生物醫(yī)學工程學科分支及研究進展.doc

生物醫(yī)學工程學科分支及相關研究進展生物醫(yī)學工程是一門由理、工、醫(yī)相結合的邊緣學科,是多種工程學科向生物醫(yī)學滲透的產物。它是運用現(xiàn)代自然科學和工程技術的原理和方法，從工程學的角度，在多層次上研究人體的結構、功能及其相互關系，揭示其生命現(xiàn)象，為防病、治病提供新的技術手段的一門綜合性、高技術的學科。有識之士認為，在新世紀隨著自然科學的不斷發(fā)展，生物醫(yī)學工程的發(fā)展前景不可估量。生物醫(yī)學工程學科是一門高度綜合的交叉學科,這是它最大的特點。生物醫(yī)學工程的主干學科是生物醫(yī)學工程二級學科主要包括如下方面：1.學習科學：研究學習的規(guī)律，研究學生如何有效地從原有知識和能力，向新知識和能力的轉移。 2.生物信息技術：實現(xiàn)生物技術和信息技術以及其他學科的有機結合，發(fā)展生物信息高通量、高效、快速的提取方法，發(fā)展疾病檢測的新方法和新技術，發(fā)展研究藥物與靶標作用的新方法，發(fā)展基因組數(shù)據、蛋白質組數(shù)據和結構基因組數(shù)據的計算機處理、分析和可視化方法，解析生物大分子結構和功能之間關系等，提高生物信息處理、分析和利用的水平，為我國生命科學和生物技術的源頭創(chuàng)新奠定基礎。 3.醫(yī)學圖像與醫(yī)學電子學：醫(yī)學圖像處理和分析、計算機輔助診斷和治療、醫(yī)學物理等，以及生物、醫(yī)學和工程學等領域理論和方法，并通過這些學科的交叉形成了新型學科。 4.生物與醫(yī)學納米技術：包括納米生物材料、納米生物器件研究、納米生物技術在臨床診療中的應用、納米材料與器件的計算模擬。 5.生物醫(yī)學材料：生物醫(yī)用材料研究，用于人體、器官的診斷、修復、替換或增進其功能。 6.醫(yī)學信息學及工程：應用系統(tǒng)分析工具這一新技術（算法）來研究醫(yī)學的管理、過程控制、決策和對醫(yī)學知識科學分析。學科內容生物力學是運用力學的理論和方法，研究生物組織和器官的力學特性，研究機體力學特征與其功能的關系。生物力學的研究成果對了解人體傷病機理，確定治療方法有著重大意義，同時可為人工器官和組織的設計提供依據。 生物力學中又包括有生物流變學(血液流變學、軟組織力學和骨骼力學)、循環(huán)系統(tǒng)動力學和呼吸系統(tǒng)動力學等。目前生物力學在骨骼力學方面進展較快。 生物控制論是研究生物體內各種調節(jié)、控制現(xiàn)象的機理，進而對生物體的生理和病理現(xiàn)象進行控制，從而達到預防和治療疾病的目的。其方法是對生物體的一定結構層次，從整體角度用綜合的方法定量地研究其動態(tài)過程。 生物效應是研究醫(yī)學診斷和治療中，各種因素可能對機體造成的危害和作用。它要研究光、聲、電磁輻射和核輻射等能量在機體內的傳播和分布，以及其生物效應和作用機理。 生物材料是制作各種人工器官的物質基礎，它必須滿足各種器官對材料的各項要求，包括強度、硬度、韌性、耐磨性、撓度及表面特性等各種物理、機械等性能。由于這些人工器官大多數(shù)是植入體內的，所以要求具有耐腐蝕性、化學穩(wěn)定性、無毒性，還要求與機體組織或血液有相容性。這些材料包括金屬、非金屬及復合材料、高分子材料等；目前輕合金材料的應用較為廣泛。 醫(yī)學影像是臨床診斷疾病的主要手段之一，也是世界上開發(fā)科研的重點課題。醫(yī)用影像設備主要采用 X射線、超聲、放射性核素磁共振等進行成像。 X射線成像裝置主要有大型X射線機組、X射線數(shù)字減影(DSA)裝置、電子計算機X射線斷層成像裝置(CT)；超聲成像裝置有B型超聲檢查、彩色超聲多普勒檢查等裝置；放射性核素成像設備主要有照相機、單光子發(fā)射計算機斷層成像裝置和正電子發(fā)射計算機斷層成像裝置等；磁成像設備有共振斷層成像裝置；此外還有紅外線成像和正在興起的阻抗成像技術等。 醫(yī)用電子儀器是采集、分析和處理人體生理信號的主要設備，如心電、腦電、肌電圖儀和多參量的監(jiān)護儀等正在實現(xiàn)小型化和智能化。通過體液了解生物化學過程的生物化學檢驗儀器已逐步走向微量化和自動化。 治療儀器設備的發(fā)展比診斷設備要稍差一些。目前主要采用的是X射線、射線、放射性核素、超聲、微波和紅外線等儀器設備。大型的如：直線加速器、X射線深部治療機、體外碎石機、人工呼吸機等，小型的有激光腔內碎石機、激光針灸儀以及電刺激儀等。 手術室中的常規(guī)設備已從單純的手術器械發(fā)展到高頻電刀、激光刀、呼吸麻醉機、監(jiān)護儀、X射線電視，各種急救治療儀如除顫器等。 為了提高治療效果，在現(xiàn)代化的醫(yī)療技術中，許多治療系統(tǒng)內有診斷儀器或一臺治療設備同時含有診斷功能，如除顫器帶有診斷心臟功能和指導選定治療參數(shù)的心電監(jiān)護儀，體外碎石機中裝備了進行定位的X射線和超聲成像裝置，而植入人體中的人工心臟起搏器就具有感知心電的功能，從而能作出適應性的起搏治療。 介入放射學是放射學中發(fā)展速度最快的領域，也就是在進行介入治療時，采用了診斷用的x射線或超聲成像裝置以及內窺鏡等來進行診斷、引導和定位。它解決了很多診斷和治療上的難題，用損傷較小的方法治療疾病。 目前各國競相發(fā)展的高技術之一為醫(yī)學成像技術，其中以圖像處理，阻抗成像、磁共振成像、三維成像技術以及圖像存檔和通信系統(tǒng)為主。在成像技術中生物磁成像是最新發(fā)展的課題，它是通過測量人體磁場，來對人體組織的電流進行成像。 生物磁成像目前有二個方面。即心磁成像(可用以觀察心肌纖維的電活動，可以很好地反映出心律失常和心肌缺血)和腦磁成像(用以診斷癲癇活動、老年性癡呆和獲得性免疫缺陷綜合征的腦侵入，還可以對病損腦區(qū)進行定位和定量)。 另一個世界各國競相發(fā)展的高技術是信號處理與分析技術，其中包括心電信號、腦電、眼震、語言、心音呼吸等信號和圖形的處理與分析。 高技術領域中還有神經網絡的研究，目前世界各國的科學家為此掀起了一個研究熱潮。它被認為是有可能引起重大突破的新興邊緣學科，它研究人腦的思維機理，將其成果應用于研制智能計算機技術。運用智能原理去解決各類實際難題，是神經網絡研究的目的，在這一領域已取得可喜的成果。 工程分支生物醫(yī)用復合材料生物醫(yī)用復合材料(biomedical composite materials)是由兩種或兩種以上的不同材料復合而成的生物醫(yī)用材料，它主要用于人體組織的修復、替換和人工器官的制造1。長期臨床應用發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料和高分子材料不具生物活性，與組織不易牢固結合，在生理環(huán)境中或植入體內后受生理環(huán)境的影響，導致金屬離子或單體釋放，造成對機體的不良影響。而生物陶瓷材料雖然具有良好的化學穩(wěn)定性和相容性、高的強度和耐磨、耐蝕性，但材料的抗彎強度低、脆性大，在生理環(huán)境中的疲勞與破壞強度不高，在沒有補強措施的條件下，它只能應用于不承受負荷或僅承受純壓應力負荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿足臨床應用的要求。利用不同性質的材料復合而成的生物醫(yī)用復合材料，不僅兼具組分材料的性質，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結構和性質類似于人體組織的生物醫(yī)學材料開辟了一條廣闊的途徑，生物醫(yī)用復合材料必將成為生物醫(yī)用材料研究和發(fā)展中最為活躍的領域。 1.生物醫(yī)用復合材料組分材料的選擇要求 生物醫(yī)用復合材料根據應用需求進行設計，由基體材料與增強材料或功能材料組成，復合材料的性質將取決于組分材料的性質、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫(yī)用高分子、醫(yī)用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸鈣基或其他生物陶瓷、醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金等醫(yī)用金屬材料；增強體材料有碳纖維、不銹鋼和鈦基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強體。 植入體內的材料在人體復雜的生理環(huán)境中，長期受物理、化學、生物電等因素的影響，同時各組織以及器官間普遍存在著許多動態(tài)的相互作用，因此，生物醫(yī)用組分材料必須滿足下面幾項要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保證材料復合后不出現(xiàn)有損生物學性能的現(xiàn)象；(2)具有良好的生物穩(wěn)定性，材料的結構不因體液作用而有變化，同時材料組成不引起生物體的生物反應；(3)具有足夠的強度和韌性，能夠承受人體的機械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應，增強體材料還必須具有高的剛度、彈性模量和抗沖擊性能；(4)具有良好的滅菌性能，保證生物材料在臨床上的順利應用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困難而使其應用受到限制。 2.生物醫(yī)用復合材料的研究現(xiàn)狀與應用 陶瓷基生物醫(yī)用復合材料 陶瓷基復合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基體，通過不同方式引入顆粒、晶片、晶須或纖維等形狀的增強體材料而獲得的一類復合材料。目前生物陶瓷基復合材料雖沒有多少品種達到臨床應用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨結合性能研究以及材料增強研究等。 Al2O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就開始了臨床應用研究，但它與生物硬組織的結合為一種機械的鎖合。以高強度氧化物陶瓷為基材，摻入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷優(yōu)良力學性能的基礎上賦予其一定的生物活性和骨結合能力。將具有不同膨脹系數(shù)的生物玻璃用高溫熔燒或等離子噴涂的方法，在致密Al2O3陶瓷髖關節(jié)植入物表面進行涂層，試樣經高溫處理，大量的Al2O3進入玻璃層中，有效地增強了生物玻璃與Al2O3陶瓷的界面結合，復合材料在緩沖溶液中反應數(shù)十分鐘即可有羥基磷灰石的形成。為滿足外科手術對生物學性能和力學性能的要求，人們又開始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷與生物玻璃的復合研究，以使材料在氣孔率、比表面積、生物活性和機械強度等方面的綜合性能得以改善。近年來，對羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)復合材料的研究也日益增多。30% HA與70%TCP在1150燒結，其平均抗彎強度達155MPa，優(yōu)于純HA和TCP陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)HA-TCP致密復合材料的斷裂主要為穿晶斷裂，其沿晶斷裂的程度也大于純單相陶瓷材料。HA-TCP多孔復合材料植入動物體內，其性能起初類似于-TCP，而后具有HA的特性，通過調整HA與TCP的比例，達到滿足不同臨床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末與HA制備而成的復合材料，植入兔骨中8周后取出，骨質與復合材料之間的剪切破壞強度達27MPa，比純HA陶瓷有明顯的提高。 生物醫(yī)用陶瓷材料 生物醫(yī)用陶瓷材料由于其結構本身的特點，其力學可靠性(尤其在濕生理環(huán)境中)較差，生物陶瓷的活性研究及其與骨組織的結合性能研究，并未能解決材料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的增強研究成為另一個研究重點，其增強方式主要有顆粒增強、晶須或纖維增強以及相變增韌和層狀復合增強等3，57。當HA粉末中添加10%50%的ZrO2粉末時，材料經13501400熱壓燒結，其強度和韌性隨燒結溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復合材料，抗折強度達400MPa、斷裂韌性為2.83.0MPam1/2。ZrO2增韌-TCP復合材料，其彎曲強度和斷裂韌性也隨ZrO2含量的增加而得到增強。納米SiC增強HA復合材料比純HA陶瓷的抗彎強度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當。晶須和纖維為陶瓷基復合材料的一種有效增韌補強材料，目前用于補強醫(yī)用復合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纖維或晶須以及C纖維等，SiC晶須增強生物活性玻璃陶瓷材料，復合材料的抗彎強度可達460MPa、斷裂韌性達4.3MPam1/2，其韋布爾系數(shù)高。 數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理作為信號和信息處理的一個分支學科，已滲透到科學研究、技術開發(fā)、 工業(yè)生產、國防和國民經濟的各個領域，取得了豐碩的成果。對信號在時域及變換域的特性進行分析、處理，能使我們對信號的特性和本質有更清楚的認識和理解，得到我們需要的信號形式，提高信息的利用程度，進而在更廣和更深層次上獲取信息。數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)為：1.靈活性好：當處理方法和參數(shù)發(fā)生變化時，處理系統(tǒng)只需通過改變軟件設計以適應相應的變化。2.精度高：信號處理系統(tǒng)可以通過A/D變換的位數(shù)、處理器的字長和適當?shù)乃惴M足精度要求。3.可靠性好：處理系統(tǒng)受環(huán)境溫度、濕度，噪聲及電磁場的干擾所造成的影響較小。4.可大規(guī)模集成：隨著半導體集成電路技術的發(fā)展，數(shù)字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、產品一致性好等優(yōu)點。 然而，數(shù)字信號處理系統(tǒng)由于受到運算速度的限制，其實時性在相當長的時間內遠不如模擬信號處理系統(tǒng)，使得數(shù)字信號處理系統(tǒng)的應用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP(數(shù)字信號處理)芯片誕生以來，這種情況得到了極大的改善。DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合進行數(shù)字信號處理運算的微處理器。DSP芯片的出現(xiàn)和發(fā)展，促進數(shù)字信號處理技術的提高，許多新系統(tǒng)、新算法應運而生，其應用領域不斷拓展。目前，DSP芯片已廣泛應用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領域。 70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕生標志著DSP芯片的開端。隨著半導體集成電路的飛速發(fā)展，高速實時數(shù)字信號處理技術的要求和數(shù)字信號處理應用領域的不斷延伸，在80年代初至今的十幾年中，DSP芯片取得了劃時代的發(fā)展。從運算速度看，MAC（乘法并累加）時間已從80年代的400 ns降低到40 ns以下，數(shù)據處理能力提高了幾十倍。MIPS（每秒執(zhí)行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到現(xiàn)在的40 MIPS以上。DSP芯片內部關鍵部件乘法器從80年代初的占模片區(qū)的40%左右下降到小于5%，片內RAM增加了一個數(shù)量級以上。從制造工藝看，80年代初采用4m的NMOS工藝而現(xiàn)在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數(shù)目從80年代初最多64個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增多使得芯片應用的靈活性增加，使外部存儲器的擴展和各個處理器間的通信更為方便。和早期的DSP芯片相比，現(xiàn)在的DSP