四川大学生物医学工程基础复习纲要

生物医学工程基础复习纲要一、仪器部分历年考题：7、描述有创测量和无创测量的定义，并说明其特点。（15分）六、描述有创测量方法的分类和定义，并举出实际的例子。（30分）七、请描述生物医学测量系统的基本组成，并举一具体仪器加以说明。（20分）7、是列举出3个生物医学测量的特点，并对其中一个举实例加以说明。（15分）8、描述无创测量的定义，说明其特点。举一无创测量实例说明。（15分）1 生物医学测量的范围l 对象：具有生命的生物体，其基本的对象是人体（的生命现象）。l 范围：分子水平、细胞水平、器官水平、系统水平各层次的信息按性质分类：生物电及生物磁测量、非电磁生理参数测量、生物化学量测量2 生物医学测量的基本特点l 基本属于弱信号测量（A.需从大量干扰和无用信息中提取有用信息）l 生物体内的噪声对测量有重要影响（A）噪声：无关信号（肌电信号之于心电信号）l 信息测量中容易因如外界环境的干扰（A）1. 电场干扰（造成生物电信号提取过程的主要干扰：近场50Hz的干扰源）（人体表面形成容性耦合）2. 磁场干扰（导联线形成容性耦合）3. 高频电磁场干扰（空中的电磁波、高频电刀）4. 外界刺激对测量的干扰（声、光刺激影响自发脑电位；较强的音响和冷热刺激引发应激反应；触碰和其他物理刺激引起肌肉收缩；心理性诱导和干扰）（生理和心理因素的影响）5. （环境的限制：CT光电倍增管的稳定性问题、光电磁屏蔽）l 生物医学信息的多变性（空间多变性、时间多变性）l 生物医学测量的安全要求1. 电安全性：电击（宏电击：经皮肤、高压大电流的伤害；微电击：不经皮肤、微弱电流、直接流过体内脏器；微电击允许极限：10A）2. 机械安全性3. 化学安全性（便于消毒或采用一次性；植入体内还要考虑生物相容性等）l 被测对象具有闭环特性l 生物系统的多变量特性l 新方法建立和评估困难（测试模型的片面性，缺乏正确、有效的评估措施）l 对生物医学先验知识的应用l 适应性问题（研究方法与技术的适用性）3 生物医学测量系统 信息获取：用来引导与感知被测对象的某些生理和生化量，并使之变为便于测量与加工的电信号，通常通过测量电极及传感器来完成。 信息加工：对获取的电信号进行放大、处理及变换，以适于对测量结果的分析与识别。 显示和记录：4 生物医学测量系统的技术指标（“有效性、安全性和适用性”三方面要重视 ） 精确度、准确度、灵敏度、非线性系数、滞环误差、稳定性、分辨力、频率特性、输入阻抗、输出阻抗等等 5 生物医学测量方法的分类1. 按测量对象分：在体测量、离体测量l 离体测量(in vitro)：对离体的血、尿、活体组织或病理标本之类的生物样品进行的测量方法与技术、称为离体测量。1. 要求：保持生物标本的活性、使离体样本处在接近体内环境的条件 下测量、尽量微量化（为减少损伤）、响应快、成本低2. 特点：测量精度和准确性高、易于控制、稳定、不适合连续测量和观察l 在体测量(in vivo)：在生物活体的原位对组织结构和功能状态进行的测量 1. 要求：避免测量系统与生物体相耦合时对被测生理状态的扰动，以防被测信号失真；注意防止和抑制体内噪声和外界环境干扰对测量的影响，以确保测量的稳定性和可靠性；特别注意测量的安全性，以防止对生物体造成不应有的损伤。2. 特点：保持生物体自然生理状态、实时反映被测参数2. 按测量条件分：无创测量、有创测量、微创测量l 无创测量：又称为非侵入式测量，测量系统的探测部分不侵入生物体组织，不造成机体的创伤。1. 不侵入人体、安全性好适用于长时间连续测量和多次重复性测量2. 多为间接测量信号幅度被衰减，信号形态发生畸变，稳定性较低，需要深入研究和评价例：高频、低频、多型非常规心电信息的检测胎儿心电图胎儿心电图是经孕母腹壁或胎儿体表所记录的胎儿心脏动作电位及其在心脏内传导过程的图形。整个孕期胎儿生长在孕母子宫腔内封闭的羊膜囊里，此期一般只能将电极置于母体腹壁表面，间接地记录到胎儿的心电图，故称间接胎儿心电图(indirect fetal electrocardiogram)；而临产胎膜破裂后，宫颈口扩张到一定程度，电极方可直接地置于胎儿自身体表记录其心脏电活动，称直接胎儿心电图(direct fetal electrocardiogram)。直接胎儿心电图不受孕母心电干扰，信噪比值较高，P-QRS-T波均可清晰显示，能反映胎儿缺氧和酸中毒，为临床上产时胎儿监护的可靠方法，也是胎儿心电活动实验研究的重要手段。间接胎儿心电图则为无创性操作，方法简便，容易掌握，对母儿均不构成任何威胁，孕期中可多次测定随访，故在国内已有较多应用。l 有创测量：又称为侵入式测量，由于测量系统的探测部分侵入生物体组织，会造成机体不同程度的创伤1. 特点：由于探测部分侵入机体，对机体会造成一定程度的创伤，给患者带来一定的痛苦，但其信息失真小、原理明确、方法可靠、测量数据精确，因此也可用于手术过程及术后的监测，以及作为无创测量方法的对照评估；操作复杂，对安全性要求较高 2. 分类：通过手术的测量方法、导管测量方法、植入式测量方法（微创）3. 植入式测量：测量装置埋入人体内部。测量时人体可在无拘束的自然状态，测量结果准确，可进行实时、动态、长期监测，是生物医学测量发展的方向之一 ；对电学性能和生物相容性要求严格4. 实例：电磁流量计；位移、压力的测量；液耦式导管心脏测压；导管心腔内心电图和房室束电图的测量；创伤性动脉血压监测l 微创测量：植入式测量、内镜检查（基本不损伤皮肤，不侵入机体的组织，只会引起轻微的组织擦伤和不适）等。3. 按测量结果表达形式分：一维信息测量、多维信息测量二、图像部分历年考题8、磁共振成像（MRI）中存在哪三种磁场，它们的作用分别是什么？（6分）9、试从图像空间分辨率、功能（图像所提供的信息）和主要的应用领域几个反方面对X射线断层成像（XCT）、磁共振成像（MRI）、正电子发射断层成像（PET）和超声成像进行综合比较。（12分）10、（1）医学图像处理中的医学图像增强的目的是什么？（2）空域和频域增强的方法主要有哪些？试分别举例说明。（8分）七、CT成像的原理可以用以下三个主要的公式来描述，请说明每个公式的含义及其在XCT中的实现方法。（10分）八、试述图像变换在医学图像增强、医学图像压缩和医学图像分析中的作用。（10分）五、试从诊断、治疗和基础与临床研究三个方面说明医学图像的作用。（15分）六、二维XCT图像重建主要有哪几种方法（至少列举三种方法）？试根据下图说明XCT中用傅里叶变换法重建图像的基本原理。（15分）9、什么是辐射？什么是电离辐射？什么是射频辐射?射频辐射是否对机体有不良影响，影响大小与哪些因素有关，有哪些表现？MRI的辐射属于店里辐射还是射频辐射？降低MRI中被检测者所受电磁损伤的核心是什么？（10分）10、什么是反投影重建？反投影重建的缺点是什么？CT重建中为什么采用滤波反投影法？已知一个四像素图像（2*2），分别获得六个投影数据，包括两个水平方向，两个垂直方向和两个对角线方向，分别是11、9、7、13、12和8，如图所示，解出这四个像素各像素值。（10分）11、医学图像的研究包括哪三个方面的内容？试分别予以说明。（10分）一 X射线与X-CT(Computed Tomography)1 x射线的产生 加热的灯丝发射出电子 30200千伏高压作用 灯丝射出电子 吸引到阳极靶子上 电子与靶内的原子相互作用产生X射线(少于1%的入射电子能量转换成了X射线，旋转阳极) X射线穿过管壁发射出来 2 X射线成像的优缺点（非掌握） 设备价格低廉 密度分辨率低，对软组织的分辨能力差。 空间分辨率高，多用于小的钙化灶的诊断。 锐利度差（相邻组织密度的变化是逐渐的还是明确的程度）。 影像重叠，深度方向的信息重叠在一起3 图像重建方法之迭代法：用逐次近似法来求解联立方程组 l 目的：寻找二维分布度函数f(x,y)l 具体做法为：先假设一个最初的密度分布(如假设所有各点的值为0)，根据这个假设得出相应的投影数据，然后与实测到的数据进行比较。如果不符，就根据所使用的迭代程序进行修正，得出一个修正后的分布。这就是第一次迭代过程。以后，就可以把前一次迭代的结果作为初始值，进行下一次迭代。在进行了一定次数的迭代后，如果认为所得结果已足够准确，则图像重建过程就到此结束。4 图像重建方法之反投影法：l 基本做法：把每次测得的投影数据原路反投影到射线经过的各个象素上。也就是说，指定投影线上所有各象素点的值等于所测得的投影值。l 直接反投影法的缺点：边缘失锐（星状伪迹）l 校正卷积反投影法：将测得的投影数据与一个“核函数”作卷积运算，然后再用所得的结果作反投影。l 5 第3代CT机：由于是在旋转中进行扫描，同一角度的物体投影数据检测要由不同的检测器来完成，这就要求每个检测器的性能要十分一致，稍有误差，就会导致图像中出现同心圆影的环形伪形（第三代机的最主要的缺点）；对相邻检测器的差异十分敏感。第一代第二代第三代第四代第五代扫描方式平移-旋转平移-旋转旋转旋转电子束扫描线束单路笔形多路笔形或扇形束脉冲扇形束连续脉冲扇形束扇形角度03-2621-4548-1200探测器数/层13-52300-800600-1500864扫描层数1-21-2118扫描时间/s240-30020-1203-51-50.03-0.1应用范围头头全身全身动态器官5 XCT优缺点（非掌握）l 优点：1)能鉴别出较小的衰减系数差，从而提高了对软组织的诊断能力。从CT图像上能识别出与周围组织的衰减系数只差0.5%的病灶。2)能精确地测定出组织的X射线衰减系数值，从而对组织性质做出判断。3)可做出人体任意部位的断面图像，并利用计算机图像处理技术构造出人体结构的三维图像。l 缺点：软组织之间的分辨能力较MRI差；对人体有辐射；只给出解剖结构信息，几乎无功能信息二 核磁共振成象（MRI）1 MRI突出优点 对人体无创伤、无电离辐射，安全； 可以较容易地获得人体组织不同断面的图像 图像分辨率高（分辨率可达0.5mm） 可以不注射造影剂,对血管成像 对人体可以做出形态和功能两方面的诊断（fMRI：磁共振功能成像）2 辐射、射频辐射（非掌握）l 辐射：辐射指的是能量以电磁波或粒子（如阿尔法粒子、贝塔粒子等）的形式向外扩散。l 射频辐射：射频辐射是非电离辐射的一部分，频率在100kHz300GHz的电磁辐射。l 射频辐射对机体会产生不同程度的不良影响，其影响的大小主要与辐射频率、电磁场强度，波的性质(脉冲或连续波)、暴露时间、机体与辐射源的距离和方位、暴露部位和大小、组织含水量、有无脂肪层、散热能力以及有无防护措施等因素有关，其中频率是个主要的因素。 不同频率的射频电磁波，对机体的不良影响也不同，其危害随频率的加大而递增。射频电磁波按波长主要分为：中、短波频段(俗称高频电磁场)和超短波与微波。高频辐射对机体的影响较小，主要影响表现在：引起神经衰弱综合征和心血管系统的植物神经功能失调 微波辐射对机体的影响较大，其影响主要表现在热作用和非热作用两个方面。 3 磁共振现象3.1 净自旋 原子核中包含高速自旋的中子和质子 自旋的带电粒子能够产生磁场 质子具有自旋的性质，由于质子是带正电的，它的自旋将产生一个小小的磁场，称为磁矩。 中子具有自旋的性质，中子虽然为电中性的，但在它的体积内各电荷分量的分布是不均匀的，因此当它自旋时，也能产生磁矩。 当原子核中含有奇数个中子或奇数个质子或两者都为奇数时，这个原子核就存在一个净自旋。要想产生磁共振现象，所观察样本的原子核必须具有净自旋。 氢的主要同位素（质子）在人体中丰度大，而且它的磁矩便于检测，因此，常用它来获得磁共振图像。3.2 进动与极化 氢核（质子）自旋产生一个小小的磁场，产生磁矩矢量 无外界作用时，质子自旋，磁矢量朝向随机 有外界磁场 B0作用时，质子会绕着磁场方向进动（极化）。进动的相位存在两种情况： 平行（与B0同向）: 低能量, 原子数目多 反平行（与B0同向） : 高能量, 原子数目少 对齐后产生净磁矩M3.3 Larmor频率 在外磁场作用下，自旋的质子产生进动 进动频率称为Larmor 频率 =*B0 为旋磁比,是质子的固有特性 B0=1T, =42.58 MHz Larmor频率在 射频（RF）范围3.4 净磁矩 不同原子的自旋方向是不同的，故不同原子的磁化方向也不同 将M 分解为Mz 和 Mxy 不同原子磁矩的平均值称为净磁矩 若Mxy相互抵消，净磁矩由Mz给出 若Mz=0, 净磁矩为Mxy3.5 核磁共振（NMR） 在外加磁场B0作用的同时，施加脉冲射频场的作用 当RF的频率合适（取决于B0）时，进动的相位趋向一致，当完全一致时就发生核磁共振，原子由低能态激发到高能态 共振时，质子大量吸收交变场的能量，同时向外辐射能量，此即为成像信号 两种可能的激发 90脉冲: 自旋从平行方向至垂直方向 (lower RF) 180脉冲: 自旋从平行方向至反平行方向 (higher RF)4 驰豫时间 脉冲B1作用之后, 被激发的自旋渐渐恢复到低能态，同时向外辐射RF信号，此过程称为驰豫。 MRI通过测量两个驰豫时间信号成像 T1: 90RF作用之后，Mz恢复到平衡态的63% 所需要的时间 T2: 90RF作用之后，Mxy衰减到原始静磁矩的37% 所需要的时间 T1和T2对不同的组织是不同的，因此可以反映解剖结构的信息5 核磁共振成像（MRI）原理（掌握） 将人体置入一个强磁场中； 对人体施加一个一定频率的交变射频场，使被探测的质子共振并向外辐射能量； 在人体周围的接收线圈中就会有感应电势产生； 接收到电信号经过计算机处理后，得到人体的断层图像； 图像灰度代表磁共振信号的强度及弛豫时间T1和T2 典型的MRI对氢核（或质子）成像 氢核在人体组织中普遍存在 氢核产生强的磁共振信号6 MRI的三大磁场及作用 静磁场 射频电磁场 梯度磁场静磁场：使自旋质子进动。在静磁场B0的作用下，磁轴原为任意取向的自旋质子，将依外磁场的方向重新取向，并依拉摩尔方程的规律以新的角速度自旋，产生自旋质子的“进动”运动。射频电磁场：产生磁共振。具有一定进动频率的自旋质子，当受到相应频率的脉冲射频场B1呈一定的方向进行“激励”时，部分低能态的自旋质子，则可吸收脉冲射频场的能量，“逆转”为高能态质子；一旦射频脉冲处于暂停的瞬时，由低能态“逆转”为高能态的自旋质子，将会回复为低能态质子，并将它们所吸收的能量，以电磁波的形式，重新释放到质子的周围环境。这时，在质子周围的探测器便可检测到电磁波信号，即磁共振信号。梯度磁场：实现磁共振信号源的空间定位。为了检测3D空间中每一点的T1和 T2，施加梯度磁场定位空间点，并使B0 沿z轴方向。在z方向施加线性梯度场Gz (与B0相比很小)，Z方向的不同点受到不同的磁场(B0+Gz)作用，受激后产生不同的射频信号，从而定位来自不同空间点（Z方向）的信号。同理，在X、Y方向也施加线性梯度场，以全面实现信号源的空间定位。7 MRI的组成：磁铁、射频线圈、梯度线圈三、超声成像1 超声成象原理 进入人体的超声波遇到密度变化的组织界面时，产生较强的回波信号 反射波的延迟确定界面位置，根据接收到的回波成象，反映人体断面结构 对多普勒回波信号频移的分析，可以得到血流（组织）运动方向和速度信息2 超声医学图象的特点 无伤害性（可用于胎儿） 可以动态显示体内器官的活动情况 血流显示 目前心脏功能评价和心脏疾病诊断的主要手段 分辨率低（空间分辨率） 图象质量差 3 超声探头产生与探测超声波原理 采用压电换能法，发射、接收超声波l 正压电效应（压电效应）l 逆压电效应（电致伸缩效应） 正压电效应：形变电荷一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象 逆压电效应：电压（电场）形变 当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。 如果施加较小的交变电场，压电陶瓷的长度就会周期变化，这种变化的频率与外加交变电场的频率一致。超声发射探头就是这种电致伸缩效应，将电压转变为声压，并向人体发射而利用压电效应接收超声波。4对压电材料特性要求（？） 转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化5多普勒血流测量原理 当发射超声传入人体某一血液流动区，被红细胞散射返回探头，回声信号的频率可增可减，朝向探头运动的血流，探头接收到的频率较发射频率增高，背离探头的血流则频率减低。这种接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频。 多普勒频移（Fd）与(发射频率（fo）、血流速度（V）、超声束与血流间夹角（）的余弦)成正比，与声速（C）成反比，公式为： 式中Fd、cos均可测得，fo及C为已知，可以计算出V；声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度，声束与血流方向垂直时则测不到血流信号。四 放射性核素成象（RI, Radionuclide Imaging）1 放射性核素成象原理 把放射性同位素标记在药物上引入病人体内，当它被吸收后，人体自身便成了放射源。 放射性同位素在衰变过程中，将向体外辐射g射线。 用核子探测器在体外定量地观察这些放射性同位素在体内的分布情况，以此成象。2 放射性核素成象设备（主要是功能成像） g射线照相机 发射型CT（ECT: Emission Computed Tomography） 单光子发射型CT（Single Photon SPECT） 正电子发射型CT（Positron PET）3 ECT的优缺点 可给出血流灌注情况 可反映功能和代谢状态 受体的分布与活体 造价高4 放射性同位素成像的特点 不仅能看到器官的形态，可以得到脏器的代谢情况 可反映血流灌注情况 受体评价 分辨率较低：1cm PET设备价格昂贵、不易于维护5 医学成像方式功能比较五 图像处理1 医学图象研究 医学成象 (Medical Imaging) 图象形成的过程 成象机理、成象设备、成象系统分析 医学图象处理 (Medical Image Processing) 对已获得的图象，采用各种算法进一步处理 增强、特征提取、模式分类、分割、识别等 医学图象应用研究（Medical Application） 临床 基础医学2 医学图象处理目的（？） 将医学图象解读这个复杂的、经验性的、定性的过程变成计算机自动识别、定量的过程。 利用计算机系统对生物医学图象进行具有临床医学意义的处理和分析。 以人为最终的信息接收者，其主要目的是改善图像的质量。 以机器为对象，其主要目的是图像识别。 以人和机器为目标，其主要目的是图像理解。 “图像分割”之前的所有步骤成为图像预处理3 直方图l 直方图是用来表达一幅图像灰度级分布情况的统计表。 l 横坐标：灰度rl 纵坐标：为某一灰度值ri的像素个数ni或是灰度出现的概率P(r)4 卷积 用模板（Template、 Filter、 mask）和图象参加运算 模板是一幅小图象、其值称为权重 权重改变象素之间的关系 卷积运算可以滤除噪音，起到均衡化的作用三、材料部分一、绪论1.1生物医学工程的定义1 一般定义生物医学工程学是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的边缘学科，它应用物理学和工程学的技术来解决生命系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗和预防。2生物医学工程的目标（基本任务？）生物医学工程学的目标是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题3现代医学的主要任务：(1)、疾病预防v 病毒与细菌的隔离v 病毒与细菌的杀灭v 有毒、有害物质的清除(2)、医学诊断v 医学图像：超声图像、CT、X-光片v 生物信号：心电、脑电v 医学检验：核磁共振、内窥检验(3)、医学治疗激光手术、-刀、超声碎石、癌症的放射治疗与化学治疗、靶向药物与生物导弹、器官修复中的组织工程、微创手术(4)、医学康复畸形矫正、人工义肢、可视义眼、人工耳膜1.2 BME的研究内容和研究方法1 研究内容（研究目标？）v 探索人类正常生理学v 表征组织与器官的病变机理v 给出研究和技术开发的最佳手段v 提供治疗与预防的有效方法1.3 生物医学工程的特点新兴、综合、交叉与边缘科学A.生物医学工程是在近几十年才从医学中分离而形成一门独立学科。当代高新科技的飞速发展，为它提供基础B. 医学、生物学、物理学、化学、力学、材料学、制造学、电子学、计算机科学等学科的有机结合，甚至涉及社会、伦理、道德、法律等；非生命科学到生命科学，自然科学到人文科学C.生物医学工程是医学和生物学发展的重要动力；一方面生物医学工程为医学、生物学提供技术与装备，另一方面又为医学和生物学的发展开辟新路D. 生物医学工程是社会效益与经济效益的综合；医学重于社会效益，工程重于经济效益，生物医学工程是医学与工程学的结合，则是社会效益与经济效益必然的结合2.1 生物医学材料概论生物医学工程的物质基础1 生物材料和生物医学材料的定义 生物材料 (Biomaterials)60s:“植入活体内或与活体结合而设计的与活体系统不起药物反应的惰性物质”特征：人造、非生命、医用、生物相容随着生物材料的发展，该定义已明显不适应生物材料的功能与范畴的飞速发展 载药生物材料、生物活性材料载药生物材料：在材料中复合治疗药物，植入人体后缓慢释放，进行辅助治疗生物活性材料：植入后，按照预先设计进行生物降解或与生物系统发生一定作用，促使生理功能的恢复（如：BMP/TCP骨修复材料） 生物医学材料80s：“生物医学材料是用于取代、修复活体组织的人造或天然的材料”不限制：人造/天然，体内/体外，活性/惰性，长期/短期范 围：医用、生物相容2生物医学材料的应用特征：生物医学材料很少单独使用，通常是结合在医学装置中替代发生病变或失去功能的生命体器官3生物医学材料的基本性能要求A、生物功能性 (Biofunctionability)指生物医学材料在植入后行使功能的能力，或为了执行功能，其自身和植入位置应当满足的适当的物理化学要求；生物医学材料能否有效行使功能，除与其自身物理化学性质相关外，还和其所处的生物环境相关 人工心脏瓣膜耐磨、耐蚀 骨修复材料硬度、强度、弹性模量 颅骨修复材料强度、导热性 齿科修复材料硬度、耐磨、导热性 血管修复材料柔性、化学稳定性B、生物相容性 (Biocompatibility)生物相容性是指生命体组织与非生命材料产生合乎要求的反应的一种性能，决定于材料与活体间的相互作用材料与活体间相互作用：l 宿主反应：包括局部和全身反应，其结果导致对机体的毒副作用和机体对材料的排斥（炎症、细胞毒性、凝血、溶血、刺激性、致敏、致癌等）l 材料反应：主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质腐蚀变化，甚至破坏生物医学材料植入人体后，其宿主反应和材料反应必须保持在可接受的水平材料的生物相容性与其使用的环境和条件密切相关l 与血液直接接触的材料主要考察其与血液的相互作用，称为血液相容性l 与肌肉、骨骼、皮肤等长期接触材料的生物相容性，称为组织相容性 C、生物安全性 (Biological Safety) 采用生物学方法检测材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性（材料对受体局部组织、血液和整体的反应，对受体的遗传效应等）4 生物医学材料的分类A、按材料化学组份划分(1)、无机生物医学材料（生物陶瓷）（生物玻璃、生物玻璃陶瓷、氧化铝/锆陶瓷）(2)、金属及合金生物医学材料（主要为不锈钢、钴基合金、钛及钛合金等）(3)、高分子生物医学材料（聚醚、聚砜、聚乳酸等）(4)、复合生物医学材料l 多种不同类型材料复合而成的生物相容性材料l 复合体系：有机/有机复合、有机/无机复合、无机/无机复合、金属/无机复合l 复合方式：表面复合、整体复合、多层复合l 复合目的：增强、改性、功能化l 举例：聚乳酸/磷酸三钙复合可生物降解人骨修复材料，钛合金表面喷涂羟基磷灰石制作人工骨、人工关节(5)、生物功能材料l 采用物理或化学的方法将生物活性分子如酶、抗体、抗原、多糖类、酯类、药物及细胞等固定在材料表面或内部，构成具有生理功能的生物医学材料l 该类材料是活体材料与非活体材料杂化组成的新型复合生物医学材料，也称为杂化生物医学材料l 举例：骨形态发生蛋白BMP复合TCP/PLLA可生物降解、可诱导成骨的骨修复材料B、按材料来源划分（未考）(1)、天然生物医学材料（包括天然生物材料及以此为基础的生物衍生材料）l 天然生物材料是来自人体自身组织、同种或异种同类器官与组织的材料l 天然生物材料主要为天然高分子材料l 直接使用天然生物材料可能引起免疫反应，采用物理和化学方法进行处理(改性)所形成的生物医用材料称为生物衍生材料或生物再生材料l 两种处理方式：维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的轻微处理；拆散原有构型，重建新的物理形态的强烈处理(2)、合成生物医学材料l 人工制取的生物医学材料，如硅胶、聚氨酯、生物陶瓷、医用合金等C、按材料使用要求划分（未考） 植入与非植入材料 血液接触材料 一次性使用材料与重复使用材料 生物活性与生物惰性材料 生物降解材料与非生物降解材料等2.2 生物材料表面与血液及组织成分的相互作用l 生物材料的表面界面性能对于其生物相容性起着至关重要的作用1 蛋白质结构、性质及对材料表面的吸附l 蛋白质在生物材料科学中的重要意义在于其固有的对材料表面的强烈吸附趋势以及吸附作用对细胞与材料表面相互作用的巨大影响l 由于蛋白质的结构和性质不同，对外来材料表面的亲和性质亦会有较大差异，由此造成不同的蛋白质在不同的外来材料表面上的吸附能力与吸附程度各不相同，进而产生不同的作用后果l 蛋白质在固体表面的吸附一般是分阶段进行；蛋白质在材料表面吸附的另一特征是吸附相的选择性，从而导致某些蛋白质相对其它蛋白质的富集l 重要意义：蛋白质吸附对生物材料血液相容性的影响1. 血液与材料表面接触，首先发生的是血浆蛋白在表面上的吸附：由于血液中蛋白浓度大于血小板，其扩散也快于血小板，所以最先在材料表面沉积一层蛋白。表面吸附的蛋白包括白蛋白、球蛋白和纤维蛋白原 2. 材料表面对蛋白的吸附速度与蛋白的种类、材料表面性质、吸附条件等有关，其吸附曲线都属于Langmuir型3. 这三种蛋白在材料表面的吸附对其血液相容性的影响非常大：白蛋白的吸附使表面变得更相容，而球蛋白和纤维蛋白原的吸附则加速了凝血 4. 材料表面性质对蛋白的吸附量有明显影响，亲水性表面比疏水性表面吸附蛋白量少2 细胞表面及与材料的相互作用3 材料的生物相容性：生物相容性的定义实际上取决于植入的目的2.3 金属材料的毒理学一般认为，任何金属材料植入人体后，由于腐蚀作用和摩擦磨损作用的存在，金属离子或金属颗粒将会被释放进入组织，从而在机体组织中聚积l 金属材料的生物相容性取决于植入物与组织细胞的相互作用l 金属材料的生物相容性取决于金属离子的释放速率与金属材料的毒性组织细胞的反应依赖于释放物质的质与量金属材料植入人体后所关注的问题：1、金属材料在人体内的腐蚀与摩擦磨损；2、释放金属在组织中的正常水平3、释放金属对机体平衡的影响；4、释放金属的局部及全身毒性1 金属元素及其毒性分布规律 纯金属的毒性与其在元素周期表中的位置有关；有毒的纯金属中加入某些金属形成合金后，可以减小甚至消除毒性 II 族金属毒性强 III 族、IV 族(除Pb外)无毒性 I、V 和 VIII 族中，同族中原子量小的有毒，而原子量大的无毒2 人体中金属的分布、代谢和作用 机体中，绝大多数金属都是以络合物的形式存在，由一个金属原子或离子与有机配体(氨基酸、肽、蛋白、核酸等)结合而成，从而严重影响配体的性质l 氨基酸结构通式中，不同的侧链基团 R 形成不同的氨基酸。其中的羧基团能同金属离子结合形成金属络合物l 多肽可以和金属离子结合，但比与氨基酸的结合慢l 金属离子存在时，可能由于络合物的形成，破坏蛋白质中的副键，使蛋白质性质发生改变l 金属离子可能激活或抑制酶活性：有些金属元素是机体所必需的，它们至少是机体内某些酶的不可分割部分；由于这些金属主要起催化作用，只需微量，一般细胞机能不会受到影响；而过量的摄入，则有可能显示毒性效应；此外，必需金属元素之间可能发生竞争性的相互作用，从而减少某些过量金属的毒性。如：铜的毒性可因钼的存在而降低l 很多金属离子能与核酸结合，对RNA和DNA结构起稳定作用3 金属毒性作用的一般原理l 金属致毒的原因是由于金属复合物干扰了机体重要的生化反应所致l 不同的金属产生不同的毒性效应，是由于金属形成的复合物的不同和复合物的浓度不同所致l 金属可在体内积蓄，通过排泄被排出体外A、剧毒金属镉Cd、汞Hg、铅Pb(1)镉：口服摄入过量镉引起急性中毒(胃肠炎、重症为腹泻与休克)；吸入镉则引起肺损伤(肺水肿或肺炎)(2)汞：吸入的汞蒸气可被肺泡有效吸收，积蓄在脑内（引发呼吸道疾病）；汞的烷基衍生物的危害最大，主要影响中枢神经系统，引起大脑皮层的损伤(3)铅：急性铅中毒表现为腹绞痛2.4 陶瓷材料的毒理学陶瓷是由一种或多种金属氧化物或非金属氧化物构成的复合体陶瓷材料具有结构稳定、化学性质稳定的特点根据植入后的材料反应，可将生物陶瓷分为三类： 接近惰性的生物陶瓷（化学性质稳定，如氧化铝、氧化锆） 可吸收性陶瓷（可溶解，部分被吸收，如磷酸三钙、羟基磷灰石陶瓷） 表面活性可控性陶瓷（会发生表面离子交换和碱性离子移动，表面形成大量凝胶）释放离子价态的影响是一个不容忽视的重要问题。同种元素以不同价态离子形式存在时，所表现的毒性差异甚大在讨论生物陶瓷释放离子毒性时另一个重要的问题是陶瓷中微量杂质的释放的重要影响2.5 材料在体内的生物降解l 在生理环境中，通常情况下发生的材料降解不能认为是生物降解，只有在某种特殊的、具有生命力的环境中发生的降解，才能认为是生物降解l 例如：金属材料在水溶液中，当存在氯离子等时，会发生金属的腐蚀，这种腐蚀效应在体外也同样可以模拟l 真正的生物降解必然发生在体内，通过新陈代谢活动中某些成份而进行。1 酶控制聚合物降解的假设体内聚合物的降解完全是由水解作用控制。在聚合物降解时，没有其它外界因素(紫外线、加热等)的参与大多数聚合物在适当的环境中都将发生降解，但均需一定的激活能量才能进行。 酶可大大降低降解反应所需的激活能量，促进聚合物的降解 材料降解产物可与酶形成不溶性复合物，从而抑制酶的活性 酶对聚合物的降解具有选择性 一般认为，酶可严重影响聚合物的降解，其作用机制主要包括两个方面： 首先是酶与细菌对聚合物的影响有关 其次是酶对合成多肽的破坏2 酶控制聚合物降解的体外、体内研究2.6 生物医学材料的免疫学v 广义的免疫反应含机体对抗原产生免疫应答的全过程，包括抗原对机体的免疫诱导，免疫细胞间相互作用以及免疫效应物质(致敏淋巴细胞、抗体)介导的效应反应v 狭义的免疫反应指免疫应答的效应阶段，即指免疫应答过程中所产生抗体和致敏淋巴细胞与相应抗质特异性结合所发生的一系列反应v 当病原体或异物侵入人体后,激化人体内的淋巴细胞产生体液免疫和细胞免疫v 体液免疫是指体内的B淋巴细胞被抗原刺激后产生全身或局部性的抗体。所说的免疫反应实质上就是抗原抗体反应v 细胞免疫是指体内的T淋巴细胞被抗原刺激后产生细胞毒性作用v 两种免疫，前者能消灭病原体，后者可中和毒素v 动物体的防御系统表现：炎性反应，高度特异性的免疫过程和免疫记忆。1 免疫特性直接特异性的异物反应；机体对异物留下免疫记忆4 免疫学效应A、体液反应 在这种类型的反应中，效应物是抗体，它由浆细胞产生并释放到血液中，在血清蛋白中可发现它们的存在 抗体的主要类型是免疫球蛋白IgG。B、细胞介导免疫细胞介导的免疫反应中，参与的细胞可产生各种效应物。这些效应物不是特异性地直接作用于抗原，而是可能引起自身组织的紊乱和损害5 对生物材料免疫学反应的影响许多用于组织结构的合成材料，其自身作为抗原，或作为半抗原在与其它成分结合后，都可能引起免疫反应；在决定免疫反应是否被启动时，释放或暴露于植入物表面的免疫原量起着决定性的作用；虽然免疫反应的主要效应物并不直接作用于植入材料，但对其周围组织可产生影响，最终导致机体对植入物的排斥；在植入区域，由激活的淋巴细胞产生的巨噬细胞抑制因子和巨噬细胞活化因子能引起巨噬细胞在组织中的聚积；若有从植入物中排出的碎片，将被巨噬细胞吞噬；如果被吞噬的物质是有毒的，这些细胞将被毒死，导致组织坏死；此外，还应注意的是，还有一种遗传因子决定个体对材料的免疫反应敏感性。这种因素决定机体对一种特殊材料是否会引免疫反应；l 因此，免疫反应既取决于材料的形式，也取决于宿主2.7 无机生物医学材料（生物陶瓷）l 无机生物医学材料是用于医学、具有生理功能的高技术陶瓷，亦称为生物陶瓷l 接近惰性的生物陶瓷A、氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷的硬度约为金属的510倍，杨氏模量为金属的2倍以上，抗压强度高，不易变形；与生物体有优良的亲和性；具有较低的摩擦系数应用于人工关节的基础B、氧化锆陶瓷其显著特征是具有高断裂韧性、高断裂强度和低弹性模量C、碳素生物材料l 生物活性陶瓷生物活性材料是一类能在材料界面上诱发出特殊生物反应的材料，这种反应导致组织与材料之间形成键合，植入后，按照预先设计进行生物降解或与生物系统发生一定作用，促使生理功能的恢复。生物活性陶瓷的组成中含有能够通过人体正常新陈代谢途径进行置换的钙、磷等元素，或含有能与人体组织发生键合的羟基(OH-)等基团A. 生物活性陶瓷l 生物活性玻璃及玻璃陶瓷最显著的特征是植入人体后，表面状况随时间而动态变化