生物医学工程概论

生物医学工程概论第1页/共100页主要内容生物医学工程学发展简况生物医学工程学研究的主要内容专题讲座第2页/共100页周次上课时间内容主讲教师12月21日星期二5、6节概论季忠22月28日星期二5、6节概论季忠33月6日星期二5、6节虚拟仪器技术在生物医学工程中的应用季忠43月13日星期二5、6节嵌入式技术在生物医学工程中的应用罗小刚53月20日星期二5、6节医学仪器廖彦剑63月27日星期二5、6节生化传感技术与传感器进展侯长军74月3日星期二5、6节医学图像处理及其应用罗洪艳84月10日星期二5、6节生物阻抗技术及其在生物医学中的应用吴小鹰94月17日星期二5、6节消化道微型诊疗系统概论刘洪英104月24日星期二5、6节传感器简介，非接触眼压测量仪的研究陈骥115月1日星期二5、6节五一节125月8日星期二5、6节神经工程技术及与康复治疗侯文生135月15日星期二5、6节物理治疗技术及其在临床医学中的应用田学隆145月22日星期二5、6节医疗信息技术与产业钟代笛155月29日星期二5、6节心力-心音关系方法及其在心脏储备无创检测中的应用研究郭兴明166月5日星期二5、6节微流控芯片技术杨军第3页/共100页考试要求闭卷2.以前三周学习内容为主第4页/共100页一、生物医学工程学发展简况第5页/共100页远古时期人们对疾病的认识与诊治：神灵的惩罚（礼拜、祷告）巫医利用巫术进行诊治（精神、心理）治病方式：植物或动物治病术士或巫师们观察疾病的性质，凭经验形成了原始医学（草药医生、接骨者、手术者、接生婆等）原始医学:

经验医学(经验的、定性的)第6页/共100页16世纪（文艺复兴时期）

开始了对疾病的测量时代

（从经验或定性到定量）加里略（1592）温度计、脉搏胡克（hooke，1666）显微镜（cell)列文虎克（leeuwenhock,1676)发现细菌第7页/共100页荷兰生理学家艾因托分（Einthovn,1894)---心电描记仪德国物理学家伦琴（Roentgen,1895)----X线，开创了人类第一张医学影像。德国物理学家布希（Busch,1926)----电子显微镜。1927---Drinker呼吸机1939---心肺搭桥；1940---心导管血管造影1947---生物无线电遥测技术（心、脑电）第8页/共100页二战前后的快速发展二战中：出现了很多先进技术。中间经历了通信，自动化技术，核技术，生化，超声等发展过程。二战后：裁军，裁员，大批科学家转入了造福于人类健康的学科。一些人找到了工作，一些人就去学习，学工程的又去学医学。很多科学家就转入了大学研究所，实验室工作。第9页/共100页1963年，美国物理学家cormack—图像重建数学理论应用于放射医学研究

1948---超声诊断仪1958---植入式人体心脏起博器，医用超声诊断仪发明50年代生物医学材料和人工器官开始研制与使用。如硅橡胶、聚氨脂；人工肾、人工肺、人工心瓣膜、人工晶体等。第10页/共100页1972年，英国豪斯菲尔德工程师在美国科学家马克研究的基础上发明了X射线计算机断层扫描仪（ComputedTomography，CT）。1979年，豪斯菲尔德和马克获得诺贝尔生理学和医学奖。1973年，美国科学家劳特布尔和英国科学家曼斯菲尔德研制出临床实用的磁共振成像仪（MagneticResonanceImaging,MRI）。同期上市的医疗器械（仪器）还有：心脏起搏器，高频电刀，激光刀，X线刀，超声刀，电子直线加速器等。20世纪末，由于生物技术和微电子技术的迅速发展，医用分析仪有了长足进步。第11页/共100页生物医学工程作为一门新兴的边缘学科，数十年来得到了巨大的发展，当代几乎所有的高新技术都被他所吸收和利用，并形成了一个庞大的新兴产业系统

单光子发射型计算机断层（SinglephotonEmissionComputedTomography,SPECTorECT)正电子发射型断层（PositronEmissionTomography,PET)新近研制开发—电阻抗断层（ElectronicalImpedanceTomography,EIT)第12页/共100页二、生物医学学科及研究内容科学与学科的关系？科学自身的规律决定学科的规律不是所有的科学研究都能发展成一个学科学科：科学研究发展成熟的产物

第13页/共100页科学研究发展成熟而作为一个独立学科的标志：必须有独立的研究内容成熟的研究方法规范的学科体制教育体制研究体制应用体制第14页/共100页“学科”划分可有多种11个门类:哲学、经济学、法学、教育学、文学、历史学、理学、工学、农学、医学、管理学我国普通高等学校五个门类:A自然科学、B农业科学、C医药科学、D工程与技术科学、E人文与社会科学国标GBTl3735-92共有58个一级学科第15页/共100页生物医学工程学科的产生国际起步于1958年法国巴黎，在1958—1961年间主要以医学电子、生物医学电子学。参加国家9个，与会学者50名。1965年在东京召开第6次国际会议，确立了医学电子和生物医学工程。(BiomedicalEngineering)

特点：医用电子学为主导的医学工程第16页/共100页我国生物医学工程1978年我国将生物医学工程确定为独立的学科，制定了学科发展规划---生物医学仪器及工程90年代正式列为生物医学工程学科只有一级学科，无二级学科第17页/共100页生物医学工程学科:

是综合生命科学和工程技术，理、工、医相结合的新兴交叉学科;是一门多学科交融的边缘学科，体现了新知识的综合和发展，在生物医学研究、知识产生、转化研究和卫生保健中扮演了许多重要角色，对提高医学水平，促进医学科学的现代化发挥着关键性的作用;同时，对促进电子、信息、材料科学、生物物理、生物化学等多种学科的发展起着重要的作用。

（摘自中国生物医学工程学会网页）第18页/共100页

2003年3月国家计委就组织实施生物医学工程高技术产业化专项发布公告，其产业范围为：“生物医学材料制品、(生物)人工器官、医学影像和诊断设备、医学电子仪器和监护装置、现代医学治疗设备、医学信息技术、康复工程技术和装置、组织工程等”。第19页/共100页生物医学工程的定义生物学Biology医学Medicine工程学Engineering生物医学工程BiologicalMedicalEngineeringBME第20页/共100页生物学医学工程学生物医学工程学第21页/共100页科学迅猛发展工程学（含电子技术、计算机技术、信息技术、材料科学）生命科学（生物技术将产生分子医学）理、工学科与生命科学交叉结合而产生的生物医学工程学必须有新的认识。第22页/共100页美国国立卫生研究院有关名词命名专家组最近对生物医学工程学的定义：

生物医学工程学是结合物理学、化学、数学和计算机科学与工程学原理，从事生物学、医学、行为学或卫生学的研究：①提出基本概念，产生从分子水平到器官水平的知识；②开发创新的生物学制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息学方法；③用于疾病预防、诊断和治疗，病人康复，改善卫生状况等目的。第23页/共100页早期的生物医学工程也称为医学工程学：一般将综合运用数理科学原理和现代工程技术研究和解决基础医学和临床医学中问题的分支学科称为医学工程学(MedicalEngineering)把综合运用数理科学原理和现代工程技术的理论和方法研究、解决临床医学实际问题的分支学科称为临床工程学（或临床医学工程）(ClinicalEngineering)第24页/共100页生物医学工程是工程学与生物医学结合的产物理念上是综合与分析的结合结果上是工程技术或产品为生物医学服务第25页/共100页工程学（综合）生物医学工程学科的内涵工程学（综合）信息反馈市场产品生物医学（分析）医学检验装置开发理论想法第26页/共100页1、立于现实的“想法”计划始于想法，科学技术的发达，好的创意将有可能激发一次特定的技术革命，“没有做不到的，只有想不到的”。但想法必须立足于现实，不能盲目空想。第27页/共100页2、理论指导与支持为“想法”寻求现有的理论支持。以此立足现实的“想法”形成新的理论第28页/共100页3、设计与开发根据理论原理，设计和开发设备或装置应用先进方法及软件满足生物医学的需要以上仅仅是工程学的工作第29页/共100页4、信息反馈与调整对所建的设备或方法进行临床试用，为装置或方法提供非常有用的反馈信息。检验设计的合理性和可用性，为进一步开发和研究提供改进依据。第30页/共100页5、临床医学检验广泛周密的临床检验，选择大样本，包括正常、异常样本的比较检验开发设备的可靠性、准确性和重复性，并反馈信息，完善设计减少设计、制造或方法学误差，降低使用风险本过程完成生物医学学科的理念表现第31页/共100页6、产品推广通过上述5个过程，实现了“理念”的体现将具有真正意义的生物医学工程产品推向市场。“结果”是工程技术或产品为生物医学服务第32页/共100页生物医学工程学科的特点生物医学工程学工程学电子学计算机科学力学材料科学机械制造学-----------生物医学生物学神经科学内科学外科学矫形科学

--------综合分析第33页/共100页国际生物医学工程联合会的成立国际生物医学工程联合会于1965年成立。至今已有40年历史，2005年9月1日首次在中国上海召开了第27届IFMBE，说明中国的生物医学工程有了很大的发展，这40余年来国际上生物医学工程发生了巨大变化。第34页/共100页中国生物医学工程发展简况1978年，国家科学技术委员会决定成立了生物医学工程学科组。1979年，美国三院（科学院，工程院，医科院）院士冯元桢教授回国，邓小平接见了冯元桢教授，同时参加接见的有黄家驷、陈方允。随后在重庆召开了第一次学科组会议。第35页/共100页1980年，成立了中国生物医学工程学会，总会下设了10余个专业委员会。现在中国有100余高校和研究所培养本科生，硕士生和博士生。理论研究水平和国际水平差距不太大，但工艺和材料差距较大。具有国际水平的产品有体外反博器，冲击波碎石机，高强度超声聚焦刀。第36页/共100页现状与趋势 生物医学工程研究领域十分广泛，并在不断扩展。目前，生物医学工程学的研究与应用已经在医学各领域发挥了巨大作用，今后需继续加强现有主要研究领域，并对应用于分子生物学、微创、无创手术、老年医学和家庭健康监护等方面的研究给予特别注意。此外，生物医学工程在农业、营养学、生态学和动物学等领域应用研究应高度重视。第37页/共100页培养目标三类人才：医疗保健系统的临床工程师工业界的生物医学设计工程师研究型科学家第38页/共100页专业学（协）会美国医学与生物工程学会（AmericanInstituteforMedicalandBiologicalEngineering,AIMBE）IEEE生物医学工程学会（IEEEEngineeringinMedicineandBiologySociety,EMBS）美国生物医学工程协会（BiomedicalEngineeringSociety,BMES）中国生物医学工程学会（ChineseSocietyofBiomedicalEngineering）第39页/共100页主要企业美国强生：创建于1886年，目前在全球57个国家有230多家分公司，全球最具综合性、业务范围分布最广的卫生保健品制造商和相关服务提供商。美国GE：隶属美国通用电气，是医学影像、信息技术、医疗诊断、监护、药物研发和生物制药等领域的全球领先者。美国美敦力：成立于1949年，是全球领先的医疗科技公司，现在120多个国家开展业务，致力于为慢性病患者提供终生的治疗方案。深圳迈瑞：中国最大医疗器械企业，主营生命信息与支持、临床检验、数字超声、放射影像等。第40页/共100页重庆医疗器械行业现状生产企业近200家，从业人员1万多人。主要集中在高新区、九龙坡区、北部新区和沙坪坝区。近40家有千万以上规模，上亿的有几家（海扶、金山、华伦、山外山等）。第41页/共100页重庆大学生物工程学院于1998年正式建院，其前身是1979年设立的国内第一个生物力学研究室和生物医电教研室。6.重庆大学生物医学工程学科第42页/共100页1958年9月，钱学森来校参观无线电实验室第43页/共100页第44页/共100页1979年设立国内第一个生物力学研究室和生物医电教研室。第45页/共100页第46页/共100页1980年，获得我国第一个生物力学硕士点1985年，获得生物医学仪器硕士点1986年，获得我国第一批两个生物力学博士点之一1988年，获得教育部生物力学重点学科1989年，设立生物医学仪器本科专业1994年，成立教育部生物力学及生物流变学开放实验室1998年，学科调整，生物力学和生物医学仪器归属生物医学工程学科第47页/共100页1个博士后流动站，1个一级学科博士学位授权点，5个二级学科博士学位授权点，3个一级学科硕士学位授权点（覆盖23个二级学科硕士学位授权点）第48页/共100页学科发展至今已有30多年历史，是全国最早建立的生物医学工程学科点之一。是具有本科专业、硕士点、博士点和博士后流动站的人才培养的重要基地，也是我国生物医学工程专业最重要的研究开发基地和信息中心之一。第49页/共100页主要研究方向——生物医学信息检测与仪器医学信号检测关键技术研究（心电、脑电、脑磁、肌电、心力等）心脑血管生理参数检测及诊疗仪器（小脑神经电刺激仪、心力检测仪、冠心病诊断仪、血液流变仪、电动人工心脏、心功能无创检测分析仪、颅内压无创综合检测分析仪等）上肢运动学和动力学参数检测以及神经调控机理研究（神经电磁刺激、运动生理参数检测等）数字化医疗仪器（生物医学传感器、嵌入式系统等）第50页/共100页主要研究方向——生物医学微系统微流控关键技术研究（微通道、微泵、微阀、微推进器）消化道诊疗微系统（定点遥控释药胶囊、胶囊内窥镜、智能胶囊等）细胞微流控芯片研究（细胞融合芯片、细胞传感芯片等）高通量生物医学检测技术研究（微型SPR检测技术、SPR显微技术等）微型化植入式神经假体及其关键技术研究（电子耳蜗、人工视网膜、视皮层神经假体等）第51页/共100页主要研究方向——生物医学图像处理图像处理关键技术研究（图像融合，图像分割、图像边沿提取、图像压缩等）数字人工程技术研究（组织器官三维重建、生理系统的知识表达、数字人的生理建模等）脑功能成像与图像处理技术（功能磁共振图像分析）超声成像及其对心功能的评价（基于图像处理的心脏扭转运动检测算法研究）第52页/共100页手指协同动作的神经调控机理第53页/共100页基于微电极阵列的高通量细胞电融合第54页/共100页数字人的工程技术研究第55页/共100页视觉重建及视皮层神经假体第56页/共100页ES型失眠治疗仪系列产品第57页/共100页心脏储备无创监测系统第58页/共100页颅内压无创综合检测分析仪第59页/共100页主要院校本专业简介1.东南大学2.上海交通大学3.四川大学4.浙江大学5.华中科技大学5.西安交通大学7.清华大学8.复旦大学8.重庆大学10.天津大学第60页/共100页东南大学东南大学生物科学与医学工程学院由韦钰院士创建于1984年10月，1993年获准建立“生物电子学”博士点，1997年“生物医学工程”学科经国务院学位委员会批准成为一级学科博士点，2002年，东南大学“生物医学工程”学科被评为国家重点学科。生物电子学国家重点实验室生物材料江苏省高技术重点实验室儿童发展与学习科学教育部重点实验室第61页/共100页主要研究方向1、测序与生物信息分析

2、生物与医学纳米技术

3、生物医学材料与器件

4、医学影像与医学电子学

5、儿童发展与学习科学

第62页/共100页上海交通大学上海交通大学生物医学工程系成立于1979年，1981年获硕士学位授予权，1990年获博士学位授予权，2002年被评为国家重点学科。系统生物医学教育部重点实验室生物医学仪器研究所Bio-X研究中心实验室第63页/共100页主要研究方向1)

生物医学信号检测与处理（脑电、心电、肌电）2)

医学成像与生物医学图像处理3)

生物医学智能仪器4)

生物传热传质5)

纳米生物学6)

生物材料7)

激光与光子生物学8)

神经信息处理9)

用物理方法治疗肿瘤及癌症10)

神经工程11)远程医疗第64页/共100页四川大学2001年挂牌生物医学工程系（全国重点学科），由材料科学与工程学院、高分子科学与工程学院、生命科学学院共建第65页/共100页浙江大学浙江大学生物医学工程学科是我国最早设立的，是我国生物医学工程学科的第一个硕士授予点、博士点、博士后科研流动站。2001年成为国家重点学科。生物传感器国家专业实验室生物医学工程教育部重点实验室第66页/共100页研究方向

生物医学信息生物传感及医学仪器定量与系统生理研究第67页/共100页华中科技大学华中科技大学生命科学与技术学院始建于1980年。现有生物医学工程系、生物技术系、生物科学系、系统生物学系和教学实验中心5个教学单位。学院拥有生物医学工程和生物物理学两个国家重点学科。国家生命科学与人才培养基地BrittonChance生物医学光子学（BMP）研究中心（生物医学光子学教育部重点实验室、生物医学光子学教育部网上合作研究中心）分子生物物理教育部重点实验室第68页/共100页学科特色及优势功能薄膜、功能陶瓷生物材料及人工器官生物医学图象处理第69页/共100页西安交通大学生物医学工程学科创立于1978年，同年开始招收硕士研究生，1984年获批为博士点学科。1988年获批为“生物医学仪器及工程”专业唯一的国家重点学科，2002年又获批为国家重点学科。1989年，现代医学电子技术及仪器国家专业实验室2000年，生物医学信息工程教育部重点实验室第70页/共100页主要研究方向（1）医学信息工程与仪器（2）生物医学超声（3）心脏电生理与心脏起搏（4）计算生物信息学及应用技术第71页/共100页清华大学清华大学生物医学工程学科1979年创建于清华大学电机工程系，是国内首批建立的生物医学工程学科点之一，2001年本学科被评为国家重点学科。2001年清华大学医学院成立后，生物医学工程学科调整到医学院，并成立了生物医学工程系。生物膜与膜生物工程国家重点实验室生物信息学教育部重点实验室蛋白质科学教育部重点实验室生物芯片北京国家工程研究中心第72页/共100页主要研究方向神经工程医学建模与影像生物芯片医疗仪器生物医学信号检测与处理生物信息学第73页/共100页二、生物医学工程学研究的主要内容第74页/共100页医学道德与伦理解剖与生理生物力学康复工程与辅助技术生物材料学组织工程学生物医学仪器生物医学传感器生物信号处理生物电现象生物系统建模与仿真基因组学和生物信息学计算生物学与复杂性理论放射成像医学成像光学和激光在生物医学中的应用第75页/共100页1.道德与伦理道德：一种社会意识形态，是人们共同生活及其行为的准则与规范，具有认识、调节、教育、评价以及平衡五个功能。道德往往代表着社会的正面价值取向，起判断行为正当与否的作用。从目前所承认的人性来说，道德即对事物负责，不伤害他人的一种准则。伦理：处理人与人，人与社会相互关系时应遵循的道理和准则。是指一系列指导行为的观念，是从概念角度上对道德现象的哲学思考，它不仅包含着对人与人、人与社会和人与自然之间关系处理中的行为规范，而且也深刻地蕴涵着依照一定原则来规范行为的深刻道理。是指做人的道理，包括人的情感、意志、人生观和价值观等方面。是指人际之间符合某种道德标准的行为准则。第76页/共100页两条基本的道德准则行善——提供帮助不伤害——避免伤害第77页/共100页死亡的定义死亡的定义脑死亡：完全且不可逆的脑功能丧失，也称脑干死亡或者全脑死亡。植物人部分新皮质死亡的植物人是否需要抢救？第78页/共100页晚期病人与安乐死社会制度和医疗技术抵抗死亡病人及家庭的经济负担和身心痛苦别人是否有权决定他人的生命？第79页/共100页医疗决策权最中心，第一层为病人第二层是病人先前的指示第三层是他人为病人做出决定第四层是法院与政府第80页/共100页人体试验知情同意是人体实验最重要的道德条件通过充分测试和动物实验具备科研资历的人员实验的重要性与受试者需要承担的内在风险相当第81页/共100页2.解剖与生理细胞的结构组织器官系统内环境的自身平衡第82页/共100页3.生物力学

生物力学是研究生物体与力学有关问题的学科，其主要内容是利用力学基本原理，结合生理学、医学和生物学来研究生物体、特别是人体的功能、生长、消亡及运动的规律。第83页/共100页主要内容生物流体力学（流变学）——生物材料、心血管及呼吸系统植入物与机体的相互作用生物组织的热传输和物质传输调节新陈代谢和运动的生物控制系统步态分析的运动及动力学第84页/共100页生物力学的趋势将朝着系统和微观两个方面发展，重点在于建立生物体各层次上的力学模型，并使其符合生物实际。通过细胞层次和生物分子层次的力学研究，加深对人工材料与人工器官的发展，并为控制活组织生长提供依据。生物力学对神经肌肉控制系统的了解、对于开发功能性人工假肢和机器人、研制伤残人运动辅助系统、改善劳动环境和提高生产效率都具有重要意义。生物力学的趋势第85页/共100页4.康复工程与辅助技术康复工程：科学技术在改善残疾人境况中的应用辅助技术：康复工程的实践产物，包括任何用于提高和改善残疾人能力的现成商品或者改装过、定制的仪器设备和系统第86页/共100页康复工程的主要研究方向修复学与矫形学：人造手脚及矫形设备严重视觉障碍残疾人的辅助设备：阅读、书写、行走的辅助设备严重听觉障碍残疾人的辅助设备：助听器、唇读辅助器、语言-文字转换触觉障碍残疾人的辅助设备：缓冲垫、定制坐具、感觉替代物增强型和选择型辅助交流设备操作和走动辅助设备娱乐辅助设备：手动自行车、比赛用轮椅第87页/共100页康复及辅助技术设计的原则系统性能及可靠性安全性人体工程学在进行辅助技术设计时，必须考虑人