ch绪论生物医学工程基础

主要内容

第一部分：

第一章概论第二章生物力学第三章生物医学材料第四章人工器官第五章生物医学传感器基础

第二部分：

……

1.《生物医学工程基础》讲义，陈俊英编，西南交通大学，2006年；2.《现代生物医学工程》，朱翠玲等编著，中国科学技术出版社，1992年；3.《生物医学信号的处理和识别》，杨福生等主编，天津科技翻译出版公司，1997年；4.《当代医学新理论与新技术丛书-基础医学卷-生物医学工程学》，杨子彬主编，黑龙江科学技术出版社，2000年；5.《中国生物医学工程的今天与明天》，俞梦孙等主编，天津科技翻译出版公司，1998年；6.《生物医学工程学》，陈百万主编，科学出版社。主要教学参考书第一章绪论20多年前，美国阿波罗登月计划结束后，大批工程技术人员和数学、物理、化学等基础科学人员，纷纷离开宇航领域，先后进入医学领域，遂之形成一门崭新的科学———生物医学工程。近20多年来，这门科学得到蓬勃发展。以人工医用材料和器件而言，人体各种组织和器官的功能，除大脑外，大都可用人工材料或装置去代替。在1969年具有历史性的探月之旅中，阿姆斯特朗和同伴巴兹·奥尔德林登上了月球。登月第一人披露首次月球漫步细节阿姆斯特朗当年登陆月球的情景据美国太空网报道，“阿波罗11号”宇航员尼尔·阿姆斯特朗是一个神秘人物，向来口风很严。最近，这位登月第一人对美国国家公共广播网站刊登的博客做出回应，分享其月球漫步的细节，这些细节此前并未对外界透露。在1969年具有历史性的探月之旅中，阿姆斯特朗和同伴巴兹·奥尔德林登上了月球，他本人更是因为第一个登上月球成为家喻户晓的人物。

12月7日，美国国家公共广播网站刊登了一篇博客，对阿姆斯特朗及其同伴奥尔德林1969年7月20日上演的人类历史上第一次月球漫步进行了分析。对于他们为何只在月球表面行进了很短一段距离，这篇博客也提出了疑问。国家公共广播的罗伯特·克鲁尔维奇拿到了美国宇航局提供的一张地图，上面标出了阿姆斯特朗和奥尔德林在月表上的所有行进方向。随后，他将地图与足球场和棒球场的地图叠加。结果发现，两位宇航员从月球登陆器出发进行的历史性月球漫步不足100码(约合91.44米)。他说：“从棒球场的角度上说，阿姆斯特朗最长最大胆的月球漫步距离大约相当于乔·迪马吉奥一局的奔跑距离——从本垒跑到大约球场中央的位置。”第二天，克鲁尔维奇刊登了一份后续帖子，上面有阿姆斯特朗本人发来的一封电子邮件。这位曾经的“阿波罗11号”任务指挥官在邮件中列出了很多理由，解释为何只行进了很短的距离，这些理由包括月球表面的高温、周围环境的不确定性以及宇航局的要求。由于周围环境的不确定性，他们不知道航天服的水冷式内部结构能否经受住考验，此外，宇航局方面也要求两位宇航员在一台固定摄像机前做实验。阿姆斯特朗在邮件中写道：“我们没有任何数据告能够告诉我们，背包内的小水箱能够支撑多长时间。宇航局官员将我们第一次探索月表的工作时间限制在3/4至2小时，以确保我们不会因为温度过高面临生命危险。在返回加压月球舱之后，我们排出背包里的水并测量水量，最后证实了此前的预测。”阿姆斯特朗指出，如果有更多自由活动时间，他和奥尔德林会在月球表面进行更多探索。他说：“我们都希望在表面停留更长时间，到距离月球舱和电视摄像机更远的地方探索。但我们需要进行大量实验，记录和提取样本并拍摄照片。可用时间被全部分配掉，我们需要抓紧时间工作，完成任务。”他表示，由于使用了月球车，后来的“阿波罗”号任务中，宇航员能够在月表停留更长时间，但月球毕竟是一个巨大的世界，仍有很多地方等待我们去探索和发现。他说：“美国人曾6次造访月球，共对6个不同月球区域进行探索，有的面积与一座城市的郊区相当，有的则相当于一座小镇。我们仍有超过1400万平方英里(约合3625万平方公里)的月球区域尚未进行探索。”§1.1现代健康医疗体系的发展史§1.2现代健康医疗体系§1.3什么是生物医学工程§1.4生物医学工程学的角色、地位与作用§1.5生物医学工程学的研究内容和基本任务§1.6生物医学工程学的特点§1.7生物医学工程学的现状与发展趋势§1.1现代健康医疗体系的发展史一、国外医疗体系的发展过程古希腊、古罗马------

远古---335ADofConstantineI时代---

15、16世纪的文艺复兴时期---1592年---今天英国------

美国------

二、我国医疗体系的发展过程我国在20世纪50年代初，医疗体系才逐渐发展与建立起来。以下是一组发展概况的数据：

指标

50年代经50年建设后的21世纪初卫生技术人员数50.5万人312多万人医院数量600家16700多家病人床位数量8万张220多万张

纵观医学的发展历史，生物医学、工程学与医学的结合有力地推动了医学的发展。Anatomia是希腊语中的一个词，意思是用刀切割，肉眼观察人体结构变化，这是公元前500年的事了，因为当时受科学水平的限制，只能如此。现在医学界把Anatomia与人体解剖看成了同义语。到17世纪LeeWenhoch发明了光学显微镜，使医学研究提高到细胞水平，医学里诞生了细胞学、组织学、细胞病理学。到20世纪60年代，赫斯费尔德发明的电子显微镜，人们能够观察研究细胞内核结构DNA、RNA等大分子变化，于是医学跨进了超微结构时代。21世纪是生命科学大发展的时代，工程技术与生命科学进一步地互相渗透结合，必将推动医学跨入一个崭新的时代。

§1.2现代健康医疗体系20世纪60年代，赫斯费尔德发明电子显微镜，用它可以观察细胞超微结构、核结构、DNA结构等（具有nm级以及Å级1m=109nm=1010Å

） 一、在解剖学方面以解剖学Anatomic/Anatomy为基础，医学逐渐取得了进步。公元前500年，肉眼观察人体结构。（只有mm级1m=103mm）17世纪，LeeWenhock发明光学显微镜，用它可观察人体细胞形态结构，由此产生/诞生了组织学、细胞学等。（具有m级1m=106m）二、在影像学方面

现在：CT、核磁共振，使影像学出现飞跃。50年代：X光透视、摄影是临床常用的影像学诊断方法。（1）CT：ComputedTomograpgy，即：计算机化体层照相术，利用计算机技术处理人体组织器官的切面显像。（2）NMR：NuclearMagneticResonance，即：核磁共振。利用NMR技术，可以显示出生理生化方面的病理改变，比如，脊髓侧索硬化、脊髓空洞症等。

最近：数字减影ECT、PET、SPET以及全息成像技术等，解决了三维成像实时显示等问题。（1）ECT：EmissionComputedTomograpgy；（2）PET：PositonEmissionTomograpgy，即：正电子发射型断层显像仪；（3）SPET：SinglePhotonEmissionTomograpgy，即：单光子发射型断层显像仪。三、在心脏外科方面

eg2：人工心脏助搏器、血管支架等的应用，人工血管的应用等。

eg1：风湿性心脏病50年代治疗抗风湿药物，强心药物等今天用人工心肺机+体外循环术，可切开心脏，进行瓣膜、房室间隔缺损的修补，甚至更换病变的心脏瓣膜。四、手术室19世纪：简陋，直射灯、无灭菌、水洗手；20世纪20年代：改进，无影灯、灭菌、无监控设备；现在：先进，无影灯、灭菌、大量监控设备与检测仪器。五、其它尿毒症---今天可以用人工肾血液透析治疗；肾功能衰竭---人工肾更换；此外，还有人工皮肤、人工角膜、人工关节、人工骨、人工肺、人工血液等。总之，除脑不能用人工器官代替外，其余各器官都可以用人工器官代替。另外，还诞生了远程医疗服务等。§1.3什么是生物医学工程一、生物医学工程的含义生物学—研究生命现象的科学；医学—解决人类防病治病、保护人民健康的科学；工程技术—研究创造新材料、新工艺、新技术、新仪器设备的科学。三门科学有机地结合，就形成了生物医学工程学的主体。?

生物医学工程(BiomedicalEngineering)（含义）：是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学角度，在多层次上研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统的工程原理的科学。生物医学工程的主要任务：它主要以临床医学为对象，以数理化生等学科为基础，融材料、电子、机械、化工、计算机信息、力学为一体，为临床诊断、治疗和预防疾病做出了巨大的贡献。生物医学工程的主要特点：它是一门科学技术与工程高度综合的新学科领域。现代医学解剖、生理、病理基础研究

人体的结构与功能工程技术电子、机械、化工、计算机等自然科学（数理化生）生命科学的工程学原理、方法和手段应用基础医疗器械与设备认识与控制生命现象应用开发临床诊断、治疗和预防疾病健康保健、提高生活质量生物医学工程学的内涵(覆盖所学课程)如下:

生物医学工程和生物技术（Biotechnology）是构成生物工程（Bioengineering）的两个基本组成部分，是二十一世纪人类知识经济的制高点，是人类健康与高质量生活的基础。

附注：从目前发展来看，生物医学工程学科分类有两种（按应用范畴、学科）：二、生物医学工程的学科分类

生物医学工程学是各种工程学科同生物医学相结合的新兴边缘学科，它具有相关学科的属性，但更具有独立学科的自身特点。它为认识和控制生命现象提供工程学原理和方法(如生物力学、生物系统建模等)，为医疗器械(含医学仪器设备与人工材料等)的开发提供新的原理、方法和技术基础。

（一）按应用范畴分：1.医学工程（MedicalEngineering）2.临床工程（ClinicalEngineering）3.康复工程（Rehabilitation）4.环卫工程（EnvironmentalEngineering）5.中医工程（TheEngineeringofChineseTraditionalMedicine）

1.生物材料（Biomaterials）；2.人工器官（ArtificalOrgans）；3.生物信息（Bioinformation）；4.生物控制（Biocybernetic）；5.生物效应（Bioeffect）；6.生物反馈（Biofeedback）；7.生物能量与质量传递（BioenergyandMassTransfer）；8.生物力学（Biomechanics）；9.医学电子（MedicalElectronics）；（二）按学科专业分：10.医学仪器及装备（Medicaldevice&Instrument）；11.人工智能（ArtificialIntelligence）；12.医用超声（MedicalUltrosound）；13.医用激光（MedicalLaser）；14.辐射医学（MedicalRadiation）；15.核医学（NuclearMedicine）；16.医用计算机以及医学物理（MedicalPhysics）。§1.4生物医学工程学的角色、地位与作用主要体现在如下几个方面：1.生物医学工程学的诞生和发展，有力地推动了医学科学的进步，加速了医学科学的现代化，显著地提高了医学防病治病的水平。2.生物医学工程学的发展，有利于临床医学工作者在工作中应用相关新技术、新方法提高诊断和治疗水平。3.生物医学工程学的发展，有利于工程技术科技工作者了解临床医学对工程技术的需要和存在的问题。4.生物医学工程学的发展，为振兴民族医疗器械工业发挥作用，为促进21世纪医学科学的进步做贡献。5.生物医学工程是研制医疗仪器的技术基础，是推动医学进步的重要动力。

我国拥有13亿人口，随经济的发展，人民生活水平的改善，保护人民健康，提高医疗水平将提高国家的重要议事日程。因此必须更新知识和观念，从生物学+医学+工程学+行为学+心理卫生学的概念出发，将生物医学工程不断推向前进，才能推动医学卫生科学的发展，加速实现医学科学现代化。6.由于新型医疗仪器不断问世，从而增强了医务人员对生命现象的认识能力。由于对人体生理、病理信息能精确地提取、采集，所以可以进行更客观的定性、定量为主的医学研究，而分析显示和记录，使现阶段以定性为主的生物医学研究，逐渐转为定量为主的生物医学研究。这样，原先建立在生理、病理、细胞水平的经典医学诊断、治疗学，就跨入了分子、原子水平，因而能更早期、更准确、更有效、更迅速地认识疾病、防治疾病，保护人民健康、造福人类。生物医学工程是医学未来发展的动力，生物医学工程的进步对医学的贡献最直接的例子如下：1、纵观医学的发展历史，生物医学、工程学与医学的结合有力地推动了医学的发展；Anatomia是希腊语中的一个词，意思是用刀切割，肉眼观察人体结构变化，这是公元前500年的事了，因为当时受科学水平的限制，只能如此。现在医学界把Anatomia与人体解剖看成了同义语。到17世纪LeeWenhoch发明了光学显微镜，使医学研究提高到细胞水平，医学里诞生了细胞学、组织学、细胞病理学。到20世纪60年代，赫斯费尔德发明的电子显微镜，人们能够观察研究细胞内核结构DNA、RNA等大分子变化，于是医学跨进了超微结构进代。2、医疗器械；大家都知道看病治病离不开医疗器械，现在是，将来也是，但未来的诊疗仪器实现智能化，检查结果、治疗程序均可实行人机对话。3、医学信息、远程医疗网络化，疑难病例国内外网上会诊快捷方便；4、遥测遥控诊疗技术；将广泛使用，特别是在微创、无创诊疗技术中采用纳米材料、微米集成电路等制成的超微医疗机器人，将在临床发挥重要作用。“照相透视”这种单一形态影像侦察，不能满足临床需要。影像学侦察仪器向功能和影响形态相结合的方向发展，在疾病早期，尚未出现组织形态学改变前就能发现异常，有利于疾病的早期诊断、早期治疗。一种非影像增强剂型心脑血管，非血管管腔器官影像侦察系统必将问世，病人免受造影之苦。5、影像学侦察仪器；6、生物芯片；分子生物学和微电子技术相结合，生产出多种多样功能的芯片，如DNA芯片、各种蛋白芯片等将广泛用于医疗器械的研制，并创造出具有时代特征的新型诊疗技术，在基因普查、基因诊断、基因治疗中得到广泛应用。特别是与遗传有关的疾病，肝炎、艾滋病、心脑血管病、糖尿病、肿瘤等疾病的诊断治疗快速准确，显著地提高了医疗水平。7、生物材料与组织工程；生物材料，组织工程将有快速的发展，生物机械型、生物型人工器官将广泛应用，如果说人像棵树，干细胞就像树的根。从胚胎分离培育出来的胚胎干细胞，通过组织工程手段，将干细胞在体外诱导分化生成所需要的各种组织和器官的原始细胞，在以特定的可降解生物高分子材料为基架复合在一起，制成生物型人工器官。生物型的人工角膜、人工皮肤、人工血管、人工心瓣膜、人工骨、人工神经纤维、人工膀胱等将有可能首先在临床应用，继指向结构功能更复杂的器官如生物型人工心、肾、肝、肺、胰等攻关，将取得突破，有望用于临床。当人体器官因外伤或患病不能用医药保守治疗时，就像机器换零件一样，换上一个人造器官或器件恢复病人的健康。8、未来医学模式；未来医学模式将由治疗型向预防保健为主的模式转变，特别是个人健康意识增强，性能良好使用方便用于社区、家庭和个人保健及健身的设备、健康自我检测医疗设备将成为家庭中新的“家电”和“家私”。9、人工保健微环境建设；空气污染、水污染、环境污染严重影响健康日益受到关注，用于劳动保护。家庭环境的监测，建立人工保健微环境等技术的研发必将带动一批高度自动化，具有保健功能的住宅问世。

未来生物医学工程学向生物学、工程学和医学更紧密相结合的方向发展，为医学创造出来的新技术、新方法、新材料、新仪器设备将推动医学向更高层次更快地发展，显著地提高了医学水平，人的健康改善了、寿命延长了，人活七十古来稀已成历史，八九十岁人的健康情况像壮年，百岁老人联欢唱歌开舞会，这不是幻想。

§1.6生物医学工程学的特点（1）生物医学工程学具有新兴、综合、交叉与边缘科学的特点；（2）生物医学工程学是医学和生物学的支持和发展动力；（3）生物医学工程是社会效益与经济效益的综合；（4）生物医学工程在人才培养上具有交叉-优生的特点。§1.7生物医学工程学的现状与发展趋势一、现状1.基础性研究结合与产品有关的课题的开发研究，是产生医疗仪器的基础。如：人体结构、功能与信息；人体代谢；质量、能量的传递；生物效应的刺激与控制；生物信号的测量与提取；等等。2.医用材料与器件的研究医用材料：目前，国内外特别重视植入性材料的无刺激、无毒、不致癌、不致畸、不致敏、高强度、耐老化的研究，以及材料的组织相容性、血液相容性的研究。医用器件：目前，主要是生物传感器的研究、医用电源的研究、光电子材料和器件的研究等。包括：医学物理、化学分析装置；诊断装置；监护装置；检验装置；诊断治疗联合装置；医学生物信号遥测；遥感装置；医学影像显示；识别装置；医学数据处理装置；人工器官研制；康复器材；家庭个人保健装置，医院自动化管理计算机系统软件的开发；地区性医疗网络系统的研究；环卫监测系统；医学专家系统；中医工程以及急救联络设备与支载系统等。3.新型医学仪器、设备的研究二、发展趋势（一）传感器研制一个好的生物传感器应具有以下条件：（1）应可靠；（2）少损伤或无损伤；（3）微型化；（4）重复性好；（5）由模拟量尽可