生物医学工程.ppt

1、生物医药工程科学导论，第一章概要，生物医药工程科学生物医药工程科学(Biomedical Engineering，BME )是运用自然科学和工程科学技术原理和方法研究人类生理、病理过程，揭示人体的生命现象并从工程的角度解决疾病防治问题的综合性高新技术学科“生物医药工程学把人体各级生命过程(包括病理过程)看作一个系统物态变化过程的工程科学理论和方法与生物科学、医学理论和方法有机地结合研究这种系统的物态变化规律，并在此基础上，应用各种工程技术手段，建立合适的方法和装置，用最有效的方法，人为地控制这一变化生物医药工程科学的根本任务是保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。 生物医药工程科学

2、是理、工、压电石英相结合的一门新兴的边缘学科，是多种工程科学学科渗透生物科学、医学相互作用的结果。 作为独立学科的发展历史还不长(50年)，但在保障人类健康方面发挥了很大的作用，成为现在医疗性产业的重要基础和支柱，很多国家将其列为高科技领域。 以人工心瓣膜这一典型的生物医药工程科学项目工程为例，为了进行人工心瓣膜的设定和制造，人们需要做如下工作：1.了解心瓣膜开关的反应历程，明确人体心瓣膜的运动学和力学特性(定量)2.解决人工心脏瓣膜材料的问题(相容性、毒性、力学性质和制造技术等)3.解决人工心脏人工心瓣膜的制作、质量管理和监测等涉及一系列工程问题，也存在成本管理问题。 风湿性心脏病、生物医药

3、工程科学特点：广泛、多学科综合应用学科。 以人工脏器为例，需要与生物材料学、生物力学、生理学及机电、化工工程科学技术相结合，并涉及社会伦理学。 这样的大范围(从非生命学到生命学，甚至从自然科学到人文科学)的综合在传统学科中没有，其发展需要工程科学技术和医学两方面人才的密切结合。 为医学、生物科学提供技术和装备，为医学、生物科学的发展开辟新的道路：因此，它是变革医学和生物科学本身的一支重要力量。 社会利益和经济收益相结合。医学重视社会利益，工程科学重视经济收益，生物医药工程科学才是两者的必然结合。 1.1生物医药工程科学的发展情况，生物医药工程科学自20世纪50年代以来，随着电子、材料学、工程科

4、学、信息科学和电子计算机等多学科的进步，在医学和生物科学领域得到广泛应用，并逐渐形成和发展。 电子学的发展使心电、脑电、心音、b超等实用诊断技术逐步出现，应用于临床的人体植入型起搏点的研制成功结合了成千上万心脏病患者的生命材料科学，证实了医用硅橡胶、 医疗用聚氨酯材料和有机玻璃制人工股骨等人体功能辅助和卫生保健材料和产品研发成功的工程科学原理和方法的运用，使人们可以定量研究心血管中血液流动特性，建立本结构方程式并结合描述血液流动行为的以医疗材料为基础的多学科，将早期的人工脏器如人工肾、人工肺、人工晶体、人工心瓣膜的研发和临床应用本结构规律：指活体、组织器官的力学性质，特别是其应力和应变规律，称

5、为本结构规律。 本结构方程式：如果本构造规则能够以数学方程式的形式表现，则将该方程式称为本结构方程式。入世后，结合微电子学、信息科学、计算机科学、控制论、工程科学及材料科学等迅速发展与医学紧密耦合，大量医疗器械设备如x光机、医学超声修订、心电图、脑波及球式机械人工心瓣膜等已在临床上得到广泛应用。 这些个对医学的进步，对提高临床诊疗水平发挥了很大的推动作用，产生了巨大的社会效益，而且医疗器械产业已形成规模，产生了巨大的经济效果。 由此，生物医药工程科学这一新兴的边缘学科作为独立学科而成立，已经成为时代的需要。美国、日本、西方一些国家建立了医学电子和生物医药工程科学组织。 世界性的国际生物医药工程

6、科学联合会在1965年正式成立。 70年代以后，生物医药工程科学涉及生物医药的各个方面，取得了显着的发展。 理论研究利用生物系统建模和虚拟仿真技术，对诸如胰岛素释放控制模型和传染疾病流行模型等极为复杂的生命现象和大姨妈过程反应历程定量描述的生物力学对骨、软组织和血液流变学特性进行了系统研究， 在针对心血管中血液流动建立更接近大姨妈的本结构方程式的应用技术方面，x射线计算机层析摄影装置(x射线CT，X-Computed Tomography )在短短的20年间发展为第五代同位素断层扫描放射形CT(ECT )，将单纯的形态检查发展为功能诊断， 随着多种断层技术向医学图像发展的生物传感器的诞生，有机

7、物测量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刹车器、单片微型计算机使医疗器械微细化、智能化的高性能个人计算机的出现， 使医疗器械具有多功能化特点，集医学信息采集、检测、处理与管理为一体，大大提高了医疗性能网络技术和虚拟技术的实用化，使远程医疗成为现实，现代医学基本上是在生物医药工程科学的基础上建构起来的。 四大成像设备、各种生物电和器官压力产水量监测等功能检测设备、各种自动生化分析仪器是现代临床诊断的基础无线射频修订、破碎机治愈了多位患者的除颤器、埋藏式起搏点和人工心瓣膜是挽救了世界上数百万心脏患者生命并维持的人工肾等血液净化技术， 对数十万肾功能衰竭患者维持正常生活的人工晶

8、体、人工关节、功能假体广泛用于残疾人康复和功能辅助的生物力学的研究，对动脉粥样硬化血栓形成认识和骨外科器具与人工脏器的建立起了重要作用。 总之，现代医学的进步对生物医药工程科学的发展不可或缺，反而提出了新的课题，促进了生物医药工程科学的进步。 但另一方面，随着生物医学伊卡斯工程的进步，高科技医疗器械的装备不断涌现，医疗费用指数曲线急剧上升，给整个社会造成了越来越沉重的负担。 现在，这个负担是北美、西欧等经济发达国家无法承受的沉重。 讽刺的是，当初推行生物媒体伊卡斯工程的原因之一是希望通过工程的方法来抑制医疗费用的膨胀。 但是，结果与期望相反，生物医药工程科学技术越发达，医疗费的增加带来的社会负

9、担就越重。 从这一困境中解脱出来的唯一方法就是改变观念，重视生物医药工程科学的社会性。 生物医药工程科学不能被视为简单的技术科学，也不能被视为各种现代科学技术在医学上的简单应用。 实际上，由于生物医药工程科学服务的对象是社会的各成员，必然会受到社会经济的容错技术的制约。 忽视这一点，单方面追求科学技术的先进性，单方面追求生物医药工程科学产业的经济效益，必然导致生物医药工程科学自身陷入困境。、中国生物医药工程科学学科、中国生物医药工程科学学科由国家科学委员会于1978年正式建立，1980年成立了中国生物医药工程科学学会，中国医学科学院院长黄家驷教授担任首届会长。 先后在18个省、直盲市成立分会，

10、1986年正式加入IFMBE。 迄今设立了10个学科分会和专业委员会。 目前，全国近40个高等院校拥有相当规模的生物医药工程科学研究室、所、博士点十馀个，硕士点数十个，对我国生物医药工程科学的发展起着非常重要的作用。 中国的生物医药工程科学是模仿西方的模式制作的。 在学科形成的初期，这种模仿是必然的。 但是，在西方生物医药工程的进步及其社会效果的不符点日益显现的今天，中国的生物医药工程为了发展，必须以中国的基本国情为一盏茶认识，以紧急大多数中国人的卫生保健为目标，立足于中国的经济和技术可能性，在促进中医学水平提高和云同步，有助于社会医疗费的联合特罗尔。 1.2生物医药工程科学的科学范围，生物医

11、药工程科学是工程科学与生物科学、医学结合的产物，因为任何工程科学学科和生物科学与医学结合都属于生物医学工程的范畴，生物医学工程的研究领域非常广泛，不断发展， 目前比较成熟的领域有以下8个：生物力学生物材料生物系统在建模与仿真物理因子治疗中的应用及其生物效应生物医药信号检测和传感器生物医药信号处理医学图像技术人工器官、生物力学(Biological Mechanics ) :生物力学是力学与生物科学、医学等学科之间相互渗透的边缘学科。 其目的是从力学的角度来理解生命。 具体来说，通过力学方法来定量分析研究生命系统的功能和结构关系，来解释生命在经典力学、固体力学、流体动力学知识中的现象，探讨生命的

12、整个力学过程。 生物力学领域广泛，目前主要包括骨骼生物力学、人体运动力学、血液循环力学、呼吸流动学和生物热力学等分学科。 对生物力学的研究加深了对血液流动特性与疾病的关系、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、人工心瓣膜等人工脏器的设置修订。 近年来，随着医学科学技术的发展仿生学、宇宙航行技术的进步，对生物力学提出了一系列问题，促进了生物力学的繁荣。 六十年代后半段，计算机开始用于医学，为生物力学开辟了新的前景。 研究生物力学始于六十年代。 1960年，美国首届仿生学讨论会引起人们对生物力学的注意和兴趣。 在那之后，美国、欧洲

13、、日、苏联、澳大利亚、加等国家相继成立了专门的研究机构，召开了多次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修订会议上，将生物力学作为独立的学科列入了修订。 在云同步，中国力学会组织了全国性的生物力学专业小组。 此后，国内许多萩名高等院校相继成立了生物力学研究所或研究机构，又多次召开了全国性地方性的生物力学学术会议，通过交流进一步促进了中国生物力学的发展。 骨骼生物力学(Skeleton Biological Mechanics )、骨骼生物力学是生物力学的重要分支。 骨力学的研究已经有一百年的历史，但至今仍有许多问题需要深入研究。 这是因为生物体有生命，与无

14、生命工程材料的结构根本不同。 因此，用机械原理研究生物组织、器官和机体是一项比较困难复杂的工作。骨骼生物力学研究骨与骨骼系统力学问题、骨微观结构与宏命令力学效果的关系、骨结合力学效果、骨生长与断裂力学问题及骨骼生长调控论等. 骨骼在生物体内占有重要地位。 骨的组织架构非常复杂，与生物材料力学的关系非常密切。 近年来，已有骨的一般力学性质、骨的黏弹性性质、人头盖骨冲击韧性的测定、脊柱力学性质、关节受力分析、人工关节、骨伤、骨愈合临床研究、骨科复位固定器效果分析等有效研究。 现在，关于骨的动力特性和骨作为有生命的组织的微观力学效果等，研究还很少。 骨骼生物力学在医学方面的研究和应用上具有广阔的前景

15、，如骨重建理论、骨生长与应力关系理论等，在整形外科、骨伤治疗、防护及辅助器械设置修订等多方面具有重要作用。 骨骼生物力学的临床应用实例：人工关节材料选择人工关节置换术是骨骼生物力学最活跃的应用领域。 人工关节的应用已有近百年的历史。 目前，人工关节种类繁多，涉及人工关节的修订、制造、移植和维护，涉及工程问题和骨力学问题。 选择劳动关节材料的基本要求是与骨组织之间有良好的大姨妈相容性和耐腐蚀性，一盏茶有高强度和疲劳寿命，良好的耐磨性，良好的加工性等。 作为人工关节的材料，有超高分子聚乙烯、不锈钢、钛合金、钴铬钼合金、瓷混合双打、硅橡胶、碳质材料，其中瓷混合双打材料越来越受到重视。 由于以上材料的

16、使用，人工关节的适应范围和效果有了很大的发展。 从临床应用来看，这些个材料的人工关节并未引起抗原性反应和癌发生。 金属材料的磨削屑可以提高感染率。 单纯的钛耐磨性差，但钛合金可以提高耐磨性。 钴铬钼合金也具有良好的耐磨性，但与骨头相比，硬度过大：另外碳质材料具有良好的生物相容性，在力学性质上耐磨性强。 其力学性质与密质骨相近，疲劳寿命长，但强度低，现在只用于小关节。 据动物实验显示，钴铬钼合金的性生理相容性好，但长期使用该基体金属制作的人工关节，血液和头发中钴的含量显着增加。 超高分子聚乙烯具有高疏水性，耐磨耗性，多用作人工关节臼。 陶瓷材料具有一盏茶强度，耐磨性能优异。 硅橡胶的性生理相容性

17、好，但强度低，也用于小关节。 人工关节材料有很多优点，但还没有克服的缺点，如金属的电解、疲劳、腐蚀、磨损、松弛、骨吸收等，塑料材料的老化、变脆陶瓷的优点很多，但其质量脆、易折断。 致癌作用对这些个材料的有木有尚未进行研究。 生物材料(Biomaterial ) :生物材料学是研究用于治疗或交换体内组织、器官或增强其功能的材料，以及这些个材料与生物的相互作用的学科。 生物材料是一种与人体组织、体液或血液接触或作用而对人体无毒、无副作用、无凝血、无溶血、不引起人体细胞突然变异、畸变和癌变，不引起免疫排斥和抗变态反应的特殊功能材料。 迄今为止，生物材料近千种，但广泛应用的只有十侑种。 这些个的材料主

18、要分为医用合成和天然高分子材料、医用金属材料、医用蜂窝混合双打、医用碳素材料、它们的复合材料等。 比较活跃的研发领域有高抗凝血材料、生物活性蜂窝混合双打和玻璃、钛和钛合金、生物活性缓释和靶药物载体材料、生物粘合剂、吸收性生物材料、壳多糖及其诱导体的医学应用等。 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.具有一定的机械强度(机械性能)3.具有一定的寿命(耐生物老化性能)。 生物材料包括人工心瓣膜、人造血管、人工骨和关节、医用导管、牙科材料、外科手术缝合线、药物缓释载体、透析和超滤膜材料及一次性物品及植入性医疗产品等. 材料技术的发展趋势之一是尺度向越来越小的方向发展，构成在先材料的粒子，其尺寸为微米(一百万分之一米)级，而现在出现了发展为纳米(十亿分之一米)尺度的材料。 纳米科学是继网际网络和基因之后备受关注的另一大无线热点。 洞察微观世界的秘密需要用机器扩大视野，伸出双手。 年代初期，公司在世界上首次研制了表面