血管扩张，加快血液循环。,（四）弥散效应和触变效应,生物医学光子学 Biomedical Photonics,主要内容,生物医学光子学定义生物系统的超微弱光子发射激光与组织的相互作用原理及应用光学成像技术光谱技术及其在生物医学中的应用,生物医学光子学定义,所谓光子学是指研究光和其他辐射能（以光子为量子单位）的产生与利用的科学。光子学的研究范围包括能量的产生、探测、传输与信息处理。将光子学应用于生物医学领域，运用光子学的理论和方法解决生物技术与医学中遇到的基础理论与应用技术等方面的问题，即成为生物医学光子学。生物医学光子学主要服务于人类疾病的诊断、预防、监护、治疗以及保健、康复等。,生物系统的超微弱光子发射,生物发光（Bioluminescence）是光生物物理学的主要问题之一，是广泛存在于自然