生物医学工程

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生物医学工程(biomedical engineering; BME),综合工程学、生物学和医学的理论和方法,在各层次上研究人体系统的状态变化,并运用工程技术手段去控制这类变化的新兴的医学边缘学科。它由生物医学与工程技术相互渗透而形成的。20世纪50年代,人们应用电子技术解决医学研究和临床问题,出现了生物医学电子学,这是生物医学工程的萌芽。60年代电子计算机、自动控制、超声、激光、核物理和高分子代学等新技术的发展,以及一批原来从事空间技术的科学家转向医学领域,应用这些新技术解决医学问题,促成了这一新兴学科的形成。1958年美国成立了国际医学电子学联合会,1965年该组织改称国际医学和生物工程联合会(IFMBE),后成为国际生物医学工程学会。

现代生物医学工程研究范围十分广泛,包括有生物医学信息处理、生物控制、生物力学、生物的物理效应、生物材料与人工脏器、生物医学传感器和生物医学仪器等重要分支。生物信息处理、生物控制、生物力学等都属于基础性的分支;而人工脏器和医学仪器及装备则是应用性的分支。

生物力学

运用力学的理论和方法,研究生物组织和器官的力学特性、机体力学特征与其功能的关系。生物力学的研究成果对了解人体伤病机理及确定治疗方法有着重大意义。同时可为人工器官和组织的设计提供依据。它包括生物流变学(血液流变学、软组织力学和骨骼力学)、循环系统动力学和呼吸系统动力学等。生物力学在骨骼力学方面进展较快。

生物医学信息处理

包括对生物体检测出的信号和图像,如心电图和X射线照片等的自动处理和识别。它为诊断提供新的手段和工具。而且生物医学信息具有一定的典型性和复杂性,因而成为数字信号处理、模式识别和人工智能等新技术应用的重要方面。

生物控制论

主要是应用自动控制理论和技术解决生物医学中的问题。由于生物系统与工业自动控制系统有许多共同点,控制理论中的数学模型、仿真技术、经典控制理论、系统辨识、最优控制和适应控制等方法,已广泛应用于生物医学。在基础医学领域,这些技术已用于阐明生理、病理和药理的机制。人们还用这些方法对癌症的发生和免疫过程的控制和调节等问题进行了研究。在临床医学方面,已用于选择输液治疗方案和确定药物及放射疗法的最优方案,以及开发新的疾病诊断工具等方面。自动控制技术还用于康复工程,解决感官补缺和生物电假肢以及人工脏器的控制等问题。系统工程已应用于解决较简单的医疗监护系统和自动体检系统中的问题,也开始应用于解决综合性强的医院管理系统与地区医疗系统的问题。

生物效应、质量和能量传递

主要研究医学诊断和治疗中各种因素可能对机体造成的危害和作用,因此要研究光、声、电磁辐射和核辐射等能量在机体内的传播和分布,以及其生物效应和作用机理。

生物材料

是制作各种人工器官的物质基础,它必须满足各种器官对材料的各项要求,这包括强度、硬度、韧性、耐磨性、挠度及表面特性等各种物理、机械等性能。由于这些人工器官大多数是植入体内的,所以要求具有耐腐蚀性、化学稳定性、无毒性,还要求与机体组织或血液有相容性。这些材料包括金属、非金属及复合材料、高分子材料等。轻合金材料的应用较为广泛(见生物医学材料)。

医用诊断和治疗的仪器与设备

医用影像设备主要采用X射线、超声、放射性核素、磁共振等进行成像。X射线成像装置主要有大型X射线机组、数字减影血管造影(DSA)装置、计算机X射线体层成像(CT)装置,超声成像装置有B型超声检查、彩色超声多普勒检查等装置,放射性核素成像设备主要有γ照相机、单光子发射计算机断层成像装置(SPECT)和正电子发射计算机断层成像装置(PECT)等。磁成像设备有共振断层成像装置(MR)。此外还有红外线成像和正在兴起的阻抗成像技术等。医用电子仪器是采集、分析和处理人体生理信号的主要设备,如心电图仪、脑电图仪、肌电图仪和多参量的监护仪等正在实现小型化和智能化。通过体液了解生物化学过程的生物化学检验仪器已逐步走向微量化和自动化。

治疗仪器设备的发展比诊断设备要稍差一些。主要采用的是X射线、γ射线、放射性核素、超声、微波和红外线等仪器设备。大型的如直线加速器、X射线深部治疗机、钴–60治疗机、体外碎石机、人工呼吸机等,小型的如激光腔内碎石机、激光针灸仪以及电刺激仪等。

手术室中的常规设备已从单纯的手术器械发展到高频电刀、激光刀、呼吸麻醉机、监护仪、X射线电视,以及各种急救治疗仪如除颤器等。许多治疗系统内有诊断仪器或一台治疗设备同时含有诊断功能。如除颤器带有诊断心脏功能和指导选定治疗参数的心电监护仪,体外碎石机装备了进行定位的X射线和超声成像装置,而植入人体中的人工心脏起搏器具有感知心电的功能,从而能作出适应性的起搏治疗。介入放射学是放射学中发展速度最快的领域,它是在进行介入治疗时,采用了诊断用的X射线或超声成像装置以及内窥镜等来进行诊断、引导和定位。它解决了很多诊断和治疗上的难题,用损伤较小的方法治疗疾病。

医学成像技术有图像处理、阻抗成像、磁共振成像、三维成像以及图像存档和通信系统(PACS)。其中,生物磁成像通过测量人体磁场,来对人体组织的电流进行成像。它包括两个方面,即心磁成像(可用以观察心肌纤维的电活动,可以很好地反映出心律失常和心肌缺血)和脑磁成像(用以诊断癫痫活动、老年性痴呆和获得性免疫缺陷综合征的脑侵入,还可以对病损脑区进行定位和定量)。

信号处理与分析包括心电、脑电、眼震、语言、心音、呼吸等信号和图形的处理与分析。

此外,神经网络的研究。研究人脑的思维机理,将其成果应用于研制智能计算机技术。如神经元集成电路片。