生物医学工程学的基础理论(课堂PPT)

1、戴启军 生物医学工程系 w生物医学工程学的内涵生物医学工程学的内涵 w生物医学工程学的基础理论生物医学工程学的基础理论 w生物医学工程学的应用技术生物医学工程学的应用技术 w生物医学工程学的新理论和新技术生物医学工程学的新理论和新技术 生物电磁学 w生物电磁学的早期研究生物电磁学的早期研究 w生物电磁学的定义及其研究范围生物电磁学的定义及其研究范围 w生物电磁现象生物电磁现象 w电磁波的生物学效应及其在医学上的应用电磁波的生物学效应及其在医学上的应用 w生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准 w生物电磁场热点问题生物电磁场热点问题 wGalvani wVolt w

2、Einthoven wBerger wMcFee w生物电磁学是研究生物体电现象和磁现象生物电磁学是研究生物体电现象和磁现象 以及生物电磁的应用的一门学科。以及生物电磁的应用的一门学科。 w生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之 上的侧重于从宏观角度研究生物电现象和上的侧重于从宏观角度研究生物电现象和 生物磁现象。生物磁现象。 w现代生物电磁学在很多方面都已深入到细现代生物电磁学在很多方面都已深入到细 胞级甚至是分子级的研究水平。胞级甚至是分子级的研究水平。 w外界电磁波（场）与生物体的相互作用外界电磁波（场）与生物体的相互作用 a主要包括生物组织的介电特性、

3、各层次的生物主要包括生物组织的介电特性、各层次的生物 学效应及其作用机理、生物电磁剂量容许暴露学效应及其作用机理、生物电磁剂量容许暴露 限值、生物医学中的应用及用于生物和医疗的限值、生物医学中的应用及用于生物和医疗的 辐射系统等。辐射系统等。Bioelectromagnetics w生物体自身产生的电磁现象生物体自身产生的电磁现象 a主要包括电磁现象的产生机理，电磁信号的测主要包括电磁现象的产生机理，电磁信号的测 量、处理和应用等。量、处理和应用等。 Bioelectromagnetism w生物电现象生物电现象 a心电心电 a脑电脑电 a肌电肌电 a其它生物电其它生物电 w生物磁场现象生物磁

4、场现象 w心脏的传导系统心脏的传导系统是指由一系列特殊心脏细是指由一系列特殊心脏细 胞联结组成的传导系统。胞联结组成的传导系统。 w心脏传导系统的细胞组织既有自动产生心脏传导系统的细胞组织既有自动产生兴兴 奋奋的功能，又有较一般心肌细胞更快的的功能，又有较一般心肌细胞更快的传传 导导功能，使兴奋有节律地按一定顺序传播，功能，使兴奋有节律地按一定顺序传播， 使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张， 以维持血液循环。以维持血液循环。 w心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在 兴奋过程中产生微弱电流，该电流经人体兴奋过程中产生微弱电流

5、，该电流经人体 组织向各部分传导。组织向各部分传导。 w由于身体各部分的组织不同，各部分与心由于身体各部分的组织不同，各部分与心 脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，脏间的距离不同，因此在人体体表各部位， 表现出表现出不同的电位变化不同的电位变化，这种人体心脏内，这种人体心脏内 电活动所产生的表面电位与时间的关系称电活动所产生的表面电位与时间的关系称 为为心电图心电图，也称，也称体表心电图体表心电图。 w心电活动的信息可以通过固定在皮肤上的心电活动的信息可以通过固定在皮肤上的 电极取得。电极取得。 w根据电极放置位置的不同可组成各种导联。根据电极放置位置的不同可组成各种导联。 在实用上为了统

6、一标准以便进行对比分析，在实用上为了统一标准以便进行对比分析， 国际上均采用标准国际上均采用标准12导联。导联。 w心导管术心导管术 w希氏束电图希氏束电图 w心室晚电位心室晚电位 w体表等电位标测体表等电位标测 wHolter动态心电图动态心电图 w高频心电图高频心电图 w心电正问题是在已知心脏状态下，依据心心电正问题是在已知心脏状态下，依据心 肌的电生理特性参数，通过建立心脏模型肌的电生理特性参数，通过建立心脏模型 和人体躯干模型用仿真的方法来研究心肌和人体躯干模型用仿真的方法来研究心肌 的兴奋是如何传播及如和形成体表电位的。的兴奋是如何传播及如和形成体表电位的。 w正常心脏状态下，窦房结

7、周期性产生的兴正常心脏状态下，窦房结周期性产生的兴 奋按心房肌、房室结、奋按心房肌、房室结、His束、左右束支、束、左右束支、 浦肯野氏纤维网和心室肌这样一个顺序传浦肯野氏纤维网和心室肌这样一个顺序传 播的。播的。 w心电仿真首先按某一仿真算法模拟这个兴心电仿真首先按某一仿真算法模拟这个兴 奋传播过程，然后由心动周期中某一时刻奋传播过程，然后由心动周期中某一时刻 各兴奋的心肌所产生的动作电位求出该时各兴奋的心肌所产生的动作电位求出该时 刻的心电源大小，再用边界元法等数值算刻的心电源大小，再用边界元法等数值算 法求出心电源在体表产生的电位。法求出心电源在体表产生的电位。 w有了心电仿真模型，通过

8、设置其模型参数有了心电仿真模型，通过设置其模型参数 可以仿真多种心脏病。可以仿真多种心脏病。 a例如，通过去除心脏模型中某一区域的心肌单例如，通过去除心脏模型中某一区域的心肌单 元可以仿真心肌梗塞；通过减慢束支的兴奋传元可以仿真心肌梗塞；通过减慢束支的兴奋传 导速度可以仿真束支传导阻滞；通过设置预激导速度可以仿真束支传导阻滞；通过设置预激 点可以仿真预激综合征；通过增加心室的心肌点可以仿真预激综合征；通过增加心室的心肌 单元可以仿真心室肥大等等。单元可以仿真心室肥大等等。 w只要你有充分的想象力，你可以利用心电只要你有充分的想象力，你可以利用心电 仿真模型来研究任意心脏生理病理状态下仿真模型来

9、研究任意心脏生理病理状态下 的电兴奋传播过程及其在体表面产生的电的电兴奋传播过程及其在体表面产生的电 位分布。位分布。 w应用心电仿真模型还可以应用心电仿真模型还可以研究许多心脏病研究许多心脏病 的形成机理的形成机理。例如。例如 a引发心律失常的折返的形成机理是什么引发心律失常的折返的形成机理是什么? a在什么样的情况下才能建立起折返在什么样的情况下才能建立起折返? a心肌兴奋传播的速度对心律失常有何影响？心肌兴奋传播的速度对心律失常有何影响？ a心肌缺血达到何种程度才能在心电图上有所反心肌缺血达到何种程度才能在心电图上有所反 映？映？ a a这些对心脏病的诊断特别是这些对心脏病的诊断特别是定

10、量诊断定量诊断方面有重方面有重 要意义。要意义。 w心电逆问题是指根据体表电位的分布、人心电逆问题是指根据体表电位的分布、人 体的几何形状以及躯干容积导体的电特性，体的几何形状以及躯干容积导体的电特性， 通过数学物理方法来求得心脏电活动的定通过数学物理方法来求得心脏电活动的定 量解。量解。 w心电正问题心电正问题：通过设置心电仿真模型的模：通过设置心电仿真模型的模 型参数，可以研究不同心脏生理病理状态型参数，可以研究不同心脏生理病理状态 下的体表电位分布情况。下的体表电位分布情况。 w心电逆问题心电逆问题：如果能从体表电位逆推出心：如果能从体表电位逆推出心 电仿真模型的模型参数，那么由这些模型

11、电仿真模型的模型参数，那么由这些模型 参数就可确定心脏所处的状态。参数就可确定心脏所处的状态。 w利用心电逆问题的解反映出病变心肌的位利用心电逆问题的解反映出病变心肌的位 置、大小及病变程度等定量信息置、大小及病变程度等定量信息。 w人类大脑神经细胞数量达人类大脑神经细胞数量达150亿个。神经元亿个。神经元 像人体中的其他细胞一样，具有生物电活像人体中的其他细胞一样，具有生物电活 动。动。 w大脑皮层中单个神经元的膜电位通常在头大脑皮层中单个神经元的膜电位通常在头 皮上检测不到，在头皮上检测到的电位变皮上检测不到，在头皮上检测到的电位变 化化脑电波脑电波是由大脑皮层中无数个神经是由大脑皮层中无

12、数个神经 元同步化的电活动所形成。元同步化的电活动所形成。 w脑电图的医学应用脑电图的医学应用 a脑功能的临床诊断和神经生理研究脑功能的临床诊断和神经生理研究 w诸如诊断颅内占位性病变、癫痫、针麻观察及航空诸如诊断颅内占位性病变、癫痫、针麻观察及航空 神经生理研究等。神经生理研究等。 w脑电图的记录方法脑电图的记录方法 a电极在头皮上安放的方法通常采用电极在头皮上安放的方法通常采用国际标准国际标准 10/20电极位置系统电极位置系统。 a和心电图相同，脑电图的电极连接可采用和心电图相同，脑电图的电极连接可采用单极单极 或或双极导联双极导联方式。方式。 w自发脑电图自发脑电图（EEG）产生的基本

13、原理产生的基本原理 a脑神经细胞的生物电活动。脑神经细胞的生物电活动。 a同步化作用通常被认为受脑干（皮下层中枢）同步化作用通常被认为受脑干（皮下层中枢） 的控制。因此，大脑皮层具有持续、广泛而有的控制。因此，大脑皮层具有持续、广泛而有 节律的电位变化，这种不受外界刺激的脑电变节律的电位变化，这种不受外界刺激的脑电变 化称为化称为自发脑电位自发脑电位。 w诱发脑电位诱发脑电位（EP） a脑的自发电活动（脑电）可以为直接的或外界脑的自发电活动（脑电）可以为直接的或外界 的确定性刺激（电、光、声等刺激）所影响，的确定性刺激（电、光、声等刺激）所影响， 产生另一种局部化的电位变化称为产生另一种局部化

14、的电位变化称为诱发脑电位诱发脑电位。 w脑电图的特点脑电图的特点 a脑电图是一种随机性很强的生理信号，其规律脑电图是一种随机性很强的生理信号，其规律 性不如心电图明确，通常将脑电图的性不如心电图明确，通常将脑电图的振幅振幅和和频频 率成分率成分作为脑电诊断时的主要依据，而频率成作为脑电诊断时的主要依据，而频率成 分显得尤为重要，因为大脑活动的程度与脑电分显得尤为重要，因为大脑活动的程度与脑电 图的平均频率之间有密切的关系。图的平均频率之间有密切的关系。 a在国际上，一般将正常脑电活动相关的脑电波在国际上，一般将正常脑电活动相关的脑电波 频率范围划分成五种类型，频率由高到低依次频率范围划分成五种

15、类型，频率由高到低依次 为为波、波、波、波、波、波、波、波、波。波。 a波通常在觉醒、安静和闭眼时出现在枕叶。波通常在觉醒、安静和闭眼时出现在枕叶。 a波具有较高的频率，常见于紧张的精神活动波具有较高的频率，常见于紧张的精神活动 期间。期间。 a波主要见于儿童和成人浅睡时，出现在顶部波主要见于儿童和成人浅睡时，出现在顶部 和颞部。和颞部。 a波出现于成人深睡时，以及早产婴儿和幼儿。波出现于成人深睡时，以及早产婴儿和幼儿。 成人极度疲劳和麻醉时也出现成人极度疲劳和麻醉时也出现波。波。 a波是由注意或感觉刺激引起的一种低幅高频波是由注意或感觉刺激引起的一种低幅高频 波。波。 a自发脑电活动通常以一

16、种占优势的频率为其标自发脑电活动通常以一种占优势的频率为其标 志。志。 a自发脑电信号较弱，在正常情况下，从波峰到自发脑电信号较弱，在正常情况下，从波峰到 波谷（幅值）为波谷（幅值）为10-100V，其频率范围为，其频率范围为 150Hz。 a波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠 的水平有关，且存在很大的个体差异。也就是的水平有关，且存在很大的个体差异。也就是 说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表 现。现。 w脑电图波可以因大脑皮层和脑干病理所改脑电图波可以因大脑皮层和脑干病理所改 变。变。 a例如皮层中电

17、活动的消失或阻尼可能是由于肿例如皮层中电活动的消失或阻尼可能是由于肿 瘤压迫在神经元上并使其损伤，也可能是由于瘤压迫在神经元上并使其损伤，也可能是由于 循环障碍引起缺氧，出血或栓塞。循环障碍引起缺氧，出血或栓塞。 a脑电图的波形也受影响意识水平的脑干中的病脑电图的波形也受影响意识水平的脑干中的病 理过程所影响。理过程所影响。 w脑电图是诊断某些精神疾患的重要依据。脑电图是诊断某些精神疾患的重要依据。 a例如在临床上可检查疑似癫痫和脑肿瘤病人，例如在临床上可检查疑似癫痫和脑肿瘤病人， 还可以用于测定意识水平和确定大脑的死亡。还可以用于测定意识水平和确定大脑的死亡。 w采用诱发电位研究采用诱发电位

18、研究感觉系统投射部位感觉系统投射部位及及大大 脑皮层功能脑皮层功能有重要作用。诱发电位可在脑有重要作用。诱发电位可在脑 皮层和中枢神经系统的其他部位（如丘脑、皮层和中枢神经系统的其他部位（如丘脑、 中脑等）引出。可从一个角度阐明中枢神中脑等）引出。可从一个角度阐明中枢神 经系统各部分之间、大脑皮层各部分以及经系统各部分之间、大脑皮层各部分以及 皮层下不同细胞成分相互作用的机制。皮层下不同细胞成分相互作用的机制。 w人的精神状态对脑电活动有极大影响，因人的精神状态对脑电活动有极大影响，因 此，脑电图对此，脑电图对高级神经活动高级神经活动特别是特别是心理活心理活 动动具有重要意义，这对于模拟大脑功

19、能及具有重要意义，这对于模拟大脑功能及 认知研究、人工智能研究等都具有非常重认知研究、人工智能研究等都具有非常重 要的意义。要的意义。 w人体骨骼肌数以百计。每块肌肉都有许多人体骨骼肌数以百计。每块肌肉都有许多 肌细胞（肌纤维）借结缔组织连接在一起，肌细胞（肌纤维）借结缔组织连接在一起， 两端和肌腱相连，加上供应它们的神经、两端和肌腱相连，加上供应它们的神经、 血管和淋巴管共同形成。每块肌肉附着在血管和淋巴管共同形成。每块肌肉附着在 骨骼及其他结缔组织上，在神经系统的管骨骼及其他结缔组织上，在神经系统的管 理下，成为一个具有执行一定运动机能的理下，成为一个具有执行一定运动机能的 机械效应系统。

20、机械效应系统。 w兴奋和收缩是骨骼肌的最基本机能，也是兴奋和收缩是骨骼肌的最基本机能，也是 肌电图形成的基础。肌电图形成的基础。肌电图肌电图是不同机能状是不同机能状 态下骨骼肌电位变化的记录，这种电位变态下骨骼肌电位变化的记录，这种电位变 化与肌肉的结构、收缩时的化学变化有关。化与肌肉的结构、收缩时的化学变化有关。 w在肌细胞中存在在肌细胞中存在4种种不同的生物电位：静息不同的生物电位：静息 电位（电位（RP）、动作电位（）、动作电位（AP）、终板电位）、终板电位 （EPP）和损伤电位（）和损伤电位（IP）。）。 w肌电图能直接反映肌电图能直接反映肌肉活动的机能状态肌肉活动的机能状态， 有助于

21、了解各部分肌肉在完成某一动作中有助于了解各部分肌肉在完成某一动作中 所表现的作用。所表现的作用。 w在临床上，肌电图机可用来对多种肌肉在临床上，肌电图机可用来对多种肌肉/神神 经性疾患进行诊断。经性疾患进行诊断。 a例如可用肌电图来鉴别神经性肌萎缩以及肌源例如可用肌电图来鉴别神经性肌萎缩以及肌源 性肌萎缩；判别神经损伤的程度和部位；可作性肌萎缩；判别神经损伤的程度和部位；可作 神经再生和矫形手术前后肌肉功能的分析；可神经再生和矫形手术前后肌肉功能的分析；可 用来作针灸、针麻、咀嚼肌功能、膀胱括约肌用来作针灸、针麻、咀嚼肌功能、膀胱括约肌 功能、子宫功能等研究的手段。功能、子宫功能等研究的手段。

22、 a在运动医学方面，肌电图机也可用来分析各种在运动医学方面，肌电图机也可用来分析各种 运动时肌肉的作用、力量和疲劳的肌电图指标运动时肌肉的作用、力量和疲劳的肌电图指标 等。等。 w生物体除心脏及脑的活动能产生电现象外，生物体除心脏及脑的活动能产生电现象外， 许多其他器官、组织都存在不同程度的电许多其他器官、组织都存在不同程度的电 现象。现象。 a视网膜电图、眼电图及眼震电图视网膜电图、眼电图及眼震电图 a胃电图（胃电图（EGG） w热效应热效应 w非热效应非热效应 w除利用电磁波的生物效应用于疾病的治疗除利用电磁波的生物效应用于疾病的治疗 或辅助治疗外，利用外加电磁波进行生物或辅助治疗外，利用

23、外加电磁波进行生物 医学医学检测检测的临床应用和研究也进一步深入。的临床应用和研究也进一步深入。 w电磁波生物医学检测就是利用外加电磁波电磁波生物医学检测就是利用外加电磁波 作用于生物组织的电磁能，经组织传输、作用于生物组织的电磁能，经组织传输、 吸收和散射，被反射或透射的信号将携带吸收和散射，被反射或透射的信号将携带 生物体的物理或几何信息，通过检测和分生物体的物理或几何信息，通过检测和分 析这些信号可获得有关生物学信息，利用析这些信号可获得有关生物学信息，利用 不同的参数可进行生物成分、结构和功能不同的参数可进行生物成分、结构和功能 的检测分析。的检测分析。 a如核磁共振技术和核磁共振成像

24、技术、微波介如核磁共振技术和核磁共振成像技术、微波介 电特性成像、微波热弹性成像、微波多普勒检电特性成像、微波热弹性成像、微波多普勒检 测、生物介电谱技术等，都有不同程度的实际测、生物介电谱技术等，都有不同程度的实际 应用。应用。 w微波微波的医学应用包括有微波诊断、微波治的医学应用包括有微波诊断、微波治 疗、微波消毒、杀菌等。目前，微波在透疗、微波消毒、杀菌等。目前，微波在透 热疗法及肿瘤治疗等方面也发挥了重要作热疗法及肿瘤治疗等方面也发挥了重要作 用。用。 w微波辐射对人体和动物的作用是热效应和微波辐射对人体和动物的作用是热效应和 非热效应共同作用的结果。当辐射功率超非热效应共同作用的结果

25、。当辐射功率超 过一定阈值后，以热效应为主，其生物学过一定阈值后，以热效应为主，其生物学 效应与其他热引起的效应相似。效应与其他热引起的效应相似。 w微波选择性局部加微波选择性局部加热热，是一种有效的现代，是一种有效的现代 化热疗方法，适量的局部照射，可提高局化热疗方法，适量的局部照射，可提高局 部生物组织的新陈代谢，诱导产生一系列部生物组织的新陈代谢，诱导产生一系列 的物理化学变化，达到解痉镇痛、抗炎脱的物理化学变化，达到解痉镇痛、抗炎脱 敏、促进生长等作用。敏、促进生长等作用。 w根据照射能量的不同可分为温热治疗、高根据照射能量的不同可分为温热治疗、高 温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法。

26、温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法。 w根据使用频率的不同，而对皮肤的穿透深根据使用频率的不同，而对皮肤的穿透深 度不同，又可分为浅表热疗、深部透热治度不同，又可分为浅表热疗、深部透热治 疗。疗。 w微波对人体和动物的作用具有两重性。微波对人体和动物的作用具有两重性。 a一方面，如果辐射剂量控制适当，对人体和动一方面，如果辐射剂量控制适当，对人体和动 物可以产生良好的刺激作用：加速血液循环，物可以产生良好的刺激作用：加速血液循环， 血管扩张；刺激器官功能，促进新陈代谢，改血管扩张；刺激器官功能，促进新陈代谢，改 善局部营养，从而促进机体的修复与再生；甚善局部营养，从而促进机体的修复与再生；甚

27、至选择性杀灭肿瘤细胞，增强机体抗电离辐射至选择性杀灭肿瘤细胞，增强机体抗电离辐射 的能力。因此微波辐射疗法已广泛应用于临床。的能力。因此微波辐射疗法已广泛应用于临床。 a另一方面，高强度微波辐射或低强度的长期照另一方面，高强度微波辐射或低强度的长期照 射都有可能对人体健康产生不良影响，形成所射都有可能对人体健康产生不良影响，形成所 谓的谓的“无线电波作用综合征无线电波作用综合征”。 w毫米波是指自由空间波长在毫米波是指自由空间波长在110mm的电磁的电磁 波，相应的频率范围是波，相应的频率范围是30300GHz，处于，处于 微波波段的高频段。微波波段的高频段。 w毫米波在生物效应方面的特点，使

28、其在医毫米波在生物效应方面的特点，使其在医 学临床应用中有某些学临床应用中有某些特色和优点特色和优点。 a具有非侵入性，对机体无损伤，易于配合药物具有非侵入性，对机体无损伤，易于配合药物 或其他疗法进行治疗。或其他疗法进行治疗。 a治疗剂量小，基本无变态反应，无副作用和远治疗剂量小，基本无变态反应，无副作用和远 期后遗症。期后遗症。 a毫米波能提高机体的总紧张度，从而使患者有毫米波能提高机体的总紧张度，从而使患者有 舒服的感觉；有抗应激因子的作用，能提高机舒服的感觉；有抗应激因子的作用，能提高机 体的免疫力；还可镇定止痛。体的免疫力；还可镇定止痛。 a能改善人体的耐毒状态，提高血液的质量，而能

29、改善人体的耐毒状态，提高血液的质量，而 且有明显的升白作用。且有明显的升白作用。 w生物电流是引起生物磁场的源泉。生物电流是引起生物磁场的源泉。 w由生物磁性材料产生的感应场。由生物磁性材料产生的感应场。 w生物体本身含有的磁性物质产生的磁场。生物体本身含有的磁性物质产生的磁场。 w测定生物磁场时，无需使用电极就能测得测定生物磁场时，无需使用电极就能测得 生物组织的内源电流。生物组织的内源电流。 w可以同时测量恒定的生物磁场和交变的生可以同时测量恒定的生物磁场和交变的生 物磁场。物磁场。 w可以获得生物磁场的三维空间分布。可以获得生物磁场的三维空间分布。 w通过测量体外磁场强度和分布，可以了解

30、通过测量体外磁场强度和分布，可以了解 体内强磁性物质的含量和分布，有助于诊体内强磁性物质的含量和分布，有助于诊 断和检查某些职业病。断和检查某些职业病。 w人体磁性活动具有普遍性，但限于检测水人体磁性活动具有普遍性，但限于检测水 平和应用，目前探测到的只有心磁场、脑平和应用，目前探测到的只有心磁场、脑 磁场、肺磁场、肌磁场、眼磁场、肝磁场磁场、肺磁场、肌磁场、眼磁场、肝磁场 等。等。 w1磁场的生物物理作用磁场的生物物理作用 w2引起生物效应的磁场的物理因素引起生物效应的磁场的物理因素 w3磁场对人体的作用磁场对人体的作用 w磁场疗法（简称磁场疗法（简称磁疗磁疗）是在人体的一定部）是在人体的一

31、定部 位（位（经穴经穴或患处）施加恒定或变化的磁场或患处）施加恒定或变化的磁场 治疗疾病的方法。治疗疾病的方法。 w磁场具有镇痛、镇静、上泻、消炎等功能。磁场具有镇痛、镇静、上泻、消炎等功能。 临床上已能治疗急性扭挫伤、腰肌劳损、临床上已能治疗急性扭挫伤、腰肌劳损、 风湿性关节炎、高血压、神经性头痛、支风湿性关节炎、高血压、神经性头痛、支 气管哮喘、功能性腹泻、痛经等数十种常气管哮喘、功能性腹泻、痛经等数十种常 见病和多发病。见病和多发病。 w确定什么样的电磁场产生何种效应，这就确定什么样的电磁场产生何种效应，这就 需要测定生物体在特定照射条件下所接受需要测定生物体在特定照射条件下所接受 的剂

32、量。的剂量。 w一般采用单位质量吸收的功率，描述生物一般采用单位质量吸收的功率，描述生物 体受到电磁场作用的实际强度，方法学上体受到电磁场作用的实际强度，方法学上 又分为又分为理论剂量学理论剂量学和和实验计量学实验计量学。 w为了防止电磁场有害效应对人类健康产生为了防止电磁场有害效应对人类健康产生 危害，需要研究人体接受照射的安全电平危害，需要研究人体接受照射的安全电平 和各种电磁设备的容许泄露电平，从而制和各种电磁设备的容许泄露电平，从而制 定出电磁辐射卫生定出电磁辐射卫生标准标准，为环境控制和预，为环境控制和预 防医学服务。防医学服务。 w一、低强度低频磁场的生物学效应一、低强度低频磁场的

33、生物学效应 w二、通信系统电磁场的生物学效应二、通信系统电磁场的生物学效应 w三、毫米波非热生物学效应三、毫米波非热生物学效应 w四、电磁波热疗和电化学治疗四、电磁波热疗和电化学治疗 w五、磁刺激的医学应用五、磁刺激的医学应用 生物力学 w生物力学是应用力学原理和方法对生物体生物力学是应用力学原理和方法对生物体 中的力学问题进行定量研究的生物物理学中的力学问题进行定量研究的生物物理学 分支，是研究力与生物体运动、生理、病分支，是研究力与生物体运动、生理、病 理之间关系的学科。理之间关系的学科。 w生物力学是力学与生物学和医学交叉的学生物力学是力学与生物学和医学交叉的学 科，为解决生命科学的许多

34、问题提供了力科，为解决生命科学的许多问题提供了力 学的基本理论和分析方法，又为力学开辟学的基本理论和分析方法，又为力学开辟 了一个广阔的新领域。了一个广阔的新领域。 w生物力学的发展简史生物力学的发展简史 w生物力学的研究内容生物力学的研究内容 w生物力学的研究方法生物力学的研究方法 w生物力学的研究特点生物力学的研究特点 w哈维（哈维（Harvey） w马尔皮基（马尔皮基（Malpighi） w博雷利（博雷利（Borelli） w欧拉（欧拉（Euler） w兰姆（兰姆（Lamb） w托马斯托马斯杨（杨（Young） w黑尔斯黑尔斯 w泊肃叶（泊肃叶（Poiseuille） w赫姆霍兹（赫姆霍

35、兹（Helmholtz） w弗兰克（弗兰克（Frank） w斯塔林（斯塔林（Starling） w克劳（克劳（Krogh） w希尔（希尔（Hill） w冯元祯（冯元祯（Y. C. Fung） w生物力学的基础是能量守恒、动量定律、生物力学的基础是能量守恒、动量定律、 质量守恒三定律并加上描写物性的本构方质量守恒三定律并加上描写物性的本构方 程。程。 w生物力学研究的重点是与生理学、医学有生物力学研究的重点是与生理学、医学有 关的力学问题。关的力学问题。 w依研究对象的不同可分为依研究对象的不同可分为生物流体力学生物流体力学、 生物固体力学生物固体力学和和运动生物力学运动生物力学等。等。 w生物

36、力学的研究方法和其他各种物理问题生物力学的研究方法和其他各种物理问题 和工程问题的研究方法有较多的相似之处。和工程问题的研究方法有较多的相似之处。 主要通过三条途径来解决问题：主要通过三条途径来解决问题： a用解析或数值方法来求解数学模型用解析或数值方法来求解数学模型 a用试验的方法来测定物理模型或实际实验样品用试验的方法来测定物理模型或实际实验样品 a对现场进行分析研究对现场进行分析研究 a分析生物的形态，器官的解剖及组织的结构和分析生物的形态，器官的解剖及组织的结构和 微结构，以了解所研究对象的几何特点。微结构，以了解所研究对象的几何特点。 a测定组织和材料的力学性质，确定本构关系。测定组

37、织和材料的力学性质，确定本构关系。 a根据根据物理学中的基本原则物理学中的基本原则和组织的本构方程，和组织的本构方程， 导出其主要的微分和积分方程。导出其主要的微分和积分方程。 a分析器官工作的环境和状况，得到边界条件。分析器官工作的环境和状况，得到边界条件。 a用解析方法或数值方法求解边界值问题。用解析方法或数值方法求解边界值问题。 a做生理实验以验证上述问题的理论和数值解。做生理实验以验证上述问题的理论和数值解。 a探讨理论和实验在实际中的应用，并做进一步探讨理论和实验在实际中的应用，并做进一步 的改进。的改进。 w生物力学研究的对象是生物力学研究的对象是生物体生物体。 w作为实验对象的生

38、物材料，有作为实验对象的生物材料，有在体在体和和离体离体。 a在体生物材料一般处于受力状态（如血管、肌在体生物材料一般处于受力状态（如血管、肌 肉），一旦游离出来则处于自由状态，即非生肉），一旦游离出来则处于自由状态，即非生 理状态（如血管、肌肉一旦游离，即明显收缩理状态（如血管、肌肉一旦游离，即明显收缩 变短）。变短）。 a在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两种情况。在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两种情况。 医学超声 w频率在频率在20kHz以上的以上的机械波机械波称为称为超声波超声波。 a超声波是一种超声波是一种波动波动形式，可以用于探测人体的形式，可以用于探测人体的 生理和病理信息，这便

39、是生理和病理信息，这便是诊断超声诊断超声，其声强大，其声强大 小在小在0.150mW/cm2，频率在，频率在210MHz之间。之间。 a超声波又是一种超声波又是一种能量能量形式。当达到一定剂量的形式。当达到一定剂量的 超声波在生物体系内传播时，通过它们之间一超声波在生物体系内传播时，通过它们之间一 定的相互作用，可能引起生物体系的功能或结定的相互作用，可能引起生物体系的功能或结 构发生变化，这便是构发生变化，这便是功率超声功率超声，其声强大小从，其声强大小从 每平方厘米零点几瓦到每平方厘米几百瓦，频每平方厘米零点几瓦到每平方厘米几百瓦，频 率在率在2050kHz之间。之间。 w研究超声波与生物

40、组织（主要指人体组织）研究超声波与生物组织（主要指人体组织） 的相互作用机理、规律及其应用的学科分的相互作用机理、规律及其应用的学科分 支称为支称为医学超声医学超声。 w医学超声：超声诊断和超声治疗。医学超声：超声诊断和超声治疗。 a超声诊断超声诊断研究如何利用各种组织的差异来区分研究如何利用各种组织的差异来区分 不同组织，特别是区分正常和病变组织。超声不同组织，特别是区分正常和病变组织。超声 波在生物组织中的传播规律及诊断信息提取方波在生物组织中的传播规律及诊断信息提取方 法是法是超声诊断的物理基础超声诊断的物理基础。 a超声治疗超声治疗则研究如何利用则研究如何利用超声波的生物效应超声波的生

41、物效应来来 治疗某些疾病，其物理基础是超声生物效应的治疗某些疾病，其物理基础是超声生物效应的 机理和超声计量学。机理和超声计量学。 生物医学光子学 Biomedical Photonics w1光与生物的关系光与生物的关系 w2生物医学光子学的定义生物医学光子学的定义 w3生物医学光子学的发展（理论基础、技生物医学光子学的发展（理论基础、技 术基础和发展动力）术基础和发展动力） w4生物医学光子学的发展特点生物医学光子学的发展特点 w5生物医学光子学研究的基本步骤生物医学光子学研究的基本步骤 w6生物医学光子学的研究内容生物医学光子学的研究内容 w人类利用光的方法可分为三类人类利用光的方法可分

42、为三类 a将光作为将光作为能量的载体能量的载体 a将光作为将光作为信息的载体信息的载体 a将光作为将光作为科学研究的工具科学研究的工具 w生物医学光子学是关于光子在生物、医学生物医学光子学是关于光子在生物、医学 中应用的科学和技术。中应用的科学和技术。 a生物光子学生物光子学是利用光子来研究生命的科学，具是利用光子来研究生命的科学，具 体地说是研究生物系统产生的光子以及光子学体地说是研究生物系统产生的光子以及光子学 在生物学研究、生物系统改造、农业及环境检在生物学研究、生物系统改造、农业及环境检 测方面的应用。测方面的应用。 a医学光子学医学光子学是光子学和现代医学相结合的产物，是光子学和现代

43、医学相结合的产物， 主要包括医学光子学基础、医学光学诊断技术主要包括医学光子学基础、医学光学诊断技术 和医学光学治疗技术。和医学光学治疗技术。 w生物医学光子学发展的生物医学光子学发展的理论基础理论基础应该归功应该归功 于量子理论的建立。于量子理论的建立。 w生物医学光子学发展的生物医学光子学发展的技术基础技术基础得益于得益于20 世纪一系列技术革命成果，其中最为重要世纪一系列技术革命成果，其中最为重要 的应该是激光技术、微电子技术和纳米技的应该是激光技术、微电子技术和纳米技 术的发展及应用。术的发展及应用。 w人们对认识世界的不断追求和对于自身健人们对认识世界的不断追求和对于自身健 康及生活

44、质量的日益关切，构成了并且会康及生活质量的日益关切，构成了并且会 继续成为生物医学光子学继续成为生物医学光子学发展的强大动力发展的强大动力。 w生物医学光子学除了对生物或医学学科本生物医学光子学除了对生物或医学学科本 身的发展具有促进作用外，其本身也不断身的发展具有促进作用外，其本身也不断 地对工学、物理学、化学等学科提出新的地对工学、物理学、化学等学科提出新的 课题，更重要的是它的发展需要并促进了课题，更重要的是它的发展需要并促进了 这些学科的交叉和技术的融合。这些学科的交叉和技术的融合。 w光与物质的相互作用的原理、方法和特点。光与物质的相互作用的原理、方法和特点。 w光在人体中的传播的规

45、律。光在人体中的传播的规律。 w用于人体的光发射系统和接收系统。用于人体的光发射系统和接收系统。 w物理模型和定量方法。物理模型和定量方法。 w光与物质的相互作用（特别是光与生物组光与物质的相互作用（特别是光与生物组 织体的相互作用）中的原理、方法和特点织体的相互作用）中的原理、方法和特点 a包括生物组织中的主要吸收物质、分子的振动包括生物组织中的主要吸收物质、分子的振动 及分子吸收光谱的基本测量原理、组织体的发及分子吸收光谱的基本测量原理、组织体的发 光、组织体对光的散射效应、光与生物组织的光、组织体对光的散射效应、光与生物组织的 其他作用（光热、光声、光化学和光机械效其他作用（光热、光声、

46、光化学和光机械效 应）。应）。 w光在人体中的传播的规律光在人体中的传播的规律 a光在组织体中传播的数学模型光在组织体中传播的数学模型 a组织体光学特性的参数组织体光学特性的参数 a获得光在组织体内传播特性的方法获得光在组织体内传播特性的方法 w用于人体的光发射系统和接收系统用于人体的光发射系统和接收系统 a通常来源于人体的信号构成极其复杂且非常微通常来源于人体的信号构成极其复杂且非常微 弱，所以必须研究常用的微弱信号检测方法及弱，所以必须研究常用的微弱信号检测方法及 系统。系统。 a在选择光的发射和接收系统时所要考虑的问题。在选择光的发射和接收系统时所要考虑的问题。 w物理模型和定量方法物理

47、模型和定量方法 a从多成分或多分子的信号叠加而成的人体组织从多成分或多分子的信号叠加而成的人体组织 的复杂光谱信号中定量地提取感兴趣的参数的的复杂光谱信号中定量地提取感兴趣的参数的 方法和技术。方法和技术。 a在光不走直线的前提下实现人体组织的结构参在光不走直线的前提下实现人体组织的结构参 数或功能参数的三维成像的数学方法和技术。数或功能参数的三维成像的数学方法和技术。 生物医学材料 w生物医学材料的概念和分类生物医学材料的概念和分类 w发展方向发展方向 a纳米技术与生物材料纳米技术与生物材料 a药物控释技术与生物材料药物控释技术与生物材料 a生物可降解和生物活性材料生物可降解和生物活性材料

48、a组织工程材料组织工程材料 a生物材料表面生物化技术生物材料表面生物化技术 w生物医学材料是生物医学工程的生物医学材料是生物医学工程的物质基础物质基础。 w生物医学材料或叫生物材料，是和生物系生物医学材料或叫生物材料，是和生物系 统相作用，用以诊断、治疗修复或替换机统相作用，用以诊断、治疗修复或替换机 体中的组织、器官或增进其功能的材料。体中的组织、器官或增进其功能的材料。 w公元前公元前3500年，古埃及人和中国人等就利年，古埃及人和中国人等就利 用棉花纤维、马鬃做缝合线，用柳树枝和用棉花纤维、马鬃做缝合线，用柳树枝和 象牙修复失牙。象牙修复失牙。 w16世纪开始人们用黄金板修复颗骨，陶材世

49、纪开始人们用黄金板修复颗骨，陶材 或金属做齿根，用金属作固定骨折的内骨或金属做齿根，用金属作固定骨折的内骨 板等。板等。 w随着材料科学、生命科学和生物技术的发随着材料科学、生命科学和生物技术的发 展，使得人类在展，使得人类在分子水平分子水平上去认识材料和上去认识材料和 机体间的相互作用，构建生物结构和功能，机体间的相互作用，构建生物结构和功能， 使传统的使传统的无生命的材料无生命的材料通过参与生命组织通过参与生命组织 的活动，成为的活动，成为有生命组织的一部分有生命组织的一部分。 w生物医用材料科学将成为人类进入生物医用材料科学将成为人类进入“生物生物 技术世纪技术世纪”的重要基础。的重要基

50、础。 w20世纪，世纪，高分子、新型金属与陶瓷材料高分子、新型金属与陶瓷材料的的 发展为生物医学材料研究与应用提供了新发展为生物医学材料研究与应用提供了新 的机会。的机会。医疗水平医疗水平的提高和的提高和生活质量生活质量的改的改 善反过来也促进了生物医学材料的发展。善反过来也促进了生物医学材料的发展。 w目前可以说，从目前可以说，从天灵盖天灵盖到到脚趾骨脚趾骨，从人体，从人体 的的内脏内脏到到皮肤皮肤，从，从血液血液到到五官五官，除了，除了脑脑以以 及大多数及大多数内分泌器官内分泌器官外，大都有了代用的外，大都有了代用的 人工器官。人工器官。 w材料无毒，不致癌、不致畸，不引起人体材料无毒，不

51、致癌、不致畸，不引起人体 细胞的突变和不良组织反应细胞的突变和不良组织反应 w与人体与人体生物相容性生物相容性好，不引起中毒、溶血、好，不引起中毒、溶血、 凝血、发热和过敏等现象凝血、发热和过敏等现象 w具有与天然组织相适应的力学性能具有与天然组织相适应的力学性能 w针对不同的使用目的而具有特定的功能针对不同的使用目的而具有特定的功能 w必须具有良好的生物或组织相容性必须具有良好的生物或组织相容性 wA、生物功能性、生物功能性Biofunctionability wB、生物相容性、生物相容性Biocompatibility wC、生物安全性、生物安全性Biological Safety w生物

52、医学材料的生物功能性是指生物医学生物医学材料的生物功能性是指生物医学 材料在植入后行使功能的能力，或为执行材料在植入后行使功能的能力，或为执行 功能，其自身和植入位置应当满足的适当功能，其自身和植入位置应当满足的适当 的物理化学要求。的物理化学要求。 w生物医学材料能否有效行使功能，除与其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，还和其所处的自身物理化学性质相关外，还和其所处的 生物环境相关。生物环境相关。 w物理、化学性能要求物理、化学性能要求 a人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜耐磨、耐蚀耐磨、耐蚀 a颅骨修复材料颅骨修复材料强度、导热性强度、导热性 a齿科修复材料齿科修复材料硬

53、度、耐磨、导热性硬度、耐磨、导热性 a血管修复材料血管修复材料柔性、化学稳定性柔性、化学稳定性 a骨修复材料骨修复材料硬度、强度、弹性模量硬度、强度、弹性模量 a w生物相容性是指生命体组织与非生命材料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（生物学行为）的一产生合乎要求的反应（生物学行为）的一 种性能，决定于材料与活体间的相互作用。种性能，决定于材料与活体间的相互作用。 w生物医学材料植入人体后，其生物医学材料植入人体后，其宿主反应宿主反应和和 材料反应材料反应必须保持在可接受的水平。必须保持在可接受的水平。 w宿主反应宿主反应 a包括局部和全身反应，其结果导致对机体的毒包括

54、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。副作用和机体对材料的排斥。 a炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、 致诱变、致畸、免疫反应等致诱变、致畸、免疫反应等 w材料反应材料反应 a主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能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。使材料性质腐蚀变化，甚至破坏。 w材料的生物相容性与其使用的环境和条件材料的生物相容性与其使用的环境和条件 密切相关。密切相关。 a与血液直接接触的材料主要考察其与血液的相与血液直接接触的材料主要考察其与血液的相 互作用，称为互作用，称

55、为血液相容性血液相容性。 a与肌肉、骨骼、皮肤等长期接触材料的生物相与肌肉、骨骼、皮肤等长期接触材料的生物相 容性，称为容性，称为组织相容性组织相容性。 w采用生物学方法检测材料对受体的毒副作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用，从而预测该材料在医学实际应用中的 安全性。包括材料对受体局部组织、血液安全性。包括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。和整体的反应，对受体的遗传效应等。 w1992年，年，ISO制定颁布了医用装置的生物制定颁布了医用装置的生物 学评价标准：学评价标准：ISO10993-1992。 w1997年，中国医疗器

56、械生物学评价标准年，中国医疗器械生物学评价标准 GB/T16886采用了国际标准。采用了国际标准。 w按按与活体组织作用的方式与活体组织作用的方式分类分类 w按按材料的属性材料的属性分类分类 w根据与活体组织之间是否形成根据与活体组织之间是否形成化学键合化学键合的的 方式，生物医学材料可以分成两类：方式，生物医学材料可以分成两类： a生物惰性材料生物惰性材料 w一些氧化物陶瓷、医用碳素材料、及大多数医用金一些氧化物陶瓷、医用碳素材料、及大多数医用金 属和高分子材料都是生物惰性材料。属和高分子材料都是生物惰性材料。 a生物活性材料生物活性材料 w生物惰性材料是指生物惰性材料是指在生物体内能保持稳

57、定，在生物体内能保持稳定， 几乎不发生化学反应的材料。几乎不发生化学反应的材料。 w生物惰性材料植入体内后，基本上不发生生物惰性材料植入体内后，基本上不发生 化学反应和降解反应，它所引起的组织反化学反应和降解反应，它所引起的组织反 应，是围绕植入体的表面形成一层包被性应，是围绕植入体的表面形成一层包被性 纤维膜，与组织间的结合主要是靠组织长纤维膜，与组织间的结合主要是靠组织长 入其粗糙不平的表面或孔中，从而形成一入其粗糙不平的表面或孔中，从而形成一 种种物理嵌合物理嵌合。 w生物活性材料是指生物活性材料是指能在材料组织界面上能在材料组织界面上 诱出特殊生物或化学反应的材料，这种反诱出特殊生物或

58、化学反应的材料，这种反 应导致材料和组织之间形成化学键合。应导致材料和组织之间形成化学键合。 w生物活性的概念是由美国人生物活性的概念是由美国人L亨奇在亨奇在1969 年首先提出，按他的定义，生物医学材料年首先提出，按他的定义，生物医学材料 科学中所指的科学中所指的“生物活性生物活性”，其原义是一，其原义是一 种种特殊的能导致材料和组织在界面上形成特殊的能导致材料和组织在界面上形成 化学键接的性质化学键接的性质。但也有学者认为生物活。但也有学者认为生物活 性是性是增进细胞活性或促进新组织再生增进细胞活性或促进新组织再生的性的性 质。质。 生物医用金属材料生物医用金属材料 生物医用高分子材料生物

59、医用高分子材料 生物医用陶瓷或称生物陶瓷生物医用陶瓷或称生物陶瓷 生物医用复合材料生物医用复合材料 生物衍生材料生物衍生材料 组织工程材料组织工程材料 w生物医用金属材料又称医用金属材料，属生物医用金属材料又称医用金属材料，属 生物惰性材料生物惰性材料。 w1963年年Venable等人成功应用合金作内固定等人成功应用合金作内固定 器具，确立了金属植入物在医学上的地位。器具，确立了金属植入物在医学上的地位。 这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能， 是临床应用最广泛的承力植入体。除是临床应用最广泛的承力植入体。除力学力学 性能性能外，医用金属材料还必须具有优

60、良的外，医用金属材料还必须具有优良的 抗生理腐蚀性抗生理腐蚀性和和生物相容性生物相容性。 w第一阶段始于第一阶段始于1937年，特点是所用高分子年，特点是所用高分子 材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲 酯制造酯制造义齿的牙床义齿的牙床。 w第二阶段始于第二阶段始于1953年，以年，以医用有机硅橡胶医用有机硅橡胶 的出现为标志。的出现为标志。 w随后，又发展了随后，又发展了聚羟基乙酸酯缝合线聚羟基乙酸酯缝合线以及以及 聚酯类心血管材料聚酯类心血管材料替代生物组织的替代生物组织的高高 分子合成材料分子合成材料。 w目前研究热点目前研究热点 a具有具有主动诱导、