概述+生物力学

10/16/20231生物医学工程概论

IntroductiontoBiomedicalEngineering(BME)南方医科大学生物医学工程学院周凌宏10/16/20232主要内容1、生物医学工程的定义2、生物医学工程的发展3、生物医学工程的经典研究领域10/16/202331生物医学工程的定义

WhatisBiomedicalEngineering(BME)?10/16/20234边缘交叉科学(Interdisciplinary)综合：生物学医学工程学理论和方法近几十年内建立与发展10/16/20235三个有代表性的定义1、“三合一学说”生物学＋医学＋工程学＝生物医学工程学2、“工程应用学说”工程学在医学和生物学中应用3、“结合学说”生物医学工程学是生物学、医学和其它非生物学科的结合10/16/20236一般定义：“应用物理学和工程学的技术来解决生命系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗、预防和保健”综合运用现代自然科学和工程技术的原理、方法，从工程学的角度，在多种层次上研究生物体，特别是人体的结构、功能和其它生命现象，揭示和论证生命运动的规律，深化对生命系统的认识，提供防病、治病、卫生保健、康复、安全防护的新理论和新方法，设计和研制用于防病、治病等的新材料、人工器官、装置与系统的交叉学科生物医学工程学科领域基础生物学物理学(生物医学物理学）医学生物医学工程生物化学信息科学电子与现代工程技术10/16/20238生物医学工程的目标

探索人类正常生理活动

表征组织与器官的病变机理

给出研究和技术开发的最佳手段

提供治疗、预防与保健的有效方法10/16/20239基本任务：运用物理学、数学和工程技术手段，研究和解决生物学与医学中的有关问题。基本性质：以应用基础性研究为主，研究的对象是人体(一个多层次的庞大系统)，所涉及的领域十分广泛，并在不断的扩展之中。研究内容和基本任务10/16/202310生命的活动可分为若干层次整体层次：人体与外界环境的热量、质量、动量交换，有声、光、电、热、味、压的信息交换，有环境对于人体的作用，人与生活环境及工作环境的相互关系，有人对于环境的能动作用10/16/202311器官和组织层次：生物力学、生物材料、生物信号、医学图象、人工器官、控制、建模、康复、组织工程等都发生在这一层次微观层次：以分子、生物大分子、细胞等为对象细胞生物力学、分子生物力学、组织工程等可划入这一范畴10/16/2023121、迅速发展的新兴学科生物医学工程是在近几十年才从医学中分离而形成一门独立学科。当代高新科技的飞速发展，为它提供基础。生物医学工程的特点10/16/2023132、大跨度、多学科的综合性应用学科医学、生物学、物理学、化学、力学、材料学、制造学、电子学、计算机科学等学科的有机结合，甚至涉及社会、伦理、道德、法律等非生命科学到生命科学自然科学到人文科学10/16/2023143、是医学和生物学发展的重要动力一方面生物医学工程为医学、生物学提供技术与装备另一方面又为医学和生物学的发展开辟新路——带来生物学与医学的变革10/16/2023154、是社会效益与经济效益的综合医学重于社会效益，工程重于经济效益，生物医学工程是医学与工程学的结合，是社会效益与经济效益必然的结合10/16/2023162生物医学工程的发展回顾自发地应用于生物学和医学1604年 Jansen－显微镜，Hook发现细胞1895年 Roentgen－X射线，人体的内部结构1898年 居里－镭，生物代谢示踪，肿瘤治疗1906年 Einthoven－实用的心电图1933年Ruska－电子显微镜，亚细胞水平1947年无线电波传递心电、脑电1948年 利用超声技术获得人体切面声象图

能动地研究生物学医学的问题五十年代起，工程学科广泛渗入生物医学。医学电子学和生物医学工程学组织，1958年国际医学电子学联合会(IFME)诞生1963年国际医学电子学和生物医学工程联合会(IFMEBE)成立1965年世界性的国际生物医学工程联系会(IFMBE)学正式成立

七十年代生物医学工程涉及到生物医学的各个方面，微型机、网络技术和虚拟技术形成巨大的产业现代医学基本上是构筑在生物医学工程基础上

我国的生物医学工程学科1978年国家科委组织BME科研发展规划1980年成立了中国生物医学工程学会近年来，丰富、多彩10/16/202321当前，在医学的几乎所有领域生物医学工程学已经发挥、将会发挥巨大的作用生物力学在人体生理系统建模与仿真中发挥着巨大的作用细胞力学、运动力学、血流动力学、呼吸力学……生物医学工程发展现状10/16/202322生物医学材料在人体组织与器官修复(替代)中的巨大作用硬组织修复与替代、软组织修复与替代、血管替代、人造皮肤、各类人工器官……人工器官在人体生理功能恢复中的巨大作用人工心脏、人工心脏瓣膜、人工肺、人工肾、人工胰……10/16/202323生物医学电子学在生物医学工程中的巨大作用生物医学信号检测、处理与识别是是医学图象处理的基础，与生物材料、生物力学、人工器官、生物医学仪器等关系密切……生物医学图像技术在临床诊断中的巨大作用X光片、CT图像、B型超声波图像、MRI图像、PET、SPECT……10/16/202324生物医学仪器对提高医学整体水平的巨大作用生理功能分析、放射治疗、超声碎石、γ刀、X刀、细胞刀、质子刀、中子刀、射波刀、康复辅助系统、机器人外科手术系统……10/16/202325近20年，生物医学工程制品飞速发展并形成规模性产业，是我国战略性新兴产业社会需求量大，产品技术含量和产品附加值高美国目前已有1100万人体内植入有一个人工器官，200万人体内有2个或2个以上人工器官生物医学工程产业发展10/16/2023262012年，世界生物医学工程产业产值约4000亿美元，年增长率持续保持在10%上下。2012年，我国生物医学工程产业产值约3000亿元，年增长率持续保持在15~20%。美国、日本、西欧等发达国家都把生物医学工程列入高技术发展的前沿10/16/202327我国有13亿人口，医疗保健基数大，生物医学材料和人工器官的需求量大肢体不自由患者约1500万每年骨缺损和骨损伤约300万牙缺损(缺失)患者占总人口1/3大量血液病患者需人工肾大量糖尿病患者需人工胰10/16/2023283生物医学工程经典研究领域10/16/202329生物材料学人工器官生物系统建模与仿真生物医学信号与传感器生物医学信息处理医学图像技术物理因子在治疗中应用及生物学效应生物力学……10/16/202330生物医学材料学生物医学材料是用以和生物系统接合，以诊断、治疗或替代机体中的组织、器官或增进其功能的材料。可以是天然材料，也可以是合成材料或者是它们的结合，还可以是有生命力的活体细胞或天然组织与生命的材料结合而成的杂化材料。10/16/202331生物医学材料用于制作植入人体的各种制品，也包括需要与血液直接接触的医用导管材料、医疗器械中需要进入人体的探头和电极材料，以及大部分齿科材料、药物缓释材料、外科手术缝合线、皮肤创面保护膜等材料。10/16/202332人工器官人工器官主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料制成能部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置，当人体器官发生病变而用常规方法不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的系统来取代或部分取代病损的自然器官，补偿或修复其功能。10/16/202333人体除大脑尚没有人工大脑替代以外，几乎人体各个器官都在进行人工模拟研制中，其中已有不少人工制造的器官成功地用于临床，修复了不少病损器官的功能，挽救了病人的生命。10/16/202334虽然人工器官研究已取得很大进展，但从总体上看，人工器官在结构和功能上均与自然器官有很大差别，大多数人工器官尚不能完全替代自然器官。人工器官的应用与自然器官移植有互补作用，人工器官会为开展器官移植创造有利条件。10/16/202335生物系统建模与仿真生物系统的建模与仿真包括生物系统的建模、仿真、辩识与控制等内容，其中心为建模与控制。生物系统的建模是对生物的分子、细胞、组织、器官和整体各层次的行动、参数及其关系建立数学模型的工作。生物系统的控制是人为地外加控制条件来影响生物系统的生命过程，以达到某种特定的目的。10/16/202336生物医学信号与传感器生物医学信号检测是对生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等信息进行检测和量化的技术。生物医学传感器是获取各种生物信息并将其转换成易于测量和处理的信号(一般为电信号)的器件，是生物医学信号检测的关键技术。10/16/202337生物医学信号包括生物体各层次的生理和生物化学信号，如心电、脑电、肌电、眼电等生物电信号，心磁、脑磁、眼磁等生物磁信号，血压、体温、呼吸、血流、脉搏等非电磁生理信号，血液、尿液、血气中的各种化学量信号，酶、抗体、抗原、受体、激素、神经质等生物化学量信号。10/16/202338生物医学信号的一般特点是信号微弱，随机性很强，噪声和干扰背景强，动态变化和个体差异大，因此要求检测传感器和系统的灵敏度高，噪声小，抗干扰能力强，分辨力强，动态特性好。由于以人体为对象，故应有良好的对人体内环境的适应性，对人体生理状态扰动小，尤其对传感器系统的可靠性和安全性有特别严格的要求。10/16/202339生物医学信息处理生物医学信号种类繁多，其主要的外在特点是随机性大，噪声背景强，而且个体差异显著。例如，心电、肌电信号总是伴随有因肢体动作和精神紧张等所带来的假象，而且还常常有较强的工频干扰及电极伪差；诱发脑电信号总是伴随强的自发脑电信号；超声波回波信号中往往伴随其他发射杂波；生物磁信号强度远远低于地磁场和环境磁噪声强度。10/16/202340生物