生物医学工程1

进入60年代以后，微电子学、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。
骨骼生物力学 (Skeleton Biological Mechanics） 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。
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， 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、 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。 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） 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， 是传统学科所没有的， 的综合 ， 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。 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、 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 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。 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 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。
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，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。
1.1 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 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 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 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。
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 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 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 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。 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 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。
我国著名科学家顾方舟先生在“ 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” 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。
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。
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 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。
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. 2. 3.
生物力学 生物材料 生物系统建模与仿真
4.
5. 6. 7. 8.
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 是使生物医学工程自身陷于困境 。
第一章 概述
什么叫生物医学工程 生物医学工程（Biomedical 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 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。
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。
物理因子在治疗中的应用及其生 物效应 生物医学信号检测与传感器 生物医学信号处理 医学图像技术 人工器官
生物力学 （Biological Mechanics） ： 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 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。
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 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， 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 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机理，弄清人体 1.了解心脏瓣膜开启和关闭的机理，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 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。
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。