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生物医学工程基础 主讲教师 陈俊英 常向荣 Email: 主 要 内 容 第一部分： 第一章 概论 第二章 生物力学 第三章 生物医学材料 第四章 人工器官 第五章 生物医学传感器基础 第二部分： 1. 生物医学工程基础讲义，陈俊英编，西南交通大学 ，2006年； 2. 现代生物医学工程，朱翠玲等编著，中国科学技术 出版社，1992年； 3. 生物医学信号的处理和识别，杨福生等主编，天津 科技翻译出版公司，1997年； 4. 当代医学新理论与新技术丛书-基础医学卷-生物医学 工程学，杨子彬主编，黑龙江科学技术出版社，2000年； 5. 中国生物医学工程的今天与明天，俞梦孙等主编， 天津科技翻译出版公司，1998年； 6. 生物医学工程学，陈百万主编，科学出版社。 主要教学参考书 第一章 绪 论 20多年前，美国阿波罗登月计划结束后，大批工程 技术人员和数学、物理、化学等基础科学人员，纷纷离 开宇航领域，先后进入医学领域，遂之形成一门崭新的 科学生物医学工程。 近20多年来，这门科学得到蓬勃发展。以人工医用 材料和器件而言，人体各种组织和器官的功能，除大脑 外，大都可用人工材料或装置去代替。 在1969年具有历史性的探月之旅中，阿姆斯特朗和同伴巴兹奥尔德林 登上了月球 。 登月第一人披露首次月球漫步细节 阿姆斯特朗当年登陆月球的情景 据美国太空网报道，“阿波罗11号”宇航员尼尔阿姆斯特朗是一个神秘人物，向来口风很严。最近 ，这位登月第一人对美国国家公共广播网站刊登的博客做出回应，分享其月球漫步的细节，这些细节此 前并未对外界透露。在1969年具有历史性的探月之旅中，阿姆斯特朗和同伴巴兹奥尔德林登上了月球 ，他本人更是因为第一个登上月球成为家喻户晓的人物。 12月7日，美国国家公共广播网站刊登了一篇博客，对阿姆斯特朗及其同伴奥尔德林1969年7月20日 上演的人类历史上第一次月球漫步进行了分析。对于他们为何只在月球表面行进了很短一段距离，这篇 博客也提出了疑问。 国家公共广播的罗伯特克鲁尔维奇拿到了美国宇航局提供的一张地图，上面标出了阿姆斯特朗和 奥尔德林在月表上的所有行进方向。随后，他将地图与足球场和棒球场的地图叠加。结果发现，两位宇 航员从月球登陆器出发进行的历史性月球漫步不足100码(约合91.44 米)。他说：“从棒球场的角度上说， 阿姆斯特朗最长最大胆的月球漫步距离大约相当于乔迪马吉奥一局的奔跑距离从本垒跑到大约球 场中央的位置。” 第二天，克鲁尔维奇刊登了一份后续帖子，上面有阿姆斯特朗本人发来的一封电子邮件。这位曾经 的“阿波罗11号”任务指挥官在邮件中列出了很多理由，解释为何只行进了很短的距离，这些理由包括月 球表面的高温、周围环境的不确定性以及宇航局的要求。由于周围环境的不确定性，他们不知道航天服 的水冷式内部结构能否经受住考验，此外，宇航局方面也要求两位宇航员在一台固定摄像机前做实验。 阿姆斯特朗在邮件中写道：“我们没有任何数据告能够告诉我们，背包内的小水箱能够支撑多长时 间。宇航局官员将我们第一次探索月表的工作时间限制在3/4至2小时，以确保我们不会因为温度过高面 临生命危险。在返回加压月球舱之后，我们排出背包里的水并测量水量，最后证实了此前的预测。” 阿姆斯特朗指出，如果有更多自由活动时间，他和奥尔德林会在月球表面进行更多探索。他说：“ 我们都希望在表面停留更长时间，到距离月球舱和电视摄像机更远的地方探索。但我们需要进行大量实 验，记录和提取样本并拍摄照片。可用时间被全部分配掉，我们需要抓紧时间工作，完成任务。” 他表示，由于使用了月球车，后来的“阿波罗”号任务中，宇航员能够在月表停留更长时间，但月球 毕竟是一个巨大的世界，仍有很多地方等待我们去探索和发现。他说：“美国人曾6次造访月球，共对6 个不同月球区域进行探索，有的面积与一座城市的郊区相当，有的则相当于一座小镇。我们仍有超过 1400万平方英里(约合3625万平方公里)的月球区域尚未进行探索。” 1.1 现代健康医疗体系的发展史 1.2 现代健康医疗体系 1.3 什么是生物医学工程 1.4 生物医学工程学的角色、地位与作用 1.5 生物医学工程学的研究内容和基本任务 1.6 生物医学工程学的特点 1.7 生物医学工程学的现状与发展趋势 1.1 现代健康医疗体系的发展史 一、国外医疗体系的发展过程 古希腊、古罗马 - 远古 - 335AD of Constantine I时代 - 15、16 世纪的文艺复兴时期 - 1592年 - 今天 英国 - 美国 - 二、我国医疗体系的发展过程 我国在20世纪50年代初，医疗体系才逐渐发展与 建立起来。以下是一组发展概况的数据： 指 标 50年代经50年建设后的21世纪初 卫生技术人员数50.5 万人312 多万人 医院数量600 家16700 多家 病人床位数量8 万张220 多万张 纵观医学的发展历史，生物医学、工程学与医学的结合 有力地推动了医学的发展。Anatomia是希腊语中的一个词，意 思是用刀切割，肉眼观察人体结构变化，这是公元前500年的 事了，因为当时受科学水平的限制，只能如此。现在医学界 把Anatomia与人体解剖看成了同义语。到17世纪LeeWenhoch 发明了光学显微镜，使医学研究提高到细胞水平，医学里诞 生了细胞学、组织学、细胞病理学。到20世纪60年代，赫斯 费尔德发明的电子显微镜，人们能够观察研究细胞内核结构 DNA、RNA等大分子变化，于是医学跨进了超微结构时代。 21世纪是生命科学大发展的时代，工程技术与生命科学进一 步地互相渗透结合，必将推动医学跨入一个崭新的时代。 1.2 现代健康医疗体系 20世纪60年代，赫斯费尔德发明电子显微镜，用它可以观察 细胞超微结构、核结构、DNA结构等 （具有nm级以及级 1m=109nm=1010 ） 一、在解剖学方面 以解剖学Anatomic/Anatomy为基础，医学逐渐取得了进步。 公元前500年，肉眼观察人体结构。 （只有mm级 1m=103mm ） 17世纪，LeeWenhock发明光学显微镜，用它可观察人体细 胞形态结构，由此产生/诞生了组织学、细胞学等。 （具有m级 1m=106m） 二、在影像学方面 现在：CT、核磁共振，使影像学出现飞跃。 50年代： X光透视、摄影是临床常用的影像学诊断方法。 （1）CT：Computed Tomograpgy，即：计算机化体层照 相术，利用计算机技术处理人体组织器官的切面显像。 （2）NMR：Nuclear Magnetic Resonance，即：核磁共振 。 利用NMR技术，可以显示出生理生化方面的病理改变 ，比如，脊髓侧索硬化、脊髓空洞症等。 最近：数字减影ECT、PET、SPET以及全息成像技术等，解 决了三维成像实时显示等问题。 （1）ECT：Emission Computed Tomograpgy； （2）PET：Positon Emission Tomograpgy，即：正电子发 射型断层显像仪； （3）SPET：Single Photon Emission Tomograpgy，即：单 光子发射型断层显像仪。 三、在心脏外科方面 eg2：人工心脏助搏器、血管支架等的应用，人工血管的应 用等。 eg1：风湿性心脏病 50年代治疗 抗风湿药物，强心药物等 今天 用人工心肺机+体外循环术， 可切开心脏，进行瓣膜、房 室间隔缺损的修补，甚至更 换病变的心脏瓣膜。 四、手术室 19世纪：简陋，直射灯、无灭菌、水洗手； 20世纪20年代：改进，无影灯、灭菌、无监控设备； 现在：先进，无影灯、灭菌、大量监控设备与检测仪器。 五、其它 尿毒症-今天可以用人工肾血液透析治疗； 肾功能衰竭-人工肾更换； 此外，还有人工皮肤、人工角膜、人工关节、人工骨、人 工肺、人工血液等。 总之，除脑不能用人工器官代替外，其余各器官都可以用 人工器官代替。 另外，还诞生了远程医疗服务等。 1.3 什么是生物医学工程 一、生物医学工程的含义 生物学 研究生命现象的科学； 医 学 解决人类防病治病、保护人民健康的科学； 工程技术 研究创造新材料、新工艺、新技术、 新仪器设备的科学。 三门科学有机地结合，就形成了生物医学工程学的主体。 生物医学工程(Biomedical Engineering) （含义）：是运 用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学角度， 在多层次上研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命 现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人 工材料、制品、装置和系统的工程原理的科学。 生物医学工程的主要任务：它主要以临床医学为对象， 以数理化生等学科为基础，融材料、电子、机械、化工、计 算机信息、力学为一体，为临床诊断、治疗和预防疾病做出 了巨大的贡献。 生物医学工程的主要特点：它是一门科学技术与工程高 度综合的新学科领域。 现代医学解剖 、生理、病理 基 础 研 究 人体的结构 与功能 工程技术 电子、机 械、化工、计算机等 自然科学（数理化生） 生命科学的工程学原理、方法和手段 应 用 基 础 医疗器械与设备认识与控制生命现象 应 用 开 发 临床诊断、治疗和预防疾病 健康保健、提高生活质量 生物医学工程学的内涵(覆盖所学课程)如下: 生物医学工程生物医学工程和生物技术生物技术（Biotechnology）是构成 生物工程（Bioengineering）的两个基本组成部分，是 二十一世纪人类知识经济的制高点，是人类健康与高质 量生活的基础。 附注： 从目前发展来看，生物医学工程学科分类有两种（按应 用范畴、学科）： 二、生物医学工程的学科分类 生物医学工程学是各种工程学科同生物医学相结合的 新兴边缘学科，它具有相关学科的属性，但更具有独立学 科的自身特点。它为认识和控制生命现象提供工程学原理 和方法(如生物力学、生物系统建模等)，为医疗器械(含医 学仪器设备与人工材料等)的开发提供新的原理、方法和技 术基础。 （一）按应用范畴分： 1. 医学工程（Medical Engineering） 2. 临床工程（Clinical Engineering） 3. 康复工程（Rehabilitation） 4. 环卫工程（Environmental Engineering） 5.中医工程（The Engineering of Chinese Traditional Medicine） 1. 生物材料（Biomaterials）； 2. 人工器官（Artifical Organs）； 3. 生物信息（Bioinformation）； 4. 生物控制（Biocybernetic）； 5. 生物效应（Bioeffect）； 6. 生物反馈（Biofeedback）； 7. 生物能量与质量传递（Bioenergy and Mass Transfer） ； 8. 生物力学（Biomechanics）； 9. 医学电子（Medical Electronics）； （二）按学科专业分： 10. 医学仪器及装备（Medical device & Instrument） ； 11. 人工智能（Artificial Intelligence）； 12. 医用超声（Medical Ultrosound）； 13. 医用激光（Medical Laser）； 14. 辐射医学（Medical Radiation）； 15. 核医学（Nuclear Medicine）； 16. 医用计算机以及医学物理（Medical Physics）。 1.4 生物医学工程学的角色、地位与作用 主要体现在如下几个方面： 1. 生物医学工程学的诞生和发展，有力地推动了医学 科学的进步，加速了医学科学的现代化，显著地提高了医学 防病治病的水平。 2. 生物医学工程学的发展，有利于临床医学工作者在 工作中应用相关新技术、新方法提高诊断和治疗水平。 3. 生物医学工程学的发展，有利于工程技术科技工作 者了解临床医学对工程技术的需要和存在的问题。 4. 生物医学工程学的发展，为振兴民族医疗器械工 业发挥作用，为促进21世纪医学科学的进步做贡献。 5. 生物医学工程是研制医疗仪器的技术基础，是推 动医学进步的重要动力。 我国拥有13亿人口，随经济的发展，人民生活水平 的改善，保护人民健康，提高医疗水平将提高国家的重 要议事日程。因此必须更新知识和观念，从生物学+医学 +工程学+行为学+心理卫生学的概念出发，将生物医学工 程不断推向前进，才能推动医学卫生科学的发展，加速 实现医学科学现代化。 6. 由于新型医疗仪器不断问世，从而增强了医务人 员对生命现象的认识能力。由于对人体生理、病理信息 能精确地提取、采集，所以可以进行更客观的定性、定 量为主的医学研究，而分析显示和记录，使现阶段以定 性为主的生物医学研究，逐渐转为定量为主的生物医学 研究。这样，原先建立在生理、病理、细胞水平的经典 医学诊断、治疗学，就跨入了分子、原子水平，因而能 更早期、更准确、更有效、更迅速地认识疾病、防治疾 病，保护人民健康、造福人类。 生物医学工程是医学未来发展的动力，生物医学工程 的进步对医学的贡献最直接的例子如下： 1、纵观医学的发展历史，生物医学、工程学与医学的 结合有力地推动了医学的发展； Anatomia是希腊语中的一个词，意思是用刀切割，肉眼观察 人体结构变化，这是公元前500年的事了，因为当时受科学 水平的限制，只能如此。现在医学界把Anatomia与人体解剖 看成了同义语。到17世纪LeeWenhoch发明了光学显微镜，使 医学研究提高到细胞水平，医学里诞生了细胞学、组织学、 细胞病理学。到20世纪60年代，赫斯费尔德发明的电子显微 镜，人们能够观察研究细胞内核结构DNA、RNA等大分子变化 ，于是医学跨进了超微结构进代。 2、医疗器械； 大家都知道看病治病离不开医疗器械，现在是，将来也是 ，但未来的诊疗仪器实现智能化，检查结果、治疗程序均 可实行人机对话。 3、医学信息、远程医疗网络化，疑难病例国内外网上 会诊快捷方便； 4、遥测遥控诊疗技术； 将广泛使用，特别是在微创、无创诊疗技术中采用纳米材料 、微米集成电路等制成的超微医疗机器人，将在临床发挥重 要作用。 “照相透视”这种单一形态影像侦察，不能满足临床需要。影 像学侦察仪器向功能和影响形态相结合的方向发展，在疾病 早期，尚未出现组织形态学改变前就能发现异常，有利于疾 病的早期诊断、早期治疗。一种非影像增强剂型心脑血管， 非血管管腔器官影像侦察系统必将问世，病人免受造影之苦 。 5、影像学侦察仪器； 6、生物芯片； 分子生物学和微电子技术相结合，生产出多种多样功能的芯 片，如DNA芯片、各种蛋白芯片等将广泛用于医疗器械的研制 ，并创造出具有时代特征的新型诊疗技术，在基因普查、基 因诊断、基因治疗中得到广泛应用。特别是与遗传有关的疾 病，肝炎、艾滋病、心脑血管病、糖尿病、肿瘤等疾病的诊 断治疗快速准确，显著地提高了医疗水平。 7、生物材料与组织工程； 生物材料，组织工程将有快速的发展，生物机械型、生物型人 工器官将广泛应用，如果说人像棵树，干细胞就像树的根。从 胚胎分离培育出来的胚胎干细胞，通过组织工程手段，将干细 胞在体外诱导分化生成所需要的各种组织和器官的原始细胞， 在以特定的可降解生物高分子材料为基架复合在一起，制成生 物型人工器官。生物型的人工角膜、人工皮肤、人工血管、人 工心瓣膜、人工骨、人工神经纤维、人工膀胱等将有可能首先 在临床应用，继指向结构功能更复杂的器官如生物型人工心、 肾、肝、肺、胰等攻关，将取得突破，有望用于临床。当人体 器官因外伤或患病不能用医药保守治疗时，就像机器换零件一 样，换上一个人造器官或器件恢复病人的健康。 8、未来医学模式； 未来医学模式将由治疗型向预防保健为主的模式转变，特别 是个人健康意识增强，性能良好使用方便用于社区、家庭和 个人保健及健身的设备、健康自我检测医疗设备将成为家庭 中新的“家电”和“家私”。 9、人工保健微环境建设； 空气污染、水污染、环境污染严重影响健康日益受到关注， 用于劳动保护。家庭环境的监测，建立人工保健微环境等技 术的研发必将带动一批高度自动化，具有保健功能的住宅问 世。 未来生物医学工程学向生物学、工程学和医学更紧 密相结合的方向发展，为医学创造出来的新技术、新方 法、新材料、新仪器设备将推动医学向更高层次更快地 发展，显著地提高了医学水平，人的健康改善了、寿命 延长了，人活七十古来稀已成历史，八九十岁人的健康 情况像壮年，百岁老人联欢唱歌开舞会，这不是幻想。 1.5 生物医学工程学的研究内容和基本任务 （1） 生物力学( Biomechanics) 它是研究与生物体有关的力学问题。它在循环系统的动力 学原理、心脑血管疾病防治、人工心脏瓣膜、人工关节、细 胞 应力与生长及组织工程等方面取得较大成果。 包括：生物力学、细胞生物力学、组织生物力学、器疗力 学、系统力学、人与环境生物力学、生物流体力学等。 发展：在循环系统的动力学原理、心脑血管疾病防治、人 工心脏瓣膜、人工关节、细胞应力与生长及组织工程等方面 取得较大成果。 目前生物医学工程主要包括下列一些领域以及相应任务: （2） 生物材料学(Biomaterial) 它是研究和人体机体相适应的，以诊断治疗或替换体 内组织、器官或增进其功能的材料的相关问题。目前生物 材料已成功地应用于人工骨与关节、医用导管、人工肾、 人工心脏瓣膜、 人工植入物（如血管类等）， 眼科材料， 药物缓释载体等。 包括：无机生物医学材料、生物陶瓷、医用高分子材 料、复合生物材料、生物玻璃、组织工程材料等。 发展：在应用于人工骨与关节、医用导管、人工肾、 人工心脏瓣膜、人工植入物（如人工血管、尿管等）、药 物缓释载体等已取得成功。 （3）人工器官（Artificial organs） 是用人工制作装置来部分或全部替代人体病损器官功能 。目前已形成人工器官产业，产品有心脏起搏器、人工关节 、人工心瓣、人工肾、助听器等。 包括：呼吸系统人工器官、心血管系统人工器官、运动 系统人工器官等等。 发展：目前已形成人工器官产业、产品有心脏起搏器、 人工关节、人工心瓣、人工肾、助听器、人工角膜、人工皮 肤等等。 现代分子生物学研究使人工器官向组织工程方向发展。 （4）生物医学图像技术（Biomedical Image） 在生物医学工程研究中占有重要地位，它是把生物体中 的有关信息以图像形式提取并显示出来。目前超声成像、CT 、磁共振成像、放射性核素成像等已在临床上广泛应用，这 些设备在临床医疗装备中占有重要份额。 包括：光学显微镜、电镜、光电学纤维内窥镜、显微电 视、监护电视、放射线显示、超声显示、教学电视、X线、 CT、核磁共振、核素显示等。 发展：目前，超声成像、CT、核磁共振成像、放射性核 素成像等已在临床上广泛应用。 （5） 生物医学电子(Biomedical electron) 对生物体中包含的生命现象、状态、性质和成分等信息 进行检测、量化以及进行处理和识别的技术。 包括：生物医学信息的处理（片机）、医用电子计算机 、图像识别和处理、生物医学数据的处理和传递等。 发展：在血压、体液离子浓度、生物活性物质等检测方 面已广泛应用。在生物信号检测、生物传感器研制等方面已 取得重大进展；目前用叠加平均技术已成功记录了心脏晚电 位与诱发脑电等极弱生理信号。 （5-1）生物医学信号检测(Biomedical Signalmeasurenciat) 对生物体中包含的生命现象、状态、性质和成分等信息 进行检测和量化的技术。对生物电信号检测已成为临床诊断 不可缺少的重要设备。在血压、体液离子浓度、生物活性物 质等检测方面也广泛应用于临床。另外在生物研信号检测、 生物传感器的研制领方面都已取得较大的进展。 （5-2）生物医学信号处理(Biomedical Signal Processing) 从被干扰和噪声淹没的信号中提取有用的生物医学信息 特征。目前应用叠加平均技术已成功记录了心脏晚电位与诱 发脑电等极弱生理信号。根据这些原理研制中医诊断系统已 在临床上获得应用。 或者： 包括： 生物电测量（心电、脑电、眼电、肌电、胃电等）； 声、光、力的测量； 流量、流速的测量； 位移、压力测量； 化学、电化学、生物化学测量； 放射线测量； 超声测量； 生物医疗测量； 高、低温度测量等等。 （6） 生物医学测量 (Biomedical Measurement) （7）物理因子的生物效应及治疗作用（Biolegical effect Of physical facts） 采用声、光、电、磁、辐射等手段治疗疾病或缓解病痛 ，已成为药物治疗和手术治疗以外的重要治疗手段。 包括：电磁场治疗仪器、电疗仪器、紫外线/可见光/红外 线治疗仪器、超声治疗仪器、放射线治疗仪器、激光及等离 子体治疗仪器、高/低温治疗设备、高压氧治疗设备、水疗设 备、负离子发生器以及各种康复治疗设备等。 发展：目前，放射性疗法、超声碎石、付外反搏、激光治 疗等已在临床广泛应用。 （8） 生物系统的建模与控制(Modeling And Controling Of Biosystem Biocybernetics) 生物系统各个层次上的系统建模、仿真、辩识与控制， 在人体循环系统模型、神经系统、呼吸系统、免疫系统和流 行病模型等方面取得了一些科学研究发展基础。 （9）医用仪表仪器 (Medical Instrumment And Apparatus) 医用元器件、医用电极、医用传感器、医用电源、医用 仪器模具、配件及其制品的设计与制作等。 （10）中医工程（CTM Engineering ） 应用现代科技手段使中医理论，临床诊治手段科学化现 代化。 主要领域有：中医经络的本质（应用各种物理手段探测 经络客观指标）；脉诊机理与脉象仪器；针灸的科学基础与 替代疗法等。 （11）生化工程（Biochemical Engineering） 采用工程方法大规模高质量生产基因工程产品，其中以 大容量生物反应器研究与设计为重点的研究已取得很大进展 。 （12）医学信息管理控制系统（Medical Information Management control systems） 包括：医院自动化管理、自动保健随诊、地区医疗网络 、远程医疗医学信息、网络环境监控系统、医学教育、工程 安全和标准化监测装置等。 1.6 生物医学工程学的特点 （1）生物医学工程学具有新兴、综合、交叉与边缘科学 的特点； （2）生物医学工程学是医学和生物学的支持和发展动力 ； （3）生物医学工程是社会效益与经济效益的综合； （4）生物医学工程在人才培养上具有交叉-优生的特点。 1.7 生物医学工程学的现状与发展趋势 一、现状 1. 基础性研究 结合与产品有关的课题的开发研究，是产生医疗仪器的基础 。 如：人体结构、功能与信息；人体代谢；质量、能量的传递 ；生物效应的刺激与控制；生物信号的测量与提取；等等。 2. 医用材料与器件的研究 医用材料：目前，国内外特别重视植入性材料的无刺激、无 毒、不致癌、不致畸、不致敏、高强度、耐老化的研究，以及材 料的组织相容性、血液相容性的研究。 医用器件：目前，主要是生物传感器的研究、医用电源的研 究、光电子材料和器件的研究等。 包括：医学物理、化学分析装置；诊断装置；监护装置； 检验装置；诊断治疗联合装置；医学生物信号遥测；遥感装置 ；医学影像显示；识别装置；医学数据处理