生物医学工程的发展历史.ppt

生物医学工程学概论 刘常春刘常春刘常春刘常春 教授教授教授教授医疗保健体系的支柱医疗保健体系的支柱 生物医学工程生物医学工程(BME)我为什么要学BME？好的健康保障体系美国的MD制度交叉学科、创新思维迎接人类第三次生物革命Envisions Third Revolution in Life SciencesEnvisions Third Revolution in Life Sciences 美国麻省理工学院院长（美国麻省理工学院院长（MIT MIT President President SusanSusan HockfieldHockfield）谈生命科学和工程学的融合谈生命科学和工程学的融合生命科学与物理学和工程学融合所带来的第三次生物革命 沃森和克里克于1953年发现的脱氧核糖核酸（DNA）结构为生命科学的两次革命奠定了基石。这两次革命分别是分子生物学和基因组学前者揭示了编码在DNA内的信息是如何通过核糖核酸（RNA）解译给完成生命功能的蛋白质的，后者帮助人们揭示了基因组所携带的信息。沃森克里克一对最佳搭档，沃森熟悉噬菌体方面的实验，他的博士论文即与此有关，而克里克则精通数学、物理学这些被沃森视之为有点难度的学科，他俩的合作是生物学与物理学互补的最佳典范。在生命科学方面，人们看到的将是生命科学与物理学和工程学融合所带来的第三次生物革命。在生命科学和工程学间，这种合作表面看更像是工程师在为生物学家和医学家提供服务，然而正是它们的合作才孕育了生命科学再次革命的来临。SUsan表示，两门学科紧密的关系现在已经演变进化成了强有力的、富有成效的新生体，它们逐渐形成平等的关系，并出现两者走向融合的迹象。在未来，合作双方各自将从融合中获益匪浅生命科学与物理学和工程学融合生物医学工程领域远古时期人们对疾病的认识与诊治：神灵的惩罚（礼拜、祷告）巫医利用巫术进行诊治（精神、心理）治病方式：植物或动物治病术士或巫师们观察疾病的性质，凭经验形成了原始医学（草药医生、接骨者、手术者、接生婆等）原始医学:经验医学 (经验的、定性的)医疗保健体系的形成过程医疗保健体系的形成过程 病痛是随着原罪来到人间的。健康是上帝带给世俗最好的礼物，而上帝通过瘟疫将苦难施加于有罪之人，上帝的臣民需虔诚地接收所有的痛苦。在瘟疫或疾病发生的时候，人们往往聚集起来进行集体修炼，以鞭打自己或相互鞭打来赎罪。(古希腊)西方医学之父：希波克拉底(Hippocrates,B.C.460-377)给医学注入科学精神：疾病是体内失平衡引起的，病症是身体对抗疾病的反应，身体自身有自我康复的能力，医师的主要任务是帮助身体的自然力量恢复平衡。盖伦（Galenus,129-216 AD,Pergamon）根据希氏文集、柏拉图和亚里士多德等人的思想，创立了医学综合体系，罗马历史上最伟大医师实践研究与科学逻辑相结合，解剖与生理，细致观察与医疗实践 。撰写了“盖仑制剂”、论解剖规程等300部著作他写的人体解剖学是根据对动物的研究结果画出的人体器官，有蒙人的成分，他反对对人体解剖、傲慢、喜欢吹嘘，但由于他当时主宰了医学界，又得到罗马天主教的支持，他实际上也阻碍了医学的求真探索。达芬奇等画家把盖仑用文字描述的人体画成实物图像，达芬奇等画家把盖仑用文字描述的人体画成实物图像，勾画出了人体的心脏、肺、大脑和肌肉的结构勾画出了人体的心脏、肺、大脑和肌肉的结构运用伽利略的运动和力学定律，求解了血液循环问题，测出了流经动脉的血流量，用于诊断心脏功能。维萨里是近代人体解剖学创始人。约翰汤姆逊(Thomson，Joseph John。1856年（丙辰年）1940年（庚辰年）)，著名的英国物理学家，以其对电子和同位素的实验著称。他是第三任卡文迪许实险室主任。一幅他正在研究阴极射线管的肖像挂在实验室的麦克斯韦讲演厅里。看上去，他不善于具体操作，但对仪器工作原理的理解却是非常敏捷的。他发现了电子，并且获得了诺贝尔物理学奖。伦琴，1845年（乙巳年）3月27日1923年（癸亥年）2月10日），德国物理学家，1895年（乙未年）1月5日，他发现伦琴射线（X射线，俗称X光）。他因发现X光，于1901年获诺贝尔物理学奖，是世界上第一位获这特殊荣耀的人。这种光有非常强的穿透力，伦琴就根据圣经希伯来书，取希腊文“基督”的第一个字母X为名，称为X光，即基督之光。16世纪（文艺复兴时期）开始了对疾病的测量时代（从经验或定性到定量）加里略（1592）温度计、脉搏计 胡克（hooke，1666）显微镜（cell)列文虎克（leeuwenhock,1676)发现细菌荷兰生理学家艾因托分（Einthovn,1894)-心电描记仪德国物理学家伦琴（Roentgen,1895)-X线，开创了人类第一张医学影像。德国物理学家布希（Busch,1926)-电子显微镜。1927-Drinker发明了呼吸机1939-有人创建了心肺搭桥；1940-心导管血管造影；1947-生物无线电遥测技术（心、脑电）；CT:由英国物理学家hounsfield在1971年研制成功，先用于颅脑疾病诊断，后于1976年又扩大到全身检查。CT是用X线束对人体的某一部分按一定厚度的层面进行扫描，当X线射向人体组织时，部分射线被组织吸收，部分射线穿过人体被检测器接收，产生信号。经计算机处理产生解剖图像。PET：正电子发射计算机断层显像。将放射性核素注入人体该核素在人体内衰变放出正电子与人体内的负电子相遇湮灭转化为一对 光子，该光子被探测器探测到，经计算机处理后产生清晰的生理功能、代谢图像。PET-CT：是上述二者的有机一体化组合，产生二者结果的图像融合，图像可提供人体的解剖结构、生理生化功能信息。放射性诊断工欲善其事，必先利其器工欲善其事，必先利其器现代有创呼吸机现代无创呼吸机现代医疗保健体系与生物医学工程相辅相成发展与电子胃镜类似，是一种带有微型摄像头的器械，腹腔镜手术就是利用腹腔镜及其相关器械进行的手术：使用冷光源提供照明，将腹腔镜头（直径为310mm）插入腹腔内，运用数字摄像技术与使腹腔镜镜头拍摄到的图像通过光导纤维传导至后级信号处理系统，并且实时显示在专用监视器上。然后医生通过监视器屏幕上所显示患者器官不同角度的图像，对病人的病情进行分析判断，并且运用特殊的腹腔镜器械进行手术。三尖瓣如同一个“单向活门”，保证血液循环由右心房一定向右心室方向流动和通过一定流量。1963年，美国物理学家cormack图像重建数学理论应用于放射医学研究1948-超声诊断仪1958-植入式人体心脏起博器，医用超声诊断仪发明50年代生物医学材料和人工器官开始研制与使用。如硅橡胶、聚氨脂；人工肾、人工肺、人工心瓣膜、人工晶体等。1972年，英国豪斯菲尔德工程师在美国科学家马克研究的基础上发明了X射线计算机断层扫描仪（Computed Tomography，CT）。1979年，豪斯菲尔德和马克获得诺贝尔生理学和医学奖。1973年，美国科学家劳特布尔和英国科学家曼斯菲尔德研制出临床实用的磁共振成像仪（Magnetic Resonance Imaging,MRI）。同期上市的医疗器械（仪器）还有：心脏起搏器，高频电刀，激光刀，X线刀，超声刀，电子直线加速器等。20世纪末，由于生物技术和微电子技术的迅速发展，医用分析仪有了长足进步。生物医学工程作为一门新兴的边缘学科，数十年来得到了巨大的发展，当代几乎所有的高新技术都被他所吸收和利用，并形成了一个庞大的新兴产业系统单光子发射型计算机断层（Single photon Emission Computed Tomography,SPECT or ECT)正电子发射型断层（Positron Emission Tomography,PET)新近研制开发电阻抗断层（Electronical Impedance Tomography,EIT)一、现有医疗保障体系存在的问题一、现有医疗保障体系存在的问题1、医学离完全了解人体和解决健康问题还很远很多疾病得不到正确诊断（误诊；待查；亚健康）很多疾病得不到有效治疗（无治疗办法；不肯定是否有效）靠什么来解决这些问题？加大生命科学与工程学的融合，发展生物医学工程（健康系统工程）2、以还原论为基础的现代医学科学不能适应人体和疾病的复杂系统我们应该看到还原论思想带来的科学进步、带来的现代医学的发展和对生命体的由表及里的认知，但也必须清楚：在还原论的指导下，我们对生命和疾病的认识是局部的、分离的、缺乏系统的、综合的、整体的和本质的认识和理解。韩启德院士在香山科学会议上的报告二.在保障全民健康中过于偏重疾病 诊治和医疗技术的发展21世纪医学技术的发展从根本上改变了人类的生活，我们随时都在享用着这些发展。但是，随着医学技术的飞速发展，医学目的开始变得模糊，医疗技术发展在很大程度上失去控制。现实的后果 -全球性的医疗危机1.非传染性慢病（NCD)成为人类健康和生命的主要危险2.巨大财力、人力的投入，但总体上控制不住NCD的发展3.医疗费用消耗，远大于社会经济发展速率，是一种不可持续的态势 我要掌握哪些知识？我应该有何素质?生物医学工程学科的产生国际上起步于1958年法国巴黎，在19581961年间主要以医学电子、生物医学电子学。参加国家9个，与会学者50名。1965年在东京召开第6次国际会议，确立了医学电子和生物医学工程。(Biomedical Engineering)特点：医用电子学为主导的医学工程我国生物医学工程1978年我国将生物医学工程确定为独立的学科，制定了学科发展规划-生物医学仪器及工程90年代正式列为生物医学工程学科只有一级学科，无二级学科生物医学工程定义综综合合运运用用现现代代自自然然科科学学和和工工程程技技术术的的原原理理、方方法法，从从工工程程学学的的角角度度，在在多多种种层层次次上上研研究究生生物物体体，特特别别是是人人体体的的结结构构、功功能能和和其其它它生生命命现现象象，揭揭示示和和论论证证生生命命运运动动的的规规律律，深深化化对对生生命命系系统统的的认认识识，提提供供防防病病、治治病病、卫卫生生保保健健、康康复复、安安全全防防护护的的新新理理论论和和新新方方法法，设设计计和和研研制制用用于于防防病病、治治病病等等的的装装置置与与系系统统、新新材材料料、人人工工器器官的一门新兴交叉学科官的一门新兴交叉学科 2003年3月国家计委就组织实施生物医学工程高技术产业化专项发布公告，其产业范围为：“生物医学材料制品、(生物)人工器官、医学影像和诊断设备、医学电子仪器和监护装置、现代医学治疗设备、医学信息技术、康复工程技术和装置、组织工程等”生物学生物学医学医学工程学工程学生物医学工程学生物医学工程学现代医学仪器及技术按其用途可分为三类：现代医学仪器及技术按其用途可分为三类：现代医学仪器及技术按其用途可分为三类：现代医学仪器及技术按其用途可分为三类：1 1 1 1.医学诊断技术与设备 现代医学中影像观察、生理参数检测、临床检验等是基本的辅助诊断手段，相应的技术与设备：（1）影像检查设备:X射线（包括CR、DR）、X-CT、MRI、PET、SPECT以及超声诊断仪、内窥镜、红外热成像、电阻抗成像等（2）电生理检测、分析与监护设备：EEG（electroencephalograph）、ECG、EMG（Electromyography）、EOG（Electro-Oculogram）等电生理信号检测；心率、血压、脉搏、血氧、呼吸、体温等生命指征检测及分析处理设备，动态心电监护、多道生理监护、母婴监护、胎儿监护等监护设备。（3）生化分析检验设备与方法：生化分析（肝功类、肾功离子、其他）、血液分析(血细胞分析仪)、血气分析（ph,o2,co2)、尿液分析等常规检验设备，荧光、免疫、基因芯片等新型生物学检验方法2.现代物理治疗技术与设备物理治疗的原理：(a)病灶的损毁、杀灭、切除；(b)活体组织与器官的修补替代或功能辅助；(c)通过功能刺激促进新陈代谢，恢复机体和组织的正常功能。相应设备分6类：（1）放疗设备 （2）定向能量外科设备 （3）人工器官与功能辅助器械 （4）常规理疗设备 （5）康复医学设备 （6）医疗保健设备3.医学信息系统与设备建立医院信息系统（hospital information System，HIS)是构建医学信息系统的关键步骤，HIS包括3个子系统：2024/5/1 周三63（2)医院管理信息系统(MIS)包括门诊管理、病区管理、财务管理、药房管理、行政管理、人事管理系统等（3）医院办公自动化（OA）医院网站、电子邮件、公文传送处理及办公系统、电子图书馆等（1）临床信息系统（clinical information System，CIS)：图像存储与传输系统（PACS)，放射影像系统（radiation information system,RIS)、实验室信息系统（LIS)、系统集成及电子病历（electronic medicalrecord,EMR)、远程医疗、医学物联网等早期的生物医学工程也称为医学工程学将综合运用数理科学原理和现代工程技术研究和解决基础医学和临床医学中的方法问题的分支学科称为医学工程学(Medical Engineering)把综合运用数理科学原理和现代工程技术的理论和方法 研究和解决临床医学实际问题的分支学科称为临床工程学（或临床医学工程）(Clinical Engineering)生物医学工程是工程学与生物医学结合的产物理念上是综合与分析的结合结果上是工程技术或产品为生物医学服务工程学（综合）生物医学工程学科的内涵生物医学工程学科的内涵工程学（综合）信息反馈市场产品生物医学（分析）医学检验装置开发理论想法1、立于现实的“想法”计划始于想法，科学技术的发达，好的创意将有可能激发一次特定的技术革命，“没有做不到的，只有想不到的”。但想法必须立足于现实，不能盲目空想。2、理论指导与支持为“想法”寻求现有的理论支持以此立足现实的“想法”形成新的理论3、设计与开发根据理论原理，设计和开发设备或装置应用先进方法及软件满足生物医学的需要以上仅仅是工程学的工作4、信息反馈与调整对所建的设备或方法进行临床试用，为装置或方法提供非常有用的反馈信息。检验设计的合理性和可用性，为进一步开发和研究提供改进依据。5、临床医学检验广泛周密的临床检验，选择大样本，包括正常、异常样本的比较检验开发设备的可靠性、准确性和重复性，并反馈信息，完善设计减少设计、制造或方法学误差，降低使用风险本过程完成生物医学学科的理念表现6、产品推广通过上述5个过程，实现了“理念”的体现将具有真正意义的生物医学工程产品推向市场。“结果”是工程技术或产品为生物医学服务生物医学工程学科的特点生物医学工程学科的特点生物生物医学医学工程学工程学工程学工程学电子学电子学计算机科学计算机科学力学力学材料科学材料科学机械制造学机械制造学-生物医学生物医学生物学生物学神经科学神经科学内科学内科学外科学外科学矫形科学矫形科学-综合综合分析分析国际生物医学工程联合会的成立 国际生物医学工程联合会于1965年成立。至今已有近50年历史，2005年9月1日首次在中国上海召开了第27届IFMBE，说明中国的生物医学工程有了很大的发展，这近50年来国际上生物医学工程发生了巨大变化。中国生物医学工程发展简况 1978年，国家科学技术委员会决定成立了生物医学工程学科组。1979年，美国三院（科学院，工程院，医科院）院士冯元桢教授回国，邓小平接见了冯元桢教授，同时参加接见的有黄家驷、陈方允。随后在重庆召开了第一次学科组会议。1980年，成立了中国生物医学工程学会，总会下设了10余个专业委员会。现在中国有100余高校和研究所培养本科生，硕士生和博士生。理论研究水平和国际水平差距不太大，但应用研发和理论与临床实践融合方面差距但应用研发和理论与临床实践融合方面差距较大。较大。具有国际水平的产品有体外反博器，冲击波碎石机，高强度超声聚焦刀，心血管系统状态监测仪。现状与趋势现状与趋势 生物医学工程学的研究与应用已经在医学各领域发挥了巨大作用，今后需继续加强现有主要研究领域，用于无创无损检测、早期预防和干预生命状态调控、微创、无创手术、老年医学和家庭健康监护等方面的研究将得到长足发展。在人类慢性疾病肆虐的当代，人类健康科学、健康系统工程学亦应成为BME的发展重点：1.用系统科学思想融合生命科学技术，发展健康科学、健康系统工程学；2.用健康物联网方式，在全社会范围内推进健康生活方式、推进人类对生命规律的深入认知和呵护。生物医学工程专业的人才培养目标生物医学工程专业的人才培养目标解题人：解题人：临床工程师和生物医学设计工程师技术企业家技术企业家 三类人才三类人才应具备的素质应具备的素质：能解决生命科学家提出的医学工程问题应具备的素质应具备的素质，自己根据人类健康保障的需求，寻找和确定先进技术发挥作用的突破口，自己提出研发理念，然后用软硬件实现成经得起临床检验的产品，并说服医学界接纳该产品需要掌握大量的工程学和医学方面的知识，具有丰富的医疗仪器研发生产经验工程科学家工程科学家应具备的素质：应具备的素质：能用工程学原理和技术来研究生物学过程、需要良好的数理基础、生物医学基础和能开发尖端测量技术的能力总而言之：生物医学工程专业人才，需要具备足够的生物医学知识，和扎实的工程基础技术生物医学工程学具有的巨大技术经济效益和人道主义的社会效益专业学（协）会专业学（协）会美国医学与生物工程学会（美国医学与生物工程学会（American Institute for American Institute for Medical and Biological Engineering,AIMBEMedical and Biological Engineering,AIMBE）IEEEIEEE生物医学工程学会（生物医学工程学会（IEEE Engineering in IEEE Engineering in Medicine and Biology Society,EMBSMedicine and Biology Society,EMBS）美国生物医学工程协会（美国生物医学工程协会（Biomedical Engineering Biomedical Engineering Society,BMESSociety,BMES）中国生物医学工程学会（中国生物医学工程学会（Chinese Society of Chinese Society of Biomedical EngineeringBiomedical Engineering）主要企业美国强生：创建于1886年，目前在全球57个国家有230多家分公司，全球最具综合性、业务范围分布最广的卫生保健品制造商和相关服务提供商。美国GE：隶属美国通用电气，是医学影像、信息技术、医疗诊断、监护、药物研发和生物制药等领域的全球领先者。美国美敦力：成立于1949年，是全球领先的医疗科技公司，现在120多个国家开展业务，致力于为慢性病患者提供终生的治疗方案。深圳迈瑞：中国大型医疗器械企业之一，主营生命信息与支持、临床检验、数字超声、放射影像等。山东威高集团主营输注耗材、输血器材、心脏支架及心内耗材、留置针及各种异型针、血液净化设备及耗材、骨科材料、手术设备及附件、创伤护理、微创器械及设备、ICU产品及附件、大容量注射液、生物诊断试剂、手术缝合线、生物种植体。山东新华医疗 新中国最年长的医疗器械企业，主营消毒灭菌设备及耗材、放射治疗设备、X射线诊断设备。1 1 个博士后流动站个博士后流动站 （20122012年）年）1 1 个一级学科博士学位授权点（个一级学科博士学位授权点（20032003年）年）1 1 个一级学科硕士学位授权点（个一级学科硕士学位授权点（19981998年）年）1 1个一级学科专业硕士学位、工程硕士授权点（个一级学科专业硕士学位、工程硕士授权点（20032003年）年）山东大学生物医学工程学科与专业1999年在“医用电子”专业基础上，整合山东大学自动化研究所生物医学工程研究力量，成立生物医学工程系，2000年开始招生本科生，行政隶属控制科学与工程学院。学学科科发发展展至至今今已已有有2020多多年年历历史史，是是全全国国较较早早建建立立的的生生物物医医学学工工程程学学科科点点之之一一。是是具具有有本本科科专专业业、硕硕士士点点、博博士士点点和和博博士士后后流流动动站站的的人人才才培培养养的的重重要要基基地地，学学科科研研究究人人员员分分布布在在控控制制科科学学与与工工程程学学院院、医医学学院院和和齐齐鲁鲁医医院院、信信息息科科学学与与技技术术学学院院、计计算算机机科科学学与与技技术术学学院院、化化学学院院、材材料料学学院院和和生生命命学学院院，是是我我国国生生物物医医学工程学科最重要的研究开发基地。学工程学科最重要的研究开发基地。主要研究方向生物医学信号检测与仪器心血管系统状态检测关键技术研究动脉硬化检测技术与仪器研究冠心病早期无创无损检测关键技术和部件研发体外反博器治疗技术和仪器研究人体成分检测技术与仪器研究主要研究方向生物医学微系统微流控关键技术研究细胞微流控芯片研究（细胞融合芯片、细胞传感芯片等）高通量生物医学检测技术研究（微型SPR检测技术、SPR显微技术等）微型化植入式神经假体及其关键技术研究（电子耳蜗、人工视网膜等）主要研究方向生物医学图像处理图像处理关键技术研究（图像融合，图像分割、图像边沿提取、图像压缩等）脑功能成像与图像处理技术（功能磁共振图像分析）超声成像及其对心血管功能的评价（基于图像处理的动脉粥样硬化斑块稳定性识别算法研究）课程考试要求课程考试要求1.闭卷考试闭卷考试 50%2.综述文章综述文章 50%作业：教材第1章习题：5、7、9、11