生物医学工程

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生物医学工程(biomedical engineering,BME),一门新兴的边缘学科,它综合工程学、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,其目的是解决医学中的有关问题,保障人类健康,为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。

兴起于20世纪50年代。它与医学工程和生物技术有着十分密切的关系。而且发展非常迅速,成为世界各国竞争的主要领域之一。1979年中国国家科委成立了生物医学工程学科专业组。1980年成立了中国生物医学工程学会,已有10余个专业委员会,即人工器官及生物材料、生物力学、生物信息和控制、生物医学测量、医学物理超声医学工程、心脏起搏与工程、生物效应和质量能量传递、生物电磁学、人工关节中医工程、临床医学工程等委员会。

生物医学工程学与其他学科一样,其发展也是由科技,社会,经济诸因素所决定的。这个名词最早出现在美国。1958年在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),后来成为国际生物医学工程学会。现已举行了11届国际生物医学工程年会,规模一年比一年大。以1989年的第11届大会为例,有48个国家1000余位学者参加,大会收到论文1100余篇。1986年中国生物医学工程学会正式加入该组织。

生物医学工程学除了具有很好的社会效益外,还有很好的经济效益,前景非常广阔,是目前各国争相发展的高技术之一。以1984年为例,美国生物医学工程和系统的市场规模约为110亿美元。美国科学院估计,到2000年其产值预计可达400~1000亿美元。

生物医学工程学是在电子学、微电子学、现代计算机技术,化学、高分子化学、力学、近代物理学、光学、射线技术、精密机械和近代高技术发展的基础上并与医学结合的条件下发展起来的。它的发展过程与世界高技术的发展密切相关,同时它采用了几乎所有的高技术成果,如航天技术、微电子技术等。

目前生物医学工程学在基础理论研究与应用开发方面的研究主要有以下几个方面。

目录

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,研究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。目前生物力学在骨骼力学方面进展较快。

生物控制论

主要研究生物体内各种调节、控制现象的机理,进而对生物体的生理病理现象进行控制,从而达到预防和治疗疾病的目的。其方法是对生物体的一定结构层次,从整体角度用综合的方法定量地研究其动态过程。

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;目前轻合金材料的应用较为广泛。

医用诊断和治疗的仪器和设备

医学影像是临床诊断疾病的主要手段之一,也是世界上开发科研的重点课题。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、X射线数字减影(DSA)装置、电子计算机 X射线断层成像装置(CT),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、脑电、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。目前主要采用的是 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、60Co 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,各种急救治疗仪如除颤器等。

为了提高治疗效果,在现代化的医疗技术中,许多治疗系统内有诊断仪器或 1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,体外碎石机中装备了进行定位的X射线和超声成像装置,而植入人体中的人工心脏起搏器就具有感知心电的功能,从而能作出适应性的起搏治疗。介入放射学放射学中发展速度最快的领域,也就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。

目前各国竞相发展的高技术之一为医学成像技术,其中以图像处理,阻抗成像、磁共振成像、三维成像技术以及图像存档和通信系统(PACS)为主。

在成像技术中生物磁成像是最新发展的课题,它是通过测量人体磁场,来对人体组织的电流进行成像。

生物磁成像目前有二个方面。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心肌缺血)和脑磁成像(用以诊断癫痫活动、老年性痴呆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)。

另一个世界各国竞相发展的高技术是信号处理与分析技术,其中包括心电信号、脑电、眼震、语言、心音、呼吸等信号和图形的处理与分析。

高技术领域中还有神经网络的研究,目前世界各大国的科学家为此掀起了一个研究热潮。它被认为是有可能引起重大突破的新兴边缘学科,它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。运用智能原理去解决各类实际难题,是神经网络研究的目的,在这一领域已取得可喜的成果。1985年美国研制出 256个神经元的集成电路片,这引起各国的注意和投资热,采用这一技术后,数据压缩比可达88:1,而一般方法只能达到10:1,这对24小时心电记录仪的换代作出了重要贡献,同时也反映应用神经网络技术具有其他技术难以达到的效果。

参考书目 顾方舟,中国生物医学工程的发展道路,见《中国生物医学工程学报》,10(1)1~8,1991。

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