生物医学工程绪论1课件.ppt

1、生物科学与工程学院生物科学与工程学院生物医学工程系生物医学工程系第一章第一章 绪绪 论论生物医学工程学生物医学工程学【目录目录】1.1 学科领域和战略地位学科领域和战略地位1.2 BME的发展历史的发展历史1.3 BME主要研究领域主要研究领域1.4 生物医学信息工程生物医学信息工程1.5 现代医疗器械现代医疗器械1.6 发展中国特色的发展中国特色的BME技术技术1.1 BME的学科领域的学科领域和战略地位和战略地位生物医学工程生物医学工程生物医学工程生物医学工程（BME）Biomedical Engineering工程技术工程技术Engineering生物学生物学Biology医医 学学Me

2、dicine生物力学生物力学生物材料生物材料人工器官人工器官生物医学信息工程生物医学信息工程生物生物医学医学图像图像处理处理BME定义定义 生物医学工程是综合应用生命科学生物医学工程是综合应用生命科学与工程科学的原理和方法，从工程学角与工程科学的原理和方法，从工程学角度在分子、细胞、组织、器官乃至整个度在分子、细胞、组织、器官乃至整个人体系统多层次认识人体的结构、功能人体系统多层次认识人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、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、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统技术的总称。制品、装置和系统技术的总称。

3、 BME定义定义 结合物理学、化学或数学和工程学原理，从结合物理学、化学或数学和工程学原理，从事事生物学生物学、医学医学、行为学行为学或或卫生学卫生学的研究的研究 提出基本概念，产生提出基本概念，产生从分子水平到器官从分子水平到器官水平水平的知识的知识 开发创新的开发创新的生物学制品生物学制品、材料材料、加工方法、加工方法、植入物、植入物、器械器械和和信息学信息学方法方法 用于疾病预防、诊断和治疗，病人康复，改用于疾病预防、诊断和治疗，病人康复，改善卫生状况等目的善卫生状况等目的 生物医学工程是当今生命科学与信息、材生物医学工程是当今生命科学与信息、材料、精密机械等学科交叉与高度综合的产物，料

4、、精密机械等学科交叉与高度综合的产物，是将其它学科研究成果应用于临床，将生命体是将其它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充分考虑其相互作用的一类知识高度密集的技术领域。生物医学工程的发展不仅促进了医学术领域。生物医学工程的发展不仅促进了医学的现代化，而且形成了一个新的高技术产业领的现代化，而且形成了一个新的高技术产业领域域-生物医学工程产业生物医学工程产业，并与，并与制药业制药业构成了现构成了现代医疗体系的代医疗体系的两大产业支柱两大产业支柱。 学科领域学科领域 综合生命科学和

5、工程技术，综合生命科学和工程技术，理、工、医理、工、医相结合的新兴相结合的新兴交叉学科交叉学科（多学科交融，多学科交融，体现了新知识的综合和发展）体现了新知识的综合和发展） 运用工程技术手段，研究和解决生物学运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题，揭示人体奥秘，和医学中的有关问题，揭示人体奥秘，造福人类造福人类( (不同于经典学科，也有别于不同于经典学科，也有别于生物学、医学和纯粹的工程学科生物学、医学和纯粹的工程学科) )战略地位战略地位 在保障人类健康和为疾病的预防、诊在保障人类健康和为疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面起着巨大作用断、治疗、康复等方面起着巨大作用（对提高医学

6、水平，促进医学科学的对提高医学水平，促进医学科学的现代化发挥着关键性的作用）现代化发挥着关键性的作用） 医疗保健性产业的重要基础和动力，医疗保健性产业的重要基础和动力，发达国家均将它列入发达国家均将它列入高技术领域高技术领域，投，投巨资予以发展巨资予以发展 在生物医学研究、知识产生、转化研在生物医学研究、知识产生、转化研究和卫生保健中扮演了许多重要角色究和卫生保健中扮演了许多重要角色 生物医学材料制品、（生物）人工器生物医学材料制品、（生物）人工器官、医学影像和诊断设备、医学电子仪器官、医学影像和诊断设备、医学电子仪器和监护装置、现代医学治疗设备、医学信和监护装置、现代医学治疗设备、医学信息技

7、术、康复工程技术和装置、组织工程息技术、康复工程技术和装置、组织工程等。等。国家计委国家计委20032003年年关于组织实施生物关于组织实施生物 医学工程高技术产业化专项的公告医学工程高技术产业化专项的公告BME产业范围产业范围（一）（一）重大疾病的急救、诊疗、康复技术和装置重大疾病的急救、诊疗、康复技术和装置，包括心脑，包括心脑血管疾病的急救、康复和诊疗装置，呼吸系统疾病诊疗和急救血管疾病的急救、康复和诊疗装置，呼吸系统疾病诊疗和急救装置，应用物理原理的新型肿瘤治疗技术和装置等。装置，应用物理原理的新型肿瘤治疗技术和装置等。（二）（二）社区医疗系统工程技术和装备社区医疗系统工程技术和装备（以

8、亚健康状态调控为（以亚健康状态调控为核心），包括睡眠医学工程技术和装置，心脑血管系统功能检核心），包括睡眠医学工程技术和装置，心脑血管系统功能检测技术和装置，便携式（电）生理检测装置，小型化生化检测测技术和装置，便携式（电）生理检测装置，小型化生化检测装置，社区医学信息技术和系统等。装置，社区医学信息技术和系统等。（三）（三）医学影像技术和装备医学影像技术和装备，包括技术含量高的常用医学影，包括技术含量高的常用医学影像装置，有限功能的小型化医学影像装置，手术中实时监控医像装置，有限功能的小型化医学影像装置，手术中实时监控医学影像技术与装置等。学影像技术与装置等。（四）（四）生物医学材料表面处理

9、技术、器件（构件）及其制备生物医学材料表面处理技术、器件（构件）及其制备工艺工艺，组织工程和生物人工器官，生物微系统技术（床旁生化，组织工程和生物人工器官，生物微系统技术（床旁生化检测技术、介入式微型检测技术等）等。检测技术、介入式微型检测技术等）等。 国家计委国家计委0202年年重点技术方向（人口与健康）（人口与健康）1) 安全避孕节育与出生缺陷防治安全避孕节育与出生缺陷防治 重大出生缺陷筛查和遗传病防治研究重大出生缺陷筛查和遗传病防治研究 避孕节育新技术和新方法的研究避孕节育新技术和新方法的研究 避孕节育和生殖健康适宜技术应用示范与监测评价研究避孕节育和生殖健康适宜技术应用示范与监测评价研

10、究2) 心脑血管病、肿瘤等重大非传染疾病防治心脑血管病、肿瘤等重大非传染疾病防治 心脑肺血管疾病防治研究心脑肺血管疾病防治研究 常见恶性肿瘤预防、早诊及综合治疗研究常见恶性肿瘤预防、早诊及综合治疗研究3) 城乡社区常见多发病防治城乡社区常见多发病防治 常见病和多发病防治关键技术研究常见病和多发病防治关键技术研究 城乡社区疾病预防与控制研究城乡社区疾病预防与控制研究重点领域及优先主题重点领域及优先主题（人口与健康）（人口与健康）4) 中医药传承与创新发展中医药传承与创新发展 重大疑难疾病中医防治研究重大疑难疾病中医防治研究 基于现代技术的中医药诊疗评价技术研究基于现代技术的中医药诊疗评价技术研究

11、 中药资源可持续利用及中药产业发展关键技术研究中药资源可持续利用及中药产业发展关键技术研究 中医传承及方法学研究中医传承及方法学研究 中医药国际化示范研究中医药国际化示范研究 针灸诊疗方案和评价研究针灸诊疗方案和评价研究 亚健康状态的评价和中医干预研究亚健康状态的评价和中医干预研究5) 先进医疗设备与生物医用材料先进医疗设备与生物医用材料 重大数字化医疗设备关键技术及产品开发重大数字化医疗设备关键技术及产品开发 介入治疗与临床检验新技术新方法研究介入治疗与临床检验新技术新方法研究 “十一五十一五”科技支撑计划和科技支撑计划和863计划计划07年年重点领域及优先主题重点领域及优先主题主要主要特点

12、特点 大跨度、多学科交叉的综合性应用学科大跨度、多学科交叉的综合性应用学科 多学科知识融合，医学与工程技术人才密切结合。多学科知识融合，医学与工程技术人才密切结合。 例如，人工器官，涉及生物材料学，生物力学，生理学以及例如，人工器官，涉及生物材料学，生物力学，生理学以及机械、电子、化工技术等，甚至还包括社会伦理学。涉及面机械、电子、化工技术等，甚至还包括社会伦理学。涉及面从非生命科学到生命科学，从自然科学到人文科学。从非生命科学到生命科学，从自然科学到人文科学。 促进医学和生物学的变革促进医学和生物学的变革 探索原理与机制，提供技术与装备。探索原理与机制，提供技术与装备。 社会效益与经济效益的

13、结合社会效益与经济效益的结合 促进和保障人类健康，形成发展经济的重要产业。促进和保障人类健康，形成发展经济的重要产业。学科类型学科类型 信息技术型信息技术型 IT-BME（Information Technology） 材料技术型材料技术型 MT- BME（Material Technology) 生物技术型生物技术型 BT-BME （Biological Technology） 生物医学研究型生物医学研究型 BMR-BME（Biological Medical Research） 医疗器械产业型医疗器械产业型 MD-BME （Medical Devices）IT-BME知识体系知识体系电子技

14、术电子技术信息技术信息技术计算机技术计算机技术医学医学生命科学基生命科学基本知识本知识研究对象研究对象生理学生理学病理学病理学内科学内科学外科学外科学信息技术型信息技术型MT- BME知识体系知识体系材料科学材料科学生物技术生物技术化学、力学化学、力学生物化学生物化学医学、生命医学、生命科学的基本科学的基本知识知识研究对象研究对象生物材料生物材料人工器官人工器官组织工程组织工程材料技术型材料技术型BT-BME生物技术型生物技术型BME与生物技与生物技术交叉结合术交叉结合知识体系知识体系数学数学计算机技术计算机技术信息技术信息技术生物学生物学分子生物学分子生物学遗传学遗传学研究对象研究对象 针对

15、造针对造成疾病或成疾病或生理缺陷生理缺陷的分子、的分子、细胞水平细胞水平上的问题上的问题BMR-BME生物医学研究型生物医学研究型应用目前的一切科应用目前的一切科学技术的理论、方学技术的理论、方法、技术以某一生法、技术以某一生命过程为研究对象命过程为研究对象知识体系知识体系数学、物理数学、物理信息、生物信息、生物生化生化生理系统生理系统分子生物学分子生物学 遗传学遗传学深入研究深入研究生命过程生命过程的规律，的规律，揭示生命揭示生命的本质的本质MD-BME医疗器械产业型医疗器械产业型 知识体系知识体系电子、信息电子、信息计算机技术计算机技术精密机械精密机械市场经营市场经营生物医学基生物医学基本

16、知识本知识研究对象研究对象各种医疗各种医疗仪器仪器医疗设备医疗设备耗材耗材1.2 BME的发展历史的发展历史BME发展历程发展历程新概念、新理论、新设备、新概念、新理论、新设备、新技术，推动医学发展新技术，推动医学发展 1950年代年代 随着电子学、材料学、工程力学、随着电子学、材料学、工程力学、信息科学和计算机等多种学科的进步并广泛应信息科学和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（医学电子学）用于医学和生物学领域（医学电子学）1965 国际生物医学工程联合会（国际生物医学工程联合会（IFMBE）International Federation of Medical Bioeng

17、ineering（医学与工程结合）（医学与工程结合）1980 成立中国生物医学工程学会成立中国生物医学工程学会1978 国家科委生物医学工程学科专业组国家科委生物医学工程学科专业组 90年代年代 生物医学工程、生物工程生物医学工程、生物工程80年代年代 生物医学仪器及工程生物医学仪器及工程国际形成国际形成发发 展展中中 国国生命科学发展生命科学发展21世纪展望世纪展望BME发展发展孕育期：孕育期：19世纪（世纪（1895年年X射线）。射线）。形成学科领域：形成学科领域：20世纪世纪50年代（医学电子）年代（医学电子） 迅速发展：迅速发展：1970年年CT我国确立独立学科：我国确立独立学科：19

18、78年年生命科学发展的重要领域生命科学发展的重要领域新世纪更广阔的发展空间新世纪更广阔的发展空间医学的发展医学的发展生物医学生物医学工工 程程 学学临床医学临床医学结合结合推动医学发展推动医学发展加速医学科学现代化加速医学科学现代化1786 发现生物电现象发现生物电现象(意大利伽伐尼，意大利伽伐尼，Galvani)19世纪中期世纪中期 用实验方法研究心脏、肌肉和神经的生物用实验方法研究心脏、肌肉和神经的生物电信息，现代医学中心电图、肌电图、眼电图和脑电信息，现代医学中心电图、肌电图、眼电图和脑电图等人体生物电变化的记录，已作为观察各系统电图等人体生物电变化的记录，已作为观察各系统的生理或病理状

19、态的重要指标。的生理或病理状态的重要指标。17世纪世纪 发明光学显微镜发明光学显微镜(Leewenhock)，推动解剖学向，推动解剖学向微观层次发展，医学研究提高到细胞形态学水平，微观层次发展，医学研究提高到细胞形态学水平，相继诞生了细胞学、组织学、细胞病理学。相继诞生了细胞学、组织学、细胞病理学。 希腊语希腊语“解剖解剖”( Anatomia)，意为用刀剖析肉眼观察研究人体结构，意为用刀剖析肉眼观察研究人体结构变化。变化。20世纪世纪60年代年代 发明的电子显微镜发明的电子显微镜(赫斯费尔德赫斯费尔德)，能够，能够观察研究细胞内核结构观察研究细胞内核结构DNA、RNA等大分子变化，等大分子变

20、化，医学跨进了医学跨进了“超微结构超微结构”观察观察“分子水平分子水平”时代。时代。 X射线计算机断层扫描（射线计算机断层扫描（XCT）、磁共振成像）、磁共振成像(MRI)、超声成像、病人监护和生化分析等大量、超声成像、病人监护和生化分析等大量新型新型临床诊断与监护技术、设备临床诊断与监护技术、设备的出现和普及的出现和普及 种类繁多的激光和电磁治疗设备提供了新的种类繁多的激光和电磁治疗设备提供了新的治疗治疗和外科手术的手段和外科手术的手段，并推动了家庭保健的开展，并推动了家庭保健的开展 人工人工心脏起搏器心脏起搏器和人工和人工心脏瓣膜心脏瓣膜正在挽救和维持正在挽救和维持着世界数百万心脏病患者的

21、生命着世界数百万心脏病患者的生命 人工肾等人工肾等血液净化技术血液净化技术维持着数十万肾功能衰竭维持着数十万肾功能衰竭病人的正常生活病人的正常生活BME与医学进步与医学进步 人工晶体、人工关节和功能性假体等已广泛用于人工晶体、人工关节和功能性假体等已广泛用于伤残人的伤残人的康复和功能辅助康复和功能辅助 生物力学的研究生物力学的研究加深了对严重危害人类健康的动加深了对严重危害人类健康的动脉血管硬化和血栓形成机理的认识，为心、脑血脉血管硬化和血栓形成机理的认识，为心、脑血管疾病的防治和人工心脏瓣膜、人工血管等人工管疾病的防治和人工心脏瓣膜、人工血管等人工器官的设计提供了依据器官的设计提供了依据 计

22、算机和信息技术计算机和信息技术在医学和临床上的扩大应用，在医学和临床上的扩大应用，正在从根本上改变着医院的面貌正在从根本上改变着医院的面貌 在我国将现代在我国将现代工程方法与中医相结合工程方法与中医相结合，进行了中，进行了中医四诊客观化、中医专家系统和中医经络的初步医四诊客观化、中医专家系统和中医经络的初步研究，为中国传统医学的新发展注入了活力。研究，为中国传统医学的新发展注入了活力。BME与医学进步与医学进步分会、专业委员会：分会、专业委员会： 人工器官人工器官 生物材料生物材料 生物力学生物力学 生物医学测量生物医学测量 生物信息与控制生物信息与控制 医学物理医学物理 医学超声工程医学超声

23、工程 心脏起搏与电生理心脏起搏与电生理(心律心律) 生物电磁学生物电磁学 生物医学传感技术生物医学传感技术 临床医学工程临床医学工程 中医药工程中医药工程 血疗工程血疗工程 体外循环体外循环 军事医学工程与装备军事医学工程与装备 介入医学工程介入医学工程 组织工程组织工程 干细胞工程技术干细胞工程技术 肿瘤靶向技术肿瘤靶向技术 数字医疗及医疗信息化数字医疗及医疗信息化中国生物医学工程学会中国生物医学工程学会中国生物医学工程学报中国生物医学工程学报(中文版、英文版中文版、英文版)生物医学工程学杂志生物医学工程学杂志医用生物力学医用生物力学北京生物医学工程北京生物医学工程国外医学生物医学工程分册国

24、外医学生物医学工程分册 生物医学工程与临床生物医学工程与临床中国医疗器械杂志中国医疗器械杂志医疗卫生装备医疗卫生装备医疗设备信息医疗设备信息中国医学物理学杂志中国医学物理学杂志学术刊物学术刊物生物医学工程只设一级学科生物医学工程只设一级学科近年来发展迅速近年来发展迅速全国各综合性大学、医科大学、理工科大学以全国各综合性大学、医科大学、理工科大学以及中科院等有关研究单位都设有生物医学工程及中科院等有关研究单位都设有生物医学工程机构机构(院、系、所、室院、系、所、室)全国有数十个全国有数十个BME一级学科博士点、硕士点一级学科博士点、硕士点本科招生迅速增长，达到传统学科规模本科招生迅速增长，达到传

25、统学科规模科研与教育科研与教育1.3 BME主要主要研究领域研究领域以应用基础性研究为主以应用基础性研究为主领域十分广泛，并在不断扩展领域十分广泛，并在不断扩展BME研究领域研究领域基础性研究基础性研究 应用性研究应用性研究 生物力学生物力学生物材料与组织工程生物材料与组织工程生物系统的建模与控制生物系统的建模与控制物理因子的生物效应物理因子的生物效应生物系统的质量与能量传递生物系统的质量与能量传递细胞与细胞工程细胞与细胞工程人工器官人工器官生物医学信号检测与传感器生物医学信号检测与传感器生物医学信号处理技术生物医学信号处理技术医学成像和图像处理医学成像和图像处理医用制品和仪器医用制品和仪器治

26、疗与康复的工程方法治疗与康复的工程方法 与分子生物学相结合，加强细胞和分子水平与分子生物学相结合，加强细胞和分子水平的研究，是的研究，是BME发展的一个重要趋势。发展的一个重要趋势。 利用多学科交叉的优势来揭示人类思维和认利用多学科交叉的优势来揭示人类思维和认知的奥秘，是知的奥秘，是21世纪世纪BME的一个主攻方向。的一个主攻方向。 微创伤手术、老年医学、家庭健康监护和远微创伤手术、老年医学、家庭健康监护和远程医疗等正在成长为新的研究领域。程医疗等正在成长为新的研究领域。 BME研究的趋势研究的趋势 利用力学基本原理，结合生理学、医利用力学基本原理，结合生理学、医学和生物学来研究生物体特别是人

27、体的功能、学和生物学来研究生物体特别是人体的功能、生长、消亡及运动的规律。生长、消亡及运动的规律。研究范围研究范围 从生物整体到系统、器官从生物整体到系统、器官( (包括血液、体液、包括血液、体液、脏器、骨骼等脏器、骨骼等) )，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到植物体液的输运等。动到植物体液的输运等。 生物力学的基础是能量守恒、动量定律、生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律，并加上描写物性的本构方程。质量守恒三定律，并加上描写物性的本构方程。研究与生理学、医学有关的力学问题。研究与生理学、医学有关的力学问题。 1.3.1 生物力学生物力学研究重点：研究重

28、点： 生物流体力学生物流体力学 生物固体力学生物固体力学 运动生物力学运动生物力学 研究内容举例：研究内容举例： 循环系统力学、生物流变学、微循环、骨循环系统力学、生物流变学、微循环、骨力学、听力学、人工瓣膜、心脏辅助装置、心力学、听力学、人工瓣膜、心脏辅助装置、心肺机、外科的损伤与愈合、新的外科手术、骨肺机、外科的损伤与愈合、新的外科手术、骨科与整形、牙科、运动器械、假肢、职业安全科与整形、牙科、运动器械、假肢、职业安全与健康、公路交通与飞行中的安全、老人和聋、与健康、公路交通与飞行中的安全、老人和聋、哑、盲人的辅助器械等。哑、盲人的辅助器械等。 生物力学研究生物力学研究1582年前后年前后

29、 伽利略得出摆长与周期的定量关系，并利伽利略得出摆长与周期的定量关系，并利用摆来测定人的脉搏率。用摆来测定人的脉搏率。1616 英国生理学家哈维根据流体力学中的连续性原理，英国生理学家哈维根据流体力学中的连续性原理，从理论上论证了血液循环的存在从理论上论证了血液循环的存在1661 马尔皮基解剖青蛙，在蛙肺中看到了微循环的存马尔皮基解剖青蛙，在蛙肺中看到了微循环的存在，证实了哈维的论断；博雷利在在，证实了哈维的论断；博雷利在论动物的运论动物的运动动中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动1775 发表一篇关于波在动脉中传播的论文发表一篇关于波在动脉中传播的论文18

30、98 兰姆预言动脉中存在高频波，现已得到证实兰姆预言动脉中存在高频波，现已得到证实 英国物理学家托马斯英国物理学家托马斯扬建立了声带发音的弹性力扬建立了声带发音的弹性力学理论，提出了材料力学中著名的扬氏模量学理论，提出了材料力学中著名的扬氏模量生物力学简史生物力学简史1733 英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压，解英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压，解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流，引进了外周阻力概念。续流，引进了外周阻力概念。 Poiseuille定律确定了血液流动过程中压降、流定律确定了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系量和阻力的

31、关系 福兰克解释了心脏的力学问题福兰克解释了心脏的力学问题 斯塔林提出透过膜的传质定律，解释了人体中斯塔林提出透过膜的传质定律，解释了人体中水的平衡问题水的平衡问题1920 Krogh，微循环力学，获得诺贝尔奖，微循环力学，获得诺贝尔奖 Hill，肌肉力学，获诺贝尔奖，肌肉力学，获诺贝尔奖20世纪世纪60年代年代 生物力学形成一个独力学科生物力学形成一个独力学科 生物力学创始人生物力学创始人 冯元祯冯元祯生物力学简史生物力学简史研究目标：研究目标： 探科学的新奇；增进对生理学与医学的了解；探科学的新奇；增进对生理学与医学的了解；帮助医疗发展与提高防治疾病的水平；降低医疗费帮助医疗发展与提高防治

32、疾病的水平；降低医疗费用；发展健康产业。用；发展健康产业。 向两个方向发展：向两个方向发展： 系统（宏观）方向：系统（宏观）方向： 建立生物各层次上的力学模型，符合生物实际建立生物各层次上的力学模型，符合生物实际 微观方向：微观方向： 细胞、亚细胞及分子水平的生物力学细胞、亚细胞及分子水平的生物力学生物力学的发展生物力学的发展 与人体组织、体液、或血流相接触或作用，与人体组织、体液、或血流相接触或作用，而对人体无毒，副作用，不凝血，不溶血、不引起人而对人体无毒，副作用，不凝血，不溶血、不引起人体的细胞突变，畸变或癌变，不引起免疫排异和过敏体的细胞突变，畸变或癌变，不引起免疫排异和过敏反应的特殊

33、功能材料。反应的特殊功能材料。严格要求严格要求 良好的血液相容性和组织相容性良好的血液相容性和组织相容性 耐生物老化：耐生物老化： 长期植入材料生物稳定性好，暂时植入材料可降解长期植入材料生物稳定性好，暂时植入材料可降解 物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当 便于消毒灭茵、无毒无热源、不致癌不致畸便于消毒灭茵、无毒无热源、不致癌不致畸1.3.2 生物材料生物材料 合成高分子材料：合成高分子材料：通过分子设计，获得很多具有良通过分子设计，获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。软性材料常好物理机械性和生物相容性的生物材料。软性材料常用作人

34、体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；用作人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；硬性材料用作人工硬脑膜、人工心瓣球形阀等；液态硬性材料用作人工硬脑膜、人工心瓣球形阀等；液态合成材料如室温硫化硅橡胶用作注入式组织修补材料合成材料如室温硫化硅橡胶用作注入式组织修补材料 天然高分子材料：天然高分子材料：胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖 金属材料：金属材料：很高的机械强度和抗疲劳特性，承力植很高的机械强度和抗疲劳特性，承力植入材料，主要有钻合金、钛合金和不锈钢的人工关节入材料，主要有钻合金、钛合金和不锈钢的人工关节和人工骨。镍钛形状记忆合金用于矫形、心血管外科和人工骨。镍

35、钛形状记忆合金用于矫形、心血管外科 无机材料：无机材料：化学性质稳定，生物相容性良好。化学性质稳定，生物相容性良好。生物生物活性陶瓷如羟基磷灰石；活性陶瓷如羟基磷灰石；惰性生物陶瓷，如氧化铝惰性生物陶瓷，如氧化铝 复合材料：复合材料：碳纤维聚合物、玻璃纤维聚合物碳纤维聚合物、玻璃纤维聚合物主要种类主要种类活跃的研发领域活跃的研发领域高抗凝血材料高抗凝血材料生物活性陶瓷及玻璃生物活性陶瓷及玻璃钛及合金和钛镍记忆合金钛及合金和钛镍记忆合金生物活性缓释及描把药物载体材料生物活性缓释及描把药物载体材料生物粘合剂生物粘合剂可吸收性生物材料可吸收性生物材料改进和发展生物医用材料的生物相容性评价改进和发展生

36、物医用材料的生物相容性评价研究新的降解材料研究新的降解材料研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料研究新的药物载体材料研究新的药物载体材料材料表面改性的研究材料表面改性的研究主要研发方向主要研发方向 使用一种人工制造的装置来部分或全部使用一种人工制造的装置来部分或全部代替病损的自然器官，以补偿、替代或修复自然代替病损的自然器官，以补偿、替代或修复自然器官的功能。器官的功能。1.3.3 人工器官人工器官 Tissue Engineering 应用生命科学与工应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常

37、及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。一门新兴学科。组织工程组织工程一词一词1987年美国科学基金会在华盛年美国科学基金会在华盛顿举办的生物工程小组会上提出。顿举办的生物工程小组会上提出。1.3.4 组织工程组织工程四方面研究四方面研究：种子细胞：种子细胞 生物材料生物材料 构建组织和器官的方法和技术构建组织和器官的方法和技术 组织工程的临床应用。组织工程的临床应用。三

38、种三种临床上常用临床上常用组织修复途径组织修复途径： 自体组织移植自体组织移植 异体组织移植异体组织移植 应用人工代用品应用人工代用品 这三种方法都分别存在不足，如免疫排斥反应及供体不足等。这三种方法都分别存在不足，如免疫排斥反应及供体不足等。 组织工程的发展将从根本上解决组织和器官缺损所致的功能障组织工程的发展将从根本上解决组织和器官缺损所致的功能障碍或丧失治疗的问题。其核心是建立由细胞和生物材料构成的三碍或丧失治疗的问题。其核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体，这与传统的二维结构（如细胞培养）有着本质的维空间复合体，这与传统的二维结构（如细胞培养）有着本质的区别，其最大优点是可形

39、成具有生命力的活体组织，对病损组织区别，其最大优点是可形成具有生命力的活体组织，对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代；用最少的组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代；用最少的组织细胞通过在体外培养扩增后，进行大块组织缺损的修复；可按组细胞通过在体外培养扩增后，进行大块组织缺损的修复；可按组织器官缺损情况任意塑形，达到完美的形态修复。织器官缺损情况任意塑形，达到完美的形态修复。研究内容与研究方法研究内容与研究方法1.4 生物医学信息工程生物医学信息工程信息信息 Information 对客观事务感知到的新知识。对客观事务感知到的新知识。 如，五官感受到的大自然风景优美、声

40、音动听、味如，五官感受到的大自然风景优美、声音动听、味道香甜、天气凉爽等。道香甜、天气凉爽等。消息消息 Massage 描述信息的一种表现形式。描述信息的一种表现形式。 如，语言、图像、文字、音乐、数据、符号等。如，语言、图像、文字、音乐、数据、符号等。 信息信息 消息消息 通常将通常将二者等价看待二者等价看待信号信号 Signal 运载或携带消息的物理量，迅速有效地运载或携带消息的物理量，迅速有效地传递和交换信息。信号反映任何运动或状态的变化。传递和交换信息。信号反映任何运动或状态的变化。 如，心电信号、脑电信号，反映心脏跳动、大脑活动。如，心电信号、脑电信号，反映心脏跳动、大脑活动。信息与

41、信号信息与信号 生物医学信息工程（生物医学信息工程（BMIE）是电子）是电子信息科学与技术、计算机科学与技术和生信息科学与技术、计算机科学与技术和生物医学交叉、渗透形成的学科方向。又是物医学交叉、渗透形成的学科方向。又是电子信息技术、计算机及网络技术等在生电子信息技术、计算机及网络技术等在生物医学中的应用和体现。物医学中的应用和体现。 生物医学信息工程生物医学信息工程 研究生物医学信息的产生、获取、检测、研究生物医学信息的产生、获取、检测、处理、识别等的原理与技术处理、识别等的原理与技术 各种医学仪器及系统的原理与设计技术各种医学仪器及系统的原理与设计技术 医学图像处理及医学影像技术医学图像处

42、理及医学影像技术 计算机和网络技术在生物医学中的应用计算机和网络技术在生物医学中的应用 BMIE 的研究内容的研究内容覆盖了覆盖了BMEBME学科下的一个学科方向群：学科下的一个学科方向群： 生物医学信号处理与识别生物医学信号处理与识别 医学成像与图像处理医学成像与图像处理 生物医学测量与传感器生物医学测量与传感器 医学仪器医学仪器 生物系统的建模与控制生物系统的建模与控制 物理因子的生物效应物理因子的生物效应 医院信息工程与远程医学医院信息工程与远程医学 BMIE 的研究方向的研究方向 检测和量化生物体中包含生命现象、状检测和量化生物体中包含生命现象、状态、性质、变量和成分等信息的信号。态、

43、性质、变量和成分等信息的信号。 (信息获取是开展信息获取是开展BME研究的基础和前提研究的基础和前提) 信号种类：信号种类： 生物电信号：生物电信号：心电、脑电、肌电、眼电心电、脑电、肌电、眼电 生物磁信号：生物磁信号：心磁、脑磁、眼磁心磁、脑磁、眼磁 非电磁生理信号：非电磁生理信号：血压、体温、呼吸、脉搏血压、体温、呼吸、脉搏 生物化学量信号：生物化学量信号：血液、尿液、血气血液、尿液、血气 生物量信号：生物量信号：酶、蛋白、抗体、抗原酶、蛋白、抗体、抗原 生物医学测量与传感器生物医学测量与传感器 获取各种生物信息并将其转化成为获取各种生物信息并将其转化成为易于测量和处理的信号的器件。易于测

44、量和处理的信号的器件。传感器类型：传感器类型： 物理传感器：物理传感器：测量各种生理量，血压、血流、体测量各种生理量，血压、血流、体温、呼吸温、呼吸 化学传感器：化学传感器：测量体液中各种无机离子，测量体液中各种无机离子，Ca+、K+、Na+ 生物传感器：生物传感器：测量生物活性物质，酶、抗原抗体、测量生物活性物质，酶、抗原抗体、激素、核糖核酸激素、核糖核酸生物医学传感器生物医学传感器生物医学信号的特点：生物医学信号的特点： 信号微弱、随机性强、噪声和干扰背信号微弱、随机性强、噪声和干扰背景强、动态变化大、个体差异大。景强、动态变化大、个体差异大。对传感器和系统的要求：对传感器和系统的要求：

45、灵敏度高、噪声小、分辨力强、抗灵敏度高、噪声小、分辨力强、抗干扰能力强、动态特性好。干扰能力强、动态特性好。 特别重视安全性和可靠性。特别重视安全性和可靠性。特点和要求特点和要求发展趋向发展趋向 以生物电，生物磁为代表的无创、微创检测技术以生物电，生物磁为代表的无创、微创检测技术 心电、脑电、血压和血氧饱和度等信号的实时和长心电、脑电、血压和血氧饱和度等信号的实时和长时间监测技术时间监测技术 吞入式、固定植入式和介入式检测与传感技术吞入式、固定植入式和介入式检测与传感技术 生物医学信号的遥测技术，如红外遥感生物阻抗法生物医学信号的遥测技术，如红外遥感生物阻抗法 细胞水平的离体和在体检测与传感器

46、技术细胞水平的离体和在体检测与传感器技术 热点：血糖测定、免疫传感器、热点：血糖测定、免疫传感器、DNA芯片芯片 生物医学信号处理与识生物医学信号处理与识别别 根据生物医学信号特点，应用并发展信根据生物医学信号特点，应用并发展信息科学的基本理论，从被干扰和噪声淹没的观察息科学的基本理论，从被干扰和噪声淹没的观察记录中提取各种生物医学信号中所携带的信息，记录中提取各种生物医学信号中所携带的信息，并对它们进行分析、识别、解释和分类。并对它们进行分析、识别、解释和分类。主要作用：主要作用： 协助生物和生理系统的研究协助生物和生理系统的研究 临床诊断和治疗的重要手段和工具临床诊断和治疗的重要手段和工具

47、生物医学信号的特点生物医学信号的特点 随机性强随机性强，一般不可能用确定性函数来描述，必，一般不可能用确定性函数来描述，必须借助统计处理技术作处理。须借助统计处理技术作处理。 非平稳性非平稳性，信号统计特性的时变性，增加了，信号统计特性的时变性，增加了处理方法的难度。处理方法的难度。 变异性变异性，表现为信号因人不同而异和同一人，表现为信号因人不同而异和同一人因时刻不同而变异。变异性可能蕴含着有意义生因时刻不同而变异。变异性可能蕴含着有意义生理信息，也增加了处理难度。理信息，也增加了处理难度。 噪声背景强噪声背景强，观察信号中总是伴随着非研究对象，观察信号中总是伴随着非研究对象的信号。如胎儿心

48、电常被比之强一个数量级的母的信号。如胎儿心电常被比之强一个数量级的母亲心电所淹没，同时还受到肌电、工频等干扰。亲心电所淹没，同时还受到肌电、工频等干扰。 信号微弱信号微弱( (V mV)；频率低频率低(0.01(0.01几十几十Hz) )学科范围学科范围 生物医学工程研究的重要领域生物医学工程研究的重要领域 重要手段、不可缺少的工具重要手段、不可缺少的工具 多种科学技术与生物医学的交叉：多种科学技术与生物医学的交叉： 数字信号处理、模式识别、人工智能、数字信号处理、模式识别、人工智能、 通信技术、生理学知识通信技术、生理学知识 数学方法：随机过程、统计检测与估计、数学方法：随机过程、统计检测与

49、估计、 时间序列分析等时间序列分析等处理方法处理方法强噪声背景下微弱生理信号的动态提取强噪声背景下微弱生理信号的动态提取多道生理信号的同步观察与处理多道生理信号的同步观察与处理生理信号的时间生理信号的时间频率表示频率表示自适应处理自适应处理人工智能、医学专家系统人工智能、医学专家系统新兴趣点：新兴趣点：人工神经网络、混沌理论、人工神经网络、混沌理论、分形理论、高阶相关和高阶谱、生物分形理论、高阶相关和高阶谱、生物反馈、心理医学工程反馈、心理医学工程小波分析方法应用例小波分析方法应用例小波分析：小波分析： 具有优良的时间具有优良的时间频率局部化特性频率局部化特性 是分析处理非线性、时变信号的重是

50、分析处理非线性、时变信号的重要工具要工具 誉为誉为“分析信号的显微镜分析信号的显微镜 ” 颈动脉搏动图颈动脉搏动图(CAP)(CAP)特征提取特征提取优点：优点： 1) 1) 高频噪声干扰影响小高频噪声干扰影响小 2) 2) 低频的基线漂移影响小低频的基线漂移影响小 3) 3) 定位准确性高定位准确性高 4) 4) 运算速度快运算速度快CAP特征提取特征提取正常颈动脉波正常颈动脉波 一般很难直接依据原始观测数据来对信号作出解一般很难直接依据原始观测数据来对信号作出解释，往往需通过提取特征参数来进行表征，进而作信释，往往需通过提取特征参数来进行表征，进而作信号分析和识别。号分析和识别。 信号共性