生物医学工程发展的现状
生物医学工程发展的现状
【摘要】通过简要叙述生物医学工程的概念、研究内容、研究领域，进而概述生物医学工程发展的现状。
【关键词】生物医学工程研究领域
1 生物医学工程概念及对其的认识
生物医学工程( Biomedical Engineering，BME) 是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学角度，在多层次上研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统的工程原理的学科。生物医学工程是当今生物科学与信息、材料、电子技术精密机械等学科交叉的高度综合的产物，是将其他学科研究成果应用于临床，将生命体与诊断、医疗、康复等装置视为一个系统，并充分考虑其相互作用的一类知识高度密集的技术领域。
说到生物医学工程学，总要追溯到200年前，galvanic和V olta这两位科学家在电生理方面先驱性的研究。随着宇航技术的进步、人类实现了登月计划以来，生物医学工程有了很大的发展。学科就是科学研究发展成熟的产物，尽管并不是所有的研究领域最后都能发展成为新学科。但科学自身的规律决定了学科的规律，科学发展也决定学科的建设和发展。今天，在工程学突飞猛进发展的同时，生命科学也在迅猛发展，近年来迅速兴起的生物技术对生物医学以极大的推动，将产生分子医学。因此对理工学科与生命科学交叉结合而产生的生物医学工程学必须有新的认识。我们必须考虑到科学技术的进步给生物医学工程学带来的影响：不仅是工程学与生命科学、医学的交叉结合，也包括所有其他学科和生命科学、医学的交叉结合E;不仅是工程技术的相应理论方法与生物医学中人体结构功能的交叉结合，而且要考虑工程技术的相应理论方法与生物技术的交叉结合。
国外从20世纪50、60年代就已开始将生物医学工程作为一门综合运用工程技术的相应理论和方法，深入研究人体结构和功能，以解决医学中出现的有关问题的一门新兴的边缘学科来研究。1997年，美国国家卫生研究院生物工程定义委员会对生物医学工程做出了新的定义：综合物理、化学、数学以及计算机科学与工程学原理研究生物学、医学、行为科学及健康科学。它发展了基本概念，创立了从分子到器官系统水平的知识，为疾病的预防、诊断、治疗以及病人的康复、健康的提高开发新的生物学制品、材料、加工方法、植入物、器械以及信息学方法。这个定义将生物医学工程从方法学探讨到知识体系创立，从基础研究到应用领域都作了详述，应该说涵盖了生物医学工程作为一门学科的各方面内容。
2 研究内容与领域
生物医学工程是综合生命科学和工程技术的理论、方法、手段，研究人类及其他生命现象结构功能的理、工、医相结合的新兴交叉学科，是多种工程技术学科向生命科学( 生物与医学) 渗透和相互交叉的结果，并已成为生命科学的重
要支柱。BME 是应用基础科学，主要服务于人类疾病的诊断、预防、监护、治疗及保健、康复等方面；主要研究任务是利用工程技术手段解决医学诊断、治疗和信息化管理等问题，为医学提供高技术含量的现代医疗装备。
生物医学工程的基本任务是进一步探索生命科学的内在规律( 生命科学由定性到定量需要自然科学和工程技术的有力支持)，利用工程技术手段解决医学诊断、治疗、管理问题。
2.1 研究内容
生物医学工程的研究内容包括：基础性研究，涉及生物力学、生物材料学、生物医学信息的提取与处理、生物系统建模与仿真、各种物理因子的生物效应、生物系统的质量和能量传递等；应用性研究，直接为医学服务，涉及生物医学信号检测与传感技术，生物医学信息处理技术，医学成像与图像处理技术，人工器官、医用制品和仪器，康复与治疗工程技术等。
生物医学工程所研究的领域有生物医学传感器、生物医学仪器、生物医学信息处理、医学图像技术、生理系统建模与控制、计算机在医学中应用、医学专家系统、生物电磁学、医学超声、生物力学、生物材料、人工器官、分子器件、临床工程、康复工程、生物医学工程教育。
2.2研究领域
当前生物医学工程研究的重要领域包括：生物力学，利用力学基本原理，结合生物学、医学和生理学来研究生物体特别是人体的功能、生长、运动及消亡规律；生物材料学，研究与生物体特别是人体组织、血液、体液相接触或作用时不凝血、不溶血、不引起细胞突变、畸变和癌变，不引起免疫排异和过敏反应，无毒、无副作用的特殊功能材料；人工器官，主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成，部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置和电子装置；分子器件、生物芯片，将有机功能分子或生物活性分子进行组装，构建微功能单元，实现信息的获取、储存、处理和传输等功能，研制仿生信息处理系统和生物计算机；生物系统建模与仿真，对生物的细胞、器官和整体等各层次的行为、参数及其关系建立数学模型，并用计算机求解该模型以分析和预测各种条件下生物系统运行的机制和状态；生物医学信号检测与传感技术，对生物体中含有的生命现象、状态、性质、变量和成份等信息的信号进行检测和量化，从中获取各种生物信息并将其转换为易于检测和处理的电信号；生物医学信息处理技术，研究如何从被湮没在干扰和噪声背景里的生物医学信号中提取有用信息的方法；医学成像与图像处理技术，研究如何将人体有关生理、病理的信息提取出来并显示为直观的图像、图形方式，或对已获得的医学图像进行分割、分类、识别、解释及三维重建等进行分析处理；物理因子的生物效应及其医疗应用，通过对生物群体流行病学调查、动物实验、临床试验及细胞和分子水平等多层次研究，了解物理因子对生物体的作用效应及作用机理，确定其有效和允许的作用剂量，发展运用物理因子生物效应诊断和治疗疾病的技术，并防止其可能发生的有害影响；计算机在医学中应用、远程医学和数码医院，是在计算机、现代通讯和医学影像等高新技术基础上发展起来的远程医学，可以帮助缺医少药地区提高医学诊
断和治疗水平，随着多媒体、移动通讯技术的迅速发展，还将会成为重要的家庭和社区医疗保健手段。
3重要领域及研究现状
3.1生物医学材料
由于各种交通、工伤事故、重大自然灾害、战争、衰老和病变都急需抢救维持生命、修复和替代人体的有关器官，因而作为人工器官替代物的生物医学材料的研究应运而生。许多金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料等有关材料已广泛地应用于临床。今后的研究方向为：
(1)对已有的非生物材料进行科学选择、复合和表面改性，以期改善和提高有关材料的生物相容度。
(2)从天然的生物材料着手，通过研究天然生物材料的微观结构、功能及性能，以其为基质，与细胞工程结合，形成组织工程。组织工程是选择适当的生物材料，以支持各种各样的细胞生长，如肝，脾，肾，骨脑，皮肤等器官组织的细胞，最终长出相应组织，用于治疗。
(3)用基因克隆的方法，产生人体器官，用于人类疾病的治疗。按生物医学材料的一般属性，可将其分为如下几类：
(1)无机非金属生物材料
a1 与人体组织力学相容性好，又具有促进组织生长的材料(如层状复合型生物陶瓷、含骨生长因子复合块状陶瓷和涂层材料)。
b1 具有人体有机和无机成分结构的复合材料(如含生物活性物质的骨水泥)。(2)金属生物材料
a1 新型钛合金(具有毒性更低、弹性模量更接近人骨等特性)。
b1 植入器械(如人工心脏瓣膜，人工关节，人工牙齿种植体，血管支架)。
c1 介入性诊断及治疗用器械(如引导丝、管腔内支撑架、儿童先天性心脏病用栓塞器
(3)生物医用高分子材料
a1 选择性血液净化吸附材料，用于对血液中有毒物质的吸附。
b1 生物活性免疫吸附材料，用于治疗免疫性疾病(如类风湿病、红斑狼疮等)。
3.2生物医学工程器械
3.2.1医学影像
现代医学中，影像被广泛应用于诊断和治疗，成为必不可少的手段和工具，如X 线透视和血管造影、CT、磁共振成像、超声成像、核医学成像等等。众多的现代医学影像提供了大量的有关病人的各种信息，包括形态的和功能的、静态的和动态的等等。然而，由于方法手段或思维方式的原因，这些“大量”信息的
利用十分有限。如脑立体定向外科手术中，目前的手术计划靠对照标准图谱与病人扫描图像和X 线图像，依据一些简单的经验和公式进行定位和手术。目前，医学临床采用的影像形式多样，但同体的各种影像检查和异体的横向比较几乎独立进行，而且很少定量化。其结果是，尽管各种医学影像的使用极大地提高了诊断的准确性，但这些对医学影像的“原始”利用方式大大地影响了治疗的有效性。因此，加强对各种医学影像信息的处理、分析和综合，研制基于影像的诊疗辅助系统十分必要。现今的研究包括以下几个方面：
(1)基于影像的计算机辅助诊治方法及系统
a1 各种放射治疗方式对应的基于影像的三维计划系统，包括立体定向放疗和适形放疗。
b1 基于影像的三维立体定向神经外科手术计划系统。
(2)多图像源信号源的融合和可视化问题
a1 同体的(同一病人)或异体的、形态的(X线透视、血管造影、CT、磁共振、超声、红外和摄影图像等)和功能的(PET、SPECT、功能磁共振、脑电图和脑磁图等)图像的配准和综合利用。
b1 信号(如脑电信号、脑磁信号、心电信号等)的可视化和在三维形态结构上的影射表现和深部信号源的求取。
c1 动态图像分析，包括心动超声图像序列、高速X 线造影、动态CT 图像序列等具有临床意义的运动参数和运动区域的提取和分析。
(3)医学中的虚拟现实方法及系统
虚拟现实是综合人机界面、图形学、传感技术、高性能计算和网络的一门新学科，涉及学科面广且发展十分迅速，已有的和潜在的应用也十分广泛。在医学方面尤为有用。从教学到临床，从外科手术的计划到实施，虚拟现实系统提供了一个全新的工具。
由于该研究涉及面广，近期只能希望在以下方面有所突破：
a1 虚拟内窥镜系统：通过对病人对像部位的三维图像数据采集和处理，利用某些虚拟传感器(如虚拟摄像机、虚拟测距仪等)可对管道型或空腔型组织(如血管、胃肠、食道、脑室等)进行定性观察和定量参数的计算和分析。
b1 立体定向神经外科手术仿真系统：通过建立三维人脑图谱和结合实际病人的断层三维图像数据采集和处理，对脑外科、尤其是功能性神经外科手术进行计划和模拟。
3.2.2 医学电子
(1)无损(微损)多通道多频率高强度聚焦超声体外治疗系统。该系统旨在体外无损(微损)治疗深层肿瘤或其它外科手术(简称声刀) ，也可用于终止早孕(人工流产)。
(2)采用微型马达的超声内窥导管系统研制适合驱动机械扫描微型超声换能器的微马达(尺寸约1-2mm )，用于介入性超声导管系统，对动脉血管及心血管系统作圆周扫描，从而显示血管内壁断面形态及功能信息，用于心血管病及其它体内微小部位的诊断。
(3)新型超声检测技术
近年来，超声医学检测出现了两个新热点，一个是组织弹性成像技术用于肿瘤检测，另一个背向散积分用于冠心病检测。
(4)新型红外肿瘤检测技术
近期研究表明，人体组织在近红外波段存在一个光窗，对于波长为600-900 纳米。红外光的吸收极小。这一发现揭示了利用红外光进行医学检测和成像的可能，利用这一特性，运用频率分辨光谱学技术对肿瘤和脑出血等病人进行检测，已取得初步结果。
(5)计算机辅助外科手术系统CA S将先进的诊断设备，如计算机断层扫描CT、磁共振成像MR I、数字血管减影DSA、正电子发生断层扫描PET 等，与治疗设备如伽玛刀、X 刀、医用机器人等结合，利用图像处理技术，如三维重建、三维显示和立体定位系统，辅助医生进行外科手术。计算机辅助外科手术系统对于提高手术成功率、减少手术死亡率和进行复杂的外科手术具有十分重要的意义。
(6)射线治疗装置
现今，更高能量电子直线加速器正在研究之中，并争取解决治疗可视化监督问题。同时，中子和离子治疗装置也在研制中。
(7)生物医学测量传感器。
3.3生物医学康复工程
生物医学康复工程，简称康复工程，是生物医学工程领域中一个重要的分支学科。其目的是充分利用现代科学技术手段克服人类由于意外事故、先天缺陷、疾病、战争和机体老化等因素产生的功能障碍或残疾，使其尽可能最大程度地恢复或代偿原有功能，实现最大限度的生活自理、乃至回归社会，以提高人们特别是伤残人士和老年人的生活质量。为实现这个目标，需要众多学科相互支持与配合，因此康复工程学科又是一个典型的多学科交叉的综合性很强的学科。它涉及的学科相当广泛，包括生物学、医学、材料学、生物力学、机械学、电子学、控制论与信息科学等等。我国在康复工程领域的科学研究并不逊色。80 年代初期，民政部筹建了假肢研究所，并支持清华大学、上海交通大学与假肢研究所合作研制了我国第一代肌电假手产品。目前我国肌电假手产品能在国内市场上占有一席之地并少量销往国外。90 年代初，清华大学与中国康复研究中心合作，在国家自然科学基金和中残联的支持下，研制了我国第一只用复合材料制成的下肢运动假肢。我国伤残人运动员曾用它打破了跳远世界纪录。针对盲人的需要，全国残疾人用品开发供应总站开发了盲文打字机、盲文油印机及盲人扑克等。
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