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，研究人的生理、病理过程，揭示人体的生命现象，并从工程角度解决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）看作是一个系统的状态变化的过程；把工程学的理论和方法与生物学、医学的理论和方法有机地结合起来去研究这类系统状态变化的规律，并在此基础上，应用各种工程技术手段，建立适宜的方法和装置，以最有效的途径，人为地控制这种变化，以达预定的目标。生物医学工程学的根本任务在于保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。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、医学渗透并相互作用的结果。虽然它作为一门独立的学科发展的历史尚不太长（50年），但由于它在保障人类健康方面所起的巨大作用，它已经成为当前医疗保健性产业的重要基础和支柱，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项目为例，为了进行人工心脏瓣膜的设计和制造，人们需要作如下工作：1.了解心脏瓣膜开启和关闭的机理，弄清人体心脏瓣膜的运动学和力学特性（定量）；2.解决人工心脏瓣膜材料问题（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。人工心脏瓣膜的制作和质量控制与监测等还要涉及一系列工程问题，此外还有成本控制问题。风湿性心脏病生物医学工程的特点：大跨度的、多学科的综合性应用学科。以人工器官为例，它需要生物材料学、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，其发展需要工程技术与医学两方面人材的密切结合。既为医学、生物学提供技术与装备，又为医学、生物学的发展开辟新路：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生物医学工程学的发展状况生物医学工程是从20世纪50年代以来，随着电子学、材料学、工程力学、信息科学和电子计算机等多种学科的进步并广泛应用于医学和生物学领域而逐渐形成和发展的。电子学的渗入使心电、脑电、心音、B超等实用诊断技术逐步地出现和应用于临床；人体植入性心脏起搏器研制成功挽救了成千上万心脏病患者的生命；与材料科学的结合，成功地研制出如医用硅橡胶、医用聚氨酯和有机玻璃制作的人工股骨等人体功能辅助及卫生保健材料和制品；工程力学原理和方法的运用，使人们能够定量地研究血液在心血管中流动特性，建立了本构方程来刻画血液的流动行为；以医用材料为基础的多学科相结合，开始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应用。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：如果能将本构规律以数学方程的形式表达出来，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、工程力学及材料科学等的迅速发展并紧密地与医学结合，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应用于临床。这些对医学进步，对临床诊疗水平的提高起到了极大的推动作用，产生了巨大的社会效益；另外，医疗器械产业已形成规模，产生了巨大的经济效益。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，成为时代的需要。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联合会于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，并取得长足的发展。理论研究方面，利用生物系统建模与仿真技术对极为复杂的生命现象和生理过程的机制进行定量描述，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究，对心血管中血液流动建立了更接近生理的本构方程；应用技术方面，X射线计算机断层扫描装置（X-线CT,X-ComputedTomography）在短短的二十年间已发展到第五代，同位素断层图像的放射型CT（ECT)，使单纯形态检查发展到功能诊断，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，使有机物的测量进入了无试剂分析的时代，使连续动态监测体内有机成分成为可能；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、处理和管理为一体，大大地提高了医疗效能；网络技术和虚拟技术的实用化，使远程医疗成为现实.现代医学基本上是构筑在生物医学工程的基础上。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，是现代临床诊断的基础；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；生物力学的研究，对动脉粥样硬化的血栓形成认识及对骨外科器具和人工器官的设计起了十分重要的作用。总之，现代医学的进步离不开生物医学工程的发展，反过来又提出了新的课题，促进生物医学工程的进步。但是，另一方面，由于生物医学工程的进步，高技术的医疗仪器装备层出不穷，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沉重的负担。目前这个负担已经沉重到北美、西欧等经济发达国家都难以承受的地步。具有讽刺意义的是，当初推动生物医学工程发展的原因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发达，医疗费用增长所造成的社会负担却越沉重。而从这种困境中解脱出来的唯一办法，就是改变观念，重视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应用。实际上生物医学工程服务的对象是社会的每一个成员，因而必然受到社会经济承受能力的约束。如果忽略了这一点，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自身陷于困境。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年正式加入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究室、所，博士点十多个，硕士点几十个，对我国的生物医学工程学发展起了十分重要的作用。我国的生物医学工程是仿效西方的模式建立起来的。在学科形成的初期，这种仿效是必然的。但是在西方生物医学工程的进步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发展，就必须要充分认识我国的基本国情，要以大多数中国人的卫生保健的急需为目标，立足于我国经济和技术的可能，在促进我国医学水平提高的同时，必须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究领域十分广泛，并在不断的发展，目前较成熟的领域有如下八个：1.生物力学2.生物材料3.生物系统建模与仿真4.物理因子在治疗中的应用及其生物效应5.生物医学信号检测与传感器6.生物医学信号处理7.医学图像技术8.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渗透的边缘学科。它的目的是试图从力学的角度来了解生命。具体地说，它将用经典力学、固体力学、流体力学的知识来解释生命的某些现象；用力学的方法定量地分析、研究生命系统的功能与构造的关系，进而探讨生命的整个力学过程。生物力学所涉及的领域很广，目前认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。生物力学的研究，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理解。应用生物力学的研究成果，指导人工关节、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发展．仿生学、宇航技术的进步，给生物力学提出了一系列问题，促进了生物力学的蓬勃发展。60年代后期，电子计算机开始用于医学，为生物力学开辟了新的前景。生物力学的研究开始于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注意和兴趣。此后，美、欧、日、苏、澳、加等国都相继建立了专门的研究机构，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。此后，国内诸多著名大学相继建立了生物力学研究所或研究机构，并召开了多次全国性和地方性生物力学学术会议，通过交流更进一步促进了我国生物力学的发展。骨骼生物力学(SkeletonBiologicalMechanics）骨骼生物力学是生物力学的重要分支。尽管骨力学的研究已有上百年的历史，但至今仍有许多问题处于有待深入研究的状态。这是因为生物体是有生命的，与无生命的工程材料结构有着根本的不同。因此．用力学原理来研究生物组织、器官和生物体是一件比较艰难和复杂的工作。骨骼生物力学研究骨和骨骼体系的力学问题、骨的微观结构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地位。骨的组织结构十分复杂，与生物材料力学的关系十分密切。近年来还有对骨的一般力学性质、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、骨愈合的临床研究，骨科复位固定器的效应分析等有成效的研究。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，研究尚较少。骨骼生物力学在医学方面的研究与应用有着广阔的前景，如骨的再造理论，骨的生长与应力关系的理论等，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应用举例：人工关节材料的选择人工关节置换术是骨骼生物力学最活跃的一个应用领域。人工关节的应用已有近百年历史。现在人工关节种类繁多，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。选做工关节材料的基本要求是：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材料有：超高分子聚乙烯、不锈钢、钛合金、钴铬钼合金、陶瓷、硅橡胶和炭质材料，其中陶瓷材料正逐渐被重视。由于以上材料的使用，使人工关节的适应范围和效果都有很大发展。从临床的使用来看，以上材料的人工关节尚未引起抗原性反应或致癌。金属材料的磨屑可增加感染率。单纯的钛抗磨损能力较差，但钛合金则能提高抗磨损性能。钴铬钼合金也有好的耐磨性，但与骨相比，其刚硬度太大：另外炭质材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。动物实验表明：钴铬钼合金有较好的生理相容性，但长期使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增加。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。陶瓷材料有足够的强度，耐磨性能好。硅橡胶有较好的生理相容性，但强度低，一般也只用于小关节。尽管人工关节材料有较多优点，但也存在尚未克服的缺点．如金属的电解、疲劳、腐蚀、磨损、松动、骨质吸收等；塑料材料的老化、变脆；陶瓷优点较多，但其质脆、易折。上述材料有否致癌作用，尚待进一步研