2020年生物科技行业生物医学工程学科分支及研究进展

1、（生物科技行业）生物医学 工程学科分支及研究进展20XX年XX月多年的企业咨询豉问经验.经过实战验证可以落地机行的卓越管理方案，值得您下载拥有生物医学工程学科分支及相关研究进展生物医学工程是壹门由理、工、医相结合的边缘学科，是多种工程学科向生物 医学渗透的产物。它是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的 角度，在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系，揭示其生命现象，为防 病、治病提供新的技术手段的壹门综合性、高技术的学科。有识之士认为，在新 世纪随着自然科学的不断发展，生物医学工程的发展前景不可估量。生物医学工 程学科是壹门高度综合的交叉学科，这是它最大的特点。生物医学工程的主

2、干学科是生物医学工程二级学科主要包括如下方面：1 .学习科学：研究学习的规律，研究学生如何有效地从原有知识和能力，向新知 识和能力的转移。2 .生物信息技术：实现生物技术和信息技术以及其他学科的有机结合，发展生物 信息高通量、高效、快速的提取方法，发展疾病检测的新方法和新技术，发展研 究药物和靶标作用的新方法，发展基因组数据、蛋白质组数据和结构基因组数据 的计算机处理、分析和可视化方法，解析生物大分子结构和功能之间关系等，提 高生物信息处理、分析和利用的水平，为我国生命科学和生物技术的源头创新奠 定基础03 .医学图像和医学电子学：医学图像处理和分析、计算机辅助诊断和治疗、医学 物理等，以及生

3、物、医学和工程学等领域理论和方法，且通过这些学科的交叉形 成了新型学科。4 .生物和医学纳米技术：包括纳米生物材料、纳米生物器件研究、纳米生物技术 在临床诊疗中的应用、纳米材料和器件的计算模拟。5 .生物医学材料：生物医用材料研究，用于人体、器官的诊断、修复、替换或增 进其功能。6 .医学信息学及工程：应用系统分析工具这壹新技术 （算法）来研究医学的管理、 过程控制、决策和对医学知识科学分析。学科内容生物力学是运用力学的理论和方法，研究生物组织和器官的力学特性，研究机体 力学特征和其功能的关系。生物力学的研究成果对了解人体伤病机理，确定治疗 方法有着重大意义，同时可为人工器官和组织的设计提供依

4、据。生物力学中又包括有生物流变学（血液流变学、软组织力学和骨骼力学）、循环系 统动力学和呼吸系统动力学等。目前生物力学在骨骼力学方面进展较快。生物控制论是研究生物体内各种调节、控制现象的机理，进而对生物体的生理和 病理现象进行控制，从而达到预防和治疗疾病的目的。其方法是对生物体的壹定 结构层次，从整体角度用综合的方法定量地研究其动态过程。生物效应是研究医学诊断和治疗中，各种因素可能对机体造成的危害和作用。它 要研究光、声、电磁辐射和核辐射等能量在机体内的传播和分布，以及其生物效 应和作用机理。生物材料是制作各种人工器官的物质基础，它必须满足各种器官对材料的各项要 求，包括强度、硬度、韧性、耐磨

5、性、挠度及表面特性等各种物理、机械等性能。 由于这些人工器官大多数是植入体内的，所以要求具有耐腐蚀性、化学稳定性、 无毒性，仍要求和机体组织或血液有相容性。这些材料包括金属、非金属及复合 材料、高分子材料等；目前轻合金材料的应用较为广泛。医学影像是临床诊断疾病的主要手段之壹，也是世界上开发科研的重点课题。医 用影像设备主要采用X射线、超声、放射性核素磁共振等进行成像。X射线成像装置主要有大型X射线机组、X射线数字减影（DSA）装置、电子计算 机X射线断层成像装置（CT）;超声成像装置有B型超声检查、彩色超声多普勒检 查等装置；放射性核素成像设备主要有 丫照相机、单光子发射计算机断层成像装 置和

6、正电子发射计算机断层成像装置等；磁成像设备有共振断层成像装置；此外 仍有红外线成像和正在兴起的阻抗成像技术等。医用电子仪器是采集、分析和处理人体生理信号的主要设备，如心电、脑电、肌 电图仪和多参量的监护仪等正在实现小型化和智能化。通过体液了解生物化学过 程的生物化学检验仪器已逐步走向微量化和自动化。治疗仪器设备的发展比诊断设备要稍差壹些。目前主要采用的是X射线、丫射线、 放射性核素、超声、微波和红外线等仪器设备。大型的如：直线加速器、 X射线 深部治疗机、体外碎石机、人工呼吸机等，小型的有激光腔内碎石机、激光针灸 仪以及电刺激仪等。手术室中的常规设备已从单纯的手术器械发展到高频电刀、激光刀、呼

7、吸麻醉机、监护仪、X射线电视，各种急救治疗仪如除颤器等。为了提高治疗效果，在现代化的医疗技术中，许多治疗系统内有诊断仪器或壹台治疗设备同时含有诊断功能，如除颤器带有诊断心脏功能和指导选定治疗参数的 心电监护仪，体外碎石机中装备了进行定位的 X射线和超声成像装置，而植入人 体中的人工心脏起搏器就具有感知心电的功能，从而能作出适应性的起搏治疗。介入放射学是放射学中发展速度最快的领域，也就是在进行介入治疗时，采用了诊断用的x射线或超声成像装置以及内窥镜等来进行诊断、引导和定位。它解决了很多诊断和治疗上的难题，用损伤较小的方法治疗疾病。目前各国竞相发展的高技术之壹为医学成像技术，其中以图像处理，阻抗成

8、像、 磁共振成像、三维成像技术以及图像存档和通信系统为主。在成像技术中生物磁成像是最新发展的课题，它是通过测量人体磁场，来对人体组织的电流进行成像。生物磁成像目前有二个方面。即心磁成像（可用以观察心肌纤维的电活动，能够很 好地反映出心律失常和心肌缺血）和脑磁成像（用以诊断癫痫活动、老年性痴呆和 获得性免疫缺陷综合征的脑侵入，仍能够对病损脑区进行定位和定量）。另壹个世界各国竞相发展的高技术是信号处理和分析技术，其中包括心电信号、脑电、眼震、语言、心音呼吸等信号和图形的处理和分析。高技术领域中仍有神经网络的研究，目前世界各国的科学家为此掀起了壹个研究 热潮。它被认为是有可能引起重大突破的新兴边缘学

9、科，它研究人脑的思维机理，将其成果应用于研制智能计算机技术。运用智能原理去解决各类实际难题，是神 经网络研究的目的，在这壹领域已取得可喜的成果。工程分支生物医用复合材料生物医用复合材料（biomedicalcompositematerials）是由俩种或俩种之上的不同材料复合而成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官 的制造1。长期临床应用发现，传统医用金属材料和高分子材料不具生物活性， 和组织不易牢固结合，在生理环境中或植入体内后受生理环境的影响，导致金属 离子或单体释放，造成对机体的不良影响。而生物陶瓷材料虽然具有良好的化学 稳定性和相容性、高的强度和耐磨、耐蚀性，但材料

10、的抗弯强度低、脆性大，在 生理环境中的疲劳和破坏强度不高，在没有补强措施的条件下，它只能应用于不 承受负荷或仅承受纯压应力负荷的情况。因此，单壹材料不能很好地满足临床应 用的要求。利用不同性质的材料复合而成的生物医用复合材料，不仅兼具组分材 料的性质，而且能够得到单组分材料不具备的新性能，为获得结构和性质类似于人体组织的生物医学材料开辟了壹条广阔的途径，生物医用复合材料必将成为生 物医用材料研究和发展中最为活跃的领域。1 .生物医用复合材料组分材料的选择要求生物医用复合材料根据应用需求进行设计，由基体材料和增强材料或功能材料组 成，复合材料的性质将取决于组分材料的性质、含量和它们之间的界面。常

11、用的 基体材料有医用高分子、医用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸钙基或其他 生物陶瓷、医用不锈钢、钻基合金等医用金属材料；增强体材料有碳纤维、不锈 钢和钛基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外仍有氧化 皓、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。植入体内的材料在人体复杂的生理环境中，长期受物理、化学、生物电等因素的 影响，同时各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用，因此，生物医用 组分材料必须满足下面几项要求：（1）具有良好的生物相容性和物理相容性， 保证 材料复合后不出现有损生物学性能的现象；（2）具有良好的生物稳定性，材料的结 构不因体液作用而有变化，同时材料

12、组成不引起生物体的生物反应；（3）具有足够 的强度和韧性，能够承受人体的机械作用力，所用材料和组织的弹性模量、硬度、 耐磨性能相适应，增强体材料仍必须具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能；具有良好的灭菌性能，保证生物材料在临床上的顺利应用。止匕外，生物材料要有 良好的成型、加工性能，不因成型加工困难而使其应用受到限制。2 .生物医用复合材料的研究现状和应用陶瓷基生物医用复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过不同方式引入颗粒、晶片、 品须或纤维等形状的增强体材料而获得的壹类复合材料。目前生物陶瓷基复合材料虽没有多少品种达到临床应用阶段，但它已成为生物陶瓷研究中最为活跃的领 域，其

13、研究主要集中于生物材料的活性和骨结合性能研究以及材料增强研究等。 A12O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就开始了临床应用研究，但它和生物 硬组织的结合为壹种机械的锁合。以高强度氧化物陶瓷为基材，掺入少量生物活 性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷优良力学性能的基础上赋予其壹定的生物活 性和骨结合能力。将具有不同膨胀系数的生物玻璃用高温熔烧或等离子喷涂的方 法，在致密A12O3陶瓷牌关节植入物表面进行涂层，试样经高温处理，大量的 A12O3进入玻璃层中，有效地增强了生物玻璃和 A12O3陶瓷的界面结合，复合 材料在缓冲溶液中反应数十分钟即可有羟基磷灰石的形成。为满足外科手术对生 物学性能和力

14、学性能的要求，人们又开始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷和生 物玻璃的复合研究，以使材料在气孔率、比表面积、生物活性和机械强度等方面 的综合性能得以改善。近年来，对羟基磷灰石 （HA）和磷酸三钙（TCP）复合材料的 研究也日益增多。30%HA 和70%TCP在1150c烧结，具平均抗弯强度达 155MPa ,优于纯HA和TCP陶瓷，研究发现HA-TCP致密复合材料的断裂主要 为穿晶断裂，其沿晶断裂的程度也大于纯单相陶瓷材料。HA-TCP多孔复合材料植入动物体内，其性能起初类似于 &TCP,而后具有HA的特性，通过调整HA 和TCP的比例，达到满足不同临床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末

15、和HA制备而 成的复合材料，植入兔骨中8周后取出，骨质和复合材料之间的剪切破坏强度达 27MPa ,比纯HA陶瓷有明显的提高。生物医用陶瓷材料生物医用陶瓷材料由于其结构本身的特点，其力学可靠性（尤其在湿生理环境中） 较差，生物陶瓷的活性研究及其和骨组织的结合性能研究，且未能解决材料固有 的脆性特征。因此生物陶瓷的增强研究成为另壹个研究重点，其增强方式主要有颗粒增强、晶须或纤维增强以及相变增韧和层状复合增强等 3, 57。当HA粉 末中添加10%50%的ZrO2粉末时，材料经13501400 c热压烧结，具强度 和韧性随烧结温度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的复合材料，抗折强度达400MPa

16、、断裂韧性为2.83.0MPam1/2。ZrO2增韧伊TCP复合材料，其弯 曲强度和断裂韧性也随ZrO2含量的增加而得到增强。纳米 SiC增强HA复合材 料比纯HA陶瓷的抗弯强度提高1.6倍、断裂韧性提高2倍、抗压强度提高1.4 倍，和生物硬组织的性能相当。晶须和纤维为陶瓷基复合材料的壹种有效增韧补 强材料，目前用于补强医用复合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纤维或晶须以及C纤维等，SiC晶须增强生物活性玻璃陶瓷材料，复合材料 的抗弯强度可达460MPa、断裂韧性达4.3MPam1/2 ,其韦布尔系数高。数字信号处理数字信号处理作为信号和信息处理的壹个分支学科，已渗

17、透到科学研究、技术开 发、工业生产、国防和国民经济的各个领域，取得了丰硕的成果。对信号在时域及变 换域的特性进行分析、处理，能使我们对信号的特性和本质有更清楚的认识和理 解，得到我们需要的信号形式，提高信息的利用程度，进而在更广和更深层次上 获取信息。数字信号处理系统的优越性表现为：1.灵活性好：当处理方法和参数发生变化时，处理系统只需通过改变软件设计以适应相应的变化。2.精度高：信号处理系统能够通过 A/D变换的位数、处理器的字长和适当的算法满足精度要 求。3.可靠性好：处理系统受环境温度、湿度，噪声及电磁场的干扰所造成的影 响较小。4.可大规模集成：随着半导体集成电路技术的发展，数字电路的

18、集成度能够作得很高，具有体积小、功耗小、产品壹致性好等优点然而，数字信号处理系统由于受到运算速度的限制，其实时性在相当长的时间内 远不如模拟信号处理系统，使得数字信号处理系统的应用受到了极大的限制和制 约。自70年代末80年代初DSP（数字信号处理）芯片诞生以来，这种情况得到了 极大的改善。DSP芯片，也称数字信号处理器，是壹种特别适合进行数字信号处 理运算的微处理器。DSP芯片的出现和发展，促进数字信号处理技术的提高，许 多新系统、新算法应运而生，其应用领域不断拓展。目前，DSP芯片已广泛应用于通信、自动控制、航天航空、军事、医疗等领域。70年代末80年代初，AMIX公司的S2811芯片，IntelX 公司的2902芯片 的诞生标志着DSP芯片的开端。随着半导体集成电路的飞速发展，高速实时数字 信号处理技术的要求和数字信号处理应用领域的不断延伸，在80年代初至今的十几年中，