生物医学工程导论概述

1、生物医学工程导论，第一章概述，生物医学工程生物医学工程(Biomedical Engineering，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，从工程的角度解决疾病防治问题的综合高科技学科。 中国著名科学家区方船老师在中国生物医学工程的今天和明天中这样写道。 “生物医学工程将人体各级的生命过程(包括病理过程)视为系统状态变化过程的学科工程理论和方法与生物学、医学理论和方法有机地结合，在研究这种系统状态变化规律的基础上，应用各种技术手段，建立合适的方法和装置，以最有效的方式，人为地生物医学工程的基本任务是保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康

2、复服务。 生物医学工程学是理、工、医结合的新兴边缘学科，是多种工程学学科渗透生物学、医学并相互作用的结果。 作为独立学科发展的历史虽然还不长(50年)，但它在保障人类健康方面发挥了很大作用，成为目前医疗产业的重要基础和支柱，很多国家把它列为高科技领域。 以人工心脏瓣这一典型的生物医学项目为例，为了进行人工心脏瓣的设计和制造，1 .需要理解心脏瓣的开闭机制，明确人体心脏瓣的运动学和力学特性(定量)的工作2 .解决人工心脏瓣材料的问题(相容性、毒性、力学性质和制造技术等)3.解决方法。 人工心脏瓣膜的制作、质量管理和监测等涉及一系列工程问题，同时还存在成本控制问题。 风湿性心脏病、生物医学工程特点

3、：广泛、多学科综合应用学科。 以人工器官为例，需要对生物材料学、生物力学、生理学及电气机械、化工技术有机结合，涉及到社会伦理学。 这样广泛的范围(从非生命科学到生命科学，甚至从自然科学到人文科学)的综合还没有在传统学科中，其发展需要工程技术和医学两方面的人才的密切结合。 为医学、生物学提供了技术和装置，为医学、生物学的发展开辟了新的道路。 因此，它是医学和生物学本身变革的重要力量。 社会利益和经济利益的结合。 医学重视社会利益，工程重视经济利益，生物医学工程是必然的结合。 1.1生物医学工程的发展情况，生物医学工程自1950年代以来，广泛应用于电子学、材料学、工程力学、信息科学和电子计算机等多

4、门学科的进步和医学和生物学领域，并逐渐形成和发展。 电子学的渗透逐渐出现了心电、脑电、心音、超声波等实用的诊断技术，应用于临床的人体植入型起搏器的开发结合了成功拯救数千名心脏病患者生命的材料科学，应用于医用硅橡胶， 成功开发了医用聚氨酯和有机玻璃制成的人工股骨等人体功能辅助和卫生保健材料和产品的工程原理和方法的运用，使血液能定量研究心血管流动特性，建立结构方程式，建立以描述血液流动的医疗材料为基础的多学科结合，早期的人工器官如人工肾脏、人工肺、人工结晶本结构规则：指生物、组织器官的力学性质，尤其是其应力和应变的规则，称为本结构规则。 结构方程式：如果能以数学方程式的形式表现结构规则，就把这个方

5、程式称为结构方程式。进入60年代以来，微电子、信息科学、计算机科学、控制理论、工程力学和材料科学等迅速发展与医学紧密结合，大量医疗设备如x射线机、超声波器、心电图、脑电波和球磨机人工心脏瓣等在临床上得到了广泛应用。 这些对医学的进步，对临床诊疗水平的提高起到了很大的推动作用，产生了很大的社会效益，而且医疗器械产业已经形成了规模，产生了巨大的经济效果。 因此，生物医学工学这一新兴边缘学科作为独立的学科而成立，成为时代的需要。 美国、日本、西方几个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。 20世纪70年代以后，生物医学项目涉及生物医学的各个方

6、面，取得了很大的发展。 理论研究利用生物系统的建模和模拟技术，定量描述极其复杂的生命现象和生理过程机制。 例如，胰岛素释放控制模型和传染病流行模型等生物力学系统地研究了骨、软组织和血液的流变特性，针对心血管血液流动建立了更接近生理的结构方程式，在应用技术方面，涉及到x射线计算机断层成像装置(x射线CT，x-computed tomogra 仅仅20年间，第五代同位素断层图像发展为放射型CT(ECT )，单纯的形态检测发展为功能诊断，许多断层技术以医学图像为临床诊断支柱的生物传感器的出现，使有机物的测定进入了无试剂分析的时代， 能够连续动态监测体内有机成分的单片机、单片机使医疗设备小型化、智能化

7、的高性能电脑的出现，使医疗设备具有多功能化的特征，将医疗信息的收集、检查、处理和管理一体化， 网络技术和虚拟技术大大提高了医疗性能，使远程医疗成为现实，现代医学基本上是基于生物医学工程而构建的。 四大影像设备、各种生物电和器官压力流量监测等功能检测设备、各种自动生物化学分析设备是现代临床诊断的基础收音机和碎石机是许多患者治愈的除颤器，埋入型心脏起搏器和人工心脏瓣拯救了世界上数百万心脏患者的生命并维持了人工肾等血液净化技术， 数十万肾功能衰竭患者维持正常生活的人工晶体、人工关节、功能性假体已经广泛应用于残疾人康复和功能辅助的生物力学研究，对动脉粥样硬化的血栓形成认识和骨外科器具和人工器官的设计发

8、挥了非常重要的作用。 也就是说，现代医学的进步不脱离生物医学工学的发展，反而提出了新的课题，促进了生物医学工学的进步。 但是，另一方面，随着生物医学工程的进步，高科技医疗器械不断出现，医疗费指数曲线急剧上升，给整个社会带来了越来越重的负担。 现在这个负担沉重到北美、西欧等经济发达国家无法承受。 讽刺的是，当初推动生物医学工程发展的原因之一，是希望通过工程的方法来抑制医疗费的膨胀。 但是，结果与期望相反，生物医学工程技术越发达，医疗费的增加导致的社会负担越重。 摆脱这一困境的唯一方法是改变观念，重视生物医学工程的社会性。 生物医学工程不能单纯视为技术科学，不能视为各种现代科学技术在医学上的应用。

9、 事实上，生物医学工程服务的对象是社会的所有成员，必然被社会经济承受能力所制约。 如果无视这一点，单方面追求科学技术的先进性，单方面追求生物医学工程产业的经济效益，结果必然会使生物医学工程本身陷入困境。中国生物医学工程学科、中国生物医学工程学科于1978年由国家科学委员会正式成立，1980年成立中国生物医学工程学会，中国医学科学院院长黄家馨教授担任第一届会长。 先后在18省、直盲市成立分会，1986年正式加入PS。 迄今已设立了10个学科分会和专业委员会。 目前，全国约四十所大学有相当规模的生物医学工程研究室、所、博士点十几分、硕士点十几分，对我国生物医学工程的发展起到了非常重要的作用。 我国

10、生物医学项目是模仿西方模式设立的。 在学科形成的初期，这种模仿是必然的。 但是，在西方生物医学项目的进步和社会效果的矛盾日益显着的今天，中国生物医学项目必须发展，必须充分认识中国的基本国情，以很多中国人的卫生保健的需求为目标，立足中国的经济和技术的可能性，在促进我国医学水平提高的同时1.2生物医学工程的科学范围，生物医学工程是工程与生物学、医学结合的产物，任何工程学科与生物学和医学结合都属于生物医学工程的范畴，因此生物医学工程的研究领域很广泛，不断发展， 目前成熟领域有以下8个：生物力学生物材料生物系统在物理因子治疗中的应用和生物效果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

11、，生物力学(Biological Mechanics ) :生物力学是渗透于力学和生物学、医学等学科之间的边缘学科其目的是从力学的角度来理解生命。 具体来说，用经典力学、固体力学、流体力学知识来解释生命现象的力学方法来定量分析和研究生命系统的功能和结构关系，探讨生命的整个力学过程。 生物力学领域很广泛，目前主要涉及骨骼生物力学、人体运动力学、血液循环力学、呼吸流变学、生物热力学等领域。 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、人工心脏瓣等人工脏器的设计。 近年来，随着医学科学技术

12、的发展、仿生学、航天技术的进步，在生物力学上提出了一系列问题，促进了生物力学的繁荣。 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未来。 生物力学的研究始于60年代。 1960年，美国第一次仿生学讨论会引起了对生物力学的注意和兴趣。 之后，美、欧、日、苏、澳、加等国家相继成立了专业研究机构，多次召开国际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计划会议上，将生物力学作为独立的学科列入了计划。 同时，中国力学会组织了全国性的生物力学专业小组。 此后，国内许多著名大学相继成立了生物力学研究所和研究机构，多次召开了全国性和地方性生物力学学术会议，通过交流进

13、一步促进了中国生物力学的发展。 骨架生物力学(Skeleton Biological Mechanics )、骨架生物力学是生物力学的重要分支。 尽管骨力学的研究已经有一百多年的历史，但现在仍有很多问题需要深入研究。 这是因为生物有生命，和没有生命的工程材料的构造根本不同。 因此，用力学原理研究生物的组织、器官和生物是一项比较困难和复杂的工作。骨的生物力学研究骨与骨骼系统力学问题、骨的微观结构与宏观力学效果的关系、骨的结合力学效果、骨的生长与断裂力学问题、骨的生长调控论等。 骨骼在生物体内占有重要地位。 骨的组织结构非常复杂，与生物材料力学的关系非常密切。 近年来，对骨的一般力学性质、骨的粘弹

14、性性质、颅骨的冲击韧性的测定、脊柱力学性质、关节受力分析、人工关节、骨损伤、骨愈合的临床研究、骨科复位固定器的效果分析等有着有效的研究。 现在，对骨的动力特性和骨作为有生命组织的微观力学效果等还很少研究。 骨生物力学在医学方面的研究和应用，在骨重建理论、骨生长与应力关系理论等整形外科、骨伤治疗、防护和辅助器具设计等多方面具有重要作用。 骨生物力学的临床应用实例：人工关节材料的选择人工关节置换术是骨生物力学最活跃的应用领域。 人工关节的应用已经有近百年的历史。 目前，人工关节种类多种多样，从人工关节的设计、制造、植入和维护方面来看，存在工程问题和骨力学问题。 选择工作关节材料的基本要求是，与骨组

15、织之间有良好的生理相容性和耐腐蚀性，具有足够高的强度和疲劳寿命，良好的耐磨性，良好的加工性等。 人工关节使用的材料有超高分子聚乙烯、不锈钢、钛合金、钴铬钼合金、陶瓷、硅橡胶和碳质材料，其中陶瓷材料越来越受到重视。 通过以上材料的使用，人工关节的适应范围和效果有了很大的发展。 从临床上看，这些材料的人工关节不引起抗原性反应和致癌性。 金属材料磨削屑能提高感染率。 单纯的钛耐磨损性差，但钛合金提高耐磨损性。 钴铬钼合金的耐磨性也很好，但与骨头相比刚性太大：而碳质材料有很好的生物兼容性，在力学性质上有很强的耐磨性。 其力学性质接近密质骨，疲劳寿命也长，但其强度低，现在只用于小关节。 动物实验表明，钴

16、铬钼合金在生理上具有良好的相容性，而长期使用该基体金属制成的人工关节，血液和头发中钴的含量明显增加。 超高分子聚乙烯具有高度的疏水性，耐磨损性也很好，广泛用于制造人工关节臼。 陶瓷材料有足够的强度，耐磨性好。 硅橡胶在生理上的相容性很好，但由于强度低，一般只用于小关节。 人工关节材料有很多优点，但也有没有克服的缺点。 例如金属的电解、疲劳、腐蚀、磨损、松弛、骨吸收等塑料材料老化、变脆的陶瓷的优点很多，但其质量很脆，容易折断。 上述材料是否有致癌作用还没有研究。 生物材料(Biomaterial ) :生物材料学是研究用于治疗、交换、增强生物体内组织、器官功能的材料，以及这些材料与生物之间的相互

17、作用的学科。 生物材料与人体组织、体液和血液接触或作用，对人体无毒，无副作用，无凝血，无溶血，不引起人体细胞突变、畸变和癌变，不引起免疫排斥和过敏反应的特殊功能材料。 迄今为止，生物材料近千种，但广泛使用的只不过十几种。 这些材料主要分为医疗用合成和天然高分子材料、医疗用金属材料、医疗用陶瓷、医疗用碳材料及它们的复合材料等。 活跃的研发领域有高抗凝固材料、生物活性陶瓷和玻璃、钛合金、生物活性缓释和目标药物载体材料、生物粘合剂、吸收性生物材料、甲壳素及其衍生物的医学应用等。 生物材料的种类非常多，用途非常广泛。对生物材料的基本要求是：1.对生物无害(生物性能)2.有一定的机械强度(机械性能)3.有一定的寿命(耐生物老化性能)。 生物材料已经在人工心脏瓣、人工血管、人工骨和关节、医用导管、牙科材料、外科用丝、药物缓释载体、透析和超滤膜材料、一次性和移植性医疗产品等方面取得了成功。 材料技术的发展趋势之一是尺度向越来越小的方向发展，以前构成材料的粒子，其尺寸为微米(百万分之一米)级，现在出现了发展为纳米(十亿分之一米)尺度的材料。 纳米技术是继互联网和基因之后受到关注的另一个热点。 洞察微观世界的秘密，需要使用机器扩大视野，伸出双手。 80年代初，IBM公司在