生物医学工程导论

生物医学工程导论第一章概述什么叫生物医学工程生物医学工程〔BiomedicalEngineering,BME〕是运用自然科学和工程技术的原理和方法，研讨人的生理、病理过程，提示人体的生命景象，并从工程角度处理防病治病问题的一门综合性高技术学科。我国著名科学家顾方舟先生在“中国生物医学工程的今天与明天〞一书中这样写到“生物医学工程学是这样一门学科：它把人体各个层次上的生命过程〔包括病理过程〕看作是一个系统的形状变化的过程；把工程学的实际和方法与生物学、医学的实际和方法有机地结合起来去研讨这类系统形状变化的规律，并在此根底上，运用各种工程技术手段，建立适宜的方法和安装，以最有效的途径，人为地控制这种变化，以达预定的目的。生物医学工程学的根本义务在于保证人类安康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复效力。生物医学工程是理、工、医相结合的新兴边缘学科，是多种工程学科向生物学、医学浸透并相互作用的结果。虽然它作为一门独立的学科开展的历史尚不太长〔50年〕，但由于它在保证人类安康方面所起的宏大作用，它曾经成为当前医疗保健性产业的重要根底和支柱，许多国家都将其列为高技术领域。以人工心脏瓣膜这一典型的生物医学工程工程为例，为了进展人工心脏瓣膜的设计和制造，人们需求作如下任务：1.了解心脏瓣膜开启和封锁的机理，弄清人体心脏瓣膜的运动学和力学特性〔定量〕；2.处理人工心脏瓣膜资料问题〔相容性、毒性、力学性质和制备工艺等〕；3.了解人工心脏机械瓣和生物瓣的力学特性和疲劳寿命，以及植入心脏后的长期生物效应等。人工心脏瓣膜的制造和质量控制与监测等还要涉及一系列工程问题，此外还有本钱控制问题。风湿性心脏病生物医学工程的特点：大跨度的、多学科的综合性运用学科。以人工器官为例，它需求生物资料学、生物力学、生理学及有关机电、化工工程技术的有机结合，甚至涉及社会伦理学。这种大跨度〔从非生命科学到生命科学，乃至从自然科学到人文科学〕的综合，是传统学科所没有的，其开展需求工程技术与医学两方面人材的亲密结合。既为医学、生物学提供技术与配备，又为医学、生物学的开展开辟新路：因此它是变革医学和生物学本身的一支重要力量。社会效益与经济效益的结合。医学注重社会效益，工程学注重经济效益，生物医学工程才是二者必然的结合。1.1生物医学工程学的开展情况生物医学工程是从20世纪50年代以来，随着电子学、资料学、工程力学、信息科学和电子计算机等多种学科的提高并广泛运用于医学和生物学领域而逐渐构成和开展的。电子学的渗入使心电、脑电、心音、B超等适用诊断技术逐渐地出现和运用于临床；人体植入性心脏起搏器研制胜利挽救了成千上万心脏病患者的生命；与资料科学的结合，胜利地研制出如医用硅橡胶、医用聚氨酯和有机玻璃制造的人工股骨等人体功能辅助及卫生保健资料和制品；工程力学原理和方法的运用，使人们可以定量地研讨血液在心血管中流动特性，建立了本构方程来描写血液的流动行为；以医用资料为根底的多学科相结合，开场早期的人工器官如人工肾、人工肺、人工晶体、人工心瓣膜的研制和临床运用。本构规律：指生物体、组织器官的力学性质，特别是其应力与应变的规律，称为本构规律。本构方程：假设能将本构规律以数学方程的方式表达出来，这一方程即称为本构方程。进入60年代以后，微电子学、信息科学、计算机科学、控制论、工程力学及资料科学等的迅速开展并严密地与医学结合，导致大量的医疗仪器设备如X线机、超声仪、心电图、脑电图及球式机械人工心脏瓣膜等广泛地运用于临床。这些对医学提高，对临床诊疗程度的提高起到了极大的推进作用，产生了宏大的社会效益；另外，医疗器械产业已构成规模，产生了宏大的经济效益。由此，生物医学工程学这一新兴的边缘学科作为一门独立的学科成立，成为时代的需求。美国、日本和西方一些国家成立了医学电子学和生物医学工程学组织。世界性的国际生物医学工程结合会于1965年正式成立。七十年代以后，生物医学工程涉及到生物医学的各个方面，并获得长足的开展。实际研讨方面，利用生物系统建模与仿真技术对极为复杂的生命景象和生理过程的机制进展定量描画，如胰岛素释放控制模型和传染病流行模型等；生物力学对骨、软组织和血液的流变特性作了系统的研讨，对心血管中血液流动建立了更接近生理的本构方程； 运用技术方面，X射线计算机断层扫描安装〔X-线CT,X-ComputedTomography〕在短短的二十年间已开展到第五代，同位素断层图像的放射型CT〔ECT)，使单纯形状检查开展到功能诊断，多种断层技术使医学影像成为临床诊断的支柱；生物传感器的问世，使有机物的丈量进入了无试剂分析的时代，使延续动态监测体内有机成分成为能够；单板机、单片机使得医疗仪器微型化、智能化；高性能个人计算机的出现，使医疗仪器具有了多功能化特征，集医学信息采集、检测、处置和管理为一体，大大地提高了医疗效能；网络技术和虚拟技术的适用化，使远程医疗成为现实.现代医学根本上是构筑在生物医学工程的根底上。四大影像设备、各种生物电和器官压力流量监测等功能检查设备、各种自动生化分析仪器，是现代临床诊断的根底；射频仪、碎石机治愈了不少的患者；除颤器、埋藏式心脏起搏器和人工心瓣膜挽救和维持了全世界数百万心脏病人的生命；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；人工晶体、人工关节、功能性假体已广泛用于伤残人的康复和功能辅助；生物力学的研讨，对动脉粥样硬化的血栓构成认识及对骨外科器具和人工器官的设计起了非常重要的作用。总之，现代医学的提高离不开生物医学工程的开展，反过来又提出了新的课题，促进生物医学工程的提高。但是，另一方面，由于生物医学工程的提高，高技术的医疗仪器配备层出不穷，使得医疗保健费用呈指数曲线急剧上升，成为整个社会越来越繁重的负担。目前这个负担曾经繁重到北美、西欧等经济兴隆国家都难以接受的地步。具有挖苦意义的是，当初推进生物医学工程开展的缘由之一是指望借助于工程的方法来控制医疗费用的膨胀。但结果却事与愿违，生物医学工程技术越兴隆，医疗费用增长所呵斥的社会负担却越繁重。而从这种姿态中解脱出来的独一方法，就是改动观念，注重生物医学工程的社会性。不能将生物医学工程看成是一门单纯的技术科学，看作是各种现代科学技术在医学上的简单运用。实践上生物医学工程效力的对象是社会的每一个成员，因此必然遭到社会经济接受才干的约束。假设忽略了这一点，片面地追求科学技术的先进性，或一味地追求生物医学工程产业的经济效益，其结果必然是使生物医学工程本身陷于姿态。中国生物医学工程学科中国生物医学工程学科是1978年由国家科委正式确立的，并于1980年成立了中国生物医学工程学会，中国医学科学院院长黄家驷教授任首届会长。先后在18个省、直瞎市成立了分会，并于1986年正式参与IFMBE。至今设10个学科分会和专业委员会。目前全国有近四十所高校有相当规模的生物医学工程研讨室、所，博士点十多个，硕士点几十个，对我国的生物医学工程学开展起了非常重要的作用。我国的生物医学工程是仿效西方的方式建立起来的。在学科构成的初期，这种仿效是必然的。但是在西方生物医学工程的提高与它的社会效应的矛盾日益显露的今天，中国的生物医学工程要开展，就必需求充分认识我国的根本国情，要以大多数中国人的卫生保健的急需为目的，立足于我国经济和技术的能够，在促进我国医学程度提高的同时，必需有助于社会医疗费用的控制。1.2生物医学工程学的科学范围生物医学工程学是工程学与生物学、医学结合的产物，任何工程学科与生物学和医学的结合均属于生物医学工程的范畴，因此生物医学工程的研讨领域非常广泛，并在不断的开展，目前较成熟的领域有如下八个：生物力学生物资料生物系统建模与仿真物理因子在治疗中的运用及其生物效应生物医学信号检测与传感器生物医学信号处置医学图像技术人工器官生物力学〔BiologicalMechanics〕：生物力学是力学与生物学、医学等学科之间相互浸透的边缘学科。它的目的是试图从力学的角度来了解生命。详细地说，它将用经典力学、固膂力学、流膂力学的知识来解释生命的某些景象；用力学的方法定量地分析、研讨生命系统的功能与构造的关系，进而讨论生命的整个力学过程。生物力学所涉及的领域很广，目前以为它主要包括骨骼生物力学、人体运动力学、血液循环力学、呼吸流变学和生物热力学等分支学科。生物力学的研讨，加深了对血液流变特性与疾病的关系，骨力学特性与骨折愈合的关系，血液流动规律与心血管疾病的关系等的了解。运用生物力学的研讨成果，指点人工关节、人工心脏瓣膜等人工器官的设计。近年来，由于医学科学技术的开展．仿生学、宇航技术的提高，给生物力学提出了一系列问题，促进了生物力学的蓬勃开展。60年代后期，电子计算机开场用于医学，为生物力学开辟了新的前景。生物力学的研讨开场于60年代。1960年，美国的第一届仿生学讨论会引起了人们对生物力学的留意和兴趣。以后，美、欧、日、苏、澳、加等国都相继建立了专门的研讨机构，并多次召开国际性生物流变学会议和生物力学讨论会。1978年，在中国科学院组织的全国力学规划会议上，将生物力学作为一门独立的学科列入规划中。与此同时，中国力学会组织了全国性的生物力学专业组。以后，国内诸多著名大学相继建立了生物力学研讨所或研讨机构，并召开了多次全国性和地方性生物力学学术会议，经过交流更进一步促进了我国生物力学的开展。骨骼生物力学

(SkeletonBiologicalMechanics〕骨骼生物力学是生物力学的重要分支。虽然骨力学的研讨已有上百年的历史，但至今仍有许多问题处于有待深化研讨的形状。这是由于生物体是有生命的，与无生命的工程资料构造有着根本的不同。因此．用力学原理来研讨生物组织、器官和生物体是一件比较困难和复杂的任务。骨骼生物力学研讨骨和骨骼体系的力学问题、骨的微观构造与宏观力学效应的关系、骨的耦合力学效应、骨的生长与断裂的力学问题及骨骼生长的控制论等。骨骼在生物体内占有重要的位置。骨的组织构造非常复杂，与生物资料力学的关系非常亲密。近年来还有对骨的普通力学性质、骨的粘弹性性质、人颅骨冲击韧度的测定、脊柱力学的性质、关节受力分析、人工关节、骨伤、骨愈合的临床研讨，骨科复位固定器的效应分析等有效果的研讨。目前，对于骨的动力特性和骨作为一种有生命的组织的微观力学效应等方面，研讨尚较少。骨骼生物力学在医学方面的研讨与运用有着宽广的前景，如骨的再造实际，骨的生长与应力关系的实际等，对于矫形外科、骨伤的治疗、防护及辅助器具的设计等许多方面都有着重要的作用。骨骼生物力学的临床运用举例：人工关节资料的选择人工关节置换术是骨骼生物力学最活泼的一个运用领域。人工关节的运用已有近百年历史。如今人工关节种类繁多，从人工关节设计、制造、植入和维护，既有工程问题，也有骨力学问题。选做工关节资料的根本要求是：与骨组织间有良好的生理相容性与耐腐蚀性；有足够高的强度与疲劳寿命、较好的抗磨损性；良好的可加工性等。

已被用做人工关节的资料有：超高分子聚乙烯、不锈钢、钛合金、钴铬钼合金、陶瓷、硅橡胶和炭质资料，其中陶瓷资料正逐渐被注重。由于以上资料的运用，使人工关节的顺应范围和效果都有很大开展。从临床的运用来看，以上资料的人工关节尚未引起抗原性反响或致癌。金属资料的磨屑可添加感染率。单纯的钛抗磨损才干较差，但钛合金那么能提高抗磨损性能。钴铬钼合金也有好的耐磨性，但与骨相比，其刚硬度太大：另外炭质资料有优良的生物相容性，其力学性质上，有很强的耐磨损性。它的力学性质与密质骨也比较接近，其疲劳寿命也较长，但其强度较低，目前只用于小关节。动物实验阐明：钴铬钼合金有较好的生理相容性，但长期运用这种台金制成的人工关节，其血液与头发中钴的含量明显添加。超高分子聚乙烯有高度疏水性，耐磨性也好，多用来做人工关节臼。陶瓷资料有足够的强度，耐磨性能好。硅橡胶有较好的生理相容性，但强度低，普通也只用于小关节。虽然人工关节资料有较多优点，但也存在尚未抑制的缺陷．如金属的电解、疲劳、腐蚀、磨损、松动、骨质吸收等；塑料资料的老化、变脆；陶瓷优点较多，但其质脆、易折。上述资料有否致癌作用，尚待进一步研讨。生物资料〔Biomaterial)：生物资料学是研讨用以治疗或交换机体内的组织、器官或加强其功能的资料，以及这些资料与生物体之间的相互作用的学科。生物资料是与人体组织、体液或血液相接触或作用而对人体无毒、无副作用、不凝血、不溶血，不引起人体细胞突变、畸变和癌变，不引起免疫排异和过敏反响的特殊功能资料。迄今，生物资料有近千种，但被广泛运用的仅十余种。这些资料主要分为医用合成或天然高分子资料、医用金属资料、医学陶瓷、医用碳素资料，以及它们的复合资料等类。较活泼的研讨开发领域有高抗凝血资料、生物活性陶瓷及玻璃、钛及钛合金、生物活性缓释及描靶药物载体资料、生物粘合剂、可吸收性生物资料、甲壳素及其衍生物的医学运用等。生物资料的种类非常繁多，用途非常广泛。对生物资料的根本要求是：1.对生物体无害〔生物性能〕；2.有一定机械强度〔机械性能〕；3.有一定运用寿命〔耐生物老化性能〕。生物资料已胜利地就用于人工心脏瓣膜、人工血管、人工骨与关节、医用导管、齿科资料、外科缝线、药物缓释载体、透析与超滤膜资料及一次性和植入性医用制品等方面。资料技术的开展趋势之一是尺度向越来越小的方向开展，以前组成资料的颗粒，其尺寸都在微米〔百万分之一米〕量级，而如今出现了向纳米〔十亿分之一米〕尺度开展的资料。纳米技术是继互联网、基因之后人们关注的又一大热点。洞察微观世界的，需求借助仪器来开辟视野、延伸双手。８０年代初期，ＩＢＭ公司在世界上第一次研制胜利外表分析仪器——扫描隧道显微镜〔ＳＴＭ〕，使人类第一次可以察看到单个原子或分子的陈列形状。它给我们提供了对纳米构造进展丈量和处置的“眼睛〞和“手指〞。笼统地说，假设人站在月球上看地球，肉眼看见地球是一个球体，无法分辨出细节。用放大２０００倍的光学显微镜可以看到地球上的楼房。但假设运用放大上亿倍的扫描隧道显微镜，那么可以看到建筑物水泥墙或泥土中的沙粒。什么是纳米？纳米(nanometer):长度单位的一种，1纳米=10-9米，即十亿分之一米。大约相当于头发粗细的八万分之一。21世纪，信息科学技术、生命科学技术和纳米科学技术是科学技术开展的主流。人们普遍以为，纳米技术是信息和生命科学技术可以进一步开展的共同根底。纳米技术所带动的技术革命及其对人类的影响，远远超越电子技术。

90年代起，各国科学家纷纷投入一场“纳米战〞：在0.10至100纳米尺度的空间内，研讨电子、原子和分子运动规律和特性。而纳米资料那么是由许多的原子分子构成的具有纳米构造特征的物质。纳米粒子就是纳米尺寸大小的微小颗粒。这种纳米粒子外表积很大，每克达几百至几千平方米。外表具有很大的能量，具有常规资料根本不能够出现的多种新的功能和特性。纳米资料中包含了假设干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进展资料和器件的设计和制备。几十个原子、分子或成千个原子、分子"组合"在一同时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质，如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有艰苦变化。纳米技术是在纳米尺度内，经过对物质反响、传输和转变的控制来实现发明新的资料、器件和充分利用它们的特殊的性能，并且探求在纳米尺度内物质运动的新景象和新规律。由于颗粒极度细化，晶界所占体积百分数添加，使得资料的某些性能发生截然不同的变化，例如，以前给人极脆印象的陶瓷，纳米化通畅可以用来加工制造发动机零件，在医学上被用于骨科及齿科资料.纳米技术的根本涵义：

是指在微观环境下，即在纳米尺寸范围内，人类将认识和改造自然的才干延伸到原子、分子程度，经过直接支配和安排原子、分子，原子团或分子团，使其重新陈列、组合，发明出新的物质或物品的高新技术。

纳米资料的主要特点是什么？

呈现出与常规资料完全不同的性质，纳米铁具有极强的磁性、不导电资料变成导电、特殊的远红外线辐射、强的紫外反射、强吸附性、强催化作用等等。晶粒尺寸的减小将对力学性能产生很大的影响，使资料的强度、韧性和超塑性大大提高。在人工器官制造、临床运用等方面，纳米陶瓷资料比传统陶瓷资料有更广泛的运用和开展前景。纳米碳资料的运用，使碳质人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱的强度、硬度、韧度等多方面性能显著提高。利用纳米碳资料的高效吸附性，可将它用于血液的净化，去除某些特定的病毒或成分。目前虽然已对纳米资料的制备、构造与性能进展了大量的研讨，但在根底实际及运用开发等方面尚有大量的问题待讨论。但其所表现出的优良性能预示它在生物医学工程领域尤其是在生物资料和人工器官、介入性治疗、药物载体、血液净化、生物大分子分别等方面具有广泛的运用前景。纳米技术曾经浸透到：资料与制造、医学与安康、环境与能源、纳米电子学与计算机技术、航空航天探测等领域。美国科学基金会发表了400页的报告，来阐明纳米技术对人类社会带来的影响。报告指出：在十到十五年间，整个半导体产业和一半以上的制药工业，将依赖于纳米技术。

2000年美国克林顿政府提出了一个国家纳米技术创新方案，2001拨款达为4.22亿美圆。生物系统建模与仿真生物系统建模是对生物的细胞、器官和整体各个层次的行为、参数及其关系建立数学模型的任务，最终希望用数学的方式表达出来。建模的目的是为了更好地了解生物系统的行为及规律，为生物控制奠定根底。生物系统的仿真是用电子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转机制和形状的任务。生物体是非常复杂的系统，即使最简单的红细胞也包含着约2000种代谢反响，而大脑的复杂性就更是无法比较的了。因此研讨这种复杂的生物系统就需求非常复杂的实验，而对于某些条件下的生物系统研讨，其实验往往难以进展。生物系统建模与仿真可以将生物系统简化为数学模型并对此模型进展计算机分析，从而替代实践的复杂、长期、昂贵及至无法实现的实验，大大提高研讨效率和定量性，并可研讨人为施加控制条件以影响生物系统运转过程。生物系统建模与仿真可用于鉴他人体参数的异常以进展疾病诊断、糖尿病等疾病的预告、血压等参数的自顺应控制。此外，在医疗仪器的研制和生物学、生理学、仿生学等学科的开展中，生物系统建模与仿真也具有很大价值。生物系统控制是人为地外加控制条件来影响生物系统的生命过程，以到达某种特定的目的。如我们研讨血压、PH、体温与心率的关系，建立相应的数学模型，为研制按需型心脏起搏器提供实际根底。建立流行病模型，为人们制定疾病的防疫措施提供实际根据。物理因子在治疗中的运用及其生物效应运用电、磁、辐射、超声等物理能量作为治疗疾病或缓解病痛是药物和手术治疗以外的重要的治疗手段。研讨电、磁、辐射、超声等物理能量作用和机理，并确定其有效剂量和平安规范，从而开展运用物理因子治疗疾病的技术，并防止其能够的有害影响。激光辐射生物体后，由于组织能够产生光致热、化学、压强、电磁场和生物刺激等效应，发生组织形状和功能的变化，故可用于临床治疗。强激光用于光凝、汽化和切割等手术治疗，弱激光用于普通理疗和针灸等非手术治疗，运用激光光动力学治疗恶性肿瘤，激光治疗已扩展到临床各领域。以微波和超声为热源的肿瘤加热疗法，近年来进展了大量的研讨和开发任务，已有产品运用于临床。这种方法的优点是可在不损伤正常细胞情况下杀伤癌细胞。加热疗法的研讨动向主要在热源、加热区域定位、体内丈量与控制等方面。在动态实时图像引导下，把精巧的手术器械经腔口、小切口或血管导管送到病患的部位进展手术治疗的方法称作介入性疗法，由于创伤小，危险性小，费用少，故近年来开展较快。最具代表性的是经皮冠状动脉腔内成形手术，还可施行热切除、射频消融、除颤、高速旋切等操作。介入性治疗中必需有超小型精巧的工具、符合临床要求的资料和良好的工艺，这是工程性研讨的主要内容。高能量电离辐射光子或高能粒子照射人体内病变部位可起到治疗作用，这种方法称为放射治疗。现已广泛运用的是以钴60的γ射线和直线加速器产生的电子流在靶上打出的硬X射线照射病变部位，主要用于治疗恶性肿瘤。近年来用中子流和同步加速器中高能粒子束辐射出的延续硬X射线治疗恶性肿瘤的报道很多，但这需求昂贵的设备和条件，难以推行。此外利用聚焦的延续超声振动或冲击波振碎病变结石的冲击波碎石技术近年来开展很快。各种低频或直流电场、磁场曾经被用于治疗，有的与中医针灸疗法相结合，在治疗某些常见病上有一定疗效，特别是已开发了多种家用性电磁治疗仪器。但这类技术需求进一步开展生物学效应的研讨，以防止盲目性，提高治疗效果，防止对人体的有害影响。生物医学信号检测与传感器生物医学信号检测是对生物体中包含的生命景象、形状、性质及变量和成分等信息的信号进展检测和量化的技术。生物医学传感器是获取各种生物信息并将其转换成易于丈量和处置的信号〔普通为电信号〕的器件，是生物医学信号检测的关键技术。生物医学信号涉及生物体各层次的生理、生化和生物信号，这些信息以物理量、化学量或生物量变化的方式表现出来，如心电、脑电、肌电、眼电、等生物电信号；血压、体温、呼吸、血流、脉搏等非电磁生理信号；血液、尿液、血气等生物化学量信号；酶、蛋白、抗体、抗原等生物量信号。利用生物医学传感器将这些生物信息转换成易于丈量和处置的信号，普通为电信号，以便进一步处置，以了解生命活动的规律和本质，为医学研讨和临床诊断效力。如血压和血流等信息可以了解心血管系统的形状。生物医学信号的特点是信号微弱，随机性强，噪声和干扰背景强，动态变化和个体差别大，因此假设要把掺杂在噪声和干扰信号中的有用的生物医学信号检测出来，除要求用于检测的传感器系统具有灵敏度高、噪声小、抗干扰才干强、分辨力强、动态特性好之外，对信号提取和分析的手段亦有较高的要求。生物医学传感器按被检丈量划分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三类。物理型传感器已用于血压、血流、体温、呼吸等各种生理量的丈量，化学型传感器用于对体液中的各种无机离子的丈量，生物型传感器能对生物体的酶、抗原抗体、激素、神经递质以及核糖核酸等生物活性物质的丈量。由于生物系统非常复杂，生物体内的信息丰富，生物信号检测技术非常重要。生物医学传感技术因其关键位置而遭到各兴隆国家的注重。８０年代以来，美国、日本等国先后将生物传感器列为重点研讨工程，１９８５年起兴办了国际性专门刊物<Biosensor>，由此推进了生物传感器的研讨热潮。生物体内物质相互作用或与外界物质相互作用，常同时伴有物理变化及化学变化，故生物医学信号的检出‘既可以用物理传感器也可以用化学传感器’,化学传感器常受较多干扰，如电极电位漂移、电极外表中毒等，使这类传感器的性能提高遭到限制。

与传统的电化学传感器相比，光纤化学传感器〔ＦＯＣＳ〕有如下特点：〔１〕光纤及探头均可微型化，生物兼容性好，加之良好的柔韧性和不带电的平安性，使其更加适宜临床医学上的实时、在体检测；〔２〕光纤传输功率损耗小，传输信息容量大，抗电磁干扰，耐高温、高压，防腐，阻燃，防爆，使之可用于远间隔遥测和某些特殊环境的分析；〔３〕可采用多波长和时间分辨技术来提高方法的选择性，可同时进展多参数或延续多点检测，以获得大量信息；〔４〕适中选择化学试剂及其固定方法，可检测多种物质，灵敏性很大；〔５〕不需求电位法的参比电极，用廉价光源照射样品，可使本钱大大降低；〔６〕在大多数情况下，ＦＯＣＳ不改动样品的组成，是非破坏性分析。目前，光纤传感器已成为生物医学分析的一个重要开展方向。物理传感器主要包括热敏生物传感器、声效应管生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传器。热敏生物传感器运用范围较广，它具有线路简单、灵敏度高、呼应快等优点，适用于对病人进展实时监护。光学生物传感器是利用生物发光或生物物质对光波的扰动进展丈量，精度高，抗电磁干扰，非常灵敏，但线性范围窄。声效应管生物传感器是今后的重要开展方向之一，高度集成化后，可做成多功能微型传感器。声波道传感器对力学及电学量都很敏感,它具有灵敏度高、易于集成化、微型化等优点，运用范围较广，越来越遭到人们的注重。目前，物理传感器曾经适用化，化学传感器也多已到达适用程度，生物传感器大多数尚处于实验开发阶段。随着微电子、光电子技术的开展，生物医学传感器也将继续向微型化、多参数、适用化开展。微电子和微加工技术的提高，将导致集微传感器、微处置器和微执行器集于一体的微系统的问世与运用。生物医学信号处置生物医学信号普通都是伴随着噪声和干扰的信号，如心电、肌电信号总是伴随着因肢体动作和精神紧张等带来的假象，而且有较强的工频干扰；诱发脑电信号，总是伴随着较强的自发脑是信号；超声回波信号总是伴随着其它反射杂波。此外，信号中无用成份亦应视为检测中的干扰。生物信息处置技术即是研讨从被检测的湮没在干扰和噪声中的生物医学信号中提取有用的生物医学信息的方法。生物医学信号的检测与处置的方法，包括在强噪声背景下对微弱生理信号的动态提取、多道生理信号的同步察看与处置、生理信号的时间―频率表示、自顺应处置、医学专家系统等。另外，生物传感器输出的信号普通非常微弱，需求放大。再者，生物信号的特征部分才包含着生物信息，把这些信号的特征识别出来也是生物医学信号处置的主要义务。例如累加平均技术对诱发脑电，希氏束电位、心室晚位等微弱信号的提取；在心电和脑电的体表检测中采用计算机进展多道信号的同步察看与处置，并推求原始信号原的活动；在生理信号的数据紧缩中开场引入人工神经网络方法；在医药学特别是中国传统医学中的医学专家系统已在发扬实践效益。生物医学信息处置技术的研讨领域广泛，但在开展之中，并存在大量的前沿性课题，均需继续加强系统的、深化的研讨，扩展其适用价值。近年来，小波变换〔WT〕被广泛地运用于生物医学信号检测的许多领域。特别是其在时间－频率平面具有良好的定位特性。在过去的几年中，人工神经网络〔ArtificialNeuralNetworks，NN〕在生物医学领域中的运用迅速扩展。人工神经网络提供了一种与常规分析方法不同的计算方法。普通情况下，操作人员先用某种类型的一组输入输出数据训练系统，让系统学习，以后当把属于这种类型的新数据输入系统时，NN就能用学过的数据推测出而无需编制任何处置这类事件的特殊程序。虽然NN计算最初的重点是为了更好地了解大脑的活动，但它却曾经在许多神经生物学以外的运用领域获得了惊人的胜利。已有多种NN模型被提出，其中某些模型已获得了引人注目的成果。在高分子序列分析，包括蛋白质和DNA的NN研讨对于医学有潜在的重要性。NN在图像分析及辅助诊断中的运用，近年来遭到了注重，用NN对胸部透视数据进展分析，对于鉴别良性与恶性病灶很有协助，同时还减少了不用要的活组织检查。在单光子发射计算机断层成像〔SPECT〕中，NN分析甚至比人工看片在病灶探测方面更为准确。在诊断老年痴呆症时NN能和专家相媲美。除图像分析外，NN还被广泛地运用于心血管疾病的诊断及生化和化学分析等领域。生物医学信号检测技术已广泛运用于临床检查、病人监护、医学实验、在体控制、人工器官和运动医学等领域，并成为生物医学工种研讨各领域的共用性技术。在各方面的运用中，计算机发扬了重要的作用。例如，在心电和脑电的体表检测中，计算机对多种生理信号进展同步察看与处置，以利于更好地反响信号源的活动。计算机心电图诊断系统已被用户所接受，成为知识处置在医疗卫生领域内为数不多的几个胜利运用的例子之一，在门诊检查、根底护理、职业病防治、人口挑选和流行病研讨等领域得到一定的运用。虽然目前的心电图诊断系统还比不上专业医生的程度，但心电图的自动分析仍有改良的余地，研讨人员正从不同的着重点对诊断程序作进一步的改良，如：利用每一心跳中有用的信息；综合不同程序的结果；吸收心电学其它领域的知识；采用非心电图的数据；利用记录完备的心电数据来评价心电图诊断程序等。医学图像技术从显微镜技术到CT、核磁共振以及各种内窥镜，医学图像不断是医学信息的主要来源。医学图像技术包括医学成像技术和图像处置技术。医学成像是把生物体中的有关信息以图像方式提取并显示出来。以成像的手段来分有X线成像、超声成像、磁共振成像、放射性核素成像等;以图像所包含的信息种类来分有形状学成像、成分成像和功能成像。图像处置那么是对已获得的医学图像进展分析、识别、分割、解释、分类以及作三维重建与显示，其目的是把获得的医学图像的某些部分加强，或提取某些特征，为医生提供感兴趣的信息。成像与图像处置技术有时是结合成一体的。医学图像具有直观、笼统和信息量丰富的特点，便于观测和储存，因此开展非常迅速，在现代医学临床诊断中已占越来越重要的位置。各种医学图像设备的产值也已在医疗配备总产值中占有重要份额，并成为医院诊断程度和配备现代化程度的重要标志。医学图像技术种类很多，传统的显微图像、x线射线图像和内窥镜图像技术得到不断开展；与计算机技术相结合的超声医学图像、x线计算机断层图像(x线CT)、磁共振图像(MRI)和放射性核素图像等也已得到迅速开展和普及运用；热成像、微波成像、电阻抗成像等技术亦在开发或研讨之中，有的已构成产品。目前，B型超声成像技术曾经普及运用，彩色超声多普勒血流成像技术也已运用并日趋完善；x线CT已开展到第五代，扫描速度有了很大提高；MRI的磁体分量不断减轻，并在血流成像和波谱分析方面获得显著进展；放射性核素成像可获得组织化学及功能性图像；运用计算机的显微图像技术已成为进展细胞和分子程度研讨的重要手段。今后的重要课题是提高已有成像技术的成像速度和分辨力；扩展成像功能，特别是用于体内化学成份和生理功能的检查；努力降低成像设备的本钱；提高图像质量。此外，保证足够的图像质量和观测精度的三维重建实际与技术的研讨，也是遭到注重的课题。

医学图像处置方法很多。基于临床知识、解剖学知识、成像技术知识和统计学知识等知识的综合运用，使图像处置技术开展迅速。此外，模糊处置技术、人工神经网络等技术在医学图像处置中已遭到高度注重，三维图像显示技术亦是重要的开展方向。

人工器官当人体器官病伤而不能用常规方法治疗时，有能够给病人运用一种人工制造的安装来部分或全部替代病损的自然器官，以补偿、替代或修复自然器官的功能，这样的器件或安装称为人工器官。例如，人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液和人工心脏及心脏辅助安装，可补偿血液循环功能；人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱和假肢具有支持运动功能；人工肾、人工肝具有血液净化功能；人工肺、人工气管和人工喉具有呼吸辅助功能；人工食管、人工胆管和人工肠具有支持消化功能；

人工膀胱、人工输尿管、人工尿道具有排尿辅助功能；人工胰、人工胰岛细胞具有内分泌辅助功能；人工子宫、人工输卵管、人工睾丸、人工阴道和阴茎假体具有生殖辅助功能；心脏起搏器、膈起搏器等具有神经传导功能的辅助作用；人工视觉、人工听觉、人工晶体、人工角膜、人工鼻等具有觉得辅助功能。可以说，除大脑以外，对人体的其他器官都在进展人工器官模拟和替代的研讨，其中许多人工器官已不同程度地用于临床，已构成了相当规模的人工器官产业。人工器官是生物工程各领域知识和技术的综合表达。这个领域的进展，取决于对自然器官功能的充分了解和诸如生物力学、生物资料学、生物医学传感器和控制系统、生物系统的建模与仿真等各领域的提高。分开生物相容性好和巩固耐用的生物资料，分开传感器和控制系统的完善，人工器官是不能够实现的。应该说，各种人工器官都存在许多问题有待处理。其中，心肺器官的辅助或替代是人工器官研讨的首要问题。此外，血液净化技术、内分泌功能辅助、觉得功能辅助等人工器官的研讨和运用，对严重危害安康的肾功能疾病、糖尿病的治疗和伤残人的康复有重要意义，因此亦是重点开展的方向。人工器官的研讨将愈来愈遭到注重并得到不断开展和运用，可以预言，人工器官将成为愈来愈重要的和广泛运用的治疗手段，这将是二十一世纪医学提高的一个显著特点。与自然器官相比，人工器官仍有一定的差别，大多数人工器官不能完全替代自然器官。随着自然器官移植的进展，人工器官作为自然器官移植的过渡，仍有一定的价值。考试方法及要求方法：交一篇综述要求：标题：不限，他所感兴趣的生物医学工程领域的各个方面均可。字数：3000字左右。不少于2000字。参考文献：不少于3篇，且至少一篇英文文献(应选择近5年来的作品。文献综述的撰写方法文献综述是对某一方面的专题搜集大量情报资料后经综合分析而写成的一种学术论文，它是科学文献的一种。文献综述是反映当前某一领