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生物医学工程导论 第一章概述 什么叫生物医学工程生物医学工程 BiomedicalEngineering BME 是运用自然科学和工程技术的原理和方法 研究人的生理 病理过程 揭示人体的生命现象 并从工程角度解决防病治病问题的一门综合性高技术学科 我国著名科学家顾方舟先生在 中国生物医学工程的今天与明天 一书中这样写到 生物医学工程学是这样一门学科 它把人体各个层次上的生命过程 包括病理过程 看作是一个系统的状态变化的过程 把工程学的理论和方法与生物学 医学的理论和方法有机地结合起来去研究这类系统状态变化的规律 并在此基础上 应用各种工程技术手段 建立适宜的方法和装置 以最有效的途径 人为地控制这种变化 以达预定的目标 生物医学工程学的根本任务在于保障人类健康 为疾病的预防 诊断 治疗和康复服务 生物医学工程是理 工 医相结合的新兴边缘学科 是多种工程学科向生物学 医学渗透并相互作用的结果 虽然它作为一门独立的学科发展的历史尚不太长 50年 但由于它在保障人类健康方面所起的巨大作用 它已经成为当前医疗保健性产业的重要基础和支柱 许多国家都将其列为高技术领域 以人工心脏瓣膜这一典型的生物医学工程项目为例 为了进行人工心脏瓣膜的设计和制造 人们需要作如下工作 1 了解心脏瓣膜开启和关闭的机理 弄清人体心脏瓣膜的运动学和力学特性 定量 2 解决人工心脏瓣膜材料问题 相容性 毒性 力学性质和制备工艺等 3 了解人工心脏机械瓣和生物瓣的力学特性和疲劳寿命 以及植入心脏后的长期生物效应等 人工心脏瓣膜的制作和质量控制与监测等还要涉及一系列工程问题 此外还有成本控制问题 风湿性心脏病 生物医学工程的特点 大跨度的 多学科的综合性应用学科 以人工器官为例 它需要生物材料学 生物力学 生理学及有关机电 化工工程技术的有机结合 甚至涉及社会伦理学 这种大跨度 从非生命科学到生命科学 乃至从自然科学到人文科学 的综合 是传统学科所没有的 其发展需要工程技术与医学两方面人材的密切结合 既为医学 生物学提供技术与装备 又为医学 生物学的发展开辟新路 因此它是变革医学和生物学本身的一支重要力量 社会效益与经济效益的结合 医学注重社会效益 工程学注重经济效益 生物医学工程才是二者必然的结合 1 1生物医学工程学的发展状况 生物医学工程是从20世纪50年代以来 随着电子学 材料学 工程力学 信息科学和电子计算机等多种学科的进步并广泛应用于医学和生物学领域而逐渐形成和发展的 电子学的渗入使心电 脑电 心音 B超等实用诊断技术逐步地出现和应用于临床 人体植入性心脏起搏器研制成功挽救了成千上万心脏病患者的生命 与材料科学的结合 成功地研制出如医用硅橡胶 医用聚氨酯和有机玻璃制作的人工股骨等人体功能辅助及卫生保健材料和制品 工程力学原理和方法的运用 使人们能够定量地研究血液在心血管中流动特性 建立了本构方程来刻画血液的流动行为 以医用材料为基础的多学科相结合 开始早期的人工器官如人工肾 人工肺 人工晶体 人工心瓣膜的研制和临床应用 本构规律 指生物体 组织器官的力学性质 特别是其应力与应变的规律 称为本构规律 本构方程 如果能将本构规律以数学方程的形式表达出来 这一方程即称为本构方程 进入60年代以后 微电子学 信息科学 计算机科学 控制论 工程力学及材料科学等的迅速发展并紧密地与医学结合 导致大量的医疗仪器设备如X线机 超声仪 心电图 脑电图及球式机械人工心脏瓣膜等广泛地应用于临床 这些对医学进步 对临床诊疗水平的提高起到了极大的推动作用 产生了巨大的社会效益 另外 医疗器械产业已形成规模 产生了巨大的经济效益 由此 生物医学工程学这一新兴的边缘学科作为一门独立的学科成立 成为时代的需要 美国 日本和西方一些国家成立了医学电子学和生物医学工程学组织 世界性的国际生物医学工程联合会于1965年正式成立 七十年代以后 生物医学工程涉及到生物医学的各个方面 并取得长足的发展 理论研究方面 利用生物系统建模与仿真技术对极为复杂的生命现象和生理过程的机制进行定量描述 如胰岛素释放控制模型和传染病流行模型等 生物力学对骨 软组织和血液的流变特性作了系统的研究 对心血管中血液流动建立了更接近生理的本构方程 应用技术方面 X射线计算机断层扫描装置 X 线CT X ComputedTomography 在短短的二十年间已发展到第五代 同位素断层图像的放射型CT ECT 使单纯形态检查发展到功能诊断 多种断层技术使医学影像成为临床诊断的支柱 生物传感器的问世 使有机物的测量进入了无试剂分析的时代 使连续动态监测体内有机成分成为可能 单板机 单片机使得医疗仪器微型化 智能化 高性能个人计算机的出现 使医疗仪器具有了多功能化特征 集医学信息采集 检测 处理和管理为一体 大大地提高了医疗效能 网络技术和虚拟技术的实用化 使远程医疗成为现实 现代医学基本上是构筑在生物医学工程的基础上 四大影像设备 各种生物电和器官压力流量监测等功能检查设备 各种自动生化分析仪器 是现代临床诊断的基础 射频仪 碎石机治愈了不少的患者 除颤器 埋藏式心脏起搏器和人工心瓣膜挽救和维持了全世界数百万心脏病人的生命 人工肾等血液净化技术 维持着数十万肾功能衰竭病人的正常生活 人工晶体 人工关节 功能性假体已广泛用于伤残人的康复和功能辅助 生物力学的研究 对动脉粥样硬化的血栓形成认识及对骨外科器具和人工器官的设计起了十分重要的作用 总之 现代医学的进步离不开生物医学工程的发展 反过来又提出了新的课题 促进生物医学工程的进步 但是 另一方面 由于生物医学工程的进步 高技术的医疗仪器装备层出不穷 使得医疗保健费用呈指数曲线急剧上升 成为整个社会越来越沉重的负担 目前这个负担已经沉重到北美 西欧等经济发达国家都难以承受的地步 具有讽刺意义的是 当初推动生物医学工程发展的原因之一是指望借助于工程的方法来控制医疗费用的膨胀 但结果却事与愿违 生物医学工程技术越发达 医疗费用增长所造成的社会负担却越沉重 而从这种困境中解脱出来的唯一办法 就是改变观念 重视生物医学工程的社会性 不能将生物医学工程看成是一门单纯的技术科学 看作是各种现代科学技术在医学上的简单应用 实际上生物医学工程服务的对象是社会的每一个成员 因而必然受到社会经济承受能力的约束 如果忽略了这一点 片面地追求科学技术的先进性 或一味地追求生物医学工程产业的经济效益 其结果必然是使生物医学工程自身陷于困境 中国生物医学工程学科 中国生物医学工程学科是1978年由国家科委正式确立的 并于1980年成立了中国生物医学工程学会 中国医学科学院院长黄家驷教授任首届会长 先后在18个省 直瞎市成立了分会 并于1986年正式加入IFMBE 至今设10个学科分会和专业委员会 目前全国有近四十所高校有相当规模的生物医学工程研究室 所 博士点十多个 硕士点几十个 对我国的生物医学工程学发展起了十分重要的作用 我国的生物医学工程是仿效西方的模式建立起来的 在学科形成的初期 这种仿效是必然的 但是在西方生物医学工程的进步与它的社会效应的矛盾日益显露的今天 中国的生物医学工程要发展 就必须要充分认识我国的基本国情 要以大多数中国人的卫生保健的急需为目标 立足于我国经济和技术的可能 在促进我国医学水平提高的同时 必须有助于社会医疗费用的控制 1 2生物医学工程学的科学范围 生物医学工程学是工程学与生物学 医学结合的产物 任何工程学科与生物学和医学的结合均属于生物医学工程的范畴 因此生物医学工程的研究领域十分广泛 并在不断的发展 目前较成熟的领域有如下八个 生物力学生物材料生物系统建模与仿真 物理因子在治疗中的应用及其生物效应生物医学信号检测与传感器生物医学信号处理医学图像技术人工器官 生物力学 BiologicalMechanics 生物力学是力学与生物学 医学等学科之间相互渗透的边缘学科 它的目的是试图从力学的角度来了解生命 具体地说 它将用经典力学 固体力学 流体力学的知识来解释生命的某些现象 用力学的方法定量地分析 研究生命系统的功能与构造的关系 进而探讨生命的整个力学过程 生物力学所涉及的领域很广 目前认为它主要包括骨骼生物力学 人体运动力学 血液循环力学 呼吸流变学和生物热力学等分支学科 生物力学的研究 加深了对血液流变特性与疾病的关系 骨力学特性与骨折愈合的关系 血液流动规律与心血管疾病的关系等的理解 应用生物力学的研究成果 指导人工关节 人工心脏瓣膜等人工器官的设计 近年来 由于医学科学技术的发展 仿生学 宇航技术的进步 给生物力学提出了一系列问题 促进了生物力学的蓬勃发展 60年代后期 电子计算机开始用于医学 为生物力学开辟了新的前景 生物力学的研究开始于60年代 1960年 美国的第一届仿生学讨论会引起了人们对生物力学的注意和兴趣 此后 美 欧 日 苏 澳 加等国都相继建立了专门的研究机构 并多次召开国际性生物流变学会议和生物力学讨论会 1978年 在中国科学院组织的全国力学规划会议上 将生物力学作为一门独立的学科列入规划中 与此同时 中国力学会组织了全国性的生物力学专业组 此后 国内诸多著名大学相继建立了生物力学研究所或研究机构 并召开了多次全国性和地方性生物力学学术会议 通过交流更进一步促进了我国生物力学的发展 骨骼生物力学 SkeletonBiologicalMechanics 骨骼生物力学是生物力学的重要分支 尽管骨力学的研究已有上百年的历史 但至今仍有许多问题处于有待深入研究的状态 这是因为生物体是有生命的 与无生命的工程材料结构有着根本的不同 因此 用力学原理来研究生物组织 器官和生物体是一件比较艰难和复杂的工作 骨骼生物力学研究骨和骨骼体系的力学问题 骨的微观结构与宏观力学效应的关系 骨的耦合力学效应 骨的生长与断裂的力学问题及骨骼生长的控制论等 骨骼在生物体内占有重要的地位 骨的组织结构十分复杂 与生物材料力学的关系十分密切 近年来还有对骨的一般力学性质 骨的粘弹性性质 人颅骨冲击韧度的测定 脊柱力学的性质 关节受力分析 人工关节 骨伤 骨愈合的临床研究 骨科复位固定器的效应分析等有成效的研究 目前 对于骨的动力特性和骨作为一种有生命的组织的微观力学效应等方面 研究尚较少 骨骼生物力学在医学方面的研究与应用有着广阔的前景 如骨的再造理论 骨的生长与应力关系的理论等 对于矫形外科 骨伤的治疗 防护及辅助器具的设计等许多方面都有着重要的作用 骨骼生物力学的临床应用举例 人工关节材料的选择人工关节置换术是骨骼生物力学最活跃的一个应用领域 人工关节的应用已有近百年历史 现在人工关节种类繁多 从人工关节设计 制造 植入和维护 既有工程问题 也有骨力学问题 选做工关节材料的基本要求是 与骨组织间有良好的生理相容性与耐腐蚀性 有足够高的强度与疲劳寿命 较好的抗磨损性 良好的可加工性等 已被用做人工关节的材料有 超高分子聚乙烯 不锈钢 钛合金 钴铬钼合金 陶瓷 硅橡胶和炭质材料 其中陶瓷材料正逐渐被重视 由于以上材料的使用 使人工关节的适应范围和效果都有很大发展 从临床的使用来看 以上材料的人工关节尚未引起抗原性反应或致癌 金属材料的磨屑可增加感染率 单纯的钛抗磨损能力较差 但钛合金则能提高抗磨损性能 钴铬钼合金也有好的耐磨性 但与骨相比 其刚硬度太大 另外炭质材料有优良的生物相容性 其力学性质上 有很强的耐磨损性 它的力学性质与密质骨也比较接近 其疲劳寿命也较长 但其强度较低 目前只用于小关节 动物实验表明 钴铬钼合金有较好的生理相容性 但长期使用这种台金制成的人工关节 其血液与头发中钴的含量明显增加 超高分子聚乙烯有高度疏水性 耐磨性也好 多用来做人工关节臼 陶瓷材料有足够的强度 耐磨性能好 硅橡胶有较好的生理相容性 但强度低 一般也只用于小关节 尽管人工关节材料有较多优点 但也存在尚未克服的缺点 如金属的电解 疲劳 腐蚀 磨损 松动 骨质吸收等 塑料材料的老化 变脆 陶瓷优点较多 但其质脆 易折 上述材料有否致癌作用 尚待进一步研究 生物材料 Biomaterial 生物材料学是研究用以治疗或替换机体内的组织 器官或增强其功能的材料 以及这些材料与生物体之间的相互作用的学科 生物材料是与人体组织 体液或血液相接触或作用而对人体无毒 无副作用 不凝血 不溶血 不引起人体细胞突变 畸变和癌变 不引起免疫排异和过敏反应的特殊功能材料 迄今 生物材料有近千种 但被广泛应用的仅十余种 这些材料主要分为医用合成或天然高分子材料 医用金属材料 医学陶瓷 医用碳素材料 以及它们的复合材料等类 较活跃的研究开发领域有高抗凝血材料 生物活性陶瓷及玻璃 钛及钛合金 生物活性缓释及描靶药物载体材料 生物粘合剂 可吸收性生物材料 甲壳素及其衍生物的医学应用等 生物材料的种类十分繁多 用途非常广泛 对生物材料的基本要求是 1 对生物体无害 生物性能 2 有一定机械强度 机械性能 3 有一定使用寿命 耐生物老化性能 生物材料已成功地就用于人工心脏瓣膜 人工血管 人工骨与关节 医用导管 齿科材料 外科缝线 药物缓释载体 透析与超滤膜材料及一次性和植入性医用制品等方面 材料技术的发展趋势之一是尺度向越来越小的方向发展 以前组成材料的颗粒 其尺寸都在微米 百万分之一米 量级 而现在出现了向纳米 十亿分之一米 尺度发展的材料 纳米技术是继互联网 基因之后人们关注的又一大热点 洞察微观世界的秘密 需要借助仪器来开拓视野 延伸双手 年代初期 公司在世界上第一次研制成功表面分析仪器 扫描隧道显微镜 使人类第一次能够观察到单个原子或分子的排列状态 它给我们提供了对纳米结构进行测量和处理的 眼睛 和 手指 形象地说 如果人站在月球上看地球 肉眼看见地球是一个球体 无法分辨出细节 用放大 倍的光学显微镜可以看到地球上的楼房 但如果使用放大上亿倍的扫描隧道显微镜 则可以看到建筑物水泥墙或泥土中的沙粒 什么是纳米 纳米 nanometer 长度单位的一种 1纳米 10 9米 即十亿分之一米 大约相当于头发粗细的八万分之一 21世纪 信息科学技术 生命科学技术和纳米科学技术是科学技术发展的主流 人们普遍认为 纳米技术是信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础 纳米技术所带动的技术革命及其对人类的影响 远远超过电子技术 90年代起 各国科学家纷纷投入一场 纳米战 在0 10至100纳米尺度的空间内 研究电子 原子和分子运动规律和特性 而纳米材料则是由许多的原子分子构成的具有纳米结构特征的物质 纳米粒子就是纳米尺寸大小的微小颗粒 这种纳米粒子表面积很大 每克达几百至几千平方米 表面具有很大的能量 具有常规材料根本不可能出现的多种新的功能和特性 纳米材料中包含了若干个原子 分子 使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备 几十个原子 分子或成千个原子 分子 组合 在一起时 表现出既不同于单个原子 分子的性质 也不同于大块物体的性质 如它的熔点 磁性 电容性 导电性 发光性和颜色及水溶性都有重大变化 纳米技术是在纳米尺度内 通过对物质反应 传输和转变的控制来实现创造新的材料 器件和充分利用它们的特殊的性能 并且探索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律 由于颗粒极度细化 晶界所占体积百分数增加 使得材料的某些性能发生截然不同的变化 例如 以前给人极脆印象的陶瓷 纳米化居然可以用来加工制造发动机零件 在医学上被用于骨科及齿科材料 纳米技术的基本涵义 是指在微观环境下 即在纳米尺寸范围内 人类将认识和改造自然的能力延伸到原子 分子水平 通过直接操纵和安排原子 分子 原子团或分子团 使其重新排列 组合 创造出新的物质或物品的高新技术 纳米材料的主要特点是什么 呈现出与常规材料完全不同的性质 纳米铁具有极强的磁性 不导电材料变成导电 特殊的远红外线辐射 强的紫外反射 强吸附性 强催化作用等等 晶粒尺寸的减小将对力学性能产生很大的影响 使材料的强度 韧性和超塑性大大提高 在人工器官制造 临床应用等方面 纳米陶瓷材料比传统陶瓷材料有更广泛的应用和发展前景 纳米碳材料的应用 使碳质人工器官 人工骨 人工齿 人工肌腱的强度 硬度 韧度等多方面性能显著提高 利用纳米碳材料的高效吸附性 可将它用于血液的净化 清除某些特定的病毒或成分 目前尽管已对纳米材料的制备 结构与性能进行了大量的研究 但在基础理论及应用开发等方面尚有大量的问题待探讨 但其所表现出的优异性能预示它在生物医学工程领域尤其是在生物材料和人工器官 介入性治疗 药物载体 血液净化 生物大分子分离等方面具有广泛的应用前景 纳米技术已经渗透到 材料与制造 医学与健康 环境与能源 纳米电子学与计算机技术 航空航天探测等领域 美国科学基金会发表了400页的报告 来说明纳米技术对人类社会带来的影响 报告指出 在十到十五年间 整个半导体产业和一半以上的制药工业 将依赖于纳米技术 2000年美国克林顿政府提出了一个国家纳米技术创新计划 2001拨款达为4 22亿美元 生物系统建模与仿真生物系统建模是对生物的细胞 器官和整体各个层次的行为 参数及其关系建立数学模型的工作 最终希望用数学的形式表达出来 建模的目的是为了更好地了解生物系统的行为及规律 为生物控制奠定基础 生物系统的仿真是用电子计算机求解生物系统的数学模型以分析和预测各种条件下生物系统运行机制和状态的工作 生物体是十分复杂的系统 即使最简单的红细胞也包含着约2000种代谢反应 而大脑的复杂性就更是无法比拟的了 因此研究这种复杂的生物系统就需要十分复杂的实验 而对于某些条件下的生物系统研究 其实验往往难以进行 生物系统建模与仿真可以将生物系统简化为数学模型并对此模型进行计算机分析 从而代替实际的复杂 长期 昂贵及至无法实现的实验 大大提高研究效率和定量性 并可研究人为施加控制条件以影响生物系统运行过程 生物系统建模与仿真可用于鉴别人体参数的异常以进行疾病诊断 糖尿病等疾病的预报 血压等参数的自适应控制 此外 在医疗仪器的研制和生物学 生理学 仿生学等学科的发展中 生物系统建模与仿真也具有很大价值 生物系统控制是人为地外加控制条件来影响生物系统的生命过程 以达到某种特定的目的 如我们研究血压 PH 体温与心率的关系 建立相应的数学模型 为研制按需型心脏起搏器提供理论基础 建立流行病模型 为人们制定疾病的防疫措施提供理论依据 物理因子在治疗中的应用及其生物效应应用电 磁 辐射 超声等物理能量作为治疗疾病或缓解病痛是药物和手术治疗以外的重要的治疗手段 研究电 磁 辐射 超声等物理能量作用和机理 并确定其有效剂量和安全标准 从而发展应用物理因子治疗疾病的技术 并防止其可能的有害影响 激光辐射生物体后 由于组织可能产生光致热 化学 压强 电磁场和生物刺激等效应 发生组织形态和功能的变化 故可用于临床治疗 强激光用于光凝 汽化和切割等手术治疗 弱激光用于一般理疗和针灸等非手术治疗 应用激光光动力学治疗恶性肿瘤 激光治疗已扩展到临床各领域 以微波和超声为热源的肿瘤加热疗法 近年来进行了大量的研究和开发工作 已有产品应用于临床 这种方法的优点是可在不损伤正常细胞情况下杀伤癌细胞 加热疗法的研究动向主要在热源 加热区域定位 体内测量与控制等方面 在动态实时图像引导下 把精巧的手术器械经腔口 小切口或血管导管送到病患的部位进行手术治疗的方法称作介入性疗法 由于创伤小 危险性小 费用少 故近年来发展较快 最具代表性的是经皮冠状动脉腔内成形手术 还可施行热切除 射频消融 除颤 高速旋切等操作 介入性治疗中必须有超小型精巧的工具 符合临床要求的材料和良好的工艺 这是工程性研究的主要内容 高能量电离辐射光子或高能粒子照射人体内病变部位可起到治疗作用 这种方法称为放射治疗 现已广泛使用的是以钴60的 射线和直线加速器产生的电子流在靶上打出的硬X射线照射病变部位 主要用于治疗恶性肿瘤 近年来用中子流和同步加速器中高能粒子束辐射出的连续硬X射线治疗恶性肿瘤的报道很多 但这需要昂贵的设备和条件 难以推广 此外利用聚焦的连续超声振动或冲击波振碎病变结石的冲击波碎石技术近年来发展很快 各种低频或直流电场 磁场已经被用于治疗 有的与中医针灸疗法相结合 在治疗某些常见病上有一定疗效 特别是已开发了多种家用性电磁治疗仪器 但这类技术需要进一步开展生物学效应的研究 以避免盲目性 提高治疗效果 防止对人体的有害影响 生物医学信号检测与传感器生物医学信号检测是对生物体中包含的生命现象 状态 性质及变量和成分等信息的信号进行检测和量化的技术 生物医学传感器是获取各种生物信息并将其转换成易于测量和处理的信号 一般为电信号 的器件 是生物医学信号检测的关键技术 生物医学信号涉及生物体各层次的生理 生化和生物信号 这些信息以物理量 化学量或生物量变化的形式表现出来 如心电 脑电 肌电 眼电 等生物电信号 血压 体温 呼吸 血流 脉搏等非电磁生理信号 血液 尿液 血气等生物化学量信号 酶 蛋白 抗体 抗原等生物量信号 利用生物医学传感器将这些生物信息转换成易于测量和处理的信号 一般为电信号 以便进一步处理 以了解生命活动的规律和本质 为医学研究和临床诊断服务 如血压和血流等信息可以了解心血管系统的状态 生物医学信号的特点是信号微弱 随机性强 噪声和干扰背景强 动态变化和个体差异大 因此若要把掺杂在噪声和干扰信号中的有用的生物医学信号检测出来 除要求用于检测的传感器系统具有灵敏度高 噪声小 抗干扰能力强 分辨力强 动态特性好之外 对信号提取和分析的手段亦有较高的要求 生物医学传感器按被检测量划分为物理传感器 化学传感器和生物传感器三类 物理型传感器已用于血压 血流 体温 呼吸等各种生理量的测量 化学型传感器用于对体液中的各种无机离子的测量 生物型传感器能对生物体的酶 抗原抗体 激素 神经递质以及核糖核酸等生物活性物质的测量 由于生物系统十分复杂 生物体内的信息丰富 生物信号检测技术十分重要 生物医学传感技术因其关键地位而受到各发达国家的重视 年代以来 美国 日本等国先后将生物传感器列为重点研究项目 年起创办了国际性专门刊物 Biosensor 由此推动了生物传感器的研究热潮 生物体内物质互相作用或与外界物质相互作用 常同时伴有物理变化及化学变化 故生物医学信号的检出 既可以用物理传感器也可以用化学传感器 化学传感器常受较多干扰 如电极电位漂移 电极表面中毒等 使这类传感器的性能提高受到限制 与传统的电化学传感器相比 光纤化学传感器 有如下特点 光纤及探头均可微型化 生物兼容性好 加之良好的柔韧性和不带电的安全性 使其更加适合临床医学上的实时 在体检测 光纤传输功率损耗小 传输信息容量大 抗电磁干扰 耐高温 高压 防腐 阻燃 防爆 使之可用于远距离遥测和某些特殊环境的分析 可采用多波长和时间分辨技术来提高方法的选择性 可同时进行多参数或连续多点检测 以获得大量信息 适当选择化学试剂及其固定方法 可检测多种物质 灵活性很大 不需要电位法的参比电极 用廉价光源照射样品 可使成本大大降低 在大多数情况下 不改变样品的组成 是非破坏性分析 目前 光纤传感器已成为生物医学分析的一个重要发展方向 物理传感器主要包括热敏生物传感器 声效应管生物传感器 光学生物传感器 声波道生物传器 热敏生物传感器应用范围较广 它具有线路简单 灵敏度高 响应快等优点 适用于对病人进行实时监护 光学生物传感器是利用生物发光或生物物质对光波的扰动进行测量 精度高 抗电磁干扰 非常灵敏 但线性范围窄 声效应管生物传感器是今后的重要发展方向之一 高度集成化后 可做成多功能微型传感器 声波道传感器对力学及电学量都很敏感 它具有灵敏度高 易于集成化 微型化等优点 应用范围较广 越来越受到人们的重视 目前 物理传感器已经实用化 化学传感器也多已达到实用水平 生物传感器大多数尚处于实验开发阶段 随着微电子 光电子技术的发展 生物医学传感器也将继续向微型化 多参数 实用化发展 微电子和微加工技术的进步 将导致集微传感器 微处理器和微执行器集于一体的微系统的问世与应用 生物医学信号处理生物医学信号一般都是伴随着噪声和干扰的信号 如心电 肌电信号总是伴随着因肢体动作和精神紧张等带来的假象 而且有较强的工频干扰 诱发脑电信号 总是伴随着较强的自发脑是信号 超声回波信号总是伴随着其它反射杂波 此外 信号中无用成份亦应视为检测中的干扰 生物信息处理技术即是研究从被检测的湮没在干扰和噪声中的生物医学信号中提取有用的生物医学信息的方法 生物医学信号的检测与处理的方法 包括在强噪声背景下对微弱生理信号的动态提取 多道生理信号的同步观察与处理 生理信号的时间 频率表示 自适应处理 医学专家系统等 另外 生物传感器输出的信号一般十分微弱 需要放大 再者 生物信号的特征部分才包含着生物信息 把这些信号的特征识别出来也是生物医学信号处理的主要任务 例如累加平均技术对诱发脑电 希氏束电位 心室晚位等微弱信号的提取 在心电和脑电的体表检测中采用计算机进行多道信号的同步观察与处理 并推求原始信号原的活动 在生理信号的数据压缩中开始引入人工神经网络方法 在医药学特别是中国传统医学中的医学专家系统已在发挥实际效益 生物医学信息处理技术的研究领域广泛 但在发展之中 并存在大量的前沿性课题 均需继续加强系统的 深入的研究 扩大其实用价值 近年来 小波变换 WT 被广泛地应用于生物医学信号检测的许多领域 特别是其在时间 频率平面具有良好的定位特性 在过去的几年中 人工神经网络 ArtificialNeuralNetworks NN 在生物医学领域中的应用迅速扩大 人工神经网络提供了一种与常规分析方法不同的计算方法 一般情况下 操作人员先用某种类型的一组输入输出数据训练系统 让系统学习 以后当把属于这种类型的新数据输入系统时 NN就能用学过的数据推测出而无需编制任何处理这类事件的特殊程序 虽然NN计算最初的重点是为了更好地了解大脑的活动 但它却已经在许多神经生物学以外的应用领域获得了惊人的成功 已有多种NN模型被提出 其中某些模型已取得了引人注目的成果 在高分子序列分析 包括蛋白质和DNA的NN研究对于医学有潜在的重要性 NN在图像分析及辅助诊断中的应用 近年来受到了重视 用NN对胸部透视数据进行分析 对于鉴别良性与恶性病灶很有帮助 同时还减少了不必要的活组织检查 在单光子发射计算机断层成像 SPECT 中 NN分析甚至比人工看片在病灶探测方面更为准确 在诊断老年痴呆症时NN能和专家相媲美 除图像分析外 NN还被广泛地应用于心血管疾病的诊断及生化和化学分析等领域 生物医学信号检测技术已广泛应用于临床检查 病人监护 医学实验 在体控制 人工器官和运动医学等领域 并成为生物医学工种研究各领域的共用性技术 在各方面的应用中 计算机发挥了重要的作用 例如 在心电和脑电的体表检测中 计算机对多种生理信号进行同步观察与处理 以利于更好地反应信号源的活动 计算机心电图诊断系统已被用户所接受 成为知识处理在医疗卫生领域内为数不多的几个成功应用的例子之一 在门诊检查 基础护理 职业病防治 人口筛选和流行病研究等领域得到一定的应用 虽然目前的心电图诊断系统还比不上专业医生的水平 但心电图的自动分析仍有改进的余地 研究人员正从不同的着重点对诊断程序作进一步的改进 如 利用每一心跳中有用的信息 综合不同程序的结果 吸收心电学其它领域的知识 采用非心电图的数据 利用记录完备的心电数据来评估心电图诊断程序等 医学图像技术从显微镜技术到CT 核磁共振以及各种内窥镜 医学图像一直是医学信息的主要来源 医学图像技术包括医学成像技术和图像处理技术 医学成像是把生物体中的有关信息以图像形式提取并显示出来 以成像的手段来分有X线成像 超声成像 磁共振成像 放射性核素成像等 以图像所包含的信息种类来分有形态学成像 成分成像和功能成像 图像处理则是对已获得的医学图像进行分析 识别 分割 解释 分类以及作三维重建与显示 其目的是把获得的医学图像的某些部分增强 或提取某些特征 为医生提供感兴趣的信息 成像与图像处理技术有时是结合成一体的 医学图像具有直观 形象和信息量丰富的特点 便于观测和储存 因而发展十分迅速 在现代医学临床诊断中已占越来越重要的地位 各种医学图像设备的产值也已在医疗装备总产值中占有重要份额 并成为医院诊断水平和装备现代化程度的重要标志 医学图像技术种类很多 传统的显微图像 x线射线图像和内窥镜图像技术得到不断发展 与计算机技术相结合的超声医学图像 x线计算机断层图像 x线CT 磁共振图像 MRI 和放射性核素图像等也已得到迅速发展和普及应用 热成像 微波成像 电阻抗成像等技术亦在开发或研究之中 有的已形成产品 目前 B型超声成像技术已经普及应用 彩色超声多普勒血流成像技术也已使用并日趋完善 x线CT已发展到第五代 扫描速度有了很大提高 MRI的磁体重量不断减轻 并在血流成像和波谱分析方面取得显著进展 放射性核素成像可获得组织化学及功能性图像 应用计算机的显微图像技术已成为进行细胞和分子水平研究的重要手段 今后的重要课题是提高已有成像技术的成像速度和分辨力 扩展成像功能 特别是用于体内化学成份和生理功能的检查 努力降低成像设备的成本 提高图像质量 此外 保证足够的图像质量和观测精度的三维重建理论与技术的研究 也是受到重视的课题 医学图像处理方法很多 基于临床知识 解剖学知识 成像技术知识和统计学知识等知识的综合运用 使图像处理技术发展迅速 此外 模糊处理技术 人工神经网络等技术在医学图像处理中已受到高度重视 三维图像显示技术亦是重要的发展方向 人工器官当人体器官病伤而不能用常规方法医治时 有可能给病人使用一种人工制造的装置来部分或全部替代病损的自然器官 以补偿 替代或修复自然器官的功能 这样的器件或装置称为人工器官 例如 人工心脏瓣膜 人工血管 人工血液和人工心脏及心脏辅助装置 可补偿血液循环功能 人工关节 人工脊椎 人工骨 人工肌腱和假肢具有支持运动功能 人工肾 人工肝具有血液净化功能 人工肺 人工气管和人工喉具有呼吸辅助功能 人工食管 人工胆管和人工肠具有支持消化功能 人工膀胱 人工输尿管 人工尿道具有排尿辅助功能 人工胰 人工胰岛细胞具有内分泌辅助功能 人工子宫 人工输卵管 人工睾丸 人工阴道和阴茎假体具有生殖辅助功能 心脏起搏器 膈起搏器等具有神经传导功能的辅助作用 人工视觉 人工听觉 人工晶体 人工角膜 人工鼻等具有感觉辅助功能 可以说 除大脑以外 对人体的其他器官都在进行人工器官模拟和替代的研究 其中许多人工器官已不同程度地用于临床 已形成了相当规模的人工器官产业 人工器官是生物工程各领域知识和技术的综合体现 这个领域的进展 取决于对自然器官功能的充分了解和诸如生物力学 生物材料学 生物医学传感器和控制系统 生物系统的建模与仿真等各领域的进步 离开生物相容性好和坚固耐用的生物材料 离开传感器和控制系统的完善 人工器官是不可能实现的 应该说 各种人工器官都存在许多问题有待解决 其中 心肺器官的辅助或替代是人工器官研究的首要问题 此外 血液净化技术 内分泌功能辅助 感觉功能辅助等人工器官的研究和应用 对严重危害健康的肾功能疾病 糖尿病的治疗和伤残人的康复有重要意义 因此亦是重点发展的方向 人工器官的研究将愈来愈受到重视并得到不断发展和应用 可以预言 人工器官将成为愈来愈重要的和广泛应用的治疗手段 这将是二十一世纪医学进步的一个显著特点 与自然器官相比 人工器官仍有一定的差异 大多数人工器官不能完全替代自然器官 随着自然器官移植的进展 人工器官作为自然器官移植的过渡 仍有一定的价值 考试方法及要求 方法 交一篇综述要求 题目 不限 你所感兴趣的生物医学工程领域的各个方面均可 字数 3000字左右 不少于2000字 参考文献 不少于3篇 且至少一篇英文文献 应选择近5年来的作品 文献综述的撰写方法 文献综述是对某一方面的专题搜集大量情报资料后经综合分析而写成的一种学术论文 它是科学文献的一种 文献综述是反映当前某一领域中某分