生物医学工程学的基础理论2008

生物医学工程概论、戴其君生物医学工程系、内容目录、生物医学工程的内涵生物医学工程基础理论生物医学工程的应用技术生物医学工程的应用新理论和新技术、生物医学工程的理论基础、生物电磁学、生物电磁学、生物电磁学的初步研究生物电磁学的定义和研究范围生物电磁现象电磁波的生物效应和在医学上的应用生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准生物医学生物电磁学是建立在膜生物物理学基础上的，从宏观角度研究生物电现象和生物磁学现象。现代生物电磁学从很多方面深入到细胞级，甚至分子级的研究水平。生物电磁学的研究范围、外部电磁波(场)和有机体的相互作用主要包括生物组织的遗传特性、各层次的生物效应及其作用机制、生物电磁剂量允许暴露限制、生物医学的应用以及用于生物和医疗的辐射系统等。Bioelectromagnetics有机体本身发生的电磁现象主要包括电磁现象的发生机制、电磁信号的测量、处理和应用。Bio电磁现象、生物电现象心脏计算机肌电其他生物电生物磁场现象、心脏电、心脏传导系统是指由一系列特殊心脏细胞连接组成的传导系统。心脏传导系统的细胞组织具有自动引起兴奋的功能和比一般心肌细胞更快的传导功能，使兴奋按一定顺序传播，保持心脏正常的有节奏的收缩和松弛，从而维持血液循环。在心脏跳动之前，心肌首先兴奋，在兴奋过程中产生通过人体组织传递到每个部分的微弱电流。身体的各个部位因组织的不同而不同，各个部位与心脏的距离也不同，因此人体表面各个部位显示出不同的电位变化，这种人体心脏内电活动产生的表面电位与时间的关系称为心电图，也称为体表心电图。心电图活动的信息可通过固定在皮肤上的电极获得。根据电极放置位置，可以配置各种导轨。实际上，为了进行比较分析，统一标准，国际上也采用了标准12准则。心电图基本理论的研究，心脏导管术、希思、心室晚电位表等电位测量，心电图的良心传导，心电图的情况根据已知心脏状态下心脏的电生理特性参数建立心脏模型和人体躯干模型，通过模拟，研究心肌的兴奋如何传播和形成。在正常的心脏状态下，窦房结周期性兴奋会按以下顺序传播：心房肌肉、房室结、他的束、左右束支、波肯氏纤维网和心室肌肉。心电模拟首先根据某种模拟算法模拟这种兴奋传播过程，然后从心电周期中任何时间点兴奋心肌产生的动作电位中找出那一刻心电的大小，并利用边界元素等数值算法找出体内心电产生的电位。如果有ECG模拟模型，则可以设置其模型参数以模拟各种心脏病。例如，您可以从心脏模型中移除特定区域的心肌单位，以模拟心肌梗塞。通过降低束分支的兴奋传导速度，可以模拟束分支块。可以设置Wpw点以模拟wpw综合症。可以增加心室的心肌单位，模拟心室肥大等。如果想象力足够，可以利用心电图的模拟模型，研究某一心脏生理病理状态下的电兴奋传播过程和身体表面产生的电位分布。应用心脏电模拟模型还可以研究许多心脏病的形成机制。例如，引起心律失常的逆流的形成机制是什么？在什么情况下可以创建退货？心肌兴奋传播速度对心律失常有什么影响？心肌缺血在多大程度上反映在心电图上？这种对心脏病的诊断对定量诊断尤其重要。心电问题，心电问题通过数学物理方法，根据身体表面电位的分布、人体的几何形状和身体体积导体的电特性，求出心脏电活动的定量解决方案。心电图阳性问题：通过设置心电图模拟模型的模型参数，可以研究不同心脏生理和病理状态下的身体表面电位分布。Ecg反向问题：如果ECG模拟模型的模型参数可以从主体表位移反向推出，则这些模型参数确定心脏的状态。心肺问题的解决方法反映了病变心肌的位置、大小、病变程度等定量信息。Eeg，人类脑神经细胞的数量达150亿个。神经元和人体其他细胞一样，具有生物电活动。在大脑皮层中，单个神经元的膜电位通常不是在头皮中检测到的，而在头皮中检测到的电位的变化脑电波是由大脑皮层中众多神经元同步的电活动形成的。脑电图的医学应用脑功能临床诊断和神经生理学研究如颅内占位性病变、癫痫、针灸观察和航空神经生理学研究的诊断。脑电记录方法电极放置在头皮上的方法通常采用国际标准10/20电极位置系统。和心电图一样，脑电波的电极连接可以使用单极或双极感应。自发脑电图(EEG)产生的基本原理脑神经细胞的生物电活动。同步作用通常被认为受到脑干(皮肤下层中央)的控制。因此，大脑皮层具有持续、广泛、有节奏的电位变化，不接受外部刺激的这种脑电变化称为自发脑电位。诱发大脑电位(EP)的自我发展活动(EEG)可以影响直接或外部确定性刺激(电、光、声等刺激)，另一种局部化电位变化称为诱发性脑电位。脑波的特征是随机性很强的生理信号，规律性不如心电图那么明显，通常以脑电波的振幅和频率成分作为脑电图诊断的主要依据，频率成分尤为重要。因为大脑活动程度和脑电波的平均频率有密切的关系。一般与正常脑电活动相关的脑波频率范围从高频率到低频率分为5种类型：波、波、波、波和波。波通常在觉醒、安静和闭上眼睛时出现在枕叶上。贝塔波的频率高，在紧张的精神活动期间很常见。波主要出现在儿童和成人浅睡期间的顶部和颞叶。波在成人中出现在熟睡、早产儿和儿童中。成人极度疲劳和麻醉也会出现波。伽马波是由注意或感觉刺激引起的低高频波。自发脑电活动通常以支配频率显示。自发脑电波信号弱，正常情况下从波峰到波谷(振幅)的10-100V，其频率范围为1-50Hz。波形取决于大脑的位置，与觉醒和睡眠水平有关，每个个体都有很大的差异。脑波因正常人而异。脑电波可以由大脑皮层和脑干病理改变。例如，大脑皮层的电活动消失，阻尼可能是肿瘤压迫神经元造成损伤，或者是循环障碍导致缺氧、出血或栓塞。脑波的波形也受影响意识水平的脑干病理过程的影响。脑电图是诊断特定精神疾病的重要基础。例如，可以确认临床怀疑的癫痫和脑肿瘤患者，也可以用于测量意识水平和确认大脑死亡。利用诱发电位的感觉系统投影部位和大脑皮层功能起着重要作用。诱发电位可以在大脑皮层和中枢神经系统的其他部分(如丘脑、中脑等)诱导。可以从一个角度解释中枢神经系统各部分之间、大脑皮层各部分、皮层下各种细胞成分相互作用的机制。由于人的精神状态对脑电波的活动有极大的影响，脑波对高级神经活动，尤其是心理活动有重要意义。这对模拟大脑功能和认知研究、人工智能研究等非常重要。肌电图，人类骨骼肌数百。每块肌肉都有很多通过结缔组织连接的肌细胞(肌纤维)，两端连接肌腱，由供应它们的神经、血管和淋巴管汇集而成。每块肌肉附着在骨骼和其他结合组织上，成为神经系统管理下执行一定运动功能的机械效果系统。兴奋和收缩是骨骼肌最基本的功能，也是肌电图形成的基本。肌电图记录了各种功能状态下骨骼肌电位的变化，这种电位的变化与肌肉的结构，收缩时的化学变化有关。肌肉细胞还有四种不同的生物电位：电容(RP)、动作电位(AP)、终板电位(EPP)和损伤电位(IP)。可以直接反映肌肉活动的功能状态，有助于理解各部分肌肉在完成哪些动作方面的作用。肌电机械的临床应用，临床上可以使用肌电机械诊断各种肌肉/神经性疾病。例如，可以使用肌电图检查确认神经性肌萎缩和肌萎缩。判断神经损伤的程度和部位。可用于神经再生和骨科手术前后的肌肉功能分析。这是可用于研究针灸、针麻、可咀嚼肌肉功能、膀胱括约肌功能、子宫功能等的手段。肌电图机还用于分析运动中肌肉的作用、力量、疲劳的肌电图指标等。除了不同的生物电、有机体心脏和大脑的活动引起电现象外，许多不同的器官和组织还有不同程度的电现象。除了视网膜电图、眼电图和眼电图(EGG)、电磁波的生物效应、热效应比热效应、电磁波的医学应用、利用电磁波的生物效应进行疾病治疗或辅助治疗以外，利用外电磁波进行生物医学检查的临床应用和研究也进一步深化。电磁波生物医学检查是指通过组织传送、吸收、分布、反射或透射的信号携带生物体物理或几何信息的生物体生物医学检查和分析获取生物信息，利用各种参数进行生物构成、结构和功能的检测分析的电磁能量。Mri技术和MRI技术、微波介质特性成像、微波热弹性成像、微波多普勒检测、生物介质谱技术等多种实际应用。微波的生物效应及其在医学中的应用、微波的医疗应用领域包括微波诊断、微波治疗、微波消毒、杀菌等。目前电磁波在透射疗法和肿瘤治疗等方面发挥着重要作用。微波辐射对人类和动物的影响是热效应和比热效应共同作用的结果。辐射功率超过一定阈值时，热效应主要发生，生物效应与其他热效应类似。微波选择性局部加热是有效的现代热疗方法，适量的局部照射可以增加区域生物组织的新陈代谢，通过诱导一系列物理化学变化，达到痉挛止痛药、抗炎药物脱敏、促进生长等效果。根据辐照能量，分为温热治疗、高温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法。根据使用频率，根据皮肤的渗透深度，分为浅表性高热，深度通透性治疗。微波炉对人类和动物的作用具有两重性。另一方面，如果适当地调节辐射量，对人和动物有很好的刺激作用。也就是加快血液循环，扩张血管。刺激器官功能，促进新陈代谢，改善局部营养，促进身体的修复和再生。也可以选择性地杀伤肿瘤细胞，提高身体对电离辐射的耐受性。因此微波放射疗法已广泛应用于临床。另一方面，高强度微波辐射或低强度长期调查可能对人体健康产生不利影响，形成所谓的“传播作用综合症”。毫米波生物效应及其在医学中的应用，毫米波是指自由空间波长为110mm的电磁波，其频率范围为30300GHz，位于微波波段的高波段。毫米波在医学临床应用中具有一些特性和优点，是生物影响的特性。在不损害身体的情况下，可以与药物或其他治疗方法一起轻松治疗。治疗量少，基本没有变态反应，没有副作用和礼物后遗症。毫米波能提高身体的总张力，让患者感到舒适。有提高身体免疫力的抗应激因子作用。也可以止痛。改善人体毒性状态，提高血液质量，白化效果明显。生物磁场的来源，生物电流是产生生物磁场的来源。生物磁性物质产生的感应场。生物体本身包含的磁性物质所产生的磁场。生物磁场检测功能，在测量生物磁场时，无需使用电极即可测量生物组织的内源性电流。可以同时测量一定的生物磁场和交变的生物磁场。得到生物磁场的三维空间分布。测量体外磁场强度及分布有助于了解体内强磁性物质的含量及分布，有助于诊断和检查特定职业病。生物磁测量、人类磁活动具有普遍性，但仅限于检测水平和应用，目前检测的只有心脏磁场、脑磁场、肺磁场、肌肉磁场、眼磁场、肝磁场等。磁场的生物学效应，1 .磁场的生物物理作用2。产生生物效应的磁场的物理因素3。磁场对人体的影响，磁场治疗(也称为自治费)，是通过给身体的特定部分(穴位或回流)施加一定或变化的磁场来治疗疾病的方法。磁场有止痛药、镇静、腹泻、抗炎药物和其他功能。可以临床治疗急性挫伤、腰部肌肉紧张症、类风湿性关节炎、高血压、神经性头痛、支气管哮喘、功能性腹泻、痛经等几十种常见疾病和多病菌。生物电磁剂量计，确定哪些电磁场会产生什么影响，这需要测量有机体在特定的调查条件下接受的剂量。一般来说，单位质量吸收的功率说明了有机体对电磁场作用的实际强度，方法分为理论剂量学和实验计量。为了防止电磁辐射安全标准、电磁场有害效果对人体健康的危害，应研究人体接受调查的安全水平和各种电磁装置的允许泄漏水平，制定为环境控制和预防医学提供服务的电磁辐射卫生标准。生物磁场的热点问题，一是低强度低频磁场的生物效应2，通信系统电磁场的生物效应3，毫米波非热生物效应4，电磁波热疗和电化学治疗5，磁刺激的医学应用，生物医学工程的基本理论，生物力学，生物力学，生物力学是应用力学原理和方法定量研究生物体机械问题的生物物理学领域。生物力学是力学与生物学和医学交叉的学科，为解决生命科学中的很多问题提供了力学的基本理论和分析方法，为力学开辟了新的领域。生物力学、生物力学发展简史生物力学研究内容生物力学研究方法生物力学研究特性、生物力学发展简史、哈维马尔皮格博雷利欧拉(Lamb)生物力学研究的焦点是与生理学，医学相关的力学问题。根据研究对象，可以分为生物流体力学、生物固体力学、运动生物力学等。生物力学研究方法、生物力学研究方法以及其他各种物理问题和工程问题的研究方法有更多相似之处。主要用三种方法解决问题。也就是说，用分析或数值方法求解数学模型的实验，通过测量物理模型或实际实验样本，现场进行分析研究，分析生物的形态、器官解剖及组织的结构和微观结构，了解研究对象的几何特征。测量组织和材料的机械特性，确定组成关系。根据物理学的基本原理和组织的构成方程，导出了主要微分和积分方程。分析器官运行的环境和状态，获得边界条件。使用分析方