生理学与生物医学工程

生物医学工程系 熊冬生Office:南校区B12504# Phone:Email: ,解剖生理学、医学基础与生物医学工程Physiology and biomedical engineering,人体解剖学 human anatomy 正常人体形态、结构 人体生理学 human physiology 正常人体生命活动（功能）规律 临床医学 clinical medicine 研究、诊治疾病的学科群,应用科学 生物医学工程学 biomedical engineering 应用工程技术的原理和方法探索生命奥秘，诊治疾病的一门新兴交叉学科，为生命科学与工程学相结合的独立学科,人体解剖生理学、医学基础 与生物医学工程学科的关系 生物医学工程专业基础课 医药学、功能性食品科学等的基础 与生物化学、药理学、毒理学关系密切 与我校开设的生物医学工程、制药工程、制药工程、功能性食品学科有关,为后续课程如： 医学成像技术 生物医学信号处理 医学仪器及设备 生物力学 生物医学材料的学习打下坚实的解剖学、生理学、医学基础,人体的结构与功能 Structural & Functional Organizations,泌尿系的组成模式,人体的系统 Organ Systems of the Body,人体的系统 Organ Systems of the Body,人体的系统 Organ Systems of the Body,人体的系统 Organ Systems of the Body,细胞的基本结构及其功能 细胞cell： 人体形态结构、生理活动的基本单位 大小？形态？ 结构？ 细胞膜 细胞浆（细胞器） 细胞核 膜性结构 微纤维结构 微球体结构,细胞间质intercellular substance： 存在于细胞之间的物质 血浆 组织液 细胞间的纤维 骨板,基本组织 Basic Tissues,人体组织的分类 Tissue Level of Organization（根据起源、结构、功能）,组织学Histology：采用显微镜研究组织的学科,上皮组织 epithelial tissue 结缔组织 connective tissue 肌肉组织 muscular tissue 神经组织 nervous tissue,组织tissue：由结构相似、功能相关的细胞、细胞间质集合形成组织 器官organ：由各种组织所组成的人体特定构件就是器官 系统system：性质关联、能够完成一定生理功能的一些器官组成系统： 鼻、喉、气管、肺等器官组成呼吸系统 口腔、食道、胃、小肠、大肠等组成消化系统,心脏的结构,心肌细胞的生物电现象心肌的生理特性 兴奋性 自动节律性 传导性 收缩性心脏的泵血功能体表心电图,心 脏 生 理,新型的“生物心理社会医学模式” 加拿大学者L、美国学者B 重视和肯定生物因素，增加心理、社会因素 面向个体的医疗保健面向群体的卫生保健 更重视与心理、社会、环境因素密切相关的非传染病 对人群的健康监护，提高生活质量 1984年世界卫生组织宪章： 健康体强无病健全的身心状态和社会适应能力,“生物心理社会医学模式”对卫生服务的要求 病人：患有疾病、有心理活动、 处于现实社会中 卫生服务的目标应强调其整体观 从局部到全身 从医“病”到医“人” 从个体到群体 从生物医学范畴心理医学、社会医学的广阔领域,临床医学的主要特征1、研究、服务对象的复杂性 人的生命活动受到各种自然因素、社会因素、心理因素的综合作用，复杂性大 生命科学中的未知领域比较多：肿瘤、原发性高血压的病因，SARS、AIDS的有效治疗技术2、临床工作的紧迫性 缓解痛苦，挽救和延长生命，时间紧迫！不可耽误！ 疾病未知因素，想法控制症状，努力防治：门诊 病因暂时无法搞清，积极防治：肿瘤,临床医学的主要特征3、医学上的重大课题多在临床实践中提出 对疾病的新认识，临床医学启动：艾滋病AIDS 对疾病的认识，临床先总结表现规律 临床医学激发科学发现、科研4、临床医学是检验医学成果的基础 离体研究成果不一定适用于整体或在体 动物实验结果不能完全取代人体实验结果,临床医学的学科分类 WHO国际疾病分类(第九版)：人类疾病 1万多种1、按治疗手段建立的学科 内科学：药物 外科学：手术 理疗学、放射治疗学、核医学、 营养治疗学、心理治疗学,2、按治疗对象建立的学科 妇产科学 儿科学 老年病学：60岁以上 围生医学： 产妇(妊娠26周/28周产后1个月/1周) 胎儿、新生儿 危重病医学：多器官损伤的危重病人 职业病学 男性病学,3、按人体系统或解剖部位建立的学科 口腔科学 皮肤病学 眼科学 神经病学 耳鼻喉科学 内分泌学 心血管内科 呼吸内科 肾脏内科 骨科学 泌尿外科 胸外科 数目不断增加 注意人体的整体性,4、按病种建立的学科 结核病学 肿瘤学 精神病学 疾病累及多个系统 疾病涉及内、外、妇、儿等多个学科 结核病：结核性脑膜炎、结核性盆腔炎、肠结核、肾结核、结核性心包炎,5、按诊断手段建立的学科 临床病理学 医学检验学 放射诊断学 超声诊断学 医学影像学(X线、CT、MRI、超声、同位素等) 特殊设备与技术 多学科协同诊断 新型诊断手段 新的学科,医学工程技术在临床医学发展中的地位和作用 医学工程技术： 广义，医学领域中使用的一切仪器设备、人工脏器等的开发、研制技术 狭义，有关现代生物医学工程学应用研究的工程技术 20世纪60年代，生物医学工程学,1、深化了医学的认识水平 16世纪，显微镜，切片、染色技术 细胞水平 电子显微镜，扫描电镜，超薄切片技术、冷冻切片技术、放射性同位素标记、荧光标记技术 超微结构的亚细胞水平 近年来，遗传工程技术，分子生物学技术 分子水平,2、推动临床诊断和治疗水平的提高（1）临床诊断技术的提高 提供先进设备和仪器： 全自动生化分析仪 电子计算机断层摄像CT 内窥镜,（2）治疗技术的提高 介入性治疗：导管技术、相关器械 经皮穿刺腔内冠状动脉成形术PTCA 冠脉内支架 导管 射谱热球囊冠脉成形术,现代外科技术：外科手术与新技术相结合 腔镜技术： 人工低温术 人工心肺机 器官移植技术：移植外科（人工器官） 激光手术刀 超声波手术刀,现代医学发展的特点 1、向微观深入与宏观扩展（1）以分子生物学为带头学科的分子医学学科群 （2）全面研究群体、环境、社会与人的健康、疾病的关系 按照“生物心理社会”医学模式 环境医学、社会医学、职业医学、地理医学、宇宙医学、临床流行病学,2、学科体系微分化、积分化并进（1）专业化程度越来越高，纵向、横向分化,全世界医学专业学会500余个 医学新兴学科、交叉学科219个,儿科学妇科学产科学 围生医学 数学医学 卫生统计学 临床药理学、介入诊治学、仿生学,2、学科体系微分化、积分化并进（2）各学科相互渗透与综合,3、人文社会科学与医学的交叉和渗透 哲学、经济学、法学、伦理学医学 社会医学、心理学、行为学、 医学伦理学、卫生经济学 哲学对医学的指导作用越来越受到重视 循证医学 Evidence-Based Medicine应用最多的有关信息（最佳证据），通过谨慎、明确、明智的确认和评估，作出医学方面决策的实践活动。,4、现代医学技术具有高科技的特色 诊断方面的高科技特色： 影像学 医用光导纤维技术 无创、微创性直视检查技术 人体基因谱的分析 治疗方面的高科技特色： 高科技 内窥镜操作手术 心脏起搏器、人工器官 基因治疗,各种人造组织、器官 人造皮肤 人造骨骼 人造关节 人造眼球 人造心脏、瓣膜。各种检测仪、治疗仪 心电图仪、肌电仪、脑电仪 X检查仪、CT仪、MRI仪、超声仪、核医学仪 X治疗仪、红外治疗仪。,生物医学工程科研简介,熊冬生2015.03.05,医学信号处理及医学仪器：脑电信号的提取与分析（matlab编程）麻醉深度智能控制系统（单片机、C、VB/C+）麻醉信息管理系统（Java、Android、SQL Server）远程医疗：基于J2ME的移动监护系统（java及传感器设计）面向社区家庭的医疗服务与检测仪器：基于手机的心音信号采集与处理技术（Android、java）神经计算科学：呼吸神经元及呼吸网络模型的动力学分析（Matlab、Python、Neuron）,一、脑电信号特征提取及分类算法研究,2、运动想象脑电信号（ECoG）的特性事件相关去同步(ERD)：当某一皮层区域活跃起来，特定频率的节律性活动表现为幅度的降低事件相关同步（ERS）：寻找合适的映射使得投影后的信号其中一类方差最 大，而另一类方差最小，使得两类样本能够被最大限度的区分。 3、信号特征提取小波分析：将信号分解成低频的粗略部分与高频的细节部分公共空间模式（CSP）：寻找合适的映射使得投影后的信号其中一类方差最 大，而另一类方差最小，使得两类样本能够被最大限度的区分。,1、研究意义：识别正常老化与痴呆早期 脑外伤康复评估 特殊人群认知评估,4、整体框图：,5、分类效果：对于两类信号，分类最佳结果可以达到87.86%对于四类信号，分类最高正确率可以达到92.78%,二、麻醉深度智能控制系统,1、研究意义： 现代麻醉中麻醉深度的监测与调控是人们关注的热点课题。麻醉深度 监测对提高麻醉质量,保障病人的围术期安全与康复具有极为重要的意义。2、麻醉的基础知识： 麻醉是一种利用药物或非药物的方法使病人的整个机体或机体的某一部分 的知觉暂时性抑制或消失的方法。 理想麻醉状态的五要素：镇静、镇痛、肌松、遗忘、适度控制应激。 麻醉过深，可能有损于患者的脑组织引发痴呆症，甚至危及生命； 麻醉过浅，患者本能体动导致手术困难，出现意外或术中知晓。3、麻醉深度的监测方法：（一）临床体征：体动、流泪、出汗 存在问题：肌松药可以掩盖躯体体征；缺少研究证据表明可以减少知晓的 发生；不用肌松药并不能防止知晓发生。（二）常规监测：血压、心率、呼吸率、呼气末麻醉气体浓度存在问题：心血管药物可以掩盖症状；缺少研究证据表明可以减少知晓的发生；生命体征正常仍可能发生知晓。,（三）脑功能检测（脑电）,麻醉深度监测方法,BIS,脑电,AEPI,Entropy,肌电,心率变异性,肌松,其他,BIS是一个无量纲的简单变量，范围从 0 100，数值越大,越清醒,反之提示大脑皮质的抑制愈严重。,一 般认为 BIS值：100-85代表完全清醒状态；65-85代表患者处于睡眠状态；40-65代表处于全麻状态；40以下人脑皮层处于暴发性抑制状态；0 完全无脑电活动的状态。,4、静脉麻醉给药方法：单次静脉注射、重复静脉注射：不能维持麻醉药的有效浓度；重复给药血药浓度波动大；药物的血浆浓度与效应室浓度不能达到满意的平衡状态。 持续静脉输注按一定量和速度以微量泵静脉持续输入：达稳态血浆浓度时 间较长，不能满足临床麻醉诱导和维持。随输注时间延长，清除速率减慢，血药浓度逐渐升高产生蓄积作用，难以根据病人反应和手术刺激强度随时调节血药浓度。靶控输注（TCI）：可以维持恒定的血浆浓度、快速随意调节、保持血浆浓度和效应室浓度的平衡。5、靶控输注（ Target Controlled Infusion ,TCI ）在输注静脉麻醉药时应用药代动力学和药效动力学原理，通过调节目标或靶位（血浆或效应部位）的药物浓度来控制或维持麻醉在适当的深度，以满足临床要求的一种静脉给药方法。,三室模型,PBPK模型,房室模型的概念药物经静脉注射进入血液，就会自血管向组织间液扩散，扩散范围的大小（容积）就是房室概念。如果扩散的容积只有1 个，称之为一室模型，如果扩散的容积是2个，称之为二室模型，以此类推有三室、多室模型等。临床常用的静脉麻醉药多为三室药代动力学模型（下图所示）。中央室代表血或血浆，第二室代表血液充盈多的组织，第三室代表血液充盈少的组织，作用部位（中枢）为效应室。,6、TCI闭合环路控制系统通过反馈控制微量泵输注麻醉药的速率，调节麻醉深度，从而做到用药个体化，以提高药物应用的质量。使麻醉用药更加精确，麻醉过程平稳、安全，并大大解放了麻醉医师的劳动力。闭环TCI是麻醉发展的新方向。7、闭环TCI系统的构成：,8、TCI闭合环路控制系统-系统结构示意图,其工作原理是：系统以反映药效的脑电双频指数为控制变量，采用PID控制算法，以PBPK对象生理模型来计算靶控所需的给药方案。具体操作是由上位机给定一个目标BIS值，单片机自动采集病人当前的BIS值，算法处理得出给药的输注量，控制输注泵的输注，从而让病人的BIS值逐渐达到我们设定的目标BIS值，实现麻醉深度的自动控制。手术中，医生只需在PC机的控制系统界面上输入病人的基本信息和设定的目标BIS值，通过命令提示即可指导医生对麻醉深度进行自动控制。,系统仿真原理图,9、系统模拟实验,三、麻醉信息管理系统的设计与实现,1、研究意义为麻醉医生服务：生命特征信息的自动采集，避免数据出错、遗漏；节约时间，能更充分地分析和判断病情；减轻书写医疗文书的压力为临床护理人员服务：避免各种繁琐的麻醉信息手工统计为科研管理服务：临床信息的统计查询及病例回顾，便于术后科研的分析总结，促进提高为经济管理服务：自动计算麻醉相关产生的相关费用 2、麻醉信息管理系统（AIMS）麻醉信息管理系统是一个用计算机和麻醉信息采集设备代替了麻醉信息的手工记录和分析的临床信息系统，可实现手术麻醉信息的自动化采集，存储、分析等操作，并使得手术麻醉信息能够方便提取、信息准确，且可以实现数据长期存放。,3、麻醉信息主要是指以患者在围手术期与麻醉相关的所有医疗信息为核心、同时涉及麻醉工作流程中对人员、手术和物品等的管理术前信息：如患者术前状态和相关病史资料、麻醉手术耐受性的评估和麻醉计划等术中信息：为麻醉手术过程中的生理数据和临床麻醉事件等;术后信息：包括术后复苏的评估、麻醉总结等。 4、研究目标设计和实现一套麻醉信息管理系统。鉴于目前绝大部分所应用的麻醉信息管理系统仍处于对麻醉信息采集、记录、存储、显示的阶段，并在此基础上着重开发实时决策支持模块及麻醉靶控输注（TCI）模块。,5、系统总体构架,6、设计流程,7、突出亮点,Android客户端,已实现功能：1.系统登录；2.术前管理、术中管理、术后管理三个功能模块的信息录入和信息查询功能。,8、已实现的功能,四、基于J2ME的移动监护系统,3、关键技术： 无线消息开发 无线邮件开发 无线视频开发,1、移动监护系统的研究意义： 减轻病人现场就医的思想压力；促进城镇医疗均等分配；有利于城市白领亚 健康的防护；提高医生会诊效率，并降低医院运营费用；有利于加强跨国医学交流与医疗标准的制定,2、基于J2ME移动监控监护系统总体结构图,3、基于J2ME移动监护系统无线消息开发,基于J2ME和WMA的心电监护拓扑图,4、 基于J2ME移动监护系统无线邮件开发,邮件收发核心步骤：用户登录邮件发送邮件接收邮件解析,5、 基于J2ME移动监护系统无线邮件开发,图4-2 用户登录时序图,图4-3 邮件发送时序图,6、基于J2ME移动监护系统无线邮件开发_实施效果,a) 用户注册 b) 用户登录 b) 用户添加 d) 用户信息,7、基于J2ME移动监护系统无线视频开发,基于J2ME的视频监控系统组网结构图,视频监控系统组成：客户端 服务器端视频监控端移动通信网,视频监控系统组成：客户端：采用了MVC设计模式，通过J2ME+MMAPI编程实现服务器端：采用Tomcat5.5+Servlet+RMS搭建，通过J2SE+JMF+JDBC编程实现视频监控端:手机播放器和图像监控端的设计 移动通信网:GPRS/3G/4G,五、基于手机的心音信号采集与处理技术研究,1、研究意义：实现信号的实时记录、智能分析、远程发送和数据回放，能及时有效的发现和预防心血管疾病；通过蓝牙、移动通讯网络和计算机网络通讯等技术，实现医院与社区以及救护现场之间的医疗监护和信息双向通讯，有效地提高社区医疗服务、院前急救水平。,2、研究内容：手机