生物医药工程概论

生物医药工程概论一.生物医药工程1.生物医药工程的定义：是一门边缘交叉学科，综合了生物、医学、工程学，其代表性定义有：“三合一学说”、“工程应用学说”、“综合学说”。其一般定义为：强调人类疾病的诊断、治疗与预测。生物医药工程研究内容和基本任务：1.基本任务：致力于人的防病、治病、康复和健康，致力于为探索生命现象提供高水平的科学方法和工程技术手段。2..研究内容：对象为人体，应用基础性为主，包含若干层次：微观：分子、细胞器官和组织：人体的器官、组织等整体：人体、周围环境3.主要研究领域：有8个，为生物力学、生物材料、生物系统建模与仿真、物理因子在治疗中的应用、生物医学信号检测与传感器、医学图像技术、人工器官、生物医学信号处理。生物医药工程的特点：1）.迅速发展的新兴学科2）.大跨度、多学科的综合性应用学科3）.是医药和生物学发展的重要动力4）.是社会效益与经济效益的综合二.生物医药工程的发展1.二十世纪五十年代开始形成，最终独立的学科2.发展历史：达•芬奇创立人体解剖学测量技术用于人体大发展是在十七世纪：人体活动新理论：医学机械学理论、医学化学、生机论迅速发展是在十九世纪：脑与神经、细胞学、组织学与细菌学、血液流动学、X射线与镭的发明飞跃式发展是在二十世纪：医学取得巨大进步的一百年，生物医药工程的产生近几十年：体内植入装置和材料、工器官、组织工程、克隆技术的迅猛发展促进了生物医药工程的发展。3.发展现状：相当的水平1）.生物力学在人体生理系统建模与仿真中的巨大作用：细胞力学、运动力学、血液流动学、呼吸力学等2）.生物医药材料人体组织的器官修复（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、人工器官等3）.人工器官在人体生理功能恢复中的巨大作用4）.生物医药电子学在生物医药工程中的巨大作用三.研究领域一.生物材料：生物材料又称生物工艺学或生物技术，应用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的功能，定向地组建成具有特定性状的生物新品种的综合性的科学技术。1.基本要求：1）.对生物体无害（生物性能）2）.有一定机械强度（机械性能）3）.有一定使用寿命（耐生物体老化性能）生物材料分类2.1.按材料功能划分：1）、血液相容性材料如人工瓣膜、人工气管等；2）、软组织相容性材料如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体、软组织修补等领域；3）、硬组织相容性材料如医用金属、聚乙烯等，关节、牙齿、其它骨骼等；4）、生物降解材料如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等； 5）、高分子药物多肽、人工合成疫苗等，用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等。2.2.按材料来源分类：1、自体材料2、同种异体器官及组织；3、异体器官及组织；4、人工合成材料；5、天然材料2.3.根据组成和性质分为：1、生物医用金属材料2、医用高分子材料3、医用无机非金属材料较优秀的生物医用金属材料有，医用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。如（1）医用不锈钢：具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。常用钢种有US304、316、316L、317、317L等。医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。(2)钴基合金：钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。2.4.按应用对象和材料物理性能分为软组织材料、硬组织材料和生物降解材料。其可满足人体组织器官的部分要求，因而在医学上受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。如软组织材料：故主要用作为软组织材料，特别是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制造人工心脏、喉头。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。硬组织材料：丙烯酸高分子(即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手术缝线。生物医用无机非金属材料2.5.生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为:1近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；2表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；3可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。如：生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。医用碳素材料：具有接近于自然骨的弹性模量。医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛的碳材料耐磨性理想。医用碳素材料在生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血反应，特别适合于在生理环境中使用。医用碳材料已大量用于心血管系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属和聚合物的涂层材料。生物医用复合材料：生物医用复合材料是由二种或二种以上不同材料复合而成的。2.6.按基材分为：高分子基、陶瓷基、金属基等生物医用复合材料。 按增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质充填生物医用复合材料。按材料植入体内后引起的组织与材料反应分为：生物惰性、生物活性和可吸收性生物医用复合材料二.生物力学：生物力学（biomechanics）生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。其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。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。1.最基本的研究内容：本构规律：应力与应变的规律本构方程：数学的形式表达出来2.生物力学的研究要同时从力学和组织学、生理学、医学等两大方面进行研究，即将宏观力学性质和微观组织结构联系起来，因而要求多学科的联合研究或研究人员具有多学科的知识。3.生物固体力学：生物固体力学是利用材料力学、弹塑性理论、断裂力学的基本理论和方法，研究生物组织和器官中与之相关的力学问题。在近似分析中，人与动物骨头的压缩、拉伸、断裂的强度理论及其状态参数都可应用材料力学的标准公式。但是，无论在形态还是力学性质上，骨头都是各向异性的。4.生物流体力学：生物流体力学是研究生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及游泳、飞行等与水动力学、空气动力学、边界层理论和流变学有关的力学问题。5..运动生物力学：运动生物力学是用静力学、运动学和动力学的基本原理结合解剖学、生理学研究人体运动的学科。用理论力学的原理和方法研究生物是个开展得比较早、比较深入的领域。三.生物系统建模与仿真:1.建模：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工作，最终希望用数学的形式表达。2.仿真：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体系统运作机制和状态的工作。3.应用：应用于人体参数的异常进行诊断、治疗4.生物系统的建模与仿真研究是刚刚兴起、远未成熟的学科领域，今后将在生物系统各层次上继续发展建模与仿真研究，以加深对生物系统功能的了解，对疾病诊断、治疗和预防提供指导；通过建模方法的改进和生物实验验证工作的加强，建模研究将向精确化和实用化方向发展；随着计算机科学的进步，将会促进综合的、复杂的模型的建模与仿真研究。我们已经从3个方面展开研究：已对心电偶极学说作了全面的研究，改进了模型，提出了从人体，心电等势线图中寻找诊断冠心病的最灵敏导联的概念；己建立了一套用生物电阻抗法无创测量心功能参数的理论模型和实验研究系统。与本校热带研究所一道进行了“全军防止消化道传染病模型及干预的研究”。四.物理因子在治疗中的应用：1.定义：物理因子治疗应用天然或人工物理因子的物理能，通过神经、体液、内分泌等生理调节机制作用于人体，以达到预防和治疗疾病的方法。2.物理因子能主要包括声、光、电、磁等。3.物理因子治疗的分类：1）.人工的物理因子能A.电疗法：直流电疗法：直流电药物离子导入法;B.静电疗法：静电场；电离空气疗法，人工的或自然界；C.光疗法：红外线，紫外线，激光；D.超声波疗法：> 20KHz,800-1000KHz;E.水疗法：浸浴，漩涡浴，蒸汽浴、药洗;F.温热疗法：石蜡，化学热袋、药喷;G.磁疗法：磁片，磁块，旋磁，电磁感应;H.冷疗法;I.手法、按摩及牵引2).应用大自然的物理因子:日光疗法，空气疗法、海水浴疗法、温（矿）泉疗法等。从作用机理来说：属刺激疗法;从治疗方面来说：属外治疗、也有深达作用;从临床应用来说：用于诊断、预防和治疗。4.物理疗法是利用各种物理能量，包括电能、光能、热能、机械能等作用于机体，引起人体各种反应，借以促进、调节、维持或恢复各种生理功能，影响病理过程或克制病因，从而达到预防和治疗疾病的目的。1）直接作用：a.）对机体组织器官;b.）对致病因子2）神经反射作用：一个完整的神经反射弧包括以下五个部分：感受器→传入神经纤维→中枢神经→传出神经纤维→反应器3）体液作用血液循环、淋巴循环等促进机体新陈代谢。5.介入性疗法：在动态图像引导下把精巧的手术器械经腔口等送到病患的部位进行手术6.微波与超声波：热源的肿瘤加热法，有点不损伤正常细胞，加热疗法的研究动向：热源、加热区域定位、体内测量与控制等方面。五.生物医学信号检测与传感性：1.生物医学信号检测：对生物体包含的生命现象、状态、性质及变量和成分等信息的信号进行检测和量化的技术2.生物医学传感器：获取信息变成易于检测和处理的信号3.生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，它是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号，从信号本身特征、检测方式到处理技术，都不同于一般的信号。4.生物医学信号的特点生物医学信号的检测方法生物医学信号由于受到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号所没有的特点。①信号弱，例如从母体腹部取到的胎儿心电信号10—50V。脑干听觉诱发响应信号小于1。②噪声强，由于人体自身信号弱，加之人体又是一个复杂的整体，因此信号易受噪声的干扰。如胎儿心电混有很强噪声，它一方面来自肌电、工频等干扰，另一方面，在胎儿心电中不可避免地含有母亲心电，母亲心电相对我们要提取的胎儿心电则变成了噪声。③频率范围一般较低，除心音信号频谱成份稍高外，其他电生理信号频谱一般较低。④随机性强，生物医学信号不但是随机的，而且是非平稳的。正是因为生物医学信号的这些特点，使得生物医学信号处理成为当代信号处理技术最可发挥其威力的一个重要领域。5.生物医学信号的分类生物信号如从电的性质来讲，可以分成电信号和非电信号，如心电、肌电、脑电等属于电信号；其它如体温、血压、呼吸、血流量、脉博、心音等属于非电信号，非电信号又可分为：①机械量，如振动(心音、脉搏、心冲击、Korotkov音等)、压力(血压、气血和消化道内压等)、力(心肌张力等)；②热学量，如体温；③光学量，如光透射性(光电脉波、血氧饱和度等)；④化学量，如血液的pH值、血气、呼吸气体等。如从处理的维数来看，可以分成一维信号和二维信号，如体温、血压、呼吸、血流量、脉博、心音等属于一维信号；而脑电图、心电图、肌电图、x光片、超声图片、CT图片、核磁共振(Mm)图像等则属于二维信号。6.生物医学信号的检测方法 生物医学信号检测是对生物体中包含生命现象、状态、性质、变量和成份等信息的信号进行检测和量化的技术。生物医学信号处理的研究，是根据生物医学信号的特点，对所采集到的生物医学信号进行分析、解释、分类、显示、存贮和传输，其研究目的一是对生物体系结构与功能的研究，二是协助对疾病进行诊断和治疗。生物医学信号检测技术是生物医学工程学科研究中的一个先导技术，由于研究者所站的立场、目的以及采用的检测方法不同，使生物医学信号的检测技术的分类呈现多样化，具体介绍如下：①无创检测、微创检测、有创检测；②在体检测、离体检测；③直接检测、间接检测；④非接触检测、体表检测、体内检测；⑤生物电检测、生物非电量检测；⑥形态检测、功能检测；⑦处于拘束状态下的生物体检测、处于自然状态下的生物体检测；⑧透射法检测、反射法检测；⑨一维信号检测、多维信号检测；⑩遥感法检测、多维信号检测；⑩一次量检测、二次量分析检测；⑩分子级检测、细胞级检测、系统级检测。7.传感器系统要求：灵敏度高、噪音小、抗干扰能力强、分辨力强、动态特性好8.生物医学传感器：物理型：血压、血流体温、呼吸等生物量测量化学型：对体液中各种无机离子的测量生物型：对生物体的酶、抗体等生物活性物质的测量使用时无严格区分，但化学型常手脚多干扰，如电极电位漂移9.光纤化学传感器特点：1）微型化，生物兼容性好，柔韧性好，不带电安全性，实时在体检测;2）传输功率损耗小，传输信息容量大，抗电测干扰，耐高温、高压，防腐，阻燃，防爆，远距离遥测和某些特殊环境的分析；3）多波长和时间分辨技术提高方法的选择性，多参数或连续多点检测；4）检测多种物质，灵活性大；5）不需电位法的参比电极，成本低；6）不改变样品的组成，非破坏性分析10.物理型又分：热敏/光学/声效应管/声波道传感器六.医学图像技术：1.包括医学成像技术和图像处理技术2.医学成像：把全物体中有关信息以图像形式提取并显现出来3.图像处理：对已获图像进行分析、识别、分割、解释、分类、三维重建与显示，目的把获得的图像的某部分增强或提取某特征4.医学成像设备成为医院诊断水平和装备现代化设备的重要指标七.人工器官1.当人体器官病伤而不能用常规方法医治时，人工制造的器官部分或全部替代。2.暂时或永久性地代替身体某些器官主要功能的人工装置。使用较广泛的有：①人工肺（氧合器）模拟肺进行O2与CO2交换的装置，通过氧合器使体内含氧低的静脉血氧合为含氧高的动脉血；②人工心脏（血泵）。代替心脏排血功能的装置，结构与泵相似，能驱动血流克服阻力沿单向流动。人工心脏与人工肺合称人工心肺机，于1953年首次用于人体，主要适用于复杂的心脏手术；③人工肾（血液透析器）。模拟肾脏排泄功能的体外装置，1945年开始用于临床。人工肾由透析器及透析液组成，透析器的核心是一层半透膜，可允许低分子物质如电解质、葡萄糖、水及其他代谢废物（如尿素）等通过，血细胞、血浆蛋白、细菌、病毒等则不能通过，从而调节机体电解质、体液和酸碱平衡，维持内环境的相对恒定。主要应用于急、慢性肾功能衰竭和急性药物、毒物中毒等。3.人工器官目前只能模拟被替代器官1～2种维持生命所必需的最重要功能，尚不具备原生物器官的一切天赋功用和生命现象，但它拓宽了疾病治疗的途径，增加了病人获救的机会，已经并仍在继续使越来越多的患者受益。中国研制的电子喉公重20克，发音清晰，音量可控，且男女声可辨。人造假肢可上举约22公斤的重物。使用人工肾业已成为肾功能衰竭末期病人的常规治疗手段，急性肾功能衰竭者采用人工肾治疗后死亡率已由75%降低到7%以下。目前人工肾研制的发展方向是要求其透析性能高，体积小，能佩带甚至能体内植入。埋藏式人工心脏正逐步走向临床试用阶段，1982年底，美国犹他大学医疗中心的德弗利斯博士为一位61岁的退休牙医克拉克安置了世界上第一个永久性人工心脏，使病人活了112天。人们目前已经制成的人工器官有心脏、皮肤、骨骼、肾、肝、肺、喉、眼八.生物医学信息处理 根据生物医学信号特点，应用信息科学的基本理论和方法，研究如何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，并对它们进步分析、解释和分类。