2014生物醫(yī)學工程基礎

1、生物醫(yī)學工程基礎,汪天富、陳昕、覃正笛、錢建庭、劉維湘、孫怡雯、張會生、沈圓圓、彭玨、周光前,深圳大學醫(yī)學院,課程簡介,生物醫(yī)學工程是基于工程學和生命科學的交叉學科，運用工程學的原理、知識和方法解決醫(yī)學問題，如用電學、化學、光學、力學和其他工程學原理來解釋、修改、控制生物體系統(tǒng)，是工程學和臨床醫(yī)學之間的橋梁。本課程是生物醫(yī)學工程專業(yè)學生的專業(yè)必修課程，對于全面掌握生物醫(yī)學工程的主要研究領域具有重要的引導作用。,課程簡介,主要內容歷史

2、回顧、道德與倫理問題解剖生理學、生物電現象生物力學、康復工程及輔助技術生物材料、組織工程生物醫(yī)學傳感器、生物醫(yī)學儀器生物醫(yī)學信號處理生理系統(tǒng)建模與仿真基因與生物信息學醫(yī)學成像、放射成像計算細胞生物學與計算復雜性生物醫(yī)學光學與激光體外診斷儀器,課程教材,考核形式,平時成績×30％ + 期末成績×70％平時成績包括作業(yè)、考勤、課堂提問、課堂測驗等期末考試方式是撰寫課程報告（文獻綜述）。,第一章

3、 歷史回顧,生物醫(yī)學工程基礎,汪天富深圳大學醫(yī)學院,主要內容,現代醫(yī)療保健系統(tǒng)的演變現代醫(yī)療保健體系什么是生物醫(yī)學工程生物醫(yī)學工程師的職能生物醫(yī)學工程的專業(yè)狀況幾個生物醫(yī)學工程協(xié)會,本章要求,通過學習，學生應該能夠：理解先進醫(yī)療技術的巨大進步在建立現代健康醫(yī)療保健系統(tǒng)中所扮演的重要角色明確什么是生物醫(yī)學工程，并能理解生物醫(yī)學工程師在健康醫(yī)療服務系統(tǒng)中的重要作用能夠解釋為什么生物醫(yī)學工程師是專業(yè)人士,醫(yī)療保健系統(tǒng)的

4、演變—依靠經驗和神學,巫醫(yī)觀察某些疾病的特點，然后把經驗輩輩流傳。例如，通過一些實踐經驗而發(fā)展起來的先進科學有藥草學、接骨術、外科手術、助產術等。,長期以來，埃及人敬重伊姆霍特普（Imhotep），并不是因為他是第一個金字塔（3000BC）的建造者，而是因為他是一位著名的醫(yī)生。他能讓病人安靜地入睡，所以他的名字代表著“安寧蒞臨者”在早期的埃及文化中他因醫(yī)術高明被尊稱為康復之神。,埃及的神學和最初的宗教一樣，高度強調超自然和個人健康

5、之間的相互關系。例如今天的處方中常用的神秘性標志Rx來源于古埃及地傳說“太陽神和魯斯（Horus）的眼睛”。Horus幼年時遭惡魔賽斯（Seth）的攻擊眼睛失明，他的媽媽（Isis）求助于健康之神Thoth，Thoth立即診治使Horus的眼睛的視力和神力都得以恢復。因此，Horus的眼睛成為埃及神靈解除災難和保護的標志，之后Rx便被用作來連接古代和現代醫(yī)學的紐帶。,Imhotep的思想和他所實踐的醫(yī)術被許多人記錄在蒲草紙書上（古

6、墓中發(fā)現）。1873年George Elbers 獲得的一個書稿（日期標注公元前1500年）就記錄了幾百種疾病的治療方法，從鱷魚咬傷到便秘無所不有。1862年Edwin Smith發(fā)現的莎草書稿（日期標注公元前1700年），被認為是古代最重要最完整的外科手術著作。這些文稿描述了一系列手術病例的診斷、預后和治療方法這兩本文稿無疑是醫(yī)學史上的杰出著作。,受古埃及Imhotep的影響，希臘人樹立了自己的醫(yī)神艾斯庫累普（Aesculap

7、ius）。據神話記載，艾斯庫累普是太陽神Apollo造訪塵世時生的兒子，Apollo是個負責任的父親，和眾多現代父母一樣，他希望艾斯庫累普能成為一個內科醫(yī)生。Apollo讓Chiron（人首馬身）做為家庭教師，教艾斯庫累普學習治病的方法。很快，艾斯庫累普在治療專業(yè)方面就很出色，而且青出于藍而勝于藍，他使人們的壽命大大延長，以至于陰間的人口數量都降低了。于是陰間之神Pluto非常憤怒，迫使天神Zeus用雷劈死了艾斯庫累普，并把他升

8、至天堂，成為奧林匹斯山上的神。,神學融入到了醫(yī)學 希臘神話中的醫(yī)神艾斯庫累普是現代內科醫(yī)師的標志,到1000年，醫(yī)學已經成為一個受人尊敬的專業(yè)。在希臘，艾斯庫累普寺廟屬于第一批醫(yī)院。,圖1.1被送進艾斯庫累普教堂的患病兒童,,稱作“醫(yī)學之父”的希波克拉底（Hippocrates）受醫(yī)生父親影響，年輕的時候就對醫(yī)術熟通，他給醫(yī)學注入了一種新的要素：科學精神，從此診斷檢測和臨床治療開始代替了迷信。,醫(yī)療保健系統(tǒng)的演變—首現“科學精神”

9、,希波克拉底使大家明白疾病是一種按邏輯逐步發(fā)展的自然過程，癥狀就是機體對病的反應，而不應該歸咎于神靈。希波克拉底和Cos寺廟培養(yǎng)了一大批人，他們遷移到地中海國家去行醫(yī)并傳播醫(yī)學理念。希波克拉底和他的學校以及起源于他的一些管理規(guī)定，構成了醫(yī)學從巫術和神學中分離出來的突破口，成為現代理性醫(yī)學的奠基石。,當羅馬帝國發(fā)展到鼎盛時期并且影響延伸到半個世界時，它們吸收的偉大文化包括醫(yī)學需要繼承傳下來。雖然羅馬在針對個人的臨床醫(yī)學方面的貢獻很小

10、，但他們在公共醫(yī)療方面有顯著成就。例如，他們組織了遍及整個羅馬帝國的軍隊醫(yī)療服務隊，不僅在戰(zhàn)場上有急救站，在戰(zhàn)略要塞也建立了基地醫(yī)院。城市下水道系統(tǒng)和輸水管道的建設也是羅馬在醫(yī)療保健的社會醫(yī)療方面取得的顯著成就。堅持不喝臟水，不吃臟食有利于控制和預防流行病。這觀念雖然原始，至今在都市生活中依然適用。不幸的是，由于缺乏關于疾病的科學知識，羅馬人在公共醫(yī)療上所有的成就也不能避免周期性的疾病災難，特別是幾乎把整個城市摧毀的瘟疫。,起

11、初羅馬統(tǒng)治者對希臘的醫(yī)師和醫(yī)術不屑一顧。但是幾年之后，希波克拉底的弟子門留下的良好印象廣泛傳播。為了回報他們對羅馬人提供的醫(yī)療服務，愷撒大帝（Caesar，46BC）對所有的希臘醫(yī)生授予羅馬公民身份。這使得希臘醫(yī)生在羅馬的地位十分穩(wěn)固，以至于同一年當羅馬遭受饑荒時，希臘醫(yī)生是唯一沒有被驅逐出境的外國人，相反，還給獎金以使他們留下來。,具有諷刺性的是：被尊稱為羅馬歷史上著名醫(yī)生的蓋倫（Galen）實際上是個希臘人。因為他醫(yī)治好了“

12、宮廷發(fā)熱病” 變成了羅馬醫(yī)學史上的名人。其實他和希波克拉底完全不一樣，蓋倫自大傲慢，自夸自詡，只報道成功的案例。不過蓋倫也確實是一名杰出的醫(yī)生，他的醫(yī)療診斷是一門藝術，除了照顧好病人，他還對遠至而來的醫(yī)學咨詢進行答復。蓋倫很勤奮，寫下了300多本解剖體檢的書，內容包括精選的歷史病例、他開過的藥方。,但由于他反對人體解剖，只能根據動物的解剖來畫出人體的解剖器官，這具有誤導性。由于當時蓋倫主宰了醫(yī)學界，又獲得羅馬天主教會支持，事實上

13、也阻礙了醫(yī)學的求真探索。在之后宗教統(tǒng)治的黑暗時期，他的醫(yī)學觀點和著作被羅馬教皇和權威人士看作“圣經”和“法律”。 隨著羅馬帝國的滅亡，教堂變成了知識庫，尤其是幾世紀以來逐漸漂移到地中海區(qū)域的知識寶蔵，包括通過傳教士的書面?zhèn)鞑サ尼t(yī)學知識，并且分散在各教堂，在教徒中流傳。,醫(yī)院系統(tǒng)伴隨著基督教的信仰、人道主義和慈善一起傳播，散及全歐洲隨后又通過十字軍傳播到中東地區(qū)。但是，訓練過的醫(yī)生主要在病人的家里治病，只有那些疲倦旅人、貧困者和認為

14、沒希望的病人才會去醫(yī)院。雖然有一些醫(yī)院有完善的財政和管理系統(tǒng)，能夠人性化對待病人，但是大多數醫(yī)院其實就是看守所，主要就是把棘手的或患傳染病的人和公眾隔離。在這些機構里充斥著擁擠、骯臟，病人和醫(yī)護人員死亡率都很高。因此，人們通常害怕并躲避醫(yī)院。,,15，16世紀文藝復興和宗教改革解除了教會對醫(yī)院和行醫(yī)者的強權控制。文藝復興時期，人們追求醫(yī)學知識等自然界真正奧秘的渴望再次被激發(fā)。人類解剖的研究得到發(fā)展，藝術家米開朗琪羅、拉斐爾、杜

15、勒，還有天才畫家達芬奇等都為深入研究人體解剖學作出了貢獻。,醫(yī)療保健系統(tǒng)的演變—文藝復興時期的巨大進步,伽利略（1564～1642）,在文藝復興時期，檢測技術也開始發(fā)展，其中伽利略的貢獻最大。他通過對大批醫(yī)學學生講演數學科學，詳細說明了他的著名理論和發(fā)明（望遠鏡、溫度計、擺錘等）。伽利略提倡用實驗和精確的測量方法幫助醫(yī)師進行有效的診斷。測量的體溫、脈搏數據和一些特殊疾病的癥狀相關。顯微鏡的發(fā)展擴大了人們的視野。,隨著人口城市化的

16、擴張，英國的醫(yī)院尤其是大都市里的醫(yī)院和設備變得供不應求。因此，在17世紀倫敦兩個大型醫(yī)院（St. Bartholomew’s 和 St. Thoma）實施了一項新的政策，即只接受可能被治愈的病人。那些無法治愈的病人就會被遣散到其他機構，比如收容所、監(jiān)獄或濟貧院。,,直到19世紀，醫(yī)院才有能力讓大量的病人受益。這一時代的進步是要歸功于護理水平的提高南丁格爾從克里米亞戰(zhàn)爭回到英國，她認為醫(yī)院死亡情況更多得是由于醫(yī)院的條件而不是疾病。

17、在19世紀后期，南丁格爾的影響深遠，世界上很多醫(yī)院都是接受她的建議而建立起來的。,南丁格爾,南丁格爾的護理觀點是：“護理可以使我們擁有可能最佳的條件，以便于病人自然恢復健康，并保持健康。請注意，我們是護理病人，而不是護理疾病”。,醫(yī)療保健系統(tǒng)的演變—護理的發(fā)展,現代醫(yī)療保健體系,20世紀，各種基礎科學（化學，生理學，藥理學等）開始迅猛發(fā)展，物理學學的各種發(fā)明促使醫(yī)學產生了飛躍。1903年威廉.愛因托芬發(fā)明了第一臺心電圖機，可以測量

18、心跳時的電位變化，由此開創(chuàng)了心臟醫(yī)學和電位測量技術的新時代。這一時期新發(fā)明層出不窮，就像連鎖反應一樣，其中對臨床醫(yī)學發(fā)展最最重要的是X射線的發(fā)現。在倫琴描述他的新射線時，人體的秘密就開始向醫(yī)學檢查敞開了。,1895年:,X射線之父－倫琴,倫琴夫人的手指,倫琴的實驗室,20世紀30年代磺胺藥物和40年代青霉素的開開發(fā)顯著降低了引起醫(yī)療危害的病人間的交叉感染。先進的科技促進了復雜的外科手術的發(fā)展。1927和1939年分別發(fā)明了呼吸機和

19、心肺分流術。40年代，心導管及心血管造影術得到了快速發(fā)展。實現了對由于瓣膜紊亂引起的心臟病的診斷，開創(chuàng)了心臟和血管外科研究的新時代。50年代，顯微鏡進入了醫(yī)學領域，在觀察微小細胞方面成就顯著。,早期的心電圖機,手術室的發(fā)展,醫(yī)學圖像技術及儀器,從70年代起，醫(yī)學研究者已經讓電子智能工具去進行復雜運算，進行記錄（通過人工智能），甚至控制支撐生活的儀器器具。依靠不斷發(fā)展的先進電腦技術開發(fā)了新的醫(yī)療成像技術，例如電腦斷層攝像（CT）和核

20、磁共振技術（MRI）。 “部分器官替換”手術變得司空見慣。隨著1954年第一例腎移植成功，人工器官的觀念就普遍被接受并在醫(yī)學領域逐漸流行。這些技術創(chuàng)新從根本上改變了外科的組織和應用。,20世紀90年代最顯著的科學技術成就就是人類基因組計劃，結果，生物醫(yī)學工程一個主要的轉變就是從之前的僅僅對器官水平的研究集中到細胞分子水平。納米技術、組織工程和人工器官清晰地表明科學幻想將變成現實。技術對于影響醫(yī)療保健實踐提供了無限的潛能。通過閉路

21、電視和通信工具，可以為病人提供遠程醫(yī)療服務。多項普檢系統(tǒng)為大多數人群提供疾病預防，從而避免了需要診斷治療的人再跑到醫(yī)院。病人的自動化護理記錄可以告知醫(yī)生病人在家和在醫(yī)院的身體狀況。,遠程醫(yī)療,南極膝關節(jié)手術,美國馬薩諸塞總醫(yī)院,雙向聲像連接,內科醫(yī)師的新工具—激光手術,,,,科學家和醫(yī)生將一顆狒狒的心臟移植到出生兩周的女嬰體內,生物醫(yī)學材料,康復工程,德國 Tübingen大學的 Birbaumer教授利用腦機接口技術(腦電

22、信號)幫助一個完全癱瘓的患者進行交流，病人甚至可以在家上網。,關愛老年人：A 全世界老年人口占12% B 到2050年，全世界老年人 口數量將第一次超過兒童 人口數量。C 每年有500萬人死于中風,返回,生物醫(yī)學工程（BME）是以工程科學技術的思維、方法、原理與技術，研究生命科學、支持生命科學、服務生命對象而形成的一門跨學科的、新興的、綜合性學科。,什么是生物醫(yī)學工程？,生物醫(yī)學工程的綜合性非常強，它應用電學、化學、

23、光學、力學和其他工程學原理來解釋、修改、控制生物系統(tǒng)。在醫(yī)院或醫(yī)療中心工作的生物醫(yī)學工程師稱作臨床工程師更適合，但是理論上的區(qū)別在實踐中往往不太明顯，今天許多在美國醫(yī)院工作的這類專家依然稱作生物醫(yī)學工程師。,生物醫(yī)學工程擴展了許多新的研究領域，包括：工程系統(tǒng)分析應用（生理建模與仿真、生物控制）。生理信號的檢測和監(jiān)視（生物感應器，生物醫(yī)學儀器）。利用生物電信號的處理技術提取診斷信息。開發(fā)治療和康復設備（康復工程）。代替或增加人

24、體功能的設備（如人造器官）。病人數據和計算機輔助分析和臨床診斷（醫(yī)學信息和人工智能）。醫(yī)學成像，即解剖結構和生理功能的圖象顯示。新的生物制品的開發(fā)（如生物技術和組織工程）,20世紀60年代，為了保障醫(yī)院病人的電氣安全，工程師開始進入臨床。當著名的消費者活動家Ralph Nader 聲稱“每年至少1200名美國人在醫(yī)院的常規(guī)診斷和治療中被電死”時，對臨床用電的擔憂達到了頂峰。大家推測病人觸電死亡的原因是導管插入病人體內之后就在體

25、外到臨近心臟的血管之間形成了低阻抗通路，此時比正常電壓高得多的電壓就可能使病人。觸電死亡。盡管缺乏統(tǒng)計學的證據，但是強烈的抗議提高了醫(yī)務人員對病人使用醫(yī)療設備的安全意識。,一個新的產業(yè)---醫(yī)院電氣安全---迅速應運而生。 電氣安全分析儀制造商和設備安全顧問急切希望能滿足醫(yī)院安全的需求，一些公司開發(fā)出確保病人安全的新產品，如隔離變壓器。為了滿足新的需求，醫(yī)院管理者考慮了一系列措施，包括：雇傭醫(yī)療設備制造廠家來進行設備安全審查；

26、與共享的設備機構簽訂合同；由醫(yī)院內部員工來提供此項服務。很多醫(yī)院選擇了內部服務并建立新部門來提供設備安全方面的技術。,由此一個新興工程學科---臨床工程學誕生了，許多醫(yī)院建立了中心臨床工程部門。 但電氣安全的敗例只代表了臨床環(huán)境中醫(yī)療設備安全的一小部分，設備既沒有完全清洗又沒有適當的維護。 到20世紀70年代中期，設備使用前后的全面檢查已經成為常規(guī)，形成了切合實際的檢查程序。在此發(fā)展過程中，臨床工程先驅人員發(fā)揮了重要的作用，他

27、們作為醫(yī)院人員梯隊里的新成員，發(fā)揮的作用越來越大。他們的工作包括：積極參與開發(fā)低成本高效的方法，發(fā)展醫(yī)療技術。為醫(yī)院管理者提供咨詢，根據醫(yī)院條件和特定技術規(guī)格購買醫(yī)療設備。啟動科技新方法的應用，并且協(xié)助標準制定部門的工作。培訓醫(yī)護人員，使他們能夠安全有效地使用醫(yī)療設備。,20世紀90年代，在國際醫(yī)學與生物工程聯(lián)合會（IFMBE）下設立美國臨床工程學會（ACCE）和臨床工程部。今天臨床工程師為臨床職員提供了大量的工程技術服務，

28、是整個醫(yī)院重要的一部分（圖1.10）。現代臨床工程師既掌握醫(yī)院內部具有的技術資源，又了解醫(yī)院外廠家的技術資源，使醫(yī)院可以有效地利用其資源。,返回,生物醫(yī)學工程師的職能,生物醫(yī)學工程師包括三種類型：醫(yī)療保健系統(tǒng)的臨床工程師；工業(yè)界的生物醫(yī)學設計工程師；研究型科學家。第一種類型是最普遍的，也可以稱作問題解決者。 生物醫(yī)學工程師必須能夠理解生物方面的問題，并且用生命科學家可以理解的語音描述所設計的解決方法，否則，無法稱之為“生物醫(yī)

29、學”。,第二種類型比較少見，也稱為“技術企業(yè)家”（更像工廠的生物醫(yī)學設計者）。他們認為生命科學家和醫(yī)生的教育與現有的應用技術能力間存在巨大差距，無法結合現有技術水平來提出問題。因此，科技企業(yè)家發(fā)現在生物和醫(yī)學的前沿領域技術可以發(fā)揮很大的作用，自己提出問題，并自己解決。最終他們必須證明自己的成果是有用的，并說服醫(yī)學界接納。相對于問題解決者來說，技術企業(yè)家的活動帶有冒險性，沒有現成的用戶。如果冒險成功，不管是科學還是商業(yè)上，都會前進

30、一大步。技術企業(yè)家的工作性質決定了他們必須有大量的工程學，醫(yī)學知識和醫(yī)療系統(tǒng)的實踐經驗。,第三類工程科學家，主要致力于應用工程學原理和技術來研究生物學過程。在此過程中最有力的工具是研究中構建的生物系統(tǒng)的物理數學模型。通過模擬技術和可用的計算機器，他們可以用模型理解那些對于分析計算和直覺感知復雜的特性。而且模擬的過程促進了實際生物系統(tǒng)的實驗設計。實驗結果反過來也可以用來改善模型。因此，在這個過程中加深了對生物機理的認識理解。,

31、像醫(yī)生和護士一樣，生物醫(yī)學工程師的最終職責為社會服務，這是一種職業(yè)，并不僅僅是熟練的技術服務。醫(yī)護人員和管理者需要充分認識這個新職業(yè)的重要性及其培訓目標，使他們充分發(fā)揮作用。生物醫(yī)學工程師具有巨大的潛力、挑戰(zhàn)和前景，給我們帶來的不僅僅師技術方面的效益，還有人道主義效益。,生物醫(yī)學工程師的職能,醫(yī)學基礎,電子技術,計算機技術,信息技術,,,,,生物醫(yī)學工程師的必備知識,生物醫(yī)學工程的專業(yè)狀況,生物醫(yī)學工程師是專業(yè)人員，專業(yè)人員的

32、定義就是在普通的集中培訓中共享的技術價值可以得到人們的認同。判斷一個人是不是專業(yè)人員取決于他是否具備某種內在化的專業(yè)價值。而且基于技術能力得到相關的許可證書。他們大多有科學標準，專注其技術范圍內的工作。在工作的時候，技術能力充分發(fā)揮，避免情感影響，尊重客觀現實，客戶的利益高于一切。,專業(yè)人員的最后一個特征是職業(yè)道德。醫(yī)生總是盡量寬容和支持病人，同時在面對病人需求和社會利益時又在道德上進退兩難。例如：如何尊敬晚期病人的愿望又不促

33、進他的死亡，關于醫(yī)學技術帶來的倫理道德問題的討論將在第二章詳細討論。以下六點可以判定職業(yè)化地位：（1）第一個培訓學校；（2）第一所大學；（3）第一個地方專業(yè)協(xié)會；（4）第一個國家專業(yè)協(xié)會；（5）第一部國家許可法律；（6）第一部正式的倫理道德準則。,生物醫(yī)學工程的專業(yè)狀況,生物醫(yī)學工程師的職業(yè)模式,生物醫(yī)學工程學（協(xié)）會,美國醫(yī)學與生物工程研究院(AIMBE) 美國擁有世界上最大的生物醫(yī)學工程協(xié)會團體，其相關專業(yè)機構有：（1）美國臨床

34、工程學會，（2）美國化學工程師協(xié)會，（3）美國醫(yī)學信息學協(xié)會，（4）美國農業(yè)工程師協(xié)會，（5）美國人工器官學會，（6）美國機械工程師協(xié)會，（7）醫(yī)療儀器促進協(xié)會，（8）生物醫(yī)學工程學會，（9） IEEE生物醫(yī)學工程學會，（10）康復與輔助技術發(fā)展交叉學科聯(lián)合會，（11）生物材料學會。這些學（協(xié)）會把美國分散的生物醫(yī)學工程內容統(tǒng)一在一起。美國醫(yī)學與生物工程學會（AIMBE）成立于1992年，促進各學（協(xié)）會的統(tǒng)一，處理公共政策問題，為促

35、進人類健康和提高生活質量不斷開拓新技術的工程應用。,電子電氣工程師學會（IEEE）是世界上最大的國際專業(yè)化機構，擁有37個社團和理事會。IEEE生物醫(yī)學工程學會（EMBS）師為8000余位生物醫(yī)學工程成員服務的重要國際組織之一。 EMBS的重要研究方向包括物理學和工程學的方法在生物醫(yī)學中的應用。學會每年資助召開一次重大的國際學術會議，同時也在世界各地主辦針對不同主題的地區(qū)性學術會議。,學術刊物有：生物醫(yī)學工程會刊（月刊）；神經

36、系統(tǒng)和康復工程會刊、生物醫(yī)學信息技術會刊、納米生物學會刊（季刊）；IEEE醫(yī)學生物工程雜志（雙月刊）。,生物醫(yī)學工程協(xié)學會（BMES）成立于1968年，為生物醫(yī)學和工程技術提供同等的地位。BMES最初的目的是促進生物醫(yī)學工程知識和應用的提高。每半年一次的正規(guī)會議安排在春季和秋季，而且一年會舉辦很多主題會議促進和學會（如AIMBE和EMBS）的合作 。,作業(yè)(教材)5、請展望一下，工程學和生命科學中的那些方面的進展將會對臨床醫(yī)療或生