生物医学工程学的重要领域及研究进展.doc

生物医学工程学的重要领域及研究进展军1樊春海2 李根喜2姚1 (国家教委科技司, 北京 100816)2 (南京大学生化系 医药生物技术国家重点实验室, 南京 210093)内容摘要 按生物医学工程的最终目标, 在生物医学材料、生物医学工程器械、远程诊疗系统和生物医学康复工程等四个方面进行了综述, 引论文 14 篇。关键词 生物医学材料 医疗器械 远程诊断 康复The Re sea rch F ie ld s an d A dvan ce s of B iom ed ica l En g in eer in gY a o Jun 1 Fan Chuha i2 L i Gen x i21 (S ta te E d u ca tion C om m ission , B eij ing 100816)2 (N anj ing U n iv ersity , N anj ing 210093)A bstrac t T h e re sea rch f ie ld s and advance s o f b iom ed ica l eng inee r ing h ave been rev iew ed in fo u ra sp ec t s, b iom ed ica l m a te r ia l, b iom ed ica l eng inee r ing app liance, te le2d iagno st ic sy stem and b iom ed ica l reco ve ry eng inee r ing w ith 14 refe rence s.T e le2d iagno st ic sy stemKey wordsB iom a te r ia lM ed ica l in st rum aen tR eh ab ilita t io n引言1生物医学材料由于各种交通、工伤事故、重大自然灾害2生物医学工程学是现代生命科学和医学、工程学相结合而发展起来的边缘学科。 由于生 物医学工程学是新兴的交叉学科, 与其他学科, 如材料、信息、电子技术、计算机科学关系密切, 因而涉及的领域十分广泛, 并在不断发展之中。目前, 生物医学工程学的主要分支领域有: 生物 力学和生物流变学, 生物材料和人工器官, 生物 系统的建模和控制, 生物医学信息的检测和处 理, 医学成像及图像处理等。虽然生物医学工程学涉及面广, 信息量大,发展迅速, 但是, 按其最终研究目标, 可将其分 为生物医学材料、生物医学工程器械、远程诊疗战争、衰老和病变都急需抢救维持生命、修复和替代人体的有关器官, 因而作为人工器官替代物的生物医学材料的研究应运而生。 许多金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料等有关材料已广泛地应用于临床。今后的研究方向为:(1) 对已有的非生物材料进行科学选择、复合和表面改性, 以期改善和提高有关材料的生物相容必。 (2) 从天然的生物材料着手, 通过研究天然生物材料的微观结构、功能及性能, 以其为基质, 与细胞工程结合, 形成组织工程。 组织工程是选择适当的生物材料, 以支持各种各样的细疗。311医学影像现代医学中, 影像被广泛应用于诊断和治 疗, 成为必不可少的手段和工具, 如 X 线透视 和血管造影、C T、磁共振成像、超声成像、核医 学成像等等。 众多的现代医学影像提供了大量的有关病人的各种信息, 包括形态的和功能的、 静态的和动态的等等。然而, 由于方法手段或思 维方式的原因, 这些“大量”信息的利用十分有 限。如脑立体定向外科手术中, 目前的手术计划 靠对照标准图谱与病人扫描图像和 X 线图像, 依据一些简单的经验和公式进行定位和手术。 目前, 医学临床采用的影像形式多样, 但同体的 各种影像检查和异体的横向比较几乎独立进 行, 而且很少定量化。 其结果是, 尽管各种医学 影像的使用极大地提高了诊断的准确性, 但这 些对医学影像的“原始”利用方式大大地影响了 治疗的有效性。因此, 加强对各种医学影像信息 的处理、分析和综合, 研制基于影像的诊疗辅助 系统十分必要。现今的研究包括以下几个方面:( 1) 基于影像的计算机辅助诊治方法及系 统a 1 各种放射治疗方式对应的基于影像的 三维计划系统, 包括立体定向放疗和适形放疗。b 1 基于影像的三维立体定向神经外科手 术计划系统。(2) 多图像源信号源的融合和可视化问题a 1 同体的 (同一病人) 或异体的、形态的 (X 线透视、血管造影、C T、磁共振、超声、红外和摄 影图像等) 和功能的 (P E T、SP EC T、功能磁共 振、脑电图和脑磁图等) 图像的配准和综合利1987 年, 著名生物力学专家冯元桢提出了组织工程学这一概念。 它的精髓就是为恢复或 替代组织的功能而研制可植入人体的物体或装置, 除了用天然或合成成份外, 还要使用活细胞。 即是说, 使细胞在生物材料上生长, 恢复病 变组织的原有功能, 甚至使器官再生。生物医学 材料今后的重要发展方向, 就是为组织工程提供具有以下突出优点的活性生物材料: 优越的 生物相容性; 亲水性; 润滑性; 防组织粘附性; 抗 炎性; 抗凝性; 可使细胞在材料表面生长, 恢复 病变组织的组织功能; 免疫识别能力; 生物催化 活性。按生物医学材料的一般属性, 可将其分为 如下几类:(1) 无机非金属生物材料a1 与人体组织力学相容性好, 又具有促进 组织生长的材料 (如层状复合型生物陶瓷、含骨生长因子复合块状陶瓷和涂层材料)。b 1 具有人体有机和无机成分结构的复合 材料 (如含生物活性物质的骨水泥)。(2) 金属生物材料a1 新型钛合金 ( 具有毒性更低、弹性模量 更接近人骨等特性)。b 1 植入器械 (如人工心脏瓣膜, 人工关节,人工牙齿种植体, 血管支架)。c1 介入性诊断及治疗用器械 ( 如引导丝、 管 腔 内 支 撑 架、儿 童 先 天 性 心 脏 病 用 栓 塞 器等)。(3) 生物医用高分子材料(3) 医学中的虚拟现实方法及系统虚拟现实是综合人机界面、图形学、传感技 术、高性能计算和网络的一门新学科, 涉及学科 面广且发展十分迅速, 已有的和潜在的应用也十分广泛。 在医学方面尤为有用。 从教学到临 床, 从外科手术的计划到实施, 虚拟现实系统提 供了一个全新的工具。由于该研究涉及面广, 近 期只能希望在以下方面有所突破:a1 虚拟内窥镜系统: 通过对病人对像部位 的三维图像数据采集和处理, 利用某些虚拟传感器 (如虚拟摄像机、虚拟测距仪等) 可对管道 型或空腔型组织 ( 如血管、胃肠、食道、脑室等) 进行定性观察和定量参数的计算和分析。b 1 立体定向神经外科手术仿真系统: 通过 建立三维人脑图谱和结合实际病人的断层三维图像数据采集和处理, 对脑外科、尤其是功能性 神经外科手术进行计划和模拟。312 医学电子(1) 无损 ( 微损) 多通道多频率高强度聚焦 超声体外治疗系统。 该系统旨在体外无损 ( 微 损) 治疗深层肿瘤或其它外科手术 (简称声刀) , 也可用于终止早孕 (人工流产)。(2) 采用微型马达的超声内窥导管系统 研制适合驱动机械扫描微型超声换能器的微马达 (尺寸约 122mm ) , 用于介入性超声导管 系统, 对动脉血管及心血管系统作圆周扫描, 从而显示血管内壁断面形态及功能信息, 用于心 血管病及其它体内微小部位的诊断。(3) 新型超声检测技术近年来, 超声医学检测出现了两个新热点, 一个是组织弹性成像技术用于肿瘤检测, 另一 个背向散积分用于冠心病检测。(4) 新型红外肿瘤检测技术近期研究表明, 人体组织在近红外波段存 在一个光窗, 对于波长为 6002900 纳米。红外光的吸收极小。 这一发现揭示了利用血等病人进行检测, 已取得初步结果。(5) 计算机辅助外科手术系统 CA S将 先 进 的 诊 断 设 备, 如 计 算 机 断 层 扫 描C T、磁共振成像 M R I、数字血管减影 D SA 、正电子发生断层扫描 P E T 等, 与治疗设备如伽玛刀、X 刀、医用机器人等结合, 利用图像处理技术, 如三维重建、三维显示和立体定位系统, 辅助医生进行外科手术。 计算机辅助外科手术系统对于提高手术成功率、减少手术死亡率和进行复杂的外科手术具有十分重要的意义。(6) 射线治疗装置现今, 更高能量电子直线加速器正在研究之中, 并争取解决治疗可视化监督问题。 同时,中子和离子治疗装置也在研制中。(7) 生物医学测量传感器。远程诊疗系统4远程诊疗是目前国际上生物医学工程学发展的热点之一, 是 21 世纪医学的发展方向。 远程诊疗技术的使用不仅可大大改变人们的传统医疗方式, 使人们在任何时候、任何地方都可享有医疗, 而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息, 从而使早期诊断和预防成为可能。远程诊疗系统建立在高速信息网基础上, 在国外起步较早。 近年来, 我国也开展了该项研究, 并取得了一定的成果。( 1) 可用于边远地区门诊的远程医疗方法和装备。( 2) 建立一个分布式医疗信息处理系统并使之成为包含多种功能的远程诊疗平台。(3) 建立更完善的心电图自动识别方法, 进一步发展可漫游的心电图监测系统。( 4) 建立多媒体医疗会诊系统并与家庭监护网有机结合, 使用户可享用会诊技术。(5) 发展国际医疗联网技术。(6) 应用人机工程学, 发展多媒体医学信息参考文献生物医学康复工程, 简称康复工程, 是生物医学工程领域中一个重要的分支学科。 其目的 是充分利用现代科学技术手段克服人类由于意外事故、先天缺陷、疾病、战争和机体老化等因 素产生的功能障碍或残疾, 使其尽可能最大程 度地恢复或代偿原有功能, 实现最大限度的生 活自理、乃至回归社会, 以提高人们特别是伤残 人士和老年人的生活质量。为实现这个目标, 需要众多学科相互支持与配合, 因此康复工程学 科又是一个典型的多学科交叉的综合性很强的 学科。 它涉及的学科相当广泛, 包括生物学、医 学、材料学、生物力学、机械学、电子学、控制论 与信息科学等等。我国在康复工程领域的科学研究并不逊 色。80 年代初期, 民政部筹建了假肢研究所, 并 支持清华大学、上海交通大学与假肢研究所合 作研制了我国第一代肌电假手产品。 目前我国 肌电假手产品能在国内市场上占有一席之地并少量销往国外。 90 年代初, 清华大学与中国康 复研究中心合作, 在国家自然科学基金和中残 联的支持下, 研制了我国第一只用复合材料制 成的下肢运动假肢。 我国伤残人运动员曾用它 打破了跳远世界纪录。针对盲人的需要, 全国残疾人用品开发供应总站开发了盲文打字机、盲 文油印机及盲人扑克等。总之, 生物医学工程学涉及面广, 结 构 复 杂, 需多学科交叉与相互支持, 发展相当迅速。 生物医学工程学的发展对促进医疗水平的提高, 加快医学现代化的步伐有重大作用。其研究1B ranem a rk R. O sseo in teg ra t io n in P ro sth e t ic O r thop ed ic s,P ro c. o f 8 th W o r ld Co ng re ss, ISPO , M e lbo u rne, 1995H ideo Y. A P re lim ina ry S tudy o f C ybo rg o f an A r t if ic ia l L im b In te rface o f P ro sth e sis D irec t ly L ink ed to th e S tum p , M a te r ia ls in C lin ica l A pp lica t io n , 1995Sco t t RN , P a rk e r PA. M yo e lec t r ic P ro sth e se s; S ta te o fth e A r t, J. o f M ed ica l E ng inee r ing and T ech no lo gy,1988; 12 ( 4)Go ldfa rd M , M o to naga GK. Se lf2co n ta ined, M ic ro com 2 p u te r2co n t ro lled A bo ve2k nee P ro sth e sis, P ro c. o f 7 th W o r ld Co ng re ss, ISPO , C h icago , 1992N ak agaw a A. In te lligen t T ran s2fem o ra l P ro sth e sis, P ro c o f 8 th W o r ld Co ng re ss, ISPO , M e lbo u rne, 1995J aco b sen S. C D eve lopm en t o f U tah A r t if ic ia l A rm , IE E E T ran s. o n B iom ed ica l E ng inee r ing, 1982; 29 ( 4)D e jan B P. O u tp u t Sp ace T rack ing Co n t ro l fo r A bo ve2KneeP ro sth e sis, IE E E T ran s. o n B iom ed ica l E ng inee r ing, J une, 1993D ava l