生物医学工程基础第1章(2014-2)

生物医学工程基础

汪天富、陈昕、覃正笛、钱建庭、刘维湘、孙怡雯、张会生、沈圆圆、彭珏、周光前深圳大学医学院课程简介生物医学工程是基于工程学和生命科学的交叉学科，运用工程学的原理、知识和方法解决医学问题，如用电学、化学、光学、力学和其他工程学原理来解释、修改、控制生物体系统，是工程学和临床医学之间的桥梁。本课程是生物医学工程专业学生的专业必修课程，对于全面掌握生物医学工程的主要研究领域具有重要的引导作用。课程简介主要内容历史回顾、道德与伦理问题解剖生理学、生物电现象生物力学、康复工程及辅助技术生物材料、组织工程生物医学传感器、生物医学仪器生物医学信号处理生理系统建模与仿真基因与生物信息学医学成像、放射成像计算细胞生物学与计算复杂性生物医学光学与激光体外诊断仪器原版英文教材名称作

者出

版社IntroductiontoBiomedicalEngineeringJohnEnderle,SusanBlanchard,JosephBronzinoAcademicPress,2005,SecondEdition翻译教材生物医学工程概论封洲燕译机械工业出版社，2010年7月第1版课程教材考核形式平时成绩×30％+期末成绩×70％平时成绩包括作业、考勤、课堂提问、课堂测验等期末考试方式是撰写课程报告（文献综述）。第一章历史回顾生物医学工程基础汪天富深圳大学医学院主要内容现代医疗保健系统的演变现代医疗保健体系什么是生物医学工程生物医学工程师的职能生物医学工程的专业状况几个生物医学工程协会本章要求通过学习，学生应该能够：理解先进医疗技术的巨大进步在建立现代健康医疗保健系统中所扮演的重要角色明确什么是生物医学工程，并能理解生物医学工程师在健康医疗服务系统中的重要作用能够解释为什么生物医学工程师是专业人士医疗保健系统的演变—依靠经验和神学巫医观察某些疾病的特点，然后把经验辈辈流传。例如，通过一些实践经验而发展起来的先进科学有药草学、接骨术、外科手术、助产术等。长期以来，埃及人敬重伊姆霍特普（Imhotep），并不是因为他是第一个金字塔（3000BC）的建造者，而是因为他是一位著名的医生。他能让病人安静地入睡，所以他的名字代表着“安宁莅临者”在早期的埃及文化中他因医术高明被尊称为康复之神。埃及的神学和最初的宗教一样，高度强调超自然和个人健康之间的相互关系。例如今天的处方中常用的神秘性标志Rx来源于古埃及地传说“太阳神和鲁斯（Horus）的眼睛”。Horus幼年时遭恶魔赛斯（Seth）的攻击眼睛失明，他的妈妈（Isis）求助于健康之神Thoth，Thoth立即诊治使Horus的眼睛的视力和神力都得以恢复。因此，Horus的眼睛成为埃及神灵解除灾难和保护的标志，之后Rx便被用作来连接古代和现代医学的纽带。

Imhotep的思想和他所实践的医术被许多人记录在蒲草纸书上（古墓中发现）。1873年GeorgeElbers

获得的一个书稿（日期标注公元前1500年）就记录了几百种疾病的治疗方法，从鳄鱼咬伤到便秘无所不有。1862年EdwinSmith发现的莎草书稿（日期标注公元前1700年），被认为是古代最重要最完整的外科手术著作。这些文稿描述了一系列手术病例的诊断、预后和治疗方法这两本文稿无疑是医学史上的杰出著作。受古埃及Imhotep的影响，希腊人树立了自己的医神艾斯库累普（Aesculapius）。据神话记载，艾斯库累普是太阳神Apollo造访尘世时生的儿子，Apollo是个负责任的父亲，和众多现代父母一样，他希望艾斯库累普能成为一个内科医生。Apollo让Chiron（人首马身）做为家庭教师，教艾斯库累普学习治病的方法。很快，艾斯库累普在治疗专业方面就很出色，而且青出于蓝而胜于蓝，他使人们的寿命大大延长，以至于阴间的人口数量都降低了。于是阴间之神Pluto非常愤怒，迫使天神Zeus用雷劈死了艾斯库累普，并把他升至天堂，成为奥林匹斯山上的神。神学融入到了医学希腊神话中的医神艾斯库累普是现代内科医师的标志到1000年，医学已经成为一个受人尊敬的专业。在希腊，艾斯库累普寺庙属于第一批医院。图1.1被送进艾斯库累普教堂的患病儿童

称作“医学之父”的希波克拉底（Hippocrates）受医生父亲影响，年轻的时候就对医术熟通，他给医学注入了一种新的要素：科学精神，从此诊断检测和临床治疗开始代替了迷信。

医疗保健系统的演变—首现“科学精神”希波克拉底使大家明白疾病是一种按逻辑逐步发展的自然过程，症状就是机体对病的反应，而不应该归咎于神灵。希波克拉底和Cos寺庙培养了一大批人，他们迁移到地中海国家去行医并传播医学理念。希波克拉底和他的学校以及起源于他的一些管理规定，构成了医学从巫术和神学中分离出来的突破口，成为现代理性医学的奠基石。当罗马帝国发展到鼎盛时期并且影响延伸到半个世界时，它们吸收的伟大文化包括医学需要继承传下来。虽然罗马在针对个人的临床医学方面的贡献很小，但他们在公共医疗方面有显著成就。例如，他们组织了遍及整个罗马帝国的军队医疗服务队，不仅在战场上有急救站，在战略要塞也建立了基地医院。城市下水道系统和输水管道的建设也是罗马在医疗保健的社会医疗方面取得的显著成就。坚持不喝脏水，不吃脏食有利于控制和预防流行病。这观念虽然原始，至今在都市生活中依然适用。不幸的是，由于缺乏关于疾病的科学知识，罗马人在公共医疗上所有的成就也不能避免周期性的疾病灾难，特别是几乎把整个城市摧毁的瘟疫。

起初罗马统治者对希腊的医师和医术不屑一顾。但是几年之后，希波克拉底的弟子门留下的良好印象广泛传播。为了回报他们对罗马人提供的医疗服务，恺撒大帝（Caesar，46BC）对所有的希腊医生授予罗马公民身份。这使得希腊医生在罗马的地位十分稳固，以至于同一年当罗马遭受饥荒时，希腊医生是唯一没有被驱逐出境的外国人，相反，还给奖金以使他们留下来。具有讽刺性的是：被尊称为罗马历史上著名医生的盖伦（Galen）实际上是个希腊人。因为他医治好了“宫廷发热病”变成了罗马医学史上的名人。其实他和希波克拉底完全不一样，盖伦自大傲慢，自夸自诩，只报道成功的案例。不过盖伦也确实是一名杰出的医生，他的医疗诊断是一门艺术，除了照顾好病人，他还对远至而来的医学咨询进行答复。盖伦很勤奋，写下了300多本解剖体检的书，内容包括精选的历史病例、他开过的药方。但由于他反对人体解剖，只能根据动物的解剖来画出人体的解剖器官，这具有误导性。由于当时盖伦主宰了医学界，又获得罗马天主教会支持，事实上也阻碍了医学的求真探索。在之后宗教统治的黑暗时期，他的医学观点和著作被罗马教皇和权威人士看作“圣经”和“法律”。随着罗马帝国的灭亡，教堂变成了知识库，尤其是几世纪以来逐渐漂移到地中海区域的知识宝蔵，包括通过传教士的书面传播的医学知识，并且分散在各教堂，在教徒中流传。医院系统伴随着基督教的信仰、人道主义和慈善一起传播，散及全欧洲随后又通过十字军传播到中东地区。但是，训练过的医生主要在病人的家里治病，只有那些疲倦旅人、贫困者和认为没希望的病人才会去医院。虽然有一些医院有完善的财政和管理系统，能够人性化对待病人，但是大多数医院其实就是看守所，主要就是把棘手的或患传染病的人和公众隔离。在这些机构里充斥着拥挤、肮脏，病人和医护人员死亡率都很高。因此，人们通常害怕并躲避医院。

15，16世纪文艺复兴和宗教改革解除了教会对医院和行医者的强权控制。文艺复兴时期，人们追求医学知识等自然界真正奥秘的渴望再次被激发。人类解剖的研究得到发展，艺术家米开朗琪罗、拉斐尔、杜勒，还有天才画家达芬奇等都为深入研究人体解剖学作出了贡献。医疗保健系统的演变—文艺复兴时期的巨大进步伽利略（1564～1642）在文艺复兴时期，检测技术也开始发展，其中伽利略的贡献最大。他通过对大批医学学生讲演数学科学，详细说明了他的著名理论和发明（望远镜、温度计、摆锤等）。伽利略提倡用实验和精确的测量方法帮助医师进行有效的诊断。测量的体温、脉搏数据和一些特殊疾病的症状相关。显微镜的发展扩大了人们的视野。随着人口城市化的扩张，英国的医院尤其是大都市里的医院和设备变得供不应求。因此，在17世纪伦敦两个大型医院（St.Bartholomew’s和St.Thoma）实施了一项新的政策，即只接受可能被治愈的病人。那些无法治愈的病人就会被遣散到其他机构，比如收容所、监狱或济贫院。

直到19世纪，医院才有能力让大量的病人受益。这一时代的进步是要归功于护理水平的提高南丁格尔从克里米亚战争回到英国，她认为医院死亡情况更多得是由于医院的条件而不是疾病。在19世纪后期，南丁格尔的影响深远，世界上很多医院都是接受她的建议而建立起来的。

南丁格尔南丁格尔的护理观点是：“护理可以使我们拥有可能最佳的条件，以便于病人自然恢复健康，并保持健康。请注意，我们是护理病人，而不是护理疾病”。医疗保健系统的演变—护理的发展

现代医疗保健体系20世纪，各种基础科学（化学，生理学，药理学等）开始迅猛发展，物理学学的各种发明促使医学产生了飞跃。1903年威廉.爱因托芬发明了第一台心电图机，可以测量心跳时的电位变化，由此开创了心脏医学和电位测量技术的新时代。这一时期新发明层出不穷，就像连锁反应一样，其中对临床医学发展最最重要的是X射线的发现。在伦琴描述他的新射线时，人体的秘密就开始向医学检查敞开了。1895年:X射线之父－伦琴伦琴夫人的手指伦琴的实验室20世纪30年代磺胺药物和40年代青霉素的开开发显著降低了引起医疗危害的病人间的交叉感染。先进的科技促进了复杂的外科手术的发展。1927和1939年分别发明了呼吸机和心肺分流术。40年代，心导管及心血管造影术得到了快速发展。实现了对由于瓣膜紊乱引起的心脏病的诊断，开创了心脏和血管外科研究的新时代。50年代，显微镜进入了医学领域，在观察微小细胞方面成就显著。早期的心电图机手术室的发展医学图像技术及仪器从70年代起，医学研究者已经让电子智能工具去进行复杂运算，进行记录（通过人工智能），甚至控制支撑生活的仪器器具。依靠不断发展的先进电脑技术开发了新的医疗成像技术，例如电脑断层摄像（CT）和核磁共振技术（MRI）。“部分器官替换”手术变得司空见惯。随着1954年第一例肾移植成功，人工器官的观念就普遍被接受并在医学领域逐渐流行。这些技术创新从根本上改变了外科的组织和应用。20世纪90年代最显著的科学技术成就就是人类基因组计划，结果，生物医学工程一个主要的转变就是从之前的仅仅对器官水平的研究集中到细胞分子水平。纳米技术、组织工程和人工器官清晰地表明科学幻想将变成现实。技术对于影响医疗保健实践提供了无限的潜能。通过闭路电视和通信工具，可以为病人提供远程医疗服务。多项普检系统为大多数人群提供疾病预防，从而避免了需要诊断治疗的人再跑到医院。病人的自动化护理记录可以告知医生病人在家和在医院的身体状况。远程医疗南极膝关节手术美国马萨诸塞总医院双向声像连接内科医师的新工具—激光手术

科学家和医生将一颗狒狒的心脏

移植到出生两周的女婴体内生物医学材料康复工程德国

Tübingen大学的

Birbaumer教授利用脑机接口技术(脑电信号)帮助一个完全瘫痪的患者进行交流，病人甚至可以在家上网。关爱老年人：A全世界老年人口占12%

B到2050年，全世界老年人口数量将第一次超过儿童人口数量。C每年有500万人死于中风返回

生物医学工程（BME）是以工程科学技术的思维、方法、原理与技术，研究生命科学、支持生命科学、服务生命对象而形成的一门跨学科的、新兴的、综合性学科。工程科学与技术生命科学生物医学工程

什么是生物医学工程？生物医学工程的综合性非常强，它应用电学、化学、光学、力学和其他工程学原理来解释、修改、控制生物系统。在医院或医疗中心工作的生物医学工程师称作临床工程师更适合，但是理论上的区别在实践中往往不太明显，今天许多在美国医院工作的这类专家依然称作生物医学工程师。生物医学工程扩展了许多新的研究领域，包括：工程系统分析应用（生理建模与仿真、生物控制）。生理信号的检测和监视（生物感应器，生物医学仪器）。利用生物电信号的处理技术提取诊断信息。开发治疗和康复设备（康复工程）。代替或增加人体功能的设备（如人造器官）。病人数据和计算机辅助分析和临床诊断（医学信息和人工智能）。医学成像，即解剖结构和生理功能的图象显示。新的生物制品的开发（如生物技术和组织工程）20世纪60年代，为了保障医院病人的电气安全，工程师开始进入临床。当著名的消费者活动家RalphNader声称“每年至少1200名美国人在医院的常规诊断和治疗中被电死”时，对临床用电的担忧达到了顶峰。大家推测病人触电死亡的原因是导管插入病人体内之后就在体外到临近心脏的血管之间形成了低阻抗通路，此时比正常电压高得多的电压就可能使病人。触电死亡。尽管缺乏统计学的证据，但是强烈的抗议提高了医务人员对病人使用医疗设备的安全意识。

一个新的产业---医院电气安全---迅速应运而生。电气安全分析仪制造商和设备安全顾问急切希望能满足医院安全的需求，一些公司开发出确保病人安全的新产品，如隔离变压器。为了满足新的需求，医院管理者考虑了一系列措施，包括：雇佣医疗设备制造厂家来进行设备安全审查；与共享的设备机构签订合同；由医院内部员工来提供此项服务。很多医院选择了内部服务并建立新部门来提供设备安全方面的技术。由此一个新兴工程学科---临床工程学诞生了，许多医院建立了中心临床工程部门。但电气安全的败例只代表了临床环境中医疗设备安全的一小部分，设备既没有完全清洗又没有适当的维护。到20世纪70年代中期，设备使用前后的全面检查已经成为常规，形成了切合实际的检查程序。在此发展过程中，临床工程先驱人员发挥了重要的作用，他们作为医院人员梯队里的新成员，发挥的作用越来越大。他们的工作包括：积极参与开发低成本高效的方法，发展医疗技术。为医院管理者提供咨询，根据医院条件和特定技术规格购买医疗设备。启动科技新方法的应用，并且协助标准制定部门的工作。培训医护人员，使他们能够安全有效地使用医疗设备。

20世纪90年代，在国际医学与生物工程联合会（IFMBE）下设立美国临床工程学会（ACCE）和临床工程部。今天临床工程师为临床职员提供了大量的工程技术服务，是整个医院重要的一部分（图1.10）。现代临床工程师既掌握医院内部具有的技术资源，又了解医院外厂家的技术资源，使医院可以有效地利用其资源。返回生物医学工程师的职能生物医学工程师包括三种类型：医疗保健系统的临床工程师；工业界的生物医学设计工程师；研究型科学家。第一种类型是最普遍的，也可以称作问题解决者。生物医学工程师必须能够理解生物方面的问题，并且用生命科学家可以理解的语音描述所设计的解决方法，否则，无法称之为“生物医学”。第二种类型比较少见，也称为“技术企业家”（更像工厂的生物医学设计者）。他们认为生命科学家和医生的教育与现有的应用技术能力间存在巨大差距，无法结合现有技术水平来提出问题。因此，科技企业家发现在生物和医学的前沿领域技术可以发挥很大的作用，自己提出问题，并自己解决。最终他们必须证明自己的成果是有用的，并说服医学界接纳。相对于问题解决者来说，技术企业家的活动带有冒险性，没有现成的用户。如果冒险成功，不管是科学还是商业上，都会前进一大步。技术企业家的工作性质决定了他们必须有大量的工程学，医学知识和医疗系统的实践经验。

第三类工程科学家，主要致力于应用工程学原理和技术来研究生物学过程。在此过程中最有力的工具是研究中构建的生物系统的物理数学模型。通过模拟技术和可用的计算机器，他们可以用模型理解那些对于分析计算和直觉感知复杂的特性。而且模拟的过程促进了实际生物系统的实验设计。实验结果反过来也可以用来改善模型。因此，在这个过程中加深了对生物机理的认识理解。

像医生和护士一样，生物医学工程师的最终职责为社会服务，这是一种职业，并不仅仅是熟练的技术服务。医护人员和管理者需要充分认识这个新职业的重要性及其培训目标，使他们充分发挥作用。生物医学工程师具有巨大的潜力、挑战和前景，给我们带来的不仅仅师技术方面的效益，还有人道主义效益。生物医学工程师的职能医学基础电子技术计算机技术信息技术生物医学工程师的必备知识

生物医学工程的专业状况生物医学工程师是专业人员，专业人员的定义就是在普通的集中培训中共享的技术价值可以得到人们的认同。判断一个人是不是专业人员取决于他是否具备某种内在化的专业价值。而且基于技术能力得到相关的许可证书。他们大多有科学标准，专注其技术范围内的工作。在工作的时候，技术能力充分发挥，避免情感影响，尊重客观现实，客户的利益高于一切。专业人员的最后一个特征是职业道德。医生总是尽量宽容和支持病人，同时在面对病人需求和社会利益时又在道德上进退两难。例如：如何尊敬晚期病人的愿望又不促进他的死亡，关于医学技术带来的伦理道德问题的讨论将在第二章详细讨论。以下六点可以判定职业化地位：（1）第一个培训学校；（2）第一所大学；（3）第一个地方专业协会；（4）第一个国家专业协会；（5）第一部国家许可法律；（6）第一部正式的伦理道德准则。

生物医学工程的专业状况生物医学工程师的职业模式生物医学工程学（协）会美国医学与生物工程研究院(AIMBE)美国拥有世界上最大的生物医学工程协会团体，其相关专业机构有：（1）美国临床工程学会，（2）美国化学工程师协会，（3）美国医学信息学协会，（4）美国农业工程师协会，（5）美国人工器官学会，