生物醫藥工程

2）.生物醫藥材料 1、生物醫用金屬材料 5.生物醫學信號的分類

生物醫藥工程概論
一.生物醫藥工程
1.生物醫藥工程的定義：是一門邊緣交叉學科，綜合了生物、醫學、工程學，其代表性定義有：“三合一學說”、“工程套用學說”、“綜合學說”。其一般定義為：強調人類疾病的診斷、治療與預測。
生物醫藥工程研究內容和基本任務：1.基本任務：致力於人的防病、治病、康復和健康，致力於為探索生命現象提供高水平的科學方法和工程技術手段。
2..研究內容：對象為人體，套用基礎性為主，包含若干層次：
微觀：分子、細胞
器官和組織：人體的器官、組織等
整體：人體、周圍環境
3.主要研究領域：有8個，為生物力學、生物材料、生物系統建模與仿真、物理因子在治療中的套用、生物醫學信號檢測與感測器、醫學圖像技術、人工器官、生物醫學信號處理。
生物醫藥工程的特點：1）.迅速發展的新興學科
2）.大跨度、多學科的綜合性套用學科
3）.是醫藥和生物學發展的重要動力
4）.是社會效益與經濟效益的綜合
二.生物醫藥工程的發展
1.二十世紀五十年代開始形成，最終獨立的學科
2.發展歷史：達·芬奇創立人體解剖學 測量技術用於人體 大發展是在十七世紀：人體活動新理論：醫學機械學理論、醫學化學、生機論 迅速發展是在十九世紀：腦與神經、細胞學、組織學與細菌學、血液流動學、X射線與鐳的發明 飛躍式發展是在二十世紀：醫學取得巨大進步的一百年，生物醫藥工程的產生 近幾十年：體內植入裝置和材料、工器官、組織工程、克隆技術的迅猛發展促進了生物醫藥工程的發展。
3.發展現狀：相當的水平
1）.生物力學在人體生理系統建模與仿真中的巨大作用：細胞力學、運動力學、血液流動學、呼吸力學等
2）.生物醫藥材料 人體組織的器官修復（替代）中的巨大作用：硬組織修復與替代、軟組織修復與替代、血管替代、人造皮膚、人工器官等
3）.人工器官在人體生理功能恢復中的巨大作用
4）.生物醫藥電子學在生物醫藥工程中的巨大作用
三.研究領域
一.生物材料：生物材料又稱生物工藝學或生物技術，套用生物學和工程學的原理，對生物材料、生物所特有的功能，定向地組建成具有特定性狀的生物新品種的綜合性的科學技術。
1.基本要求：1）.對生物體無害（生物性能）
2）.有一定機械強度（機械性能）
3）.有一定使用壽命（耐生物體老化性能）
生物材料分類
2.1.按材料功能劃分：
1）、血液相容性材料 如人工瓣膜、人工氣管等；
2）、軟組織相容性材料 如隱形眼睛片的高分子材料，人工晶狀體、軟組織修補等領域；
3）、硬組織相容性材料 如醫用金屬、聚乙烯等，關節、牙齒、其它骨骼等；
4）、生物降解材料 如甲殼素、聚乳酸等，用於縫合線、藥物載體、粘合劑等；
5）、高分子藥物多肽、人工合成疫苗等，用於糖尿病、心血管、癌症以及炎症等。
2.2.按材料來源分類：
1、自體材料
2、同種異體器官及組織；
3、異體器官及組織；
4、人工合成材料；
5、天然材料
2.3.根據組成和性質分為：
1、生物醫用金屬材料
2、醫用高分子材料
3、醫用無機非金屬材料
較優秀的生物醫用金屬材料有，醫用不鏽鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金、鎳鈦形狀記憶合金、金銀等貴重金屬、銀汞合金、鉭、鈮等金屬和合金。如（1）醫用不鏽鋼：具有一定的耐腐蝕性和良好的綜合力學性能，且加工工藝簡便，是生物醫用金屬材料中套用最多，最廣的材料。 常用鋼種有US304、316、316 L、317、317L等。 醫用不鏽鋼植入活體後，可能發生點蝕，偶爾也產生應力腐蝕和腐蝕疲勞。醫用不鏽鋼臨床前消毒、電解拋光和鈍化處理，可提高耐蝕性。醫用不鏽鋼在骨外科和齒科中套用較多。 (2) 鈷基合金：鈷基合金人體內一般保持鈍化狀態，與不鏽鋼比較，鈷基合金鈍化膜更穩定，耐蝕性更好。在所有醫用金屬材料中，其耐磨性最好，適合於製造體內承載苛刻的長期植入件。在整形外科中，用於製造人工髖關節、膝關節以及接骨板、骨釘、關節扣釘和骨針等。在心臟外科中，用於製造人工心臟瓣膜等。
2.4.按套用對象和材料物理性能分為軟組織材料、硬組織材料和生物降解材料。其可滿足人體組織器官的部分要求，因而在醫學上受到廣泛重視。目前已有數十種高分子材料適用於人體的植入材料。如軟組織材料：故主要用作為軟組織材料，特別是人工臟器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、矽橡膠膜和管，可用於製造人工心臟、喉頭。聚酯纖維可用於製造血管、腹膜等。 硬組織材料：丙烯酸高分子(即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龍、矽橡膠等可用於製造人工骨和人工關節。 降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用於可接收性手術縫線。
生物醫用無機非金屬材料
2.5.生物無機材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和醫用碳素材料。
按植入生物活體內引起的組織與材料反應，生物陶瓷分為: 1近於惰性的生物陶瓷，如氧化鋁生物陶瓷、氧化鋯生物陶瓷、硼矽酸玻璃；
2表面活性生物陶瓷，如磷酸鈣基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；
3可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三鈣生物陶瓷、硫酸鈣生物陶瓷。
如：生物活性玻璃陶瓷植入活體後，能夠與體液發生化學反應，並在組織表面生成羚基磷灰石層，故可用於人工種植牙根、牙冠、骨充填料和塗層材料。與自然骨比較，生物活性玻璃陶瓷雖然具有較高的強度，但韌性較差，彈性模量過高，易脆斷，在生理環境中抗疲勞性能較差，目前還不能直接用於承力較大的人工骨。醫用碳素材料：具有接近於自然骨的彈性模量。 醫用碳素材料疲勞性能最優，強度不隨循環載荷作用而下降。無序堆垛的碳材料耐磨性理想。 醫用碳素材料在生理環境中較穩定，近於惰性，具有較好的生物相容性，不會引起凝血和溶血反應，特別適合於在生理環境中使用。醫用碳材料已大量用於心血管系統的修復，如人工心臟瓣膜、人工血管。還可作為金屬和聚合物的塗層材料。 生物醫用複合材料：生物醫用複合材料是由二種或二種以上不同材料複合而成的。
2.6.按基材分為：高分子基、陶瓷基、金屬基等生物醫用複合材料。
按增強體形態和性質分為纖維增強、顆粒增強、生物活性物質充填生物醫用複合材料。
按材料植入體內後引起的組織與材料反應分為：生物惰性、生物活性和可吸收性生物醫用複合材料
二.生物力學：生物力學（biomechanics ）生物力學是套用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支。其研究範圍從生物整體到系統、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等。生物力學的基礎是能量守恆、動量定律、質量守恆三定律並加上描寫物性的本構方程。生物力學研究的重點是與生理學、醫學有關的力學問題。依研究對象的不同可分為生物流體力學、生物固體力學和運動生物力學等。
1.最基本的研究內容：本構規律：應力與應變的規律
本構方程：數學的形式表達出來
2.生物力學的研究要同時從力學和組織學、生理學、醫學等兩大方面進行研究，即將巨觀力學性質和微觀組織結構聯繫起來，因而要求多學科的聯合研究或研究人員具有多學科的知識。
3. 生物固體力學：生物固體力學是利用材料力學、彈塑性理論、斷裂力學的基本理論和方法，研究生物組織和器官中與之相關的力學問題。在近似分析中，人與動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態參數都可套用材料力學的標準公式。但是，無論在形態還是力學性質上，骨頭都是各向異性的。
4. 生物流體力學：生物流體力學是研究生物心血管系統、消化呼吸系統、泌尿系統、內分泌以及游泳、飛行等與水動力學、空氣動力學、邊界層理論和流變學有關的力學問題。
5.. 運動生物力學：運動生物力學是用靜力學、運動學和動力學的基本原理結合解剖學、生理學研究人體運動的學科。用理論力學的原理和方法研究生物是個開展得比較早、比較深入的領域。
三.生物系統建模與仿真:
1.建模：對生物的細胞、器官和整體各個層次的行為、參數及其關係建立數學模型的工作，最終希望用數學的形式表達。
2.仿真：用電子計算機求解生物系統的數學模型以分析和預測各種條件下生物體系統運作機制和狀態的工作。
3.套用：套用於人體參數的異常進行診斷、治療
4. 生物系統的建模與仿真研究是剛剛興起、遠未成熟的學科領域，今後將在生物系統各層次上繼續發展建模與仿真研究，以加深對生物系統功能的了解，對疾病診斷、治療和預防提供指導；通過建模方法的改進和生物實驗驗證工作的加強，建模研究將向精確化和實用化方向發展；隨著計算機科學的進步，將會促進綜合的、複雜的模型的建模與仿真研究。我們已經從3個方面展開研究： 已對心電偶極學說作了全面的研究，改進了模型，提出了從人體，心電等勢線圖中尋找診斷冠心病的最靈敏導聯的概念；己建立了一套用生物電阻抗法無創測量心功能參數的理論模型和實驗研究系統。與本校熱帶研究所一道進行了“全軍防止消化道傳染病模型及干預的研究”。
四.物理因子在治療中的套用：
1. 定義：物理因子治療套用天然或人工物理因子的物理能，通過神經、體液、內分泌等生理調節機製作用於人體，以達到預防和治療疾病的方法。
2. 物理因子能主要包括聲、光、電、磁等。
3. 物理因子治療的分類 ：1）.人工的物理因子能
A.電療法：直流電療法：直流電藥物離子導入法;B.靜電療法：靜電場；電離空氣療法，人工的或自然界；C.光療法：紅外線，紫外線，雷射 ；D.超音波療法：> 20KHz,800-1000KHz ;E.水療法：浸浴，漩渦浴，蒸汽浴、藥洗 ;F.溫熱療法：石蠟，化學熱袋、藥噴 ;G.磁療法：磁片，磁塊，鏇磁，電磁感應 ;H.冷療法 ;I.手法、按摩及牽引
2).套用大自然的物理因子: 日光療法，空氣療法、海水浴療法、溫（礦）泉療法等。從作用機理來說：屬刺激療法 ;從治療方面來說：屬外治療、也有深達作用 ;從臨床套用來說：用於診斷、預防和治療。
4. 物理療法是利用各種物理能量，包括電能、光能、熱能、機械能等作用於機體，引起人體各種反應，藉以促進、調節、維持或恢復各種生理功能，影響病理過程或克制病因，從而達到預防和治療疾病的目的。1）直接作用：a.）對機體組織器官 ;b.）對致病因子
2）神經反射作用：一個完整的神經反射弧包括以下五個部分：感受器→傳入神經纖維→中樞神經→傳出神經纖維→反應器
3） 體液作用 血液循環、淋巴循環等促進機體新陳代謝。
5.介入性療法：在動態圖像引導下把精巧的手術器械經腔口等送到病患的部位進行手術
6.微波與超音波：熱源的腫瘤加熱法，有點不損傷正常細胞，加熱療法的研究動向：熱源、加熱區域定位、體內測量與控制等方面。
五.生物醫學信號檢測與感測性：
1.生物醫學信號檢測：對生物體包含的生命現象、狀態、性質及變數和成分等信息的信號進行檢測和量化的技術
2.生物醫學感測器：獲取信息變成易於檢測和處理的信號
3. 生物醫學信號屬於強噪聲背景下的低頻微弱信號，它是由複雜的生命體發出的不穩定的自然信號，從信號本身特徵、檢測方式到處理技術，都不同於一般的信號。
4.生物醫學信號的特點
生物醫學信號的檢測方法生物醫學信號由於受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號所沒有的特點。①信號弱，例如從母體腹部取到的胎兒心電信號10—50 V。腦幹聽覺誘發回響信號小於1 。② 噪聲強，由於人體自身信號弱，加之人體又是一個複雜的整體，因此信號易受噪聲的干擾。如胎兒心電混有很強噪聲，它一方面來自肌電、工頻等干擾，另一方面，在胎兒心電中不可避免地含有母親心電，母親心電相對我們要提取的胎兒心電則變成了噪聲。③頻率範圍一般較低，除心音信號頻譜成份稍高外，其他電生理信號頻譜一般較低。④ 隨機性強，生物醫學信號不但是隨機的，而且是非平穩的。正是因為生物醫學信號的這些特點，使得生物醫學信號處理成為當代信號處理技術最可發揮其威力的一個重要領域。
5.生物醫學信號的分類
生物信號如從電的性質來講，可以分成電信號和非電信號，如心電、肌電、腦電等屬於電信號；其它如體溫、血壓、呼吸、血流量、脈搏、心音等屬於非電信號，非電信號又可分為：① 機械量，如振動(心音、脈搏、心衝擊、Korotkov音等)、壓力(血壓、氣血和消化道內壓等)、力(心肌張力等)；②熱學量，如體溫；③ 光學量，如光透射性(光電脈波、血氧飽和度等)；④化學量，如血液的pH值、血氣、呼吸氣體等。如從處理的維數來看，可以分成一維信號和二維信號，如體溫、血壓、呼吸、血流量、脈搏、心音等屬於一維信號；而腦電圖、心電圖、肌電圖、x光片、超聲圖片、CT圖片、核磁共振(Mm)圖像等則屬於二維信號。
6.生物醫學信號的檢測方法
生物醫學信號檢測是對生物體中包含生命現象、狀態、性質、變數和成份等信息的信號進行檢測和量化的技術。生物醫學信號處理的研究，是根據生物醫學信號的特點，對所採集到的生物醫學信號進行分析、解釋、分類、顯示、存貯和傳輸，其研究目的一是對生物體系結構與功能的研究，二是協助對疾病進行診斷和治療。生物醫學信號檢測技術是生物醫學工程學科研究中的一個先導技術，由於研究者所站的立場、目的以及採用的檢測方法不同，使生物醫學信號的檢測技術的分類呈現多樣化，具體介紹如下：①無創檢測、微創檢測、有創檢測；② 在體檢測、離體檢測；③直接檢測、間接檢測；④ 非接觸檢測、體表檢測、體內檢測；⑤ 生物電檢測、生物非電量檢測；⑥形態檢測、功能檢測；⑦處於拘束狀態下的生物體檢測、處於自然狀態下的生物體檢測；⑧ 透射法檢測、反射法檢測；⑨一維信號檢測、多維信號檢測；⑩遙感法檢測、多維信號檢測；⑩一次量檢測、二次量分析檢測；⑩分子級檢測、細胞級檢測、系統級檢測。
7.感測器系統要求：靈敏度高、噪音小、抗干擾能力強、分辨力強、動態特性好
8.生物醫學感測器：物理型：血壓、血流體溫、呼吸等生物量測量
化學型：對體液中各種無機離子的測量
生物型：對生物體的酶、抗體等生物活性物質的測量
使用時無嚴格區分，但化學型常手腳多干擾，如電極電位漂移
9.光纖化學感測器特點：1）微型化，生物兼容性好，柔韌性好，不帶電安全性，實時在體檢測;2）傳輸功率損耗小，傳輸信息容量大，抗電測干擾，耐高溫、高壓，防腐，阻燃，防爆，遠距離遙測和某些特殊環境的分析；3）多波長和時間分辨技術提高方法的選擇性，多參數或連續多點檢測；4）檢測多種物質，靈活性大；5）不需電位法的參比電極，成本低；6）不改變樣品的組成，非破壞性分析
10.物理型又分：熱敏/光學/聲效應管/聲波道感測器
六.醫學圖像技術：
1.包括醫學成像技術和圖像處理技術
2.醫學成像：把全物體中有關信息以圖像形式提取並顯現出來
3.圖像處理：對已獲圖像進行分析、識別、分割、解釋、分類、三維重建與顯示，目的把獲得的圖像的某部分增強或提取某特徵
4.醫學成像設備成為醫院診斷水平和裝備現代化設備的重要指標
七.人工器官
1.當人體器官病傷而不能用常規方法醫治時，人工製造的器官部分或全部替代。
2. 暫時或永久性地代替身體某些器官主要功能的人工裝置。使用較廣泛的有：①人工肺（氧合器）模擬肺進行O2與CO2交換的裝置，通過氧合器使體內含氧低的靜脈血氧合為含氧高的動脈血；②人工心臟（血泵）。代替心臟排血功能的裝置，結構與泵相似，能驅動血流克服阻力沿單向流動。人工心臟與人工肺合稱人工心肺機，於1953年首次用於人體，主要適用於複雜的心臟手術；③人工腎（血液透析器）。模擬腎臟排泄功能的體外裝置，1945年開始用於臨床。人工腎由透析器及透析液組成，透析器的核心是一層半透膜，可允許低分子物質如電解質、葡萄糖、水及其他代謝廢物（如尿素）等通過，血細胞、血漿蛋白、細菌、病毒等則不能通過，從而調節機體電解質、體液和酸鹼平衡，維持內環境的相對恆定。主要套用於急、慢性腎功能衰竭和急性藥物、毒物中毒等。
3. 人工器官目前只能模擬被替代器官1～2種維持生命所必需的最重要功能，尚不具備原生物器官的一切天賦功用和生命現象，但它拓寬了疾病治療的途徑，增加了病人獲救的機會，已經並仍在繼續使越來越多的患者受益。中國研製的電子喉公重20克，發音清晰，音量可控，且男女聲可辨。人造假肢可上舉約22公斤的重物。使用人工腎業已成為腎功能衰竭末期病人的常規治療手段，急性腎功能衰竭者採用人工腎治療後死亡率已由75%降低到7%以下。目前人工腎研製的發展方向是要求其透析性能高，體積小，能佩帶甚至能體內植入。埋藏式人工心臟正逐步走向臨床試用階段，1982年底，美國猶他大學醫療中心的德弗利斯博士為一位61歲的退休牙醫克拉克安置了世界上第一個永久性人工心臟，使病人活了112天。
人們目前已經製成的人工器官有心臟、皮膚、骨骼、腎、肝、肺、喉、眼
八.生物醫學信息處理
根據生物醫學信號特點，套用信息科學的基本理論和方法，研究如何從被干擾和噪聲淹沒的觀察記錄中提取各種生物醫學信號中所攜帶的信息，並對它們進步分析、解釋和分類。