生物医学工程学科分支及研究进展

1、.：.；生物医学工程学科分支及相关研讨进展生物医学工程是一门由理、工、医相结合的边缘学科,是多种工程学科向生物医学浸透的产物。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，在多层次上研讨人体的构造、功能及其相互关系，提示其生命景象，为防病、治病提供新的技术手段的一门综合性、高技术的学科。有识之士以为，在新世纪随着自然科学的不断开展，生物医学工程的开展前景不可估量。生物医学工程学科是一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：研讨学习的规律，研讨学生如何有效地从原有知识和才干，向新知识和才干的转移。 2.生物

2、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，开展生物信息高通量、高效、快速的提取方法，开展疾病检测的新方法和新技术，开展研讨药物与靶标作用的新方法，开展基因组数据、蛋白质组数据和构造基因组数据的计算机处置、分析和可视化方法，解析生物大分子构造和功能之间关系等，提高生物信息处置、分析和利用的程度，为我国生命科学和生物技术的源头创新奠定根底。 3.医学图像与医学电子学：医学图像处置和分析、计算机辅助诊断和治疗、医学物理等，以及生物、医学和工程学等领域实际和方法，并经过这些学科的交叉构成了新型学科。 4.生物与医学纳米技术：包括纳米生物资料、纳米生物器件研讨、纳米生物技术在临床诊疗中的运

3、用、纳米资料与器件的计算模拟。 5.生物医学资料：生物医用资料研讨，用于人体、器官的诊断、修复、交换或增进其功能。 6.医学信息学及工程：运用系统分析工具这一新技术算法来研讨医学的管理、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实际和方法，研讨生物组织和器官的力学特性，研讨机膂力学特征与其功能的关系。生物力学的研讨成果对了解人体伤病机理，确定治疗方法有着艰苦意义，同时可为人工器官和组织的设计提供根据。 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。 生物控制论是研讨生物体内各种调理、

4、控制景象的机理，进而对生物体的生理和病理景象进展控制，从而到达预防和治疗疾病的目的。其方法是对生物体的一定构造层次，从整体角度用综合的方法定量地研讨其动态过程。 生物效应是研讨医学诊断和治疗中，各种要素能够对机体呵斥的危害和作用。它要研讨光、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。 生物资料是制造各种人工器官的物质根底，它必需满足各种器官对资料的各项要求，包括强度、硬度、韧性、耐磨性、挠度及外表特性等各种物理、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，还要求与机体组织或血液有相容性。这些资料包括金属、非金属及复合

5、资料、高分子资料等；目前轻合金资料的运用较为广泛。 医学影像是临床诊断疾病的主要手段之一，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展成像。 X射线成像安装主要有大型X射线机组、X射线数字减影(DSA)安装、电子计算机X射线断层成像安装(CT)；超声成像安装有B型超声检查、彩色超声多普勒检查等安装；放射性核素成像设备主要有照相机、单光子发射计算机断层成像安装和正电子发射计算机断层成像安装等；磁成像设备有共振断层成像安装；此外还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、分析和处置人体生理信号的主要设备，如心电、脑电、肌电图仪和多参量

6、的监护仪等正在实现小型化和智能化。经过体液了解生物化学过程的生物化学检验仪器已逐渐走向微量化和自动化。 治疗仪器设备的开展比诊断设备要稍差一些。目前主要采用的是X射线、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开展到高频电刀、激光刀、呼吸麻醉机、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一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点选定治疗参数的心电监

7、护仪，体外碎石机中配备了进展定位的X射线和超声成像安装，而植入人体中的人工心脏起搏器就具有感知心电的功能，从而能作出顺应性的起搏治疗。 介入放射学是放射学中开展速度最快的领域，也就是在进展介入治疗时，采用了诊断用的x射线或超声成像安装以及内窥镜等来进展诊断、引导和定位。它处理了很多诊断和治疗上的难题，用损伤较小的方法治疗疾病。 目前各国竞相开展的高技术之一为医学成像技术，其中以图像处置，阻抗成像、磁共振成像、三维成像技术以及图像存档和通讯系统为主。在成像技术中生物磁成像是最新开展的课题，它是经过丈量人体磁场，来对人体组织的电流进展成像。 生物磁成像目前有二个方面。即心磁成像(可用以察看心肌纤维

8、的电活动，可以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，还可以对病损脑区进展定位和定量)。 另一个世界各国竞相开展的高技术是信号处置与分析技术，其中包括心电信号、脑电、眼震、言语、心音呼吸等信号和图形的处置与分析。 高技术领域中还有神经网络的研讨，目前世界各国的科学家为此掀起了一个研讨热潮。它被以为是有能够引起艰苦突破的新兴边缘学科，它研讨人脑的思想机理，将其成果运用于研制智能计算机技术。运用智能原理去处理各类实践难题，是神经网络研讨的目的，在这一领域已获得可喜的成果。 工程分支生物医用复合资料生物医用复合资料(biomedical

9、 composite materials)是由两种或两种以上的不同资料复合而成的生物医用资料，它主要用于人体组织的修复、交换和人工器官的制造1。长期临床运用发现，传统医用金属资料和高分子资料不具生物活性，与组织不易结实结合，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，呵斥对机体的不良影响。而生物陶瓷资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，但资料的抗弯强度低、脆性大，在生理环境中的疲劳与破坏强度不高，在没有补强措施的条件下，它只能运用于不接受负荷或仅接受纯压应力负荷的情况。因此，单一资料不能很好地满足临床运用的要求。利用不同性质的资料复合而成的生物医用

10、复合资料，不仅兼具组分资料的性质，而且可以得到单组分资料不具备的新性能，为获得构造和性质类似于人体组织的生物医学资料开辟了一条宽广的途径，生物医用复合资料必将成为生物医用资料研讨和开展中最为活泼的领域。 1.生物医用复合资料组分资料的选择要求 生物医用复合资料根据运用需求进展设计，由基体资料与加强资料或功能资料组成，复合资料的性质将取决于组分资料的性质、含量和它们之间的界面。常用的基体资料有医用高分子、医用碳素资料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸钙基或其他生物陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等医用金属资料；加强体资料有碳纤维、不锈钢和钛基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维加强体，另外还有氧化锆、磷

11、酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒加强体。 植入体内的资料在人体复杂的生理环境中，长期受物理、化学、生物电等要素的影响，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，生物医用组分资料必需满足下面几项要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保证资料复合后不出现有损生物学性能的景象；(2)具有良好的生物稳定性，资料的构造不因体液作用而有变化，同时资料组成不引起生物体的生物反响；(3)具有足够的强度和韧性，可以接受人体的机械作用力，所用资料与组织的弹性模量、硬度、耐磨性能相顺应，加强体资料还必需具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能；(4)具有良好的灭菌性能，保证生物资料在临床上的顺利运

12、用。此外，生物资料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困难而使其运用遭到限制。 2.生物医用复合资料的研讨现状与运用 陶瓷基生物医用复合资料 陶瓷基复合资料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，经过不同方式引入颗粒、晶片、晶须或 HYPERLINK baike.baidu/view/179436.htm t _blank 纤维等外形的加强体资料而获得的一类复合资料。目前生物陶瓷基复合资料虽没有多少种类到达临床运用阶段，但它已成为生物陶瓷研讨中最为活泼的领域，其研讨主要集中于生物资料的活性和骨结合性能研讨以及资料加强研讨等。 Al2O3、ZrO3等生物惰性资料自70年代初就开场了临床运用研讨，但它与生

13、物硬组织的结合为一种机械的锁合。以高强度氧化物陶瓷为基材，掺入少量生物活性资料，可使资料在坚持氧化物陶瓷优良力学性能的根底上赋予其一定的生物活性和骨结合才干。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Al2O3陶瓷髋关节植入物外表进展涂层，试样经高温处置，大量的Al2O3进入玻璃层中，有效地加强了生物玻璃与Al2O3陶瓷的界面结合，复合资料在缓冲溶液中反响数非常钟即可有羟基磷灰石的构成。为满足外科手术对生物学性能和力学性能的要求，人们又开场了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷与生物玻璃的复合研讨，以使资料在气孔率、比外表积、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

14、羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)复合资料的研讨也日益增多。30% HA与70%TCP在1150烧结，其平均抗弯强度达155MPa，优于纯HA和TCP陶瓷，研讨发现HA-TCP致密复合资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资料。HA-TCP多孔复合资料植入动物体内，其性能起初类似于-TCP，而后具有HA的特性，经过调整HA与TCP的比例，到达满足不同临床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末与HA制备而成的复合资料，植入兔骨中8周后取出，骨质与复合资料之间的剪切破坏强度达27MPa，比纯HA陶瓷有明显的提高。 生物医用陶瓷资料 生物医用陶瓷资料由于其构造本身的特点，其力学可

15、靠性(尤其在湿生理环境中)较差，生物陶瓷的活性研讨及其与骨组织的结合性能研讨，并未能处理资料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的加强研讨成为另一个研讨重点，其加强方式主要有颗粒加强、晶须或纤维加强以及相变增韧和层状复合加强等3，57。当HA粉末中添加10%50%的ZrO2粉末时，资料经01400热压烧结，其强度和韧性随烧结温度的提高而添加，添加50%TZ-2Y的复合资料，抗折强度达400MPa、断裂韧性为2.83.0MPam1/2。ZrO2增韧-TCP复合资料，其弯曲强度和断裂韧性也随ZrO2含量的添加而得到加强。纳米SiC加强HA复合资料比纯HA陶瓷的抗弯强度提高1.6倍、断裂韧性提高2倍、抗压强

16、度提高1.4倍，与生物硬组织的性能相当。晶须和纤维为陶瓷基复合资料的一种有效增韧补强资料，目前用于补强医用复合资料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纤维或晶须以及C纤维等，SiC晶须加强生物活性玻璃陶瓷资料，复合资料的抗弯强度可达460MPa、断裂韧性达4.3MPam1/2，其韦布尔系数高。 数字信号处置数字信号处置作为信号和信息处置的一个分支学科，已浸透到科学研讨、技术开发、 工业消费、国防和国民经济的各个领域，获得了丰盛的成果。对信号在时域及变换域的特性进展分析、处置，能使我们对信号的特性和本质有更清楚的认识和了解，得到我们需求的信号方式，提高信息的利用程度，进而在更

17、广和更深层次上获取信息。数字信号处置系统的优越性表现为：1.灵敏性好：当处置方法和参数发生变化时，处置系统只需经过改动软件设计以顺应相应的变化。2.精度高：信号处置系统可以经过A/D变换的位数、处置器的字长和适当的算法满足精度要求。3.可靠性好：处置系统受环境温度、湿度，噪声及电磁场的干扰所呵斥的影响较小。4.可大规模集成：随着半导体集成电路技术的开展，数字电路的集成度可以作得很高，具有体积小、功耗小、产品一致性好等优点。 然而，数字信号处置系统由于遭到运算速度的限制，其实时性在相当长的时间内远不如模拟信号处置系统，使得数字信号处置系统的运用遭到了极大的限制和制约。自70年代末80年代初DSP

18、(数字信号处置)芯片诞生以来，这种情况得到了极大的改善。DSP芯片，也称数字信号处置器，是一种特别适宜进展数字信号处置运算的微处置器。DSP芯片的出现和开展，促进数字信号处置技术的提高，许多新系统、新算法应运而生，其运用领域不断拓展。目前，DSP芯片已广泛运用于通讯、自动控制、航天航空、军事、医疗等领域。 70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel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开展，高速实时数字信号处置技术的要求和数字信号处置运用领域的不断延伸，在80年代初至今的十几年中，DSP芯片获得了划时代的开展。从运算速度看，MAC乘法并累加时间已从80年代的400 ns降低到40 ns以下，数据处置才干提高了几十倍。MIPS每秒执行百万条指令从80年代初的5MIPS添加到如今的40 MIPS以上。DSP芯片内部关键部件乘法器从80年代初的占模片区的40%左右下降到小于5%，片内RAM添加了一个数量级以上。从制造工艺看，80年代初采用4m的NMOS工艺而如今那么采用亚微米CMOS工艺，DSP芯片的引脚数目从80年代初最多64个添加到如今的200个以上，引脚数量的增多使得芯片运用的灵敏性添加，使外部存储器的扩展和各个处置器间的通讯更为方便。和早期的DSP芯片相比