生物醫學工程:多種工程學科向生物醫學生物醫學滲透的産物-中文百科頻道

總體概述

生物醫學工程興起于20世紀50年代，它與醫學工程和生物技術有着十分密切的關系，而且發展非常迅速，成為世界各國競争的主要領域之一。

生物醫學工程(主要攻讀物理和數學)是一門新興的邊緣學科，它綜合工程學、生物學和醫學的理論和方法，在各層次上研究人體系統的狀态變化，并運用工程技術手段去控制這類變化，其目的是解決醫學中的有關問題，保障人類健康，為疾病的預防、診斷、治療和康複服務。它有一個分支是生物信息方面主要攻讀生物和化學。

生物醫學工程興起于20世紀50年代，它與醫學工程和生物技術有着十分密切的關系，而且發展非常迅速，成為世界各國競争的主要領域之一。生物醫學工程學與其他學科一樣，其發展也是由科技、社會、經濟諸因素所決定的。這個名詞最早出現在美國。1958年在美國成立了國際醫學電子學聯合會，1965年該組織改稱國際醫學和生物工程聯合會，後來成為國際生物醫學工程學會。

生物醫學工程學除了具有很好的社會效益外，還有很好的經濟效益，前景非常廣闊，是目前各國争相發展的高技術之一。以1984年為例，美國生物醫學工程和系統的市場規模約為110億美元。美國科學院估計，到2000年其産值預計可達400～1000億美元。

生物醫學工程學是在電子學、微電子學、現代計算機技術，化學、高分子化學、力學、近代物理學、光學、射線技術、精密機械和近代高技術發展的基礎上，在與醫學結合的條件下發展起來的。它的發展過程與世界高技術的發展密切相關，同時它采用了幾乎所有的高技術成果，如航天技術、微電子技術等。

具體内容

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，确定治療方法有着重大意義，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)、循環系統動力學和呼吸系統動力學等。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内各種調節、控制現象的機理，進而對生物體的生理和病理現象進行控制，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态過程。

生物效應是研究醫學診斷和治療中，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内的傳播和分布，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是植入體内的，所以要求具有耐腐蝕性、化學穩定性、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、非金屬及複合材料、高分子材料等；目前輕合金材料的應用較為廣泛。

醫學影像是臨床診斷疾病的主要手段之一，也是世界上開發科研的重點課題。醫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γ照相機、單光子發射計算機斷層成像裝置和正電子發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。

醫用電子儀器是采集、分析和處理人體生理信号的主要設備，如心電、腦電、肌電圖儀和多參量的監護儀等正在實現小型化和智能化。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。

治療儀器設備的發展比診斷設備要稍差一些。目前主要采用的是X射線、γ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，小型的有激光腔内碎石機、激光針灸儀以及電刺激儀等。

手術室中的常規設備已從單純的手術器械發展到高頻電刀、激光刀、呼吸麻醉機、監護儀、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，在現代化的醫療技術中，許多治療系統内有診斷儀器或一台治療設備同時含有診斷功能，如除顫器帶有診斷心髒功能和指導選定治療參數的心電監護儀，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髒起搏器就具有感知心電的功能，從而能作出适應性的起搏治療。

介入放射學是放射學中發展速度最快的領域，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内窺鏡等來進行診斷、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。

目前各國競相發展的高技術之一為醫學成像技術，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為主。在成像技術中生物磁成像是最新發展的課題，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(用以診斷癫痫活動、老年性癡呆和獲得性免疫缺陷綜合征的腦侵入，還可以對病損腦區進行定位和定量)。

另一個世界各國競相發展的高技術是信号處理與分析技術，其中包括心電信号、腦電、眼震、語言、心音呼吸等信号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，将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

生物醫用複合材料

生物醫用複合材是由兩種或兩種以上的不同材料複合而成的生物醫用材料，它主要用于人體組織的修複、替換和人工器官的制造。長期臨床應用發現，傳統醫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，在生理環境中或植入體内後受生理環境的影響，導緻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，在生理環境中的疲勞與破壞強度不高，在沒有補強措施的條件下，它隻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複合而成的生物醫用複合材料，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學材料開辟了一條廣闊的途徑，生物醫用複合材料必将成為生物醫用材料研究和發展中最為活躍的領域。

生物醫用複合材料組分材料的選擇要求

生物醫用複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，複合材料的性質将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用高分子、醫用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸鈣基或其他生物陶瓷、醫用不鏽鋼、钴基合金等醫用金屬材料；增強體材料有碳纖維、不鏽鋼和钛基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強體，另外還有氧化锆、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強體。

植入體内的材料在人體複雜的生理環境中，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着許多動态的相互作用，因此，生物醫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，保證材料複合後不出現有損生物學性能的現象；(2)具有良好的生物穩定性，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、耐磨性能相适應，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。

典型院系

東南大學生物科學與醫學工程學院

東南大學生物科學與醫學工程學院（簡稱：東大生醫學院）的前身是生物科學與醫學工程系，該系由韋钰院士創建于1984年10月，系國内首創。2006年8月，為适應學科發展需要，經學校研究決定，成立生物科學與醫學工程學院。學院的科學研究及學生培養方向瞄準21世紀主導學科——生命科學與電子信息科學，強調這兩個學科的交叉與滲透，綜合應用電子信息科學理論與方法解決生物醫學領域中的科學問題，發展現代生命科學技術。

主要研究方向：1、測序與生物信息分析；2、生物與醫學納米技術；3、生物醫學材料與器件；4、醫學影像與醫學電子學；5、兒童發展與學習科學；6、醫學信息學及工程。學院在生命科學領域中的研究與應用于國内遙遙領先。目前擁有一個國家重點學科——生物醫學工程，該學科在2006年的全國一級學科評估結果排名全國第一；2007年在國家重點學科考核評估中排名第一；2012年，在全國一級學科評估中，繼續排名全國第一；連續多年蟬聯首位。

總共共擁有一個一級學科博士點、七個二級學科博士點，一個生物醫學工程博士後流動站，該站于2005年被評為國家優秀博士後流動站；擁有生物電子學國家重點實驗室、江蘇省生物材料與器件重點實驗室，同時還擁有蘇州市生物醫用材料與技術重點實驗室、蘇州市環境與生物安全重點實驗室、無錫市生物芯片重點實驗室等科研基地。擁有兩個教學實驗中心：醫用電子技術實驗中心（校級創新實驗平台）、生物技術與材料實驗中心。

生物科學與醫學工程學院已建成一支多學科交叉、以優秀中青年博士為主、擁有多名國家級專家的高水平學術梯隊，現有專職教師60餘人，其中院士1人，長江學者特聘教授3人，國家傑出青年基金獲得者3人，教授20人，副教授20人，博士生導師18人，碩士生導師25人，85%以上的教師具有博士學位。2002年該梯隊被評為江蘇省“青藍工程”省級優秀學科梯隊。2002年，以陸祖宏教授為學術帶頭人的科學研究團隊，得到國家自然科學基金創新研究群體的資助；2005年，該團隊通過國家組織的評估，又得到了三年的滾動資助。自2005年至2010年，共承擔科研項目212項，其中縱向課題175項，包括國家重點基礎研究“973”項目（主持2項，子課題9項），國家高技術863課題22項（經費2968萬元），傑出青年基金2項，國家自然科學基金創新研究群體1項（經費720萬元），國家自然科學基金重點7項，自然科學基金面上項目60餘項，部省級項目50餘項，科研經費到款總額為1.3億元。

院長：顧甯

北京大學工學院生物醫學工程系

北京大學工學院生物醫學工程系成立于2005年。作為新的工學院的組成部分，生醫系從建系之初就緻力于在工程科學的範疇内進行生命科學和醫學的前沿研究，迅速地建立了研究生教育教學體系，并在生物醫學工程研究方面取得了重要的進展。

目前，已開展的重點研究方向包括：(1)面向重大疾病的納米醫學;(2)生物材料與再生醫學;(3)生物力學和生物信息學;(4)分子醫學影像學;(5)微創醫學;(6)神經醫學工程;(7)移動/遠程醫學與健康信息學。建系以來，生醫系已具有雄厚的科研實力，先後承擔了國家重點基礎研究發展計劃(973)、國家高技術研究發展計劃(863)、國家自然科學基金、國際合作項目等一大批科研項目，科研總量逐年增長。n

目前，生醫系已擁有一支朝氣蓬勃的中青年科研隊伍，其中教授4人，副教授4人，特聘研究員6人，全部具有海外留學經曆。他們活躍在生物醫學工程科研與教學的第一線，緊密跟蹤國際學術前沿，開展生物醫學工程高端領域的科研工作。n

建系以來，生物醫學工程系與美國佐治亞理工大學、約翰霍普金斯大學、麻省理工學院、哈佛大學等國際著名院校建立了良好的教學和科研合作關系。其中，生醫系與美國佐治亞理工大學、埃默裡大學進行廣泛的合作，在Coulter種子基金的支持下進行了生物醫學工程領域内不同研究方向的合作，并建立了全國首個由國務院學位辦正式審批通過的聯合博士學位項目，目前已招收兩屆來自中美兩地共30名博士生。n

自2010年起，生物醫學工程系正式招收本科生，并啟動了本科生教學培養的一系列工作。本專業注重“強化基礎、重視素質、追求創新”，緻力于培養具有紮實的理論基礎和專業知識、良好的綜合能力和創新意識的生物醫學工程領域的高素質、引領性的複合型人才。n

生醫系還針對不同學科背景研究生深入開展碩士生、博士生培養，主要開設課程包括生物醫學工程概論、生物醫學工程的數學基礎、生物醫學工程的生物學基礎、生物傳感器和生物醫學儀器、生物醫學系統的建模和仿真、生物醫學材料、納米/微米和單分子技術、生物力學（固體、流體和細胞力學）、激光醫學、磁共振原理和序列設計基礎等。

工程專業

簡介

生物醫學工程學是一門理工醫相結合的交叉學科，它是應用工程技術的理論和方法，研究解決醫學防病治病，保障人民健康的一門新興的邊緣科學。生物醫學工程學研究的學科方向主要有：計算機網絡技術和各類大型醫療設備；計算機網絡技術包括：數字化醫學中心，醫學圖象處理及多媒體在醫學中的應用，生物信息的控制及神經網絡生物醫學信号檢測與處理。随着科學技術的發展，各類大型醫療設備在醫院中的應用越來越廣泛，大型醫療設備的操作、維修及管理人員是各大醫院及公司急需的人才。

教學實踐

包括金工實習（3～4周）、電子設計（2～3周）、生産實習（3～4周）、畢業設計（12～16周）。

培養目标

本專業培養具備生命科學、電子技術、計算機技術及信息科學有關的基礎理論知識以及醫學與工程技術相結合的科學研究能力，能在生物醫學工程領域、醫學儀器以及其它電子技術、計算機技術、信息産業等部門從事研究、開發、教學及管理的高級工程技術人才。

培養要求

本專業學生主要學習生命科學、電子技術、計算機技術和信息科學的基本理論和基本知識，受到電子技術、信号檢測與處理、計算機技術在醫學中的應用的基本訓練，具有生物醫學工程領域中的研究和開發的基本能力。

主修課程

生物醫學工程專業的主要課程有《高等數學》、《普通物理學》、《模拟電子技術》、《脈沖數字電子技術》、《醫用傳感器》、《數字信号處理》、《微機原理及應用》、《醫學圖像處理》、《醫用儀器原理》、《醫學影像儀器》、《檢驗分析儀器》、《臨床工程學》、《正常人體形态學》、《生物化學》、《生理學》、《診斷學》、《内科學》、《外科學》等。

就業方向

1．掌握電子技術的基本原理及設計方法；

2．掌握信号檢測和信号處理及分析的基本理論；

3．具有生物醫學的基礎知識；

4．具有微處理器和計算機應用能力；

5．具有生物醫學工程研究與開發的初步能力；

6．具有一定人文社會科學基礎知識；

7．了解生物醫學工程的發展動态；

8．掌握文獻檢索、資料查詢的基該方法。

生物醫用複合材料的研究現狀與應用

陶瓷基生物醫用複合材料

陶瓷基複合材料是以陶瓷、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複合材料。目前生物陶瓷基複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。将具有不同膨脹系數的生物玻璃用高溫熔燒或等離子噴塗的方法，在緻密Al2O3陶瓷髋關節植入物表面進行塗層，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，複合材料在緩

沖溶液中反應數十分鐘即可有羟基磷灰石的形成。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複合研究，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，對羟基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)複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，優于純HA和TCP陶瓷，研究發現HA-TCP緻密複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多孔複合材料植入動物體内，其性能起初類似于β-TCP，而後具有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制備而成的複合材料，植入兔骨中8周後取出，骨質與複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。

生物醫用陶瓷材料

生物醫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複合增強等［3，5～7］。當HA粉末中添加10%～50%的ZrO2粉末時，材料經1350～1400℃熱壓燒結，其強度和韌性随燒結溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的複合材料，抗折強度達400MPa、斷裂韌性為2.8～3.0MPam1/2。ZrO2增韌β-TCP複合材料，其彎曲強度和斷裂韌性也随ZrO2含量的增加而得到增強。

納米SiC增強HA複合材料比純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複合材料的一種有效增韌補強材料，目前用于補強醫用複合材料的主要有：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，複合材料的抗彎強度可達460MPa、斷裂韌性達4.3MPam1/2，其韋布爾系數高。

數字信号處理

數字信号處理作為信号和信息處理的一個分支學科，已滲透到科學研究、技術開發、工業生産、國防和國民經濟的各個領域，取得了豐碩的成果。對信号在時域及變換域的特性進行分析、處理，能使我們對信号的特性和本質有更清楚的認識和理解，得到我們需要的信号形式，提高信息的利用程度，進而在更廣和更深層次上獲取信息。

數字信号處理系統的優越性表現為：1.靈活性好：當處理方法和參數發生變化時，處理系統隻需通過改變軟件設計以适應相應的變化。2.精度高：信号處理系統可以通過A/D變換的位數、處理器的字長和适當的算法滿足精度要求。3.可靠性好：處理系統受環境溫度、濕度，噪聲及電磁場的幹擾所造成的影響較小。4.可大規模集成：随着半導體集成電路技術的發展，數字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、産品一緻性好等優點。

然而，數字信号處理系統由于受到運算速度的限制，其實時性在相當長的時間内遠不如模拟信号處理系統，使得數字信号處理系統的應用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP(數字信号處理)芯片誕生以來，這種情況得到了極大的改善。DSP芯片，也稱數字信号處理器，是一種特别适合進行數字信号處理運算的微處理器。DSP芯片的出現和發展，促進數字信号處理技術的提高，許多新系統、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芯片的誕生标志着DSP芯片的開端。随着半導體集成電路的飛速發展，高速實時數字信号處理技術的要求和數字信号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展。從運算速度看，MAC（乘法并累加）時間已從80年代的400ns降低到40ns以下，數據處理能力

提高了幾十倍。MIPS（每秒執行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到現在的40MIPS以上。DSP芯片内部關鍵部件乘法器從80年代初的占模片區的40%左右下降到小于5%，片内RAM增加了一個數量級以上。從制造工藝看，80年代初采用4μm的NMOS工藝而現在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數目從80年代初最多64個增加到現在的200個以上，引腳數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，現在的DSP芯片有浮點和定點兩種數據格式，浮點DSP芯片能進行浮點運算，使運算精度極大提高。DSP芯片的成本、體積、工作電壓、重量和功耗較早期的DSP芯片有了很大程度的下降。在DSP開發系統方面，軟件和硬件開發工具不斷完善。目前某些芯片具有相應的集成開發環境，它支持斷點的設置和程序存儲器、數據存儲器和DMA的訪問及程序的單部運行和跟蹤等，并可以采用高級語言編程，有些廠家和一些軟件開發商為DSP應用軟件的開發準備了通用的函數庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應用軟件開發更為方便，開發時間大大縮短，因而提高了産品開發的效率。