生物医学工程导论(PPT-90).ppt

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1、 第一章 概述 什么叫生物医学工程 生物医学工程（ Biomedical Engineering, 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

2、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

3、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 ，

4、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

5、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

6、、 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

7、。 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-Computed Tomography） 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

8、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

9、 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

10、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

11、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，

12、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

13、技术 8. 人工器官 生物力学 （ Biological Mechanics） ： 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

14、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

15、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 (Skeleton Biological Mechanics） 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

16、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。

17、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

18、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

19、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 研究。 生物材料 （ Biomaterial)： 生物材料学是研究用以治疗或替换机体内 的组织 、 器官或增强其功能的材料 ， 以及这些 材料与生物体之间的相互作用的学科 。 生物材料是与人体组织 、 体液或血液相接 触或作用 而对人体无毒 、 无副作用 、 不凝血 、 不溶血 ， 不引起人体细胞突变 、 畸变和癌变 ， 不引起免疫排异和过敏反应的特殊功能材料 。 迄今 ， 生物材料有近千种 ， 但被广泛应用的仅 十

20、余种 。 这些材料主要分为医用合成或天然高 分子材料 、 医用金属材料 、 医学陶瓷 、 医用碳 素材料 ， 以及它们的复合材料等类 。 较活跃的研究开发领域有高抗凝血材料、生 物活性陶瓷及玻璃、钛及钛合金、生物活性缓 释及描靶药物载体材料、生物粘合剂、可吸收 性生物材料、甲壳素及其衍生物的医学应用等。 生物材料的种类十分繁多，用途非常广泛。对 生物材料的基本要求是： 1.对生物体无害（生物性能）； 2.有一定机械强度（机械性能）； 3.有一定使用寿命（耐生物老化性能）。 生物材料已成功地就用于人工心脏瓣膜、人工 血管、人工骨与关节、医用导管、齿科材料、外科 缝线、药物缓释载体、透析与超滤膜材

21、料及一次性 和植入性医用制品等方面。 材料技术的发展趋势之一是尺度向越来越小的 方向发展，以前组成材料的颗粒，其尺寸都在微米 （百万分之一米）量级 ，而现在出现了向纳米（十 亿分之一米）尺度发展的材料。纳米技术是继互联 网、基因之后人们关注的又一大热点。 洞察微观世界的秘密，需要借助仪器来开拓视 野、延伸双手。年代初期，公司在世界上 第一次研制成功表面分析仪器 扫描隧道显微镜 （），使人类第一次能够观察到单个原子或分 子的排列状态。它给我们提供了对纳米结构进行测量 和处理的 “ 眼睛 ” 和 “ 手指 ” 。 形象地说，如果人站在月球上看地球，肉眼看 见地球是一个球体，无法分辨出细节。用放大

22、倍的光学显微镜可以看到地球上的楼房。但如果使 用放大上亿倍的扫描隧道显微镜，则可以看到建筑物 水泥墙或泥土中的沙粒。 什么是纳米 ？纳米 (nanometer):长度单位的一 种， 1纳米 =10-9米，即十亿分之一米。大约相当 于头发粗细的八万分之一。 21世纪，信息科学技术、生命科学技术和纳 米科学技术是科学技术发展的主流。人们普遍 认为，纳米技术是信息和生命科学技术能够进 一步发展的共同基础。纳米技术所带动的技术 革命及其对人类的影响，远远超过电子技术。 90年代起，各国科学家纷纷投入一场 “ 纳 米战 ” ：在 0.10至 100纳米尺度的空间内，研究 电子、原子和分子运动规律和特性。

23、而 纳米材 料 则是由许多的原子分子构成的具有纳米结构 特征的物质。纳米粒子就是纳米尺寸大小的微 小颗粒。这种纳米粒子表面积很大，每克达几 百至几千平方米。表面具有很大的能量，具有 常规材料根本不可能出现的多种新的功能和特 性。 纳米材料中包含了若干个原子、分子，使 得人们可以在原子层面上进行材料和器件 的设计和制备。几十个原子、分子或成千 个原子、分子 组合 在一起时，表现出既不 同于单个原子、分子的性质，也不同于大 块物体的性质，如它的熔点、磁性、电容 性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有 重大变化。 纳米技术 是在纳米尺度内 ， 通过对物质反 应 、 传输和转变的控制来实现创造新的材料

24、、 器件和充分利用它们的特殊的性能 ， 并且探 索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律 。 由于颗粒极度细化 ， 晶界所占体积百分数 增加 ， 使得材料的某些性能发生截然不同的 变化 ， 例如 ， 以前给人极脆印象的陶瓷 ， 纳 米化居然可以用来加工制造发动机零件 ， 在 医学上被用于骨科及齿科材料 . 纳米技术的基本涵义： 是指在微观环境下，即在纳米尺寸范围内，人类 将认识和改造自然的能力延伸到原子、分子水平，通 过直接操纵和安排原子、分子，原子团或分子团，使 其重新排列、组合，创造出新的物质或物品的高新技 术。 纳米材料的主要特点是什么 ？ 呈现出与常规材料完全不同的性质，纳米铁具有 极强

25、的磁性、不导电材料变成导电、特殊的远红外线 辐射、强的紫外反射、强吸附性、强催化作用等等。 晶粒尺寸的减小将对力学性能产生很大 的影响，使材料的强度、韧性和超塑性大大 提高。在人工器官制造、 临床应用 等方面， 纳米陶瓷材料比传统陶瓷材料有更广泛的应 用和发展前景。纳米碳材料的应用，使碳质 人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱的强 度、硬度、韧度等多方面性能显著提高。利 用纳米碳材料的高效吸附性，可将它用于血 液的净化，清除某些特定的病毒或成分。 目前尽管已对纳米材料的制备、结构与 性能进行了大量的研究，但在基础理论及应 用开发等方面尚有大量的问题待探讨。但其 所表现出的优异性能预示它在生物医学

26、工程 领域尤其是在生物材料和人工器官、介入性 治疗、药物载体、血液净化、生物大分子分 离等方面具有广泛的应用前景。 纳米技术已经渗透到：材料与制造、医学与 健康、环境与能源、纳米电子学与计算机技术、 航空航天探测等领域。 美国科学基金会发表了 400页的报告，来说 明纳米技术对人类社会带来的影响。报告指出： 在十到十五年间，整个半导体产业和一半以上的 制药工业，将依赖于纳米技术。 2000年美国克林顿政府提出了一个国家纳米 技术创新计划， 2001拨款达为 4.22亿美元。 生物系统建模与仿真 生物系统建模 是对生物的细胞、器官和 整体各个层次的行为、参数及其关系建立数 学模型的工作，最终希望

27、用数学的形式表达 出来。建模的目的是为了更好地了解生物系 统的行为及规律，为生物控制奠定基础。 生 物系统的仿真 是用电子计算机求解生物系统 的数学模型以分析和预测各种条件下生物系 统运行机制和状态的工作。 生物体是十分复杂的系统，即使最简单的 红细胞也包含着约 2000种代谢反应，而大脑的 复杂性就更是无法比拟的了。因此研究这种复 杂的生物系统就需要十分复杂的实验，而对于 某些条件下的生物系统研究，其实验往往难以 进行。生物系统建模与仿真可以将生物系统简 化为数学模型并对此模型进行计算机分析，从 而代替实际的复杂、长期、昂贵及至无法实现 的实验，大大提高研究效率和定量性，并可研 究人为施加控

28、制条件以影响生物系统运行过程。 生物系统建模与仿真可用于鉴别人体参 数的异常以进行疾病诊断、糖尿病等疾病的 预报、血压等参数的自适应控制。此外，在 医疗仪器的研制和生物学、生理学、仿生学 等学科的发展中，生物系统建模与仿真也具 有很大价值。 生物系统控制是人为地外加控制条件来 影响生物系统的生命过程，以达到某种特定 的目的。如我们研究血压、 PH、体温与心率 的关系，建立相应的数学模型，为研制 按需 型心脏起搏器 提供理论基础。建立流行病模 型，为人们制定疾病的防疫措施提供理论依 据。 物理因子在治疗中的应用及其生物效应 应用电、磁、辐射、超声等物理能量作 为治疗疾病或缓解病痛是药物和手术治疗

29、以 外的重要的治疗手段。研究电、磁、辐射、 超声等物理能量作用和机理，并确定其有效 剂量和安全标准，从而发展应用物理因子治 疗疾病的技术，并防止其可能的有害影响。 激光辐射生物体后，由于组织可能产生 光致热、化学、压强、电磁场和生物刺激等 效应，发生组织形态和功能的变化，故可用 于临床治疗。强激光用于光凝、汽化和切割 等手术治疗，弱激光用于一般理疗和针灸等 非手术治疗，应用激光光动力学治疗恶性肿 瘤，激光治疗已扩展到临床各领域。 以 微波和超声为热源的肿瘤加热疗法 ， 近年来进行了大量的研究和开发工作，已有 产品应用于临床。这种方法的优点是可在不 损伤正常细胞情况下杀伤癌细胞。加热疗法 的研究

30、动向主要在热源、加热区域定位、体 内测量与控制等方面。 在动态实时图像引导下，把精巧的手术 器械经腔口、小切口或血管导管送到病患的 部位进行手术治疗的方法称作介入性疗法， 由于创伤小，危险性小，费用少，故近年来 发展较快。最具代表性的是 经皮冠状动脉腔 内成形手术 ，还可施行热切除、射频消融、 除颤、高速旋切等操作。介入性治疗中必须 有超小型精巧的工具、符合临床要求的材料 和良好的工艺，这是工程性研究的主要内容。 高能量电离辐射光子或高能粒子照射人 体内病变部位可起到治疗作用，这种方法称 为放射治疗。现已广泛使用的是以钴 60的 射 线和直线加速器产生的电子流在靶上打出的 硬 X射线照射病变部

31、位，主要用于治疗恶性肿 瘤。近年来用中子流和同步加速器中高能粒 子束辐射出的连续硬 X射线治疗恶性肿瘤的报 道很多，但这需要昂贵的设备和条件，难以 推广。 此外利用聚焦的连续超声振动或冲击波 振碎病变结石的冲击波碎石技术近年来发展 很快。各种低频或直流电场、磁场已经被用 于治疗，有的与中医针灸疗法相结合，在治 疗某些常见病上有一定疗效，特别是已开发 了多种家用性电磁治疗仪器。但这类技术需 要进一步开展生物学效应的研究，以避免盲 目性，提高治疗效果，防止对人体的有害影 响。 生物医学信号检测与传感器 生物医学信号检测是对生物体中包含的 生命现象、状态、性质及变量和成分等信息 的信号进行检测和量化

32、的技术。生物医学传 感器是获取各种生物信息并将其转换成易于 测量和处理的信号（一般为电信号）的器件， 是生物医学信号检测的关键技术。 生物医学信号涉及生物体各层次的生理、 生化和生物信号，这些信息以物理量、化学 量或生物量变化的形式表现出来，如心电、 脑电、肌电、眼电、等生物电信号；血压、 体温、呼吸、血流、脉搏等非电磁生理信号； 血液、尿液、血气等生物化学量信号；酶、 蛋白、抗体、抗原等生物量信号。利用生物 医学传感器将这些生物信息转换成易于测量 和处理的信号，一般为电信号，以便进一步 处理，以了解生命活动的规律和本质，为医 学研究和临床诊断服务。如血压和血流等信 息可以了解心血管系统的状态

33、。 生物医学信号的特点是信号微弱，随机 性强，噪声和干扰背景强，动态变化和个体 差异大，因此若要把掺杂在噪声和干扰信号 中的有用的生物医学信号检测出来，除要求 用于检测的传感器系统具有灵敏度高、噪声 小、抗干扰能力强、分辨力强、动态特性好 之外，对信号提取和分析的手段亦有较高的 要求。 生物医学传感器按被检测量划分为物理 传感器、化学传感器和生物传感器三类。物 理型传感器已用于血压、血流、体温、呼吸 等各种生理量的测量，化学型传感器用于对 体液中的各种无机离子的测量，生物型传感 器能对生物体的酶、抗原抗体、激素、神经 递质以及核糖核酸等生物活性物质的测量。 由于生物系统十分复杂，生物体内的信息

34、丰 富，生物信号检测技术十分重要。 生物医学传感技术因其关键地位而受到 各发达国家的重视。年代以来，美国、 日本等国先后将生物传感器列为重点研究项 目，年起创办了国际性专门刊物 Biosensor ，由此推动了生物传感器的研 究热潮。 生物体内物质互相作用或与外界物质相 互作用，常同时伴有物理变化及化学变化， 故生物医学信号的检出 既可以用物理传感 器也可以用化学传感器 ,化学传感器常受较 多干扰，如电极电位漂移、电极表面中毒等， 使这类传感器的性能提高受到限制。 与传统的电化学传感器相比，光纤化学 传感器（）有如下特点：（）光 纤及探头均可微型化，生物兼容性好，加之 良好的柔韧性和不带电的安

35、全性，使其更加 适合临床医学上的实时、在体检测；（） 光纤传输功率损耗小，传输信息容量大，抗 电磁干扰，耐高温、高压，防腐，阻燃，防 爆，使之可用于远距离遥测和某些特殊环境 的分析；（）可采用多波长和时间分辨技 术来提高方法的选择性，可同时进行多参数 或连续多点检测，以获得大量信息； （）适当选择化学试剂及其固定方法， 可检测多种物质，灵活性很大；（）不需 要电位法的参比电极，用廉价光源照射样品， 可使成本大大降低；（）在大多数情况下， 不改变样品的组成，是非破坏性分 析。目前，光纤传感器已成为生物医学分析 的一个重要发展方向。 物理传感器主要包括热敏生物传感器、声效应 管生物传感器、光学生物

36、传感器、声波道生物传器。 热敏生物传感器应用范围较广，它具有线路简单、 灵敏度高、响应快等优点，适用于对病人进行实时 监护。光学生物传感器是利用生物发光或生物物质 对光波的扰动进行测量，精度高，抗电磁干扰，非 常灵敏，但线性范围窄。声效应管生物传感器是今 后的重要发展方向之一，高度集成化后，可做成多 功能微型传感器。声波道传感器对力学及电学量都 很敏感 , 它具有灵敏度高、易于集成化、微型化等优 点，应用范围较广，越来越受到人们的重视。 目前，物理传感器已经实用化，化学传 感器也多已达到实用水平， 生物传感器 大多 数尚处于实验开发阶段。 随着微电子、光电子技术的发展，生物 医学传感器也将继续

37、向微型化、多参数、实 用化发展。微电子和微加工技术的进步，将 导致集微传感器、微处理器和微执行器集于 一体的微系统的问世与应用。 生物医学信号处理 生物医学信号一般都是伴随着噪声和干 扰的信号，如心电、肌电信号总是伴随着因 肢体动作和精神紧张等带来的假象，而且有 较强的工频干扰；诱发脑电信号，总是伴随 着较强的自发脑是信号；超声回波信号总是 伴随着其它反射杂波。此外，信号中无用成 份亦应视为检测中的干扰。 生物信息处理技术即是研究从被检测的 湮没在干扰和噪声中的生物医学信号中提取 有用的生物医学信息的方法。 生物医学信号的检测与处理的方法，包 括在强噪声背景下对微弱生理信号的动态提 取、多道生

38、理信号的同步观察与处理、生理 信号的时间 频率表示、自适应处理、医学专 家系统等。 另外，生物传感器输出的信号一般十分 微弱，需要放大。 再者，生物信号的特征部分才包含着生 物信息，把这些信号的特征识别出来也是生 物医学信号处理的主要任务。例如累加平均 技术对诱发脑电，希氏束电位、心室晚位等 微弱信号的提取；在心电和脑电的体表检测 中采用计算机进行多道信号的同步观察与处 理，并推求原始信号原的活动；在生理信号 的数据压缩中开始引入人工神经网络方法； 在医药学特别是中国传统医学中的医学专家 系统已在发挥实际效益。 生物医学信息处理技术的研究领域广泛， 但在发展之中，并存在大量的前沿性课题， 均需

39、继续加强系统的、深入的研究，扩大其 实用价值。 近年来，小波变换（ WT）被广泛地应 用于生物医学信号检测的许多领域。特别是 其在时间频率平面具有良好的定位特性。 在过去的几年中，人工神经网络 （ Artificial Neural Networks， NN）在生物医 学领域中的应用迅速扩大。人工神经网络提 供了一种与常规分析方法不同的计算方法。 一般情况下，操作人员先用某种类型的一组 输入输出数据训练系统，让系统学习，以后 当把属于这种类型的新数据输入系统时， NN 就能用学过的数据推测出而无需编制任何处 理这类事件的特殊程序。 虽然 NN计算最初的重点是为了更好地了 解大脑的活动，但它却已

40、经在许多神经生物 学以外的应用领域获得了惊人的成功。已有 多种 NN模型被提出，其中某些模型已取得了 引人注目的成果。在高分子序列分析，包括 蛋白质和 DNA的 NN研究对于医学有潜在的重 要性。 NN在图像分析及辅助诊断中的应用，近 年来受到了重视，用 NN对胸部透视数据进行 分析，对于鉴别良性与恶性病灶很有帮助， 同时还减少了不必要的活组织检查。在单光 子发射计算机断层成像（ SPECT）中， NN分 析甚至比人工看片在病灶探测方面更为准确。 在诊断老年痴呆症时 NN能和专家相媲美。除 图像分析外， NN还被广泛地应用于心血管疾 病的诊断及生化和化学分析等领域。 生物医学信号检测技术已广泛

41、应用于临床 检查、病人监护、医学实验、在体控制、人 工器官和运动医学等领域，并成为生物医学 工种研究各领域的共用性技术。在各方面的 应用中，计算机发挥了重要的作用。例如， 在心电和脑电的体表检测中，计算机对多种 生理信号进行同步观察与处理，以利于更好 地反应信号源的活动。 计算机心电图诊断系统已被用户所接受， 成为知识处理在医疗卫生领域内为数不多的 几个成功应用的例子之一，在门诊检查、基 础护理、职业病防治、人口筛选和流行病研 究等领域得到一定的应用。虽然目前的心电 图诊断系统还比不上专业医生的水平，但心 电图的自动分析仍有改进的余地，研究人员 正从不同的着重点对诊断程序作进一步的改 进，如：

42、利用每一心跳中有用的信息；综合 不同程序的结果；吸收心电学其它领域的知 识；采用非心电图的数据；利用记录完备的 心电数据来评估心电图诊断程序等。 医学图像技术 从显微镜技术到 CT、核磁共振以及各种内窥镜， 医学图像一直是医学信息的主要来源。 医学图像技术包括医学成像技术和图像处理技 术。 医学成像 是把生物体中的有关信息以图像形式 提取并显示出来。以成像的手段来分有 X线成像、 超声成像、磁共振成像、放射性核素成像等 ;以图像 所包含的信息种类来分有形态学成像、成分成像和 功能成像。 图像处理 则是对已获得的医学图像进行分析、 识别、分割、解释、分类以及作三维重建与显示， 其目的是把获得的医

43、学图像的某些部分增强，或提 取某些特征，为医生提供感兴趣的信息。成像与图 像处理技术有时是结合成一体的。 医学图像具有直观、形象和信息量 丰富的特点，便于观测和储存，因而发 展十分迅速，在现代医学临床诊断中已 占越来越重要的地位。 各种医学图像设备的产值也已在医 疗装备总产值中占有重要份额，并成为 医院诊断水平和装备现代化程度的重要 标志。 医学图像技术种类 很多，传统的显微图 像、 x线射线图像和内窥镜图像技术得到不断 发展；与计算机技术相结合的超声医学图像、 x线计算机断层图像 (x线 CT)、磁共振图像 (MRI)和放射性核素图像等也已得到迅速发展 和普及应用；热成像、微波成像、电阻抗成

44、 像等技术亦在开发或研究之中，有的已形成 产品。 目前， B型超声成像技术已经普及应用， 彩色超声多普勒血流成像技术也已使用并日 趋完善； x线 CT已发展到第五代，扫描速度有 了很大提高； MRI的磁体重量不断减轻，并 在血流成像和波谱分析方面取得显著进展； 放射性核素成像可获得组织化学及功能性图 像；应用计算机的显微图像技术已成为进行 细胞和分子水平研究的重要手段。 今后的重要课题 是提高已有成像技术的成 像速度和分辨力；扩展成像功能，特别是用 于体内化学成份和生理功能的检查；努力降 低成像设备的成本；提高图像质量。此外， 保证足够的图像质量和观测精度的三维重建 理论与技术的研究，也是受到

45、重视的课题。 医学图像处理方法 很多。基于临床知识、 解剖学知识、成像技术知识和统计学知识等 知识的综合运用，使图像处理技术发展迅速。 此外，模糊处理技术、人工神经网络等技术 在医学图像处理中已受到高度重视，三维图 像显示技术亦是重要的发展方向。 人工器官 当人体器官病伤而不能用常规方法医治 时，有可能给病人使用一种人工制造的装置 来部分或全部替代病损的自然器官，以补偿、 替代或修复自然器官的功能，这样的器件或 装置称为人工器官。 例如，人工心脏瓣膜、人工血管、人工血 液和人工心脏及心脏辅助装置，可补偿血液 循环功能；人工关节、人工脊椎、人工骨、 人工肌腱和假肢具有支持运动功能；人工肾、 人工

46、肝具有血液净化功能；人工肺、人工气 管和人工喉具有呼吸辅助功能；人工食管、 人工胆管和人工肠具有支持消化功能； 人工膀胱、人工输尿管、人工尿道具有排 尿辅助功能；人工胰、人工胰岛细胞具有内 分泌辅助功能；人工子宫、人工输卵管、人 工睾丸、人工阴道和阴茎假体具有生殖辅助 功能；心脏起搏器、膈起搏器等具有神经传 导功能的辅助作用；人工视觉、人工听觉、 人工晶体、人工角膜、人工鼻等具有感觉辅 助功能。 可以说，除大脑以外，对人体的其他器官 都在进行人工器官模拟和替代的研究，其中 许多人工器官已不同程度地用于临床，已形 成了相当规模的人工器官产业。 人工器官是生物工程各领域知识和技术的综合 体现。这个

47、领域的进展，取决于对自然器官功能的 充分了解和诸如生物力学、生物材料学、生物医学 传感器和控制系统、生物系统的建模与仿真等各领 域的进步。离开生物相容性好和坚固耐用的生物材 料，离开传感器和控制系统的完善，人工器官是不 可能实现的。 应该说，各种人工器官都存在许多问题有待解 决。其中，心肺器官的辅助或替代是人工器官研究 的首要问题。此外，血液净化技术、内分泌功能辅 助、感觉功能辅助等人工器官的研究和应用，对严 重危害健康的肾功能疾病、糖尿病的治疗和伤残人 的康复有重要意义，因此亦是重点发展的方向。 人工器官的研究将愈来愈受到重视并得 到不断发展和应用，可以预言，人工器官将 成为愈来愈重要的和广

48、泛应用的治疗手段， 这将是二十一世纪医学进步的一个显著特点。 与自然器官相比，人工器官仍有一定的 差异，大多数人工器官不能完全替代自然器 官。随着自然器官移植的进展，人工器官作 为自然器官移植的过渡，仍有一定的价值。 考试方法及要求 方法：交一篇综述 要求： 题目：不限，你所感兴趣的生物医学工程领域 的各个方面均可。 字数： 3000字左右。不少于 2000字。 参考文献：不少于 3篇，且至少一篇英文文献 (应选择近 5年来的作品。 文献综述的撰写方法 文献综述是对某一方面的专题搜集大量情报资 料后经综合分析而写成的一种学术论文，它是科学 文献的一种。 文献综述是反映当前某一领域中某分支学科或

49、 重要专题的最新进展、学术见解和建议的，它往往 能反映出有关问题的新动态、新趋势、新水平、新 原理和新技术等等。是作者对某一方面问题的历史 背景、前人工作、争论焦点、研究现状和发展前景 等内容进行评论的科学性论文。 文献综述选题范围广，题目可大可小，可难可 易，可根据自己的能力和兴趣自由选题。 写文献综述一般经过以下几个阶段：即选题， 搜集阅读文献资料、拟定提纲（包括归纳、整理、 分析）和成文。 一、选题和搜集阅读文献 撰写文献综述通常出于某种需要，如为某学术 会议的专题、从事某项科研、为某方面积累文献资 料等等，所以，文献综述的选题，作者一般是明确 的，不象科研课题选题那么困难。文献综述选题

50、范 围广，题目可大可小，大到一个领域、一个学科， 小到一种疾病、一个方法、一个理论，可根据自己 的需要而定，初次撰写文献综述，特别是实习同学 所选题目宜小些，这样查阅文献的数量相对较小， 撰写时易于归纳整理，否则，题目选得过大，查阅 文献花费的时间太多，影响实习，而且归纳整理困 难，最后写出的综述大题小作或是文不对题。 选定题目后，则要围绕题目进行搜集与文题有关的文献。 二、格式与写法 文献综述的格式与一般研究性论文的格 式有所不同。这是因为研究性的论文注重研 究的方法和结果，特别是阳性结果，而文献 综述要求向读者介绍与主题有关的详细资料、 动态、进展、展望以及对以上方面的评述。 因此文献综述

51、的格式相对多样，但总的来说， 一般都包含以下四部分：即前言、主题、总 结和参考文献。撰写文献综述时可按这四部 分拟写提纲，在根据提纲进行撰写工。 前言部分，主要是说明写作的目的，介绍有关 的概念及定义以及综述的范围，扼要说明有关主题 的现状或争论焦点，使读者对全文要叙述的问题有 一个初步的轮廓。 主题部分，是综述的主体，其写法多样，没有 固定的格式。可按年代顺序综述，也可按不同的问 题进行综述，还可按不同的观点进行比较综述，不 管用那一种格式综述，都要将所搜集到的文献资料 归纳、整理及分析比较，阐明有关主题的历史背景、 现状和发展方向，以及对这些问题的评述，主题部 分应特别注意代表性强、具有科

52、学性和创造性的文 献引用和评述。 总结部分，与研究性论文的小结有些类 似，将全文主题进行扼要总结，对所综述的 主题有研究的作者，最好能提出自己的见解。 参考文献虽然放在文末，但却是文献综 述的重要组成部分。因为它不仅表示对被引 用文献作者的尊重及引用文献的依据，而且 为读者深入探讨有关问题提供了文献查找线 索。因此，应认真对待。参考文献的编排应 条目清楚，查找方便，内容准确无误。关于 参考文献的使用方法，录著项目及格式与研 究论文相同，不再重复。 三、注意事项 由于文献综述的特点，致使它的写作既 不同于 “ 读书笔记 ”“ 读书报告 ” ，也不同 于一般的科研论文。因此，在撰写文献综述 时应注

53、意以下几个问题： 搜集文献应尽量全。掌握全面、大量 的文献资料是写好综述的前提，否则，随便 搜集一点资料就动手撰写是不可能写出好多 综述的，甚至写出的文章根本不成为综述。 注意引用文献的代表性、可靠性和科 学性。在搜集到的文献中可能出现观点雷同， 有的文献在可靠性及科学性方面存在着差异， 因此在引用文献时应注意选用代表性、可靠 性和科学性较好的文献。 引用文献要忠实文献内容。由于文献 综述有作者自己的评论分析，因此在撰写时 应分清作者的观点和文献的内容，不能篡改 文献的内容。 参考文献不能省略。有的科研论文可 以将参考文献省略，但文献综述绝对不能省 略，而且应是文中引用过的，能反映主题全 貌的并且是作者直接阅读过的文献资料。 总之，一篇好的文献综述，应有较完整 的文献资料，有评论分析，并能准确地反映 主题内容。