生物医学工程导论31509

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1、生物医学工程导论 第一第一 讲讲 生物医学工程概况生物医学工程概况课程简介 生物医学工程是理、工、医相结合的边缘学科，其将现代工程技术、近代物理学、生物学和医学结合起来，形成了对生命科学、现代医学具有极其重要意义的新兴交叉学科。其属于技术科学范畴，是以生命的人为对象，用工程学原理，研究开发防病、治病、人体辅助功能等为医学应用服务的人工装置和系统。医疗仪器、医疗器械即是其最广泛的应用。 随之而起的生物医学工程产业被称为朝阳产业，我国形成环渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲等三大产业带，深圳是我国生物医学工程产业中最具有竞争力的产业基地，其产值占珠江三角洲的百分之八十以上，对该学科的人才有较高的需求。

2、 本课程以讲座形式，以交叉学科充满创新的特点，介绍生物医学工程的基本原理、典型应用、最新成果及未来发展。在最后几讲中将介绍生物医学工程产业和临床工程的一些基本知识，以帮助学生从事实际工作时能尽快入门。课程内容和教授生物医学工程概况 陈思平人体解剖与生理及生物电现象王晓梅生物医学传感器 张会生生物医学仪器张会生生物医学信号处理纪震康复工程王珏、陈思平*组织工程张小云生物技术和生物芯片 陈思平*放射学成像和磁共振成像王晖医学超声陈思平生物医学中的光学与激光 屈乐生生物材料陈思平* 医疗信息系统 纪震 临床工程及电气安全 陈思平 医疗器械产业基本知识陈思平 本讲内容提要 生物医学工程学科简介 生物医

3、学工程产业现状 学术组织介绍 参考书和杂志生物医学工程简介 生物医学工程发展 生物医学工程概念 生物医学工程的内容 生物医学工程的互动、现状。中国医学超声诊断发源地? A 北京 B 上海 C 广州 D 武汉 E 其他中国超声诊断与无损检测 1958 1959 1960-上海第六人民医院 江南材料厂 第一次超声诊断 大跃进献礼 超声探伤仪 超声诊断学习班 安适医生 中国超声诊断四十年超声回波幅度信息提取超声回波幅度信息提取 生物医学工程概念 技术科学范畴 ， 以生命的人为对象， 用工程学原理 ， 研究开发防病、治病、人体辅助功能等医学应用服务的人工装置和系统。 边缘学科 理、工、医相结合 交叉学

4、科，将现代工程技术、近代物理学、生物学和医学结合起来，形成了对生命科学、现代医学具有极其重要意义的新兴学科。独立学科发展历史仅50年生物医学工程学科领域基础生物学物理学(生物医学物理学）医学生物医学工程生物化学信息科学电子与现代工程技术智能胶囊内窥镜技术麻雀虽小. 现代集成电路技术 射频通讯技术 光学窥镜技术 图像传输与处理技术 无线电源技术 无线遥控技术（舱） 生物材料生物医学工程简介 生物医学工程研究的内容 生物医学工程概念生物医学工程发展 生物医学工程的互动、现状。生物医学工程主要研究范畴（1） 生物医学仪器与工程工程技术: 临床医学诊断、治疗仪器与设备：如各种医学成像设备和技术、各种诊

5、断、治疗、检测分析仪、手术技术设备、监护技术及仪器等； 康复医学工程与技术：医学康复技术、设备和方法、物理康复技术与器械等； 基因芯片、DNA检测分析技术与设备等； 远程医疗：远程诊断、监护、治疗、手术等； 生物医学传感器技术； 其他：微型手术与监测，植入式装置等。生物医学工程主要研究范畴（2） 生物材料与生物组织工程： 具有生物组织特性的人工生物材料； 人工器官； 生物医学信息科学： 生物医学信息的提取、分析、识别技术； 医学信息网络与系统； 生物医学信息学。生物医学工程主要研究范畴（3） 物理因子的生物组织效应及其应用： 电磁场的生物组织效应及其应用； 激光、红外线； X-线、高能射线；

6、超声波等。生物医学工程主要研究范畴（4 4） 其他： 环境医学工程：环境对生长、发育、致病的关系； 生物力学：研究人体和生物在生长和发育过程中的各种力学现象、力学条件及其应用； 生物物理： 生物数学： 生物医学光子学：光与生物组织的效应及应用生物医学工程简介 生物医学工程发展 生物医学工程概念 生物医学工程的内容 生物医学工程的互动、现状。生物医学工程发展 生物医学工程孕育于十九世纪，1895年开创了医学成像技术，形成于二十世纪。* 二十世纪五十年代形成学科领域(Ilmenau)，发展迅速。* 1978年我国开始确立为独立学科，80年招研究生。* 新世纪为生物医学工程的发展提供更广阔的发展空间

7、。 生物医学工程是生命科学的重要领域，与人类生活质量及健康的关系密切。从医学成像技术看发展医学成像技术医学成像技术1.1. X X射线成像射线成像 2.2.磁共振成像3. 3. 超声成像 4. 4. 核医学成像 5.5.光成像X射线成像 功不可灭 从1895年X射线发现后, X光机很快进入医学临床，开创了医学图像学, 现代生物医学工程逐步形成 从伦琴谈起 1895年11月8日 阴极射线仪器（电子束），“X” 射线 人类史上第一幅医学图像 1903年第一个诺贝尔物理学奖 X射线成像原理1%以下诊断X线波长范围为0.0080.031nm(40150kV）荧光效应摄影效应电离效应X线机主要部件示意图

8、X射线成像原理 不同厚度组织( (密度相同) )与X X线成像的关系 X X射线成像装置射线成像装置 - 传统X射线机 - 心血管系统造影X射线装置 - X射线数字减影装置(DSA) - 移动式电视X射线机 - 双能X线减影骨密度测量仪 - 数字X射线成像装置（CR/DR)* - X-CT 螺旋CT、CT血管造影（CTA）、超快速CTX射线成像设备（安科）X射线成像原理 不能反映病灶三维空间位置X射线X射线像物体 CT CT成像原理 A B C A B C D E F D E F G H I G H II1O1I2I3I4O2O3O4I1-O1=H+E+BI2-O2=G+E+C I3-O3=D

9、+E+FI4-O4=A+E+IX X射线源射线源检测器CTCT成像原理CT 成像设备（安科）生物医学工程简介 生物医学工程发展 生物医学工程的内容 生物医学工程概念 生物医学工程的互动、现状从X光机发展看学科互动X光机(1895年)头部CT全身CT螺旋CT、超高速CT常见病诊断：肺炎、骨折脑部肿瘤、出血，颅骨外伤内脏器官占位性病变肿瘤早期诊断、心血管病变计算机、软件技术等造影剂等滑环技术、快速摄影技术等人们对自己的认识 进程超声成像生物医学工程不断发展的历史生物医学工程不断发展的历史 -揭示隐含信息的历史揭示隐含信息的历史 超声成像装置超声成像装置 A型二维组织剖面图像(B)，多普勒（D）-测

10、流速，彩色多普勒（C）， M型（M）幅度信息提取幅度信息提取 回波的反射、折射回波的反射、折射 幅度信息提取幅度信息提取1.垂直入射到两层相邻的介质 反射系数 反射波声强 入射波声强 21212ZZZZ折射系数折射波声强入射波声强212214ZZZZZ2Z1反射入射折射声强声强声特性阻抗声特性阻抗Z ZZ = C 密度C声速空气 0.000429105瑞利PZT-533.7105瑞利水1.513105瑞利肝1.648105瑞利骨5.57105瑞利幅度信息幅度信息启示启示1.反射和折射所产生的各层回波给我 们带来了人体内部各层组织的幅度信息，使我们可以利用这些信息及其变换进行超声诊断：A超，B超

11、，M超等。A型：(A Scope)超声回波幅度为纵坐标，超声传 播时间为横坐标的显示方式。幅度信息幅度信息启示启示B型：辉度调制型 (Bright Modulation)，以回波幅度调制声束各扫描点的亮度，形成二维显示断面图。 B超速度信息的提取速度信息的提取超声多普勒效应超声多普勒效应速度信息的提取速度信息的提取1842奥地利数学家和天文学家C. Doppler 在观察天体运动时发现了一种物理现象,当星球朝向地球或背离地球运动时，来自星球的光色发生了变化，即光波发射与接收的频率差和光源与接收器之间相对运动有关。这种物理现象我们称之为多普勒效应。 日常生活： 如火车鸣笛而来，音调增高；呼啸而去

12、，音调降低。这种频率变化称多普勒频移。超声多普勒效应超声多普勒效应速度信息的提取速度信息的提取 胎心、瓣膜、血管壁、血流等都是人体中的运动体，当超声照射到它们时会产生多普勒效应 体外检测由体内运动体产生的多普勒频移信号就可达到无创伤地检测体内运动状况的目的。超声多普勒效应超声多普勒效应速度信息的提取速度信息的提取 医学超声多普勒效应的基本测速公式COSCVffd02超声多普勒效应超声多普勒效应速度信息的提取速度信息的提取提取速度、方向信息提取速度、方向信息Sx()0-0正向流反向流 0d 0- d多普勒信号特点：*窄带随机信号* 0 d提取速度、方向信息方法提取速度、方向信息方法 2cosot

13、信号合成谱分析器放大多普勒回波信号 0d2sinot低通滤波高通滤波d血流深度信息的提取血流深度信息的提取NyquistNyquist采样频率限制即 连续多普勒特点：连续多普勒方法与脉冲多普勒不同之处除了系统不同外，探头也不同，它采用两组探 头，一组连续发射脉冲，一组不断接收回波。所以不可能有距离选通功能。因为不存在PRF,故原理上可测速度不受限制。但由于具体线路限制，一般机器给出最大可测血流速度在7m10m/S之间。fPRFd max12声束扫描多普勒血流成像声束扫描多普勒血流成像彩色超声多普勒血流成像彩色超声多普勒血流成像B mode+Doppler modeCASE #2Echo Lab

14、U of C我国第一台彩超 安科公司 1989 1998 2000 2003发展方向（1 1）高频、多频 （2 2）3D3D（3 3） 全数字化、小型化、软件化（4 4）新的成像方法1 mmCurved ArraySingle Elements of the ArraysMulti Element Transducer Curved ArrayCASE #2Echo LabU of C还有什麽超声隐含信号还有什麽超声隐含信号可以提取？可以提取？超声谐波技术谐波信息提取谐波信息提取还有什麽超声隐含信号还有什麽超声隐含信号可以提取？可以提取？衰减参数成像讨讨 论论不断发展的揭示隐含信息的历史不断发

15、展的揭示隐含信息的历史 检测、提取医学超声信号方法： 传统：发射、接受单脉冲。 扩谱技术： 伪随机码超声发射、接受脉冲序列 通讯 医学超声 形成新的产品 BME 交叉学科* * 西安交大1987年 研究 讨讨 论论生物医学工程不断发展的历史生物医学工程不断发展的历史-揭示隐含信息的历史揭示隐含信息的历史 我们回顾过去几十年，从超声回波中检测出幅度信息,到检测出多谱勒频移信息,进而检测出谐波信息。 可以说超声回波信号的检测历史就是一部不断发展的揭示隐含信息的历史。 从 B超，彩超，到谐波成象，应该说每一步都有一个跃进。 可以预见新的隐含信息检测出来将会带来超声诊断仪新的突破。医疗器械产业的现状和

16、发展1.1.国际医疗器械产业的概况 长青树 朝阳产业 （90年代，0-7，0-3，3-8） 全球销售总量超出1000亿 USD（2001），年增长率%。诊断医学影像类 134亿，增长9%， 病人监护仪类 70亿， 增长10%，离体诊断器械用品210亿，增长12%， 整形器械 120亿 ，增长12%，*1.1.国际医疗器械产业的概况 1.2 1.2 全球医疗器械市场特点: :分布不均 享用不平衡 2001年全球市场销售额美国43%德国11%法国4%日本14%其余28%美国德国法国日本其余1.1.国际医疗器械产业的概况 1.31.3全球的跨国性医疗器械制造商强强联合和兼并 全球兼并、收购、重组的波

17、澜此起彼伏 医学影像业这种强强联合和兼并的结果形成了全球三大巨头（PhilipsPhilips、GE medical，Siemens AG medicalSiemens AG medical）既竞争又合作，已走向“竞合”的成熟阶段 1.1.国际医疗器械产业的概况 1.4 1.4 国外医疗器械制造产业正在向第三世界转移 由于中国制造成本低廉，前述的国际三大巨头兼并、重组国内有实力的企业现象也在中国重演。事物总是有正反两面，随着“中国制造”席卷全球，这也正是国内有实力的企业加入国际分工的大好时机。 Made in China manufacture design 研发 服务 制造. . 我国医疗器

18、械产业现状 3医疗器械产业发展的几点建议 3.2 重视原创产品的研究，开发有自主知识 产权的新产品3医疗器械产业发展的几点建议 3.33.3 调整产品结构，适应医疗体制改革和医 疗保险制度 我国全面实施新的医疗保险制度， 使我国的卫生模式从以前的病后治疗转变为以预防为主； 随着医疗改革的深入，我国又提出了“人人享有医疗保健”的要求，这对医疗器械行业的发展将产生较大影响。早期诊断和普查的基本诊疗项目所使用的常规医疗器械数量将会有稳定持续地增长；小型化适合携带，能进入社区、带到家庭病床旁的B超是受欢迎的。 因此医疗器械产业需要调整医疗器械产品的结构，使其适应这种变化。适用于基本医疗、社区医疗和面向

19、家庭医疗保健的各种新产品和医疗信息产品如远程医疗设备、移动医疗产品是将来发展的重要方向。3医疗器械产业发展的几点建议3.4 产业的发展应遏制医疗费用的膨胀，促 进我国医学模式的转变 高技术的治疗、诊断设备的滥用， “推波助澜”作用 为了要遏制医疗费用的膨胀， 产业的重点往下移，市场主体应该是县级医院、乡镇卫生院及社区医院； 往前移，重视开发保健、预防的医疗器械产品。学术组织国际：*IEEE EMBS (Engineering in Medicine and Biology Society) www.embs.orgIFMBE (International federation for MBE)

20、http:/vub.vub.ac.be/ifmbe国内：中国生物医学工程学会 http:/www.csbme.org 刊物国际： Transaction on Biomedical Engineering,月刊 Transaction on Rehabilitation Engineering，季刊 Transaction on Information Technology in Biomedicine， 季刊 IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine，双月刊 Journal of Medical and Biological Engi

21、neering and Computing,双月刊 MBEC News，双月刊 国内： 中国生物医学工程学报 生物医学工程杂志 中国医疗器械杂志 世界医疗器械BME专业毕业生特点 交叉学科基础 技术集成本领 熟悉医疗器械行业规定与生物医学工程产业特点：门槛高，品种多。 医疗器械注册管理办法 医疗器械分类规则 医疗器械监督管理条例 医疗器械产品上市周期：3-6月临床试验+法定90日注册审查期 比其他产品晚近一年 期望 谢谢生物医学工程简介 生物医学工程发展 生物医学工程概念 生物医学工程的内容 生物医学工程的互动、现状。生物医学工程发展 生物医学工程孕育于十九世纪，1895年开创了医学成像技术，

22、形成于二十世纪。* 二十世纪五十年代形成学科领域(Ilmenau)，发展迅速。* 1978年我国开始确立为独立学科，80年招研究生。* 新世纪为生物医学工程的发展提供更广阔的发展空间。 生物医学工程是生命科学的重要领域，与人类生活质量及健康的关系密切。X射线成像原理 不同厚度组织( (密度相同) )与X X线成像的关系幅度信息幅度信息启示启示1.反射和折射所产生的各层回波给我 们带来了人体内部各层组织的幅度信息，使我们可以利用这些信息及其变换进行超声诊断：A超，B超，M超等。A型：(A Scope)超声回波幅度为纵坐标，超声传 播时间为横坐标的显示方式。超声谐波技术谐波信息提取谐波信息提取还有什麽超声隐含信号还有什麽超声隐含信号可以提取？可以提取？讨讨 论论生物医学工程不断发展的历史生物医学工程不断发展的历史-揭示隐含信息的历史揭示隐含信息的历史 我们回顾过去几十年，从超声回波中检测出幅度信息,到检测出多谱勒频移信息,进而检测出谐波信息。 可以说超声回波信号的检测历史就是一部不断发展的揭示隐含信息的历史。 从 B超，彩超，到谐波成象，应该说每一步都有一个跃进。 可以预见新的隐含信息检测出来将会带来超声诊断仪新的突破。