生物医学工程绪论课件

生物科学与工程学院生物医学工程系第一章绪论《生物医学工程学》生物科学与工程学院第一章绪论《生物医学工程学》1【目录】§1.1学科领域和战略地位§1.2BME的发展历史§1.3BME主要研究领域§1.4生物医学信息工程§1.5现代医疗器械§1.6发展中国特色的BME技术【目录】§1.1学科领域和战略地位2§1.1BME的学科领域和战略地位§1.1BME的学科领域和战略地位3生物医学工程生物医学工程（BME）BiomedicalEngineering工程技术Engineering生物学Biology医学Medicine生物力学生物材料人工器官生物医学信息工程生物医学图像处理生物医学工程生物医学工程（BME）工程技术Engineeri4BME定义

生物医学工程是综合应用生命科学与工程科学的原理和方法，从工程学角度在分子、细胞、组织、器官乃至整个人体系统多层次认识人体的结构、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、装置和系统技术的总称。

BME定义生物医学工程是综合应用生命科学与工程科学的5BME定义结合物理学、化学或数学和工程学原理，从事生物学、医学、行为学或卫生学的研究提出基本概念，产生从分子水平到器官水平的知识开发创新的生物学制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息学方法用于疾病预防、诊断和治疗，病人康复，改善卫生状况等目的BME定义结合物理学、化学或数学和工程学原理，从事生物学、医6

生物医学工程是当今生命科学与信息、材料、精密机械等学科交叉与高度综合的产物，是将其它学科研究成果应用于临床，将生命体与诊断、医疗、康复等装置视为一个系统，并充分考虑其相互作用的一类知识高度密集的技术领域。生物医学工程的发展不仅促进了医学的现代化，而且形成了一个新的高技术产业领域--生物医学工程产业，并与制药业构成了现代医疗体系的两大产业支柱。

生物医学工程是当今生命科学与信息、材料、精密机械等7学科领域综合生命科学和工程技术，理、工、医相结合的新兴交叉学科（多学科交融，体现了新知识的综合和发展）运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题，揭示人体奥秘，造福人类(不同于经典学科，也有别于生物学、医学和纯粹的工程学科)学科领域综合生命科学和工程技术，理、工、医相结合的新兴交叉学8战略地位在保障人类健康和为疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面起着巨大作用（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）医疗保健性产业的重要基础和动力，发达国家均将它列入高技术领域，投巨资予以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战略地位在保障人类健康和为疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面9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。——国家计委2003年《关于组织实施生物医学工程高技术产业化专项的公告》BME产业范围生物医学材料制品、（生物）人工器官、医学影像10（一）重大疾病的急救、诊疗、康复技术和装置，包括心脑血管疾病的急救、康复和诊疗装置，呼吸系统疾病诊疗和急救装置，应用物理原理的新型肿瘤治疗技术和装置等。（二）社区医疗系统工程技术和装备（以亚健康状态调控为核心），包括睡眠医学工程技术和装置，心脑血管系统功能检测技术和装置，便携式（电）生理检测装置，小型化生化检测装置，社区医学信息技术和系统等。（三）医学影像技术和装备，包括技术含量高的常用医学影像装置，有限功能的小型化医学影像装置，手术中实时监控医学影像技术与装置等。（四）生物医学材料表面处理技术、器件（构件）及其制备工艺，组织工程和生物人工器官，生物微系统技术（床旁生化检测技术、介入式微型检测技术等）等。

——国家计委02年重点技术方向（一）重大疾病的急救、诊疗、康复技术和装置，包括心脑血管疾病11（人口与健康）1)安全避孕节育与出生缺陷防治★重大出生缺陷筛查和遗传病防治研究☆避孕节育新技术和新方法的研究☆避孕节育和生殖健康适宜技术应用示范与监测评价研究2)心脑血管病、肿瘤等重大非传染疾病防治★心脑肺血管疾病防治研究★常见恶性肿瘤预防、早诊及综合治疗研究3)城乡社区常见多发病防治☆常见病和多发病防治关键技术研究☆城乡社区疾病预防与控制研究重点领域及优先主题（人口与健康）重点领域及优先主题12（人口与健康）4)中医药传承与创新发展★重大疑难疾病中医防治研究☆基于现代技术的中医药诊疗评价技术研究☆中药资源可持续利用及中药产业发展关键技术研究☆中医传承及方法学研究☆中医药国际化示范研究☆针灸诊疗方案和评价研究☆亚健康状态的评价和中医干预研究5)先进医疗设备与生物医用材料★重大数字化医疗设备关键技术及产品开发☆介入治疗与临床检验新技术新方法研究

——“十一五”科技支撑计划和863计划07年重点领域及优先主题（人口与健康）重点领域及优先主题13主要特点大跨度、多学科交叉的综合性应用学科多学科知识融合，医学与工程技术人才密切结合。

例如，人工器官，涉及生物材料学，生物力学，生理学以及机械、电子、化工技术等，甚至还包括社会伦理学。涉及面从非生命科学到生命科学，从自然科学到人文科学。促进医学和生物学的变革探索原理与机制，提供技术与装备。社会效益与经济效益的结合促进和保障人类健康，形成发展经济的重要产业。主要特点大跨度、多学科交叉的综合性应用学科14学科类型信息技术型IT-BME（InformationTechnology）材料技术型MT-BME（MaterialTechnology)生物技术型BT-BME（BiologicalTechnology）生物医学研究型BMR-BME（BiologicalMedicalResearch）医疗器械产业型MD-BME（MedicalDevices）学科类型信息技术型IT-BME（Information15IT-BME知识体系电子技术信息技术计算机技术医学生命科学基本知识……研究对象生理学病理学内科学外科学……信息技术型IT-BME知识体系研究对象信息技术型16MT-BME知识体系材料科学生物技术化学、力学生物化学医学、生命科学的基本知识……研究对象生物材料人工器官组织工程……材料技术型MT-BME知识体系研究对象材料技术型17BT-BME生物技术型BME与生物技术交叉结合知识体系数学计算机技术信息技术生物学分子生物学遗传学……研究对象针对造成疾病或生理缺陷的分子、细胞水平上的问题BT-BME生物技术型知识体系研究对象18BMR-BME生物医学研究型应用目前的一切科学技术的理论、方法、技术以某一生命过程为研究对象知识体系数学、物理信息、生物生化生理系统分子生物学遗传学……深入研究生命过程的规律，揭示生命的本质BMR-BME生物医学研究型知识体系19MD-BME医疗器械产业型知识体系电子、信息计算机技术精密机械市场经营生物医学基本知识……研究对象各种医疗仪器医疗设备耗材……MD-BME医疗器械产业型知识体系研究对象20§1.2BME的发展历史§1.2BME的发展历史21BME发展历程新概念、新理论、新设备、新技术，推动医学发展1950年代

随着电子学、材料学、工程力学、信息科学和计算机等多种学科的进步并广泛应用于医学和生物学领域（医学电子学）1965国际生物医学工程联合会（IFMBE）InternationalFederationofMedicalBioengineering（医学与工程结合）1980成立中国生物医学工程学会1978国家科委生物医学工程学科专业组

90年代生物医学工程、生物工程80年代生物医学仪器及工程国际形成发展中国生命科学发展21世纪展望BME发展历程新概念、新理论、新设备、新技术，推动医学发展22BME发展孕育期：19世纪（1895年X射线）。形成学科领域：20世纪50年代（医学电子）迅速发展：1970年CT我国确立独立学科：1978年生命科学发展的重要领域新世纪更广阔的发展空间BME发展孕育期：19世纪（1895年X射线）。23医学的发展生物医学工程学临床医学结合推动医学发展加速医学科学现代化医学的发展生物医学结合推动医学发展241786发现生物电现象(意大利伽伐尼，Galvani)19世纪中期用实验方法研究心脏、肌肉和神经的生物电信息，现代医学中心电图、肌电图、眼电图和脑电图等人体生物电变化的记录，已作为观察各系统的生理或病理状态的重要指标。17世纪发明光学显微镜(Leewenhock)，推动解剖学向微观层次发展，医学研究提高到细胞形态学水平，相继诞生了细胞学、组织学、细胞病理学。希腊语“解剖”(Anatomia)，意为用刀剖析肉眼观察研究人体结构变化。20世纪60年代发明的电子显微镜(赫斯费尔德)，能够观察研究细胞内核结构DNA、RNA等大分子变化，医学跨进了“超微结构”观察“分子水平”时代。

1786发现生物电现象(意大利伽伐尼，Galvani25X射线计算机断层扫描（XCT）、磁共振成像(MRI)、超声成像、病人监护和生化分析等大量新型临床诊断与监护技术、设备的出现和普及种类繁多的激光和电磁治疗设备提供了新的治疗和外科手术的手段，并推动了家庭保健的开展人工心脏起搏器和人工心脏瓣膜正在挽救和维持着世界数百万心脏病患者的生命人工肾等血液净化技术维持着数十万肾功能衰竭病人的正常生活BME与医学进步X射线计算机断层扫描（XCT）、磁共振成像(MRI)、超声成26人工晶体、人工关节和功能性假体等已广泛用于伤残人的康复和功能辅助生物力学的研究加深了对严重危害人类健康的动脉血管硬化和血栓形成机理的认识，为心、脑血管疾病的防治和人工心脏瓣膜、人工血管等人工器官的设计提供了依据计算机和信息技术在医学和临床上的扩大应用，正在从根本上改变着医院的面貌在我国将现代工程方法与中医相结合，进行了中医四诊客观化、中医专家系统和中医经络的初步研究，为中国传统医学的新发展注入了活力。BME与医学进步人工晶体、人工关节和功能性假体等已广泛用于伤残人的康复和功能27分会、专业委员会：人工器官生物材料

生物力学生物医学测量

生物信息与控制医学物理医学超声工程心脏起搏与电生理(心律)生物电磁学生物医学传感技术临床医学工程中医药工程血疗工程体外循环军事医学工程与装备介入医学工程

组织工程干细胞工程技术肿瘤靶向技术数字医疗及医疗信息化中国生物医学工程学会分会、专业委员会：中国生物医学工程学会28中国生物医学工程学报(中文版、英文版)生物医学工程学杂志医用生物力学北京生物医学工程国外医学生物医学工程分册生物医学工程与临床中国医疗器械杂志医疗卫生装备医疗设备信息中国医学物理学杂志……学术刊物中国生物医学工程学报(中文版、英文版)学术刊物29生物医学工程只设一级学科近年来发展迅速全国各综合性大学、医科大学、理工科大学以及中科院等有关研究单位都设有生物医学工程机构(院、系、所、室)全国有数十个BME一级学科博士点、硕士点本科招生迅速增长，达到传统学科规模……科研与教育生物医学工程只设一级学科科研与教育30§1.3BME主要研究领域§1.3BME主要研究领域31以应用基础性研究为主领域十分广泛，并在不断扩展BME研究领域基础性研究

应用性研究

生物力学生物材料与组织工程生物系统的建模与控制物理因子的生物效应生物系统的质量与能量传递细胞与细胞工程……人工器官生物医学信号检测与传感器生物医学信号处理技术医学成像和图像处理医用制品和仪器治疗与康复的工程方法……以应用基础性研究为主BME研究领域基础性研究应用性研究生32与分子生物学相结合，加强细胞和分子水平的研究，是BME发展的一个重要趋势。利用多学科交叉的优势来揭示人类思维和认知的奥秘，是21世纪BME的一个主攻方向。微创伤手术、老年医学、家庭健康监护和远程医疗等正在成长为新的研究领域。

BME研究的趋势与分子生物学相结合，加强细胞和分子水平的研究，是BME发展的33

——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。研究范围

从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。

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程。研究与生理学、医学有关的力学问题。

1.3.1生物力学——利用力学基本原理，结合生理学、医学和生物34研究重点：生物流体力学生物固体力学运动生物力学研究内容举例：循环系统力学、生物流变学、微循环、骨力学、听力学、人工瓣膜、心脏辅助装置、心肺机、外科的损伤与愈合、新的外科手术、骨科与整形、牙科、运动器械、假肢、职业安全与健康、公路交通与飞行中的安全、老人和聋、哑、盲人的辅助器械等。生物力学研究研究重点：生物力学研究351582年前后伽利略得出摆长与周期的定量关系，并利用摆来测定人的脉搏率。1616英国生理学家哈维根据流体力学中的连续性原理，从理论上论证了血液循环的存在1661马尔皮基解剖青蛙，在蛙肺中看到了微循环的存在，证实了哈维的论断；博雷利在《论动物的运动》中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动1775发表一篇关于波在动脉中传播的论文1898兰姆预言动脉中存在高频波，现已得到证实英国物理学家托马斯·扬建立了声带发音的弹性力学理论，提出了材料力学中著名的扬氏模量生物力学简史1582年前后伽利略得出摆长与周期的定量关系，并利用摆来361733英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压，解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流，引进了外周阻力概念。Poiseuille定律确定了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系福兰克解释了心脏的力学问题斯塔林提出透过膜的传质定律，解释了人体中水的平衡问题1920Krogh，微循环力学，获得诺贝尔奖Hill，肌肉力学，获诺贝尔奖20世纪60年代生物力学形成一个独力学科生物力学创始人冯元祯生物力学简史1733英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压，解释了心脏37研究目标：

探科学的新奇；增进对生理学与医学的了解；帮助医疗发展与提高防治疾病的水平；降低医疗费用；发展健康产业。向两个方向发展：

系统（宏观）方向：建立生物各层次上的力学模型，符合生物实际微观方向：细胞、亚细胞及分子水平的生物力学生物力学的发展研究目标：生物力学的发展38

——与人体组织、体液、或血流相接触或作用，而对人体无毒，副作用，不凝血，不溶血、不引起人体的细胞突变，畸变或癌变，不引起免疫排异和过敏反应的特殊功能材料。严格要求

良好的血液相容性和组织相容性耐生物老化：

长期植入材料生物稳定性好，暂时植入材料可降解物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当便于消毒灭茵、无毒无热源、不致癌不致畸1.3.2生物材料——与人体组织、体液、或血流相接触或作用，而39

合成高分子材料：通过分子设计，获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。软性材料常用作人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；硬性材料用作人工硬脑膜、人工心瓣球形阀等；液态合成材料如室温硫化硅橡胶用作注入式组织修补材料

天然高分子材料：胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖

金属材料：很高的机械强度和抗疲劳特性，承力植入材料，主要有钻合金、钛合金和不锈钢的人工关节和人工骨。镍钛形状记忆合金用于矫形、心血管外科无机材料：化学性质稳定，生物相容性良好。生物活性陶瓷如羟基磷灰石；惰性生物陶瓷，如氧化铝复合材料：碳纤维／聚合物、玻璃纤维／聚合物主要种类合成高分子材料：通过分子设计，获得很多具有良好物理机40活跃的研发领域高抗凝血材料生物活性陶瓷及玻璃钛及合金和钛镍记忆合金生物活性缓释及描把药物载体材料生物粘合剂可吸收性生物材料活跃的研发领域高抗凝血材料41改进和发展生物医用材料的生物相容性评价研究新的降解材料研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料研究新的药物载体材料材料表面改性的研究主要研发方向改进和发展生物医用材料的生物相容性评价主要研发方向42

——使用一种人工制造的装置来部分或全部代替病损的自然器官，以补偿、替代或修复自然器官的功能。1.3.3人工器官——使用一种人工制造的装置来部分或全部代替病43TissueEngineering——应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。

组织工程一词1987年美国科学基金会在华盛顿举办的生物工程小组会上提出。1.3.4组织工程TissueEngineering——应44四方面研究：种子细胞生物材料构建组织和器官的方法和技术组织工程的临床应用。三种临床上常用组织修复途径：自体组织移植异体组织移植应用人工代用品

这三种方法都分别存在不足，如免疫排斥反应及供体不足等。

组织工程的发展将从根本上解决组织和器官缺损所致的功能障碍或丧失治疗的问题。其核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体，这与传统的二维结构（如细胞培养）有着本质的区别，其最大优点是可形成具有生命力的活体组织，对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代；用最少的组织细胞通过在体外培养扩增后，进行大块组织缺损的修复；可按组织器官缺损情况任意塑形，达到完美的形态修复。研究内容与研究方法四方面研究：种子细胞研究内容与研究方法45§1.4生物医学信息工程§1.4生物医学信息工程46信息Information——对客观事务感知到的新知识。如，五官感受到的大自然风景优美、声音动听、味道香甜、天气凉爽等。消息Massage——描述信息的一种表现形式。如，语言、图像、文字、音乐、数据、符号等。

信息←→消息通常将二者等价看待信号Signal——运载或携带消息的物理量，迅速有效地传递和交换信息。信号反映任何运动或状态的变化。如，心电信号、脑电信号，反映心脏跳动、大脑活动。信息与信号信息Information——对客观事务感知到的新知47

生物医学信息工程（BMIE）是电子信息科学与技术、计算机科学与技术和生物医学交叉、渗透形成的学科方向。又是电子信息技术、计算机及网络技术等在生物医学中的应用和体现。生物医学信息工程生物医学信息工程（BMIE）是电子信息科学与技术、计48研究生物医学信息的产生、获取、检测、处理、识别等的原理与技术各种医学仪器及系统的原理与设计技术医学图像处理及医学影像技术计算机和网络技术在生物医学中的应用

……BMIE的研究内容研究生物医学信息的产生、获取、检测、处理、识别等的原理与技术49覆盖了BME学科下的一个学科方向群：生物医学信号处理与识别医学成像与图像处理生物医学测量与传感器医学仪器生物系统的建模与控制物理因子的生物效应医院信息工程与远程医学……BMIE的研究方向覆盖了BME学科下的一个学科方向群：BMIE的研究方向50——检测和量化生物体中包含生命现象、状态、性质、变量和成分等信息的信号。

(信息获取是开展BME研究的基础和前提)

信号种类：

生物电信号：心电、脑电、肌电、眼电…生物磁信号：心磁、脑磁、眼磁…非电磁生理信号：血压、体温、呼吸、脉搏…

生物化学量信号：血液、尿液、血气…生物量信号：酶、蛋白、抗体、抗原…生物医学测量与传感器——检测和量化生物体中包含生命现象、状态、性质、51

——获取各种生物信息并将其转化成为易于测量和处理的信号的器件。传感器类型：

物理传感器：测量各种生理量，血压、血流、体温、呼吸…

化学传感器：测量体液中各种无机离子，Ca++、K+、Na+…

生物传感器：测量生物活性物质，酶、抗原抗体、激素、核糖核酸…生物医学传感器——获取各种生物信息并将其转化成为易于测量和处理的信52生物医学信号的特点：信号微弱、随机性强、噪声和干扰背景强、动态变化大、个体差异大。对传感器和系统的要求：灵敏度高、噪声小、分辨力强、抗干扰能力强、动态特性好。

特别重视安全性和可靠性。特点和要求生物医学信号的特点：特点和要求53发展趋向以生物电，生物磁为代表的无创、微创检测技术心电、脑电、血压和血氧饱和度等信号的实时和长时间监测技术吞入式、固定植入式和介入式检测与传感技术生物医学信号的遥测技术，如红外遥感生物阻抗法细胞水平的离体和在体检测与传感器技术热点：血糖测定、免疫传感器、DNA芯片

发展趋向以生物电，生物磁为代表的无创、微创检测技术54生物医学信号处理与识别——根据生物医学信号特点，应用并发展信息科学的基本理论，从被干扰和噪声淹没的观察记录中提取各种生物医学信号中所携带的信息，并对它们进行分析、识别、解释和分类。主要作用：协助生物和生理系统的研究临床诊断和治疗的重要手段和工具生物医学信号处理与识别——根据生物医学信号特55生物医学信号的特点随机性强，一般不可能用确定性函数来描述，必须借助统计处理技术作处理。

非平稳性，信号统计特性的时变性，增加了处理方法的难度。

变异性，表现为信号因人不同而异和同一人因时刻不同而变异。变异性可能蕴含着有意义生理信息，也增加了处理难度。噪声背景强，观察信号中总是伴随着非研究对象的信号。如胎儿心电常被比之强一个数量级的母亲心电所淹没，同时还受到肌电、工频等干扰。信号微弱(μV~mV)；频率低(0.01~几十Hz)生物医学信号的特点随机性强，一般不可能用确定性函数来描述，必56学科范围生物医学工程研究的重要领域重要手段、不可缺少的工具多种科学技术与生物医学的交叉：数字信号处理、模式识别、人工智能、通信技术、生理学知识数学方法：随机过程、统计检测与估计、时间序列分析等学科范围生物医学工程研究的重要领域57处理方法强噪声背景下微弱生理信号的动态提取多道生理信号的同步观察与处理生理信号的时间―频率表示自适应处理人工智能、医学专家系统新兴趣点：人工神经网络、混沌理论、分形理论、高阶相关和高阶谱、生物反馈、心理医学工程处理方法强噪声背景下微弱生理信号的动态提取58小波分析方法应用例小波分析：具有优良的时间–频率局部化特性是分析处理非线性、时变信号的重要工具誉为“分析信号的显微镜”小波分析方法应用例小波分析：59颈动脉搏动图(CAP)特征提取优点：1)高频噪声干扰影响小2)低频的基线漂移影响小3)定位准确性高4)运算速度快CAP特征提取颈动脉搏动图(CAP)特征提取CAP特征提取60正常颈动脉波

一般很难直接依据原始观测数据来对信号作出解释，往往需通过提取特征参数来进行表征，进而作信号分析和识别。

信号共性特征：过零点、极值点、过零间隔等。正常颈动脉波一般很难直接依据原始观测数据来对61CAP小波变换CAP小波变换62(a)正常情况(b)叠加白噪声

(c)有基线漂移(d)受干扰波形(a)正常情况63小波滤波器目的：去除高频噪声又尽可能保持信号高频分量不失真原理：信号的高频分量与高频噪声在小波变换下其表现不相同，据此可实现高频信噪分离，再利用小波反变换实现滤波。效果：信号的特征部位失真很小小波滤波器目的：去除高频噪声又尽可能保持信号高频分量不失真64生物医学工程绪论课件65医学成像——把生物体中有关的信息以图像形式提取并显示出来。可以是形态学像、功能像或代谢信息成像。图像处理——对已获得的图像进行分析、识别、分割、解释、分类以及三维重建与显示处理，目的是增强或提取特征信息。医学影像技术医学成像——把生物体中有关的信息以图像形式提取并显示出来。可66主要的成像模式X线成像（X-ray）X线计算机体层成像（X-raycomputedtomography，CT或X-CT）核医学成像（γ闪烁成像、正电子发射体层成像PET）超声成像（ultrasonography）核磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）主要的成像模式X线成像（X-ray）67发展简史1895德国外科医生伦琴（Röntgen）首次利用X射线观察到了人体的内部解剖结构。1969英国工程师Hounsfield首次设计成功了一台断层摄影装置。1972Hounsfield与英国神经放射学家Ambrose一道将该技术首次应用于脑部扫描，获得了第一幅脑肿瘤图像。该摄影装置称为计算机X射线断层扫描摄影装置，简称计算机层析成像或CT。1974由Ledley设计成功全身CT装置，进一步扩大了CT的检查范围，从而为CT进入临床医学领域奠定了基础。发展简史1895德国外科医生伦琴（Röntgen）首次68常规X线透射投影像三维结构的二维重叠显示常规X线透射投影像三维结构的二维重叠显示69横断体层像X-CT通过横断体层扫描和图像重建得到X-CT图像横断体层像X-CT通过横断体层扫描和图像重建得到X-CT图像70X线图X线图71XCT图XCT图72CT/PET图像融合CT图像反映解剖结构PET图像揭示新陈代谢图像融合，以协助进行胰腺癌的病灶定位和手术计划CT/PET图像融合CT图像反映解剖结构73影像技术比较影像技术比较74发展过程（纵向）模拟X线成像→数字X线成像体层成像CT、MRI形态成像诊断→形态成像功能成像代谢成像图像融合综合诊断发展过程（纵向）模拟X线成像→数字X线成像形态成像诊断→形75发展过程（横向）计算机辅助检测CADDetection计算机辅助诊断CADDiagnosisPACS（图像存档与传输系统）（Picturearchivingandcommunicationsystem）介入放射学（interventionalrediology）在影像监视进行手术治疗与内科、外科并列为三大医疗体系DSA（数字减影血管造影术）电子内窥镜红外热成像发展过程（横向）计算机辅助检测CADDetection76新进展阻抗成像微波成像实时三维影像重建

新进展阻抗成像77建模——对生物的细胞、器官和整体各层次的行为，参数 及其关系建立数学模型。以便更好地了解生物系统的行为及规律，为生物控制奠定基础。仿真——用计算机求解生物系统的数学模型以分析和预测各种条件下生物系统运行机制和状态的工作。生物系统的建模与仿真建模——对生物的细胞、器官和整体各层次的行为，参数 及其关系78鉴别人体参数的异常以进行疾病诊断、糖尿病等疾病的预报、血压等参数的自适应控制。在医疗仪器的研制和生物学、生理学、仿生学等学科的发展中，也具有很大价值。生物系统控制——人为地外加控制条件，影响生物系统的生命过程，以达到某种特定的目的：如，研究血压、PH、体温与心率的关系，为研制按需型心脏起搏器提供理论基础；建立流行病模型，为制定疾病的防疫措施提供理论依据。建模、仿真与控制鉴别人体参数的异常以进行疾病诊断、糖尿病等疾79黑箱模型——只从系统的外部条件符合生物系统的实际。同胚模型——不仅从系统的外部条件，而且从系统的内部条件（即受生物的解剖生理制约）符合生物系统的实际。模型必须进行实验验证。例子：循环系统模型、神经系统模式、免疫系统模型、流行病模型、人口发展模型模型的种类黑箱模型——只从系统的外部条件符合生物系统的实际。模型的种类80——应用电、磁、辐射、激光、超声等物理量治疗疾病或缓解病痛，是药物和手术治疗以外的重要治疗手段。优点：创伤小、费用低、易于推广研究内容：了解物理因子对人体的治疗作用及其机理，确定有效作用剂量和允许剂量。物理因子的生物效应——应用电、磁、辐射、激光、超声等物理量治疗疾病或缓解病痛，81激光辐射：产生光致热，化学、压强、电磁场和生物刺激等效应。以微波和超声波为热源的肿瘤加热疗法。放射治疗：高能量电离辐射光子或高能离子照射病变部位进行治疗。冲击波碎石：利用聚焦的连续超声振动或冲击波振碎病变结石。生物效应的应用激光辐射：产生光致热，化学、压强、电磁场和生物刺激等效应。生82计算机辅助医学诊断，能以咨询、监测、解释和识别等形式向医生提供认识疾病、诊断治疗疾病的科学依据。

争取疾病的早期诊断、治疗，提高家庭和社区医疗保健质量。

医学人工智能和医学专家系统计算机辅助医学诊断，能以咨询、监测、解释和识83医院数字化发展的3个阶段：管理数字化阶段以提高管理工作效率、辅助财务核算为主要目的医疗数字化阶段以PACS、电子病历系统以及麻醉监护系统、检验信息系统为代表，包括了对医院所有医疗活动中所涉及的全部信息进行以病人为中心的数字化管理并综合利用。将以区域医疗为特色随着各类区域性医疗网络、远程医疗以及社区医疗的发展，实现全社会范围的医疗数字化。医院信息工程与远程医学医院数字化发展的3个阶段：医院信息工程与远程医学84医院信息系统结构医院信息系统结构85

管理信息系统(HIS)是以经济核算、资源管理等为主要内容。目前，中国大多数医院实施的信息系统都是这种HIS系统。

临床信息系统(CIS)以病人信息为核心，对各种与病人诊疗有关的临床信息进行整理、处理、汇总、统计、分析等。目前中国还没有医院全面实现真正意义上的CIS，分步实施了某些模块，例如PACS系统。

办公自动化系统(OA)对办公系统的信息管理。HIS、CIS和OA管理信息系统(HIS)是以经济核算、资源管理86心电信息学(临床应用)心电信息——采用不同手段和分析方法获得的有关心脏生物电活动的各种曲线与图形资料。

如，心电图、动态心电图、心电向量图、频域心电图、体表电位标测图、心室晚电位、心率变异性、负荷心电图、起搏心电图、食管心脏起搏心电图、窦房结电图、希氏束电图、心磁图等。心电信息学——研究分析和阐明心电信息资料，为临床提供诊疗信息。心电信息学已成为心血管病学不可缺少的检查诊断方法，已形成一门独立学科。心电信息学(临床应用)心电信息——采用不同手段和分析方法获得871887Waller，毛细管静电计第一次描记人体心电图波群1901Einthoven与VandenWoerd研制成功弦线电流计1903Einthoven描记出满意的心电图波群，1905推广到临床应用（近50年），1924获诺贝尔医学奖。创建等边三角形学说，设计I、II、III导联，命名P、QRS、T各波群（Einthoven荷兰莱顿大学生理学家）1912Waller命名ECG，Electrocardiograph1932Wilson创立零电位中心电端理论，导联增加到12个，1942Goldberger概率中心电端，设计aVR、aVL、aVF。至此，形成Einthoven-Wilson理论体系。心电信息学简史1887Waller，毛细管静电计第一次描记人体心电图波88心电信息学简史三个历史阶段：

1887~1978心电图学↓1979~1994心电学↓1995~心电信息学

Electrocardiographicinformatics

国际心电图学会更名为国际心电学会心电信息学概念形成众多方法和技术采集、分析、储存和传输内涵信息不断得到充实内容更加丰富和提高心电信息学简史三个历史阶段：国际心电图学会更名为国际心电学89心电图图谱1

正常心电图

窦性心律心率：70次/分PR间期：0.16秒QT间期：0.33秒PⅠⅡ↑

aVR↓QRS时间：0.10秒ST-T无异常偏移心电图图谱1正常心电图90心电图图谱2

室性期前收缩（室早）1、提前出现的宽大畸形的QRS波群，时限>0.12S，其前无P波，继发S-T段与T波和主波方向相反。2、联律间期恒定3、代偿间期完全4、室早可以孤立或规律出现、形成二联律（上）、三联律、成对室早（下）。

5、在同一导联内若出现不同形态的室早为多形或多源性室早。心电图图谱2室性期前收缩（室早）91心电图图谱3

A图为窦性心动过速

1、频率>100次／分2、其他波型值在正常范围内。B图为窦性心动过缓

1、频率<60次／分2、其他波型值在正常范围内。心电图图谱3A图为窦性心动过速92心电图图谱4

Ⅲ°房室传导阻滞

1、P－P间期相等，R－R间期相等2、P与R无固定时间关系（P－R间期不等）3、心房率快于心室率4、QRS正常，表示心室起搏点在交界区；QRS增宽变形，表示起搏点在心室。心电图图谱4Ⅲ°房室传导阻滞93

1947年美国物理学博士，实验物理学家Nor-manJ·Holter首创连续记录生物电技术通常称之为Holter。最初无线电传送人的脑电图，随身无线电放射机重31.9kg。1957年应用晶体管电路实现磁带记录仪小型化，重1.5kg，连续记录心电图10h。——动态心电图（AmbulatoryECG）AECG监护系统是用一种随身携带的记录仪，可以长时间（24～72小时）连续记录并编集分析人体心脏在活动和安静状态下心电图变化。动态心电图1947年美国物理学博士，实验物理学家Nor-man94心电记录仪随身佩带，不受检测距离影响，不受体位变化及活动的限制。心电信息量远远大于常规ECG，尤其对短暂性心律失常的捕捉及一过性心肌缺血的检出有独到之处。分析系统可分析显示监测期内心搏总数、最高心率、最低心率、平均心率和每小时平均心率，自动分析和测量每小时室上性、室性期前收缩及心动过速的次数、程度和形态以及持续时间，房室传导阻滞、心脏停搏的情况及P-R间期、QRS波群、ST-T变化的轨迹图、趋势图及全览图等，其结果可用不同方式输出，为临床提供有价值的资料。AECG特点心电记录仪随身佩带，不受检测距离影响，不受体位变化及活动的限95AECG已成为重要的无创伤性心血管检测技术之一。数字化采集心电信号，重量轻，功耗低，寿命长等特点成为近年的主导产品。Holter的性能及应用领域也在不断提高和拓展。动态监测的领域从单纯的AECG已拓展到：

动态血压、动态脑电、动态睡眠呼吸、动态上消化道PH值等多项参数检测，并在临床科研及治疗中得以广泛应用。

AECG特点AECG已成为重要的无创伤性心血管检测技术之一。数字化采集心96§1.5现代医疗器械§1.5现代医疗器械97

医疗器械是指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、材料或者其他物品，包括所需要的软件；其用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得，但是可能有这些手段参与并起一定的辅助作用；其使用旨在达到下列预期目的：①对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解；②对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、补偿；③对解剖或者生理过程的研究、替代、调节；④妊娠控制。——1999年12月国务院批准《医疗器械监督管理条例》医疗器械医疗器械是指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具98近年全球整体经济不景气，但医疗器械行业仍然保持较高的增长速度。美国宏观经济几乎停滞，但医疗器械的增长率一直保持在9%左右。我国医疗器械产业近年一直保持15%左右的高速增长，随着我国宏观经济将进入另一个稳定增长周期，今后几年中国市场对医疗器械的需求将一直保持强劲势头。——2004版中国医疗器械市场研究报告产业发展（朝阳产业长青树）近年全球整体经济不景气，但医疗器械行业仍然保99美国欧盟日本中国41%27%14%仅2%我国医械工业与发达国家有相当差距（销售份额）医疗器械和药品的销售比例:美国1∶1国际1∶1.9中国1∶5可见我国医疗器械工业的发展空间很大。市场美国欧盟日本中国41%27%14%仅2%我国医械工业与发达国100医用手术、急救和诊疗器械与设备医用电子仪器放射设备超声仪器光学器具和激光仪器临床检验分析仪器微机械及微创医疗技术体外循环及血液处理设备……医疗器械产业＝生物医学工程产业医用手术、急救和诊疗器械与设备医疗器械产业＝生物医学工程产业101心脏起搏器CardiacPacemaker

心脏起搏器CardiacPacemaker102简介

人工心脏起搏——用外加脉冲代替心脏起搏点的电兴奋，刺激心脏搏动的一种治疗方法。是心律失常非药物治疗的一种有效治疗方法。

人工心脏起搏器——能产生一定形式电脉冲，并将脉冲传至心脏，使心脏按一定频率有效收缩的脉冲发生器。能替代或补充正常激励和控制心脏收缩的生理电子系统。

人工心脏起搏技术是实现生物机能控制的典型范例。简介人工心脏起搏——用外加脉冲代替心脏起搏点103发展简史1761～1846一种由于严重心律失常以致循环障碍、脑供血不足引起的危险急症，称为阿－斯综合征，或“心源性脑缺氧综合征”。是发展人工心脏起搏技术的重要背景。1791观察到肌肉对电刺激有收缩反应。1819用直流电刺激死刑者停止搏动的心脏，使之复跳。1858、1862动物实验，用电刺激使心脏跳动。1930Hyman创制发条脉冲发生器心脏起搏器，重量7.2kg，用针穿刺心房通电起搏抢救心脏停搏患者，命名为心脏起搏器，临床43例，救活14例，但受不公正舆论指责。发展简史1761～1846一种由于严重心律失常以致循环障104发展简史1947～1958刺激窦房结复跳；胸壁刺激(75～150V，2ms脉冲)成功，但痛苦大；心外膜电极起搏；心内膜电极起搏。1958Elmqvist(瑞典)工程师、Senning医师第一台埋藏式固定频率起搏器。术后，20多次排除故障，患者存活20余年。1960晶体管电路、锌－汞电池起搏器，盛行十余年。1971以后，锂电池逐渐代替汞电池。1963～P波同步型心室起搏；按需起搏；房室顺序起搏；房室全能起搏；频率自适应起搏；抗心动过速起搏；埋藏式自动复律－