生物醫學工程

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生物醫學工程(biomedical engineering,BME),一門新興的邊緣學科,它綜合工程學、生物學和醫學的理論和方法,在各層次上研究人體系統的狀態變化,並運用工程技術手段去控制這類變化,其目的是解決醫學中的有關問題,保障人類健康,為疾病的預防、診斷、治療和康復服務。

興起於20世紀50年代。它與醫學工程和生物技術有著十分密切的關係。而且發展非常迅速,成為世界各國競爭的主要領域之一。1979年中國國家科委成立了生物醫學工程學科專業組。1980年成立了中國生物醫學工程學會,已有10餘個專業委員會,即人工器官及生物材料、生物力學、生物信息和控制、生物醫學測量、醫學物理超聲醫學工程、心臟起搏與工程、生物效應和質量能量傳遞、生物電磁學、人工關節中醫工程、臨床醫學工程等委員會。

生物醫學工程學與其他學科一樣,其發展也是由科技,社會,經濟諸因素所決定的。這個名詞最早出現在美國。1958年在美國成立了國際醫學電子學聯合會,1965年該組織改稱國際醫學和生物工程聯合會(IFMBE),後來成為國際生物醫學工程學會。現已舉行了11屆國際生物醫學工程年會,規模一年比一年大。以1989年的第11屆大會為例,有48個國家1000餘位學者參加,大會收到論文1100餘篇。1986年中國生物醫學工程學會正式加入該組織。

生物醫學工程學除了具有很好的社會效益外,還有很好的經濟效益,前景非常廣闊,是目前各國爭相發展的高技術之一。以1984年為例,美國生物醫學工程和系統的市場規模約為110億美元。美國科學院估計,到2000年其產值預計可達400~1000億美元。

生物醫學工程學是在電子學、微電子學、現代計算機技術,化學、高分子化學、力學、近代物理學、光學、射線技術、精密機械和近代高技術發展的基礎上並與醫學結合的條件下發展起來的。它的發展過程與世界高技術的發展密切相關,同時它採用了幾乎所有的高技術成果,如太空技術、微電子技術等。

目前生物醫學工程學在基礎理論研究與應用開發方面的研究主要有以下幾個方面。

目錄

生物力學

運用力學的理論和方法研究生物組織和器官的力學特性,研究機體力學特徵與其功能的關係,生物力學的研究成果對了解人體傷病機理及確定治療方法有著重大意義,同時可為人工器官和組織的設計提供依據。它包括生物流變學(血液流變學、軟組織力學和骨骼力學)、循環系統動力學和呼吸系統動力學等。目前生物力學在骨骼力學方面進展較快。

生物控制論

主要研究生物體內各種調節、控制現象的機理,進而對生物體的生理病理現象進行控制,從而達到預防和治療疾病的目的。其方法是對生物體的一定結構層次,從整體角度用綜合的方法定量地研究其動態過程。

生物效應,質量和能量傳遞

主要研究醫學診斷和治療中各種因素可能對機體造成的危害和作用。因此要研究光、聲、電磁輻射核輻射等能量在機體內的傳播和分布,以及其生物效應和作用機理。

生物材料

是製作各種人工器官的物質基礎,它必須滿足各種器官對材料的各項要求,這包括強度、硬度、韌性、耐磨性、撓度及表面特性等各種物理、機械等性能。由於這些人工器官大多數是植入體內的,所以要求具有耐腐蝕性、化學穩定性、無毒性,還要求與機體組織或血液有相容性。這些材料包括金屬、非金屬及複合材料、高分子材料等;目前輕合金材料的應用較為廣泛。

醫用診斷和治療的儀器和設備

醫學影像是臨床診斷疾病的主要手段之一,也是世界上開發科研的重點課題。醫用影像設備主要採用 X射線超聲放射性核素磁共振等進行成像。X射線成像裝置主要有大型X射線機組、X射線數字減影(DSA)裝置、電子計算機 X射線斷層成像裝置(CT),超聲成像裝置有B型超聲檢查、彩色超聲都卜勒檢查等裝置,放射性核素成像設備主要有γ照相機、單光子發射計算機斷層成像裝置 (SPECT)和正電子發射計算機斷層成像裝置(PECT)等。磁成像設備有共振斷層成像裝置(MR)。此外還有紅外線成像和正在興起的阻抗成像技術等。醫用電子儀器是採集、分析和處理人體生理信號的主要設備,如心電、腦電、肌電圖儀和多參量的監護儀等正在實現小型化和智能化。通過體液了解生物化學過程的生物化學檢驗儀器已逐步走向微量化和自動化。

治療儀器設備的發展比診斷設備要稍差一些。目前主要採用的是 X射線、γ射線、放射性核素、超聲、微波和紅外線等儀器設備。大型的如:直線加速器、X射線深部治療機、60Co 治療機、體外碎石機人工呼吸機等,小型的如:雷射腔內碎石機、雷射針灸儀以及電刺激儀等。

手術室中的常規設備已從單純的手術器械發展到高頻電刀雷射刀、呼吸麻醉機、監護儀、 X射線電視,各種急救治療儀如除顫器等。

為了提高治療效果,在現代化的醫療技術中,許多治療系統內有診斷儀器或 1台治療設備同時含有診斷功能,如除顫器帶有診斷心臟功能和指導選定治療參數的心電監護儀,體外碎石機中裝備了進行定位的X射線和超聲成像裝置,而植入人體中的人工心臟起搏器就具有感知心電的功能,從而能作出適應性的起搏治療。介入放射學放射學中發展速度最快的領域,也就是在進行介入治療時,採用了診斷用的X射線或超聲成像裝置以及內窺鏡等來進行診斷、引導和定位。它解決了很多診斷和治療上的難題,用損傷較小的方法治療疾病。

目前各國競相發展的高技術之一為醫學成像技術,其中以圖像處理,阻抗成像、磁共振成像、三維成像技術以及圖像存檔和通信系統(PACS)為主。

在成像技術中生物磁成像是最新發展的課題,它是通過測量人體磁場,來對人體組織的電流進行成像。

生物磁成像目前有二個方面。即心磁成像(可用以觀察心肌纖維的電活動,可以很好地反映出心律失常心肌缺血)和腦磁成像(用以診斷癲癇活動、老年性痴呆獲得性免疫缺陷症候群的腦侵入,還可以對病損腦區進行定位和定量)。

另一個世界各國競相發展的高技術是信號處理與分析技術,其中包括心電信號、腦電、眼震、語言、心音、呼吸等信號和圖形的處理與分析。

高技術領域中還有神經網路的研究,目前世界各大國的科學家為此掀起了一個研究熱潮。它被認為是有可能引起重大突破的新興邊緣學科,它研究人腦的思維機理,將其成果應用於研製智能計算機技術。運用智能原理去解決各類實際難題,是神經網路研究的目的,在這一領域已取得可喜的成果。1985年美國研製出 256個神經元的集成電路片,這引起各國的注意和投資熱,採用這一技術後,數據壓縮比可達88:1,而一般方法只能達到10:1,這對24小時心電記錄儀的換代作出了重要貢獻,同時也反映應用神經網路技術具有其他技術難以達到的效果。

參考書目 顧方舟,中國生物醫學工程的發展道路,見《中國生物醫學工程學報》,10(1)1~8,1991。

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