生物医学工程学的基础理论.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,生物医学工程学的基础理论,生物医学工程学的基础理论,第1页,内容目录,生物医学工程学内涵,生物医学工程学基础理论,生物医学工程学应用技术,生物医学工程学新理论和新技术,生物医学工程学的基础理论,第2页,生物医学工程学的基础理论,第3页,生物医学工程学理论基础,生物电磁学,生物医学工程学的基础理论,第4页,生物电磁学,生物电磁学早期研究,生物电磁学定义及其研究范围,生物电磁现象,电磁波生物学效应及其在医学上应用,生物电磁剂量学和电磁辐射安全标准,生物电磁场热点问题,生命火花,生物医学工程学的基础理论,第5页,生物电磁学早期研究,Galvani,Volt,Einthoven,Berger,McFee,生物医学工程学的基础理论,第6页,生物电磁学定义,生物电磁学是硕士物体电现象和磁现象以及生物电磁应用一门学科。,生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之上侧重于从宏观角度硕士物电现象和生物磁现象。,当代生物电磁学在很多方面都已深入到细胞级甚至是分子级研究水平。,生物医学工程学的基础理论,第7页,生物电磁学研究范围,外界电磁波（场）与生物体相互作用,主要包含生物组织介电特征、各层次生物学效应及其作用机理、生物电磁剂量允许暴露限值、生物医学中应用及用于生物和医疗辐射系统等。,Bioelectromagnetics,生物体本身产生电磁现象,主要包含电磁现象产生机理，电磁信号测量、处理和应用等。,Bioelectromagnetism,生物医学工程学的基础理论,第8页,生物电磁现象,生物电现象,心电,脑电,肌电,其它生物电,生物磁场现象,生物医学工程学的基础理论,第9页,心电,心脏传导系统,是指由一系列特殊心脏细胞联结组成传导系统。,心脏传导系统细胞组织现有自动产生,兴奋,功效，又有较普通心肌细胞更加快,传导,功效，使兴奋有节律地按一定次序传输，使心脏保持正常有节律收缩和舒张，以维持血液循环。,生物医学工程学的基础理论,第10页,生物医学工程学的基础理论,第11页,心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在兴奋过程中产生微弱电流，该电流经人体组织向各个别传导。,因为身体各个别组织不一样，各个别与心脏间距离不一样，所以在人体体表各部位，表现出,不一样电位改变,，这种人体心脏内电活动所产生表面电位与时间关系称为,心电图,，也称,体表心电图,。,生物医学工程学的基础理论,第12页,心电活动信息能够经过固定在皮肤上电极取得。,依据电极放置位置不一样可组成各种导联。在实用上为了统一标准方便进行对比分析，国际上均采取标准,12,导联。,生物医学工程学的基础理论,第13页,生物医学工程学的基础理论,第14页,生物医学工程学的基础理论,第15页,心电基础理论研究,心导管术,希氏束电图,心室晚电位,体表等电位标测,Holter,动态心电图,高频心电图,生物医学工程学的基础理论,第16页,心电正问题,心电正问题是在已知心脏状态下，依据心肌电生理特征参数，经过建立心脏模型和人体躯干模型用仿真方法来研究心肌兴奋是怎样传输及如和形成体表电位。,生物医学工程学的基础理论,第17页,正常心脏状态下，窦房结周期性产生兴奋按心房肌、房室结、,His,束、左右束支、浦肯野氏纤维网和心室肌这么一个次序传输。,心电仿真首先按某一仿真算法模拟这个兴奋传输过程，然后由心动周期中某一时刻各兴奋心肌所产生动作电位求出该时刻心电源大小，再用边界元法等数值算法求出心电源在体表产生电位。,生物医学工程学的基础理论,第18页,有了心电仿真模型，经过设置其模型参数能够仿真各种心脏病。,比如，经过去除心脏模型中某一区域心肌单元能够仿真心肌梗塞；经过减慢束支兴奋传导速度能够仿真束支传导阻滞；经过设置预激点能够仿真预激综合征；经过增加心室心肌单元能够仿真心室肥大等等。,只要你有充分想象力，你能够利专心电仿真模型来研究任意心脏生理病理状态下电兴奋传输过程及其在体表面产生电位分布。,生物医学工程学的基础理论,第19页,应专心电仿真模型还能够,研究许多心脏病形成机理,。比如,引发心律失常折返形成机理是什么,?,在什么样情况下才能建立起折返,?,心肌兴奋传输速度对心律失常有何影响？,心肌缺血到达何种程度才能在心电图上有所反应？,这些对心脏病诊疗尤其是,定量诊疗,方面有主要意义。,生物医学工程学的基础理论,第20页,心电逆问题,心电逆问题是指依据体表电位分布、人体几何形状以及躯干容积导体电特征，经过数学物理方法来求得心脏电活动定量解。,生物医学工程学的基础理论,第21页,心电正问题,：经过设置心电仿真模型模型参数，能够研究不一样心脏生理病理状态下体表电位分布情况。,心电逆问题,：假如能从体表电位逆推出心电仿真模型模型参数，那么由这些模型参数就可确定心脏所处状态。,利专心电逆问题解反应出病变心肌位置、大小及病变程度等定量信息,。,生物医学工程学的基础理论,第22页,脑电,人类大脑神经细胞数量达,150,亿个。神经元像人体中其它细胞一样，含有生物电活动。,大脑皮层中单个神经元膜电位通常在头皮上检测不到，在头皮上检测到电位改变,脑电波,是由大脑皮层中无数个神经元同时化电活动所形成。,生物医学工程学的基础理论,第23页,脑电图医学应用,脑功效临床诊疗和神经生理研究,诸如诊疗颅内占位性病变、癫痫、针麻观察及航空神经生理研究等。,脑电图统计方法,电极在头皮上安放方法通常采取,国际标准,10/20,电极位置系统,。,和心电图相同，脑电图电极连接可采取,单极,或,双极导联,方式。,生物医学工程学的基础理论,第24页,生物医学工程学的基础理论,第25页,生物医学工程学的基础理论,第26页,自发脑电图,（,EEG,）,产生基础原理,脑神经细胞生物电活动。,同时化作用通常被认为受脑干（皮下层中枢）控制。所以，大脑皮层含有连续、广泛而有节律电位改变，这种不受外界刺激脑电改变称为,自发脑电位,。,诱发脑电位,（,EP,）,脑自发电活动（脑电）能够为直接或外界确实定性刺激（电、光、声等刺激）所影响，产生另一个局部化电位改变称为,诱发脑电位,。,生物医学工程学的基础理论,第27页,生物医学工程学的基础理论,第28页,脑电图特点,脑电图是一个随机性很强生理信号，其规律性不如心电图明确，通常将脑电图,振幅,和,频率成份,作为脑电诊疗时主要依据，而频率成份显得尤为主要，因为大脑活动程度与脑电图平均频率之间有亲密关系。,在国际上，普通将正常脑电活动相关脑电波频率范围划分成五种类型，频率由高到低依次为,波、,波、,波、,波、,波。,生物医学工程学的基础理论,第29页,波通常在觉醒、平静和闭眼时出现在枕叶。,波含有较高频率，常见于担心精神活动期间。,波主要见于儿童和成人浅睡时，出现在顶部和颞部。,波出现于成人深睡时，以及早产婴儿和幼儿。成人极度疲劳和麻醉时也出现,波。,波是由注意或感觉刺激引发一个低幅高频波。,生物医学工程学的基础理论,第30页,自发脑电活动通常以一个占优势频率为其标志。,自发脑电信号较弱，在正常情况下，从波峰到波谷（幅值）为,10-100V,，其频率范围为,150Hz波形因不一样脑部位置而异，并与觉醒和睡眠水平相关，且存在很大个体差异。也就是说脑电波在不一样正常人中也存在着不一样表现。,生物医学工程学的基础理论,第31页,脑电图波能够因大脑皮层和脑干病理所改变。,比如皮层中电活动消失或阻尼可能是因为肿瘤压迫在神经元上并使其损伤，也可能是因为循环障碍引发缺氧，出血或栓塞。,脑电图波形也受影响意识水平脑干中病理过程所影响。,脑电图是诊疗一些精神疾患主要依据。,比如在临床上可检验疑似癫痫和脑肿瘤病人，还能够用于测定意识水平和确定大脑死亡。,生物医学工程学的基础理论,第32页,生物医学工程学的基础理论,第33页,采取诱发电位研究,感觉系统投射部位,及,大脑皮层功效,有主要作用。诱发电位可在脑皮层和中枢神经系统其它部位（如丘脑、中脑等）引出。可从一个角度说明中枢神经系统各个别之间、大脑皮层各个别以及皮层下不一样细胞成份相互作用机制。,人精神状态对脑电活动有极大影响，所以，脑电图对,高级神经活动,尤其是,心理活动,含有主要意义，这对于模拟大脑功效及认知研究、人工智能研究等都含有非常主要意义。,生物医学工程学的基础理论,第34页,肌电,人体骨骼肌数以百计。每块肌肉都有许多肌细胞（肌纤维）借结缔组织连接在一起，两端和肌腱相连，加上供给它们神经、血管和淋巴管共同形成。每块肌肉附着在骨骼及其它结缔组织上，在神经系统管理下，成为一个含有执行一定运动机能机械效应系统。,生物医学工程学的基础理论,第35页,兴奋和收缩是骨骼肌最基础机能，也是肌电图形成基础。,肌电图,是不一样机能状态下骨骼肌电位改变统计，这种电位改变与肌肉结构、收缩时化学改变相关。,在肌细胞中存在,4,种,不一样生物电位：静息电位（,RP,）、动作电位（,AP,）、终板电位（,EPP,）和损伤电位（,IP,）。,肌电图能直接反应,肌肉活动机能状态,，有利于了解各个别肌肉在完成某一动作中所表现作用。,生物医学工程学的基础理论,第36页,生物医学工程学的基础理论,第37页,肌电图机临床应用,在临床上，肌电图机可用来对各种肌肉,/,神经性疾患进行诊疗。,比如可用肌电图来判别神经性肌萎缩以及肌源性肌萎缩；判别神经损伤程度和部位；可作神经再生和矫形手术前后肌肉功效分析；可用来作针灸、针麻、咀嚼肌功效、膀胱括约肌功效、子宫功效等研究伎俩。,在运动医学方面，肌电图机也可用来分析各种运动时肌肉作用、力量和疲劳肌电图指标等。,生物医学工程学的基础理论,第38页,其它生物电,生物体除心脏及脑活动能产生电现象外，许多其它器官、组织都存在不一样程度电现象。,视网膜电图、眼电图及眼震电图,胃电图（,EGG,）,生物医学工程学的基础理论,第39页,电磁波生物学效应,热效应,非热效应,生物医学工程学的基础理论,第40页,电磁波在医学上应用,除利用电磁波生物效应用于疾病治疗或辅助治疗外，利用外加电磁波进行生物医学,检测,临床应用和研究也深入深入。,生物医学工程学的基础理论,第41页,电磁波生物医学检测就是利用外加电磁波作用于生物组织电磁能，经组织传输、吸收和散射，被反射或透射信号将携带生物体物理或几何信息，经过检测和分析这些信号可取得相关生物学信息，利用不一样参数可进行生物成份、结构和功效检测分析。,如核磁共振技术和核磁共振成像技术、微波介电特征成像、微波热弹性成像、微波多普勒检测、生物介电谱技术等，都有不一样程度实际应用。,生物医学工程学的基础理论,第42页,微波,生物效应及其在医学上应用,微波,医学应用包含有微波诊疗、微波治疗、微波消毒、杀菌等。当前，微波在透热疗法及肿瘤治疗等方面也发挥了主要作用。,微波辐射对人体和动物作用是热效应和非热效应共同作用结果。当辐射功率超出一定阈值后，以热效应为主，其生物学效应与其它热引发效应相同。,生物医学工程学的基础理论,第43页,微波选择性局部加,热,，是一个有效当代化热疗方法，适量局部照射，可提升局部生物组织新陈代谢，诱导产生一系列物理化学改变，到达解痉镇痛、抗炎脱敏、促进生长等作用。,依据照射能量不一样可分为温热治疗、高温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法。,依据使用频率不一样，而对皮肤穿透深度不一样，又可分为浅表热疗、深部透热治疗。,生物医学工程学的基础理论,第44页,微波对人体和动物作用含有两重性。,首先，假如辐射剂量控制适当，对人体和动物能够产生良好刺激作用：加速血液循环，血管扩张；刺激器官功效，促进新陈代谢，改进局部营养，从而促进机体修复与再生；甚至选择性杀灭肿瘤细胞，增强机体抗电离辐射能力。所以微波辐射疗法已广泛应用于临床。,另首先，高强度微波辐射或低强度长久照射都有可能对人体健康产生不良影响，形成所谓“无线电波作用综合征”。,生物医学工程学的基础理论,第45页,毫米波,生物学效应及其在医学上应用,毫米波是指自由空间波长在,110mm,电磁波，对应频率范围是,30300GHz,，处于微波波段高频段。,生物医学工程学的基础理论,第46页,毫米波在生物效应方面特点，使其在医学临床应用中有一些,特色和优点,。,含有非侵入性，对机体无损伤，易于配合药品或其它疗法进行治疗。,治疗剂量小，基础无变态反应，无副作用和远期后遗症。,毫米波能提升机体总担心度，从而使患者有舒适感觉；有抗应激因子作用，能提升机体免疫力；还可镇静止痛。,能改进人体耐毒状态，提升血液质量，而且有显著升白作用。,生物医学工程学的基础理论,第47页,生物磁场起源,生物电流是引发生物磁场源泉。,由生物磁性材料产生感应场。,生物体本身含有磁性物质产生磁场。,生物医学工程学的基础理论,第48页,生物磁场检测特点,测定生物磁场时，无需使用电极就能测得生物组织内源电流。,能够同时测量恒定生物磁场和交变生物磁场。,能够取得生物磁场三维空间分布。,经过测量体外磁场强度和分布，能够了解体内强磁性物质含量和分布，有利于诊疗和检验一些职业病。,生物医学工程学的基础理论,第49页,生物磁测量,人体磁性活动含有普遍性，但限于检测水平和应用，当前探测到只有心磁场、脑磁场、肺磁场、肌磁场、眼磁场、肝磁场等。,生物医学工程学的基础理论,第50页,磁场生物学效应,1,磁场生物物理作用,2,引发生物效应磁场物理原因,3,磁场对人体作用,生物医学工程学的基础理论,第51页,磁场疗法（简称,磁疗,）是在人体一定部位（,经穴,或患处）施加恒定或改变磁场治疗疾病方法。,磁场含有镇痛、镇静、上泻、消炎等功效。临床上已能治疗急性扭挫伤、腰肌劳损、风湿性关节炎、高血压、神经性头痛、支气管哮喘、功效性腹泻、痛经等数十种常见病和多发病。,生物医学工程学的基础理论,第52页,生物电磁剂量学,确定什么样电磁场产生何种效应，这就需要测定生物体在特定照射条件下所接收剂量。,普通采取单位质量吸收功率，描述生物体受到电磁场作用实际强度，方法学上又分为,理论剂量学,和,试验计量学,。,生物医学工程学的基础理论,第53页,电磁辐射安全标准,为了预防电磁场有害效应对人类健康产生危害，需要研究人体接收照射安全电平和各种电磁设备允许泄露电平，从而制订出电磁辐射卫生,标准,，为环境控制和预防医学服务。,生物医学工程学的基础理论,第54页,生物磁场热点问题,一、低强度低频磁场生物学效应,二、通信系统电磁场生物学效应,三、毫米波非热生物学效应,四、电磁波热疗和电化学治疗,五、磁刺激医学应用,生物医学工程学的基础理论,第55页,生物医学工程学基础理论,生物力学,生物医学工程学的基础理论,第56页,生物力学,生物力学是应用力学原理和方法对生物体中力学问题进行定量研究生物物理学分支，是研究力与生物体运动、生理、病理之间关系学科。,生物力学是力学与生物学和医学交叉学科，为处理生命科学许多问题提供了力学基础理论和分析方法，又为力学开辟了一个辽阔新领域。,生物医学工程学的基础理论,第57页,生物力学,生物力学发展简史,生物力学研究内容,生物力学研究方法,生物力学研究特点,生物医学工程学的基础理论,第58页,生物力学发展简史,哈维（,Harvey,）,马尔皮基（,Malpighi,）,博雷利（,Borelli,）,欧拉（,Euler,）,兰姆（,Lamb,）,托马斯,杨（,Young,）,生物医学工程学的基础理论,第59页,黑尔斯,泊肃叶（,Poiseuille,）,赫姆霍兹（,Helmholtz,）,弗兰克（,Frank,）,斯塔林（,Starling,）,克劳（,Krogh,）,希尔（,Hill,）,冯元祯（,Y.C.Fung,）,生物医学工程学的基础理论,第60页,生物力学研究内容,生物力学基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性本构方程。,生物力学研究重点是与生理学、医学相关力学问题。,依研究对象不一样可分为,生物流体力学,、,生物固体力学,和,运动生物力学,等。,生物医学工程学的基础理论,第61页,生物力学研究方法,生物力学研究方法和其它各种物理问题和工程问题研究方法有较多相同之处。主要经过三条路径来处理问题：,用解析或数值方法来求解数学模型,用试验方法来测定物理模型或实际试验样品,对现场进行分析研究,生物医学工程学的基础理论,第62页,分析生物形态，器官解剖及组织结构和微结构，以了解所研究对象几何特点。,测定组织和材料力学性质，确定本构关系。,依据,物理学中基础标准,和组织本构方程，导出其主要微分和积分方程。,分析器官工作环境和情况，得到边界条件。,用解析方法或数值方法求解边界值问题。,做生理试验以验证上述问题理论和数值解。,探讨理论和试验在实际中应用，并做深入改进。,生物医学工程学的基础理论,第63页,生物力学研究特点,生物力学研究对象是,生物体,。,作为试验对象生物材料，有,在体,和,离体,。,在体生物材料普通处于受力状态（如血管、肌肉），一旦游离出来则处于自由状态，即非生理状态（如血管、肌肉一旦游离，即显著收缩变短）。,在体试验分为麻醉状态和非麻醉状态两种情况。,生物医学工程学的基础理论,第64页,生物医学工程学基础理论,医学超声,生物医学工程学的基础理论,第65页,医学超声,频率在,20kHz,以上,机械波,称为,超声波,。,超声波是一个,波动,形式，能够用于探测人体生理和病理信息，这便是,诊疗超声,，其声强大小在,0.150mW/cm,2,，频率在,210MHz,之间。,超声波又是一个,能量,形式。当到达一定剂量超声波在生物体系内传输时，经过它们之间一定相互作用，可能引发生物体系功效或结构发生改变，这便是,功率超声,，其声强大小从每平方厘米零点几瓦到每平方厘米几百瓦，频率在,2050kHz,之间。,生物医学工程学的基础理论,第66页,研究超声波与生物组织（主要指人体组织）相互作用机理、规律及其应用学科分支称为,医学超声,。,医学超声：超声诊疗和超声治疗。,超声诊疗,研究怎样利用各种组织差异来区分不一样组织，尤其是区分正常和病变组织。超声波在生物组织中传输规律及诊疗信息提取方法是,超声诊疗物理基础,。,超声治疗,则研究怎样利用,超声波生物效应,来治疗一些疾病，其物理基础是超声生物效应机理和超声计量学。,生物医学工程学的基础理论,第67页,生物医学工程学的基础理论,第68页,生物医学工程学的基础理论,第69页,生物医学工程学的基础理论,第70页,生物医学工程学的基础理论,第71页,超声生物效应及其在医学上应用,生物医学工程学的基础理论,第72页,生物医学工程学基础理论,生物医学光子学,Biomedical Photonics,生物医学工程学的基础理论,第73页,生物医学光子学,1,光与生物关系,2,生物医学光子学定义,3生物医学光子学发展（理论基础、技术基础和发展动力）,4,生物医学光子学发展特点,5,生物医学光子学研究基础步骤,6,生物医学光子学研究内容,生物医学工程学的基础理论,第74页,1,光与生物关系,人类利用光方法可分为三类,将光作为,能量载体,将光作为,信息载体,将光作为,科学研究工具,生物医学工程学的基础理论,第75页,2,生物医学光子学定义,生物医学光子学是关于光子在生物、医学中应用科学和技术。,生物光子学,是利用光子来硕士命科学，详细地说是硕士物系统产生光子以及光子学在生物学研究、生物系统改造、农业及环境检测方面应用。,医学光子学,是光子学和当代医学相结合产物，主要包含医学光子学基础、医学光学诊疗技术和医学光学治疗技术。,生物医学工程学的基础理论,第76页,3,生物医学光子学发展,生物医学光子学发展,理论基础,应该归功于量子理论建立。,生物医学光子学发展,技术基础,得益于,20,世纪一系列技术革命结果，其中最为主要应该是激光技术、微电子技术和纳米技术发展及应用。,大家对认识世界不停追求和对于本身健康及生活质量日益关切，组成了而且会继续成为生物医学光子学,发展强大动力,。,生物医学工程学的基础理论,第77页,4,生物医学光子学发展特点,生物医学光子学除了对生物或医学学科本身发展含有促进作用外，其本身也不停地对工学、物理学、化学等学科提出新课题，更主要是它发展需要并促进了这些学科交叉和技术融合。,生物医学工程学的基础理论,第78页,5,生物医学光子学研究基础步骤,生物医学工程学的基础理论,第79页,6,生物医学光子学研究内容,光与物质相互作用原理、方法和特点。,光在人体中传输规律。,用于人体光发射系统和接收系统。,物理模型和定量方法。,生物医学工程学的基础理论,第80页,光与物质相互作用（尤其是光与生物组织体相互作用）中原理、方法和特点,包含生物组织中主要吸收物质、分子振动及分子吸收光谱基础测量原理、组织体发光、组织体对光散射效应、光与生物组织其它作用（光热、光声、光化学和光机械效应）。,生物医学工程学的基础理论,第81页,光在人体中传输规律,光在组织体中传输数学模型,组织体光学特征参数,取得光在组织体内传输特征方法,生物医学工程学的基础理论,第82页,用于人体光发射系统和接收系统,通常起源于人体信号组成极其复杂且非常微弱，所以必须研究常见微弱信号检测方法及系统。,在选择光发射和接收系统时所要考虑问题。,生物医学工程学的基础理论,第83页,物理模型和定量方法,从多成份或多分子信号叠加而成人体组织复杂光谱信号中定量地提取感兴趣参数方法和技术。,在光不走直线前提下实现人体组织结构参数或功效参数三维成像数学方法和技术。,生物医学工程学的基础理论,第84页,生物医学工程学基础理论,生物医学材料,生物医学工程学的基础理论,第85页,生物医学材料,生物医学材料概念和分类发展方向,纳米技术与生物材料,药品控释技术与生物材料,生物可降解和生物活性材料,组织工程材料,生物材料表面生物化技术,生物医学工程学的基础理论,第86页,生物医学材料概念,生物医学材料是生物医学工程,物质基础,。,生物医学材料或叫生物材料，是和生物系统相作用，用以诊疗、治疗修复或替换机体中组织、器官或促进其功效材料。,生物医学工程学的基础理论,第87页,发展历程举例,公元前,3500,年，古埃及人和中国人等就利用棉花纤维、马鬃做缝合线，用柳树枝和象牙修复失牙。,16,世纪开始大家用黄金板修复颗骨，陶材或金属做齿根，用金属作固定骨折内骨板等。,生物医学工程学的基础理论,第88页,伴随材料科学、生命科学和生物技术发展，使得人类在,分子水平,上去认识材料和机体间相互作用，构建生物结构和功效，使传统,无生命材料,经过参加生命组织活动，成为,有生命组织一个别,。,生物医用材料科学将成为人类进入“生物技术世纪”主要基础。,生物医学工程学的基础理论,第89页,20,世纪，,高分子、新型金属与陶瓷材料,发展为生物医学材料研究与应用提供了新机会。,医疗水平,提升和,生活质量,改进反过来也促进了生物医学材料发展。,当前能够说，从,天灵盖,到,脚趾骨,，从人体,内脏,到,皮肤,，从,血液,到,五官,，除了,脑,以及大多数,内分泌器官,外，大都有了代用人工器官。,生物医学工程学的基础理论,第90页,生物医学工程学的基础理论,第91页,生物医学材料特点,材料无毒，不致癌、不致畸，不引发人体细胞突变和不良组织反应,与人体,生物相容性,好，不引发中毒、溶血、凝血、发烧和过敏等现象,含有与天然组织相适应力学性能,针对不一样使用目标而含有特定功效,必须含有良好生物或组织相容性,生物医学工程学的基础理论,第92页,生物医学材料基础性能要求,A,、生物功效性,Biofunctionability,B,、生物相容性,Biocompatibility,C,、生物安全性,Biological Safety,生物医学工程学的基础理论,第93页,A,、生物医学材料生物功效性,生物医学材料生物功效性是指生物医学材料在植入后行使功效能力，或为执行功效，其本身和植入位置应该满足适当物理化学要求。,生物医学材料能否有效行使功效，除与其本身物理化学性质相关外，还和其所处生物环境相关。,生物医学工程学的基础理论,第94页,物理、化学性能要求,人工心脏瓣膜,耐磨、耐蚀,颅骨修复材料,强度、导热性,齿科修复材料,硬度、耐磨、导热性,血管修复材料,柔性、化学稳定性,骨修复材料,硬度、强度、弹性模量,生物医学工程学的基础理论,第95页,B,、生物医学材料生物相容性,生物相容性是指生命体组织与非生命材料产生合乎要求反应（生物学行为）一个性能，决定于材料与活体间相互作用。,生物医学材料植入人体后，其,宿主反应,和,材料反应,必须保持在可接收水平。,生物医学工程学的基础理论,第96页,宿主反应,包含局部和全身反应，其结果造成对机体毒副作用和机体对材料排斥。,炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、致畸、免疫反应等,材料反应,主要来自生物环境对材料腐蚀和降解，可能使材料性质腐蚀改变，甚至破坏。,生物医学工程学的基础理论,第97页,材料生物相容性与其使用环境和条件亲密相关。,与血液直接接触材料主要考查其与血液相互作用，称为,血液相容性,。,与肌肉、骨骼、皮肤等长久接触材料生物相容性，称为,组织相容性,。,生物医学工程学的基础理论,第98页,C,、生物医学材料生物安全性,采取生物学方法检测材料对受体毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中安全性。包含材料对受体局部组织、血液和整体反应，对受体遗传效应等。,1992,年，,ISO,制订颁布了医用装置生物学评价标准：,ISO10993-1992,。,1997,年，中国医疗器械生物学评价标准,GB/T16886,采取了国际标准。,生物医学工程学的基础理论,第99页,生物医学材料分类,按,与活体组织作用方式,分类,按,材料属性,分类,生物医学工程学的基础理论,第100页,按与活体组织作用方式分类,依据与活体组织之间是否形成,化学键合,方式，生物医学材料能够分成两类：,生物惰性材料,一些氧化物陶瓷、医用碳素材料、及大多数医用金属和高分子材料都是生物惰性材料。,生物活性材料,生物医学工程学的基础理论,第101页,生物惰性材料,生物惰性材料是指,在生物体内能保持稳定，几乎不发生化学反应材料。,生物惰性材料植入体内后，基础上不发生化学反应和降解反应，它所引发组织反应，是围绕植入体表面形成一层包被性纤维膜，与组织间结合主要是靠组织长入其粗糙不平表面或孔中，从而形成一个,物理嵌合,。,生物医学工程学的基础理论,第102页,生物活性材料,生物活性材料是指,能在材料组织界面上诱出特殊生物或化学反应材料，这种反应造成材料和组织之间形成化学键合。,生物活性概念是由美国人,L,亨奇在,1969,年首先提出，按他定义，生物医学材料科学中所指“生物活性”，其原义是一个,特殊能造成材料和组织在界面上形成化学键接性质,。但也有学者认为生物活性是,促进细胞活性或促进新组织再生,性质。,生物医学工程学的基础理论,第103页,按材料属性分类,生物医用金属材料,生物医用高分子材料,生物医用陶瓷或称生物陶瓷,生物医用复合材料,生物衍生材料,组织工程材料,生物医学工程学的基础理论,第104页,生物医用金属材料,生物医用金属材料又称医用金属材料，属,生物惰性材料,。,1963,年,Venable,等人成功应用合金作内固定器具，确立了金属植入物在医学上地位。这类材料含有高机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛承力植入体。除,力学性能,外，医用金属材料还必须含有优良,抗生理腐蚀性,和生物相容性,。,生物医学工程学的基础理论,第105页,生物医用高分子材料,第一阶段始于,1937,年，特点是所用高分子材料都是已经有现成材料，如用丙烯酸甲酯制造,义齿牙床,。,第二阶段始于,1953,年，以,医用有机硅橡胶,出现为标志。,随即，又发展了,聚羟基乙酸酯缝合线,以及,聚酯类心血管材料,替换生物组织,高分子合成材料,。,生物医学工程学的基础理论,第106页,当前研究热点,含有,主动诱导、激发人体组织再生修复,一类新材料。,这种材料普通由活体组织或细胞与人工材料有机结合而成，在体内以促进周围组织和细胞生长为目标。,生物医学工程学的基础理论,第107页,生物医用高分子材料分类,按性质，生物医用高分子材料可分为,非降解,和,可生物降解,两大类。,按使用目标或用途，医用高分子材料可分为心血管系统、软组织和硬组织修复材料。,生物医学工程学的基础理论,第108页,生物陶瓷,按体内性质可分为,生物惰性陶瓷,材料结构都比较稳定，分子中键力较强，而且都含有较高强度、耐磨性和化学稳定性。,生物活性陶瓷,在生理环境中可经过其表面发生生化反应与生物体组织形成化学键性结合。,在体内可发生降解和吸收生物陶瓷,，在生理环境中可被逐步降解和吸收，并为新生组织所替换。,生物医学工程学的基础理论,第109页,生物陶瓷特点,无机生物医学材料，没有毒、副作用，与生物体组织有良好生物相容性。,生物陶瓷已在整形外科、齿科和骨科取得了广泛应用。,因为生物陶瓷材料与人体硬组织无机质组成或结晶结构差异很大，疲劳强度低，韧性差，制造复杂形态较为困难，因而在一定程度上限制了它临床应用。,生物医学工程学的基础理论,第110页,生物医用复合材料,生物医用复合材料是由两种或两种以上材料复合而成生物医学材料。,生物医用复合材料不但要求各组分材料满足,生物相容性,要求，而且复合后不会损害复合材料,生物学性能,。,医用高分子材料、医用金属和合金以及生物陶瓷均既可作为复合材料基材，又可作为其增强体或填料，它们相互搭配或组合形成了大量性质各异生物医用复合材料。,生物医学工程学的基础理论,第111页,利用,生物技术,，将,活体组织、细胞、生长因子或药品,引入相关生物医用材料，可大大改进其生物学性能，拓展其功效性，已成为一类新型生物医用复合材料。,实际上，人体中大多数组织均可视为复合材料，如存在于骨和牙中,纳米磷灰石胶原复合材料,。,模拟人体组织成份、结构和力学性能,纳米复合生物材料,是一个十分主要发展方向。,生物医学工程学的基础理论,第112页,生物医用复合材料,分类,沿用复合材料普通分类方法，分为高分子基、陶瓷基、金属基等复合材料。,按,复合方式,又可分为整体复合和表面复合材料。,按,增强体或填料性质,又可分为纤维增强、颗粒增强、相变增韧和生物活性物质充填等。,生物医学工程学的基础理论,第113页,生物医用衍生材料生物医用衍生材料是由,天然生物组织经过特殊处理,而形成生物医学材料。,生物组织可取自,同种,或,异种,生物体。,生物医学工程学的基础理论,第114页,特殊处理,包含维持组织原有构型而进行固定、灭菌和消除抗原性较轻微处理，以及拆散原有构型、重建新物理形态强烈处理。,前者如经戊二醛固定猪心瓣膜、牛心包、牛颈动脉、人脐动脉以及冻干骨片、猪皮、牛皮、羊膜、胚胎皮等。,后者如用再生胶原、弹性蛋白、透明质酸、硫酸软骨素和壳聚糖等组成粉体、纤维、膜、海绵体等。,生物医学工程学的基础理论,第115页,生物医用衍生材料,特点,因为经过处理生物组织已失去生命力，生物医用衍生材料是,无生命活力活体组织材料,。,因为生物医用衍生材料有类似于自然组织构型和功效，或其组成类似于自然组织，或仍含有各类,生长因子,。所以它在维持人体动态过程修复和替换中含有主要作用。,生物医学工程学的基础理论,第116页,生物医用衍生材料,主要用途,人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血浆增强剂和血液透析膜等。,生物医学工程学的基础理论,第117页,组织工程材料,人体组织和器官是一个复杂系统，不可能用单一无活性材料来修复或模仿其全部功效。,在组织和器官供体起源非常有限情况下，怎样在体外将材料与组织、细胞和蛋白结合培养出正常组织供临床使用，是医学和生物医学材料研究追求目标。,生物医学工程学的基础理论,第118页,组织工程材料,分类,可降解性天然高分子材料,合成高分子材料,无机陶瓷,玻璃,珊瑚,生物医学工程学的基础理论,第119页,生物医学材料发展方向,主要趋势,是致力于提升材料生物相容性、生物功效性、仿生性以及赋予材料生命活性，适应临床对各种组织和器官修复高级要求，为临床医学发展提供新物质基础。,生物医学工程学的基础理论,第120页,因为大家对人体组织结构与性质，尤其是发生在细胞、分子和基因水平上反应机制还缺乏透彻、详细了解，生物医学材料和人工器官设计与制造大多仍处于实现重大进展中间阶段，但发展势头迅猛。,生物医学工程学的基础理论,第121页,纳米技术与生物材料,纳米生物医学材料未来发展趋势以下,纳米生物医用材料或器件进行身体健康检验和疾病治疗。,实现药品器官靶向化和药品细胞靶向化。,使介人诊疗和治疗向微型、微量、微创、快速、功效性和智能化方向发展。,开发纳米药品控释系统和纳米基因载体。,开发仿生纳米复合生物医学材料。,生物医学工程学的基础理论,第122页,药品控释技术与生物材料,实现对药品制剂释放定量和定位控制，是当前给药技术主要发展方向。,当前，蛋白质和多肤药品释放体系已进人临床试验，亦将出现一些基因口服控制释放产品。而器官和细胞靶向药品释放体系以及性价比高蛋白质和多肤有效控释体系仍是当前研究开发重点。,生物医学工程学的基础理论,第123页,聚合物药品释放体系利用聚合物作为药品载体，制成一定剂型，控制药品在人体内释放速率，使药品按照设计剂量，在要求时间范围内按一定速率在体内迟缓释放，以到达有效治疗目标。,生物医学工程学的基础理论,第124页,聚合物药品控制释放体系,特点,与传统给药方法（口服或注射）相比，含有以下优点：,提升药品利用率，安全性和有效性。,降低给药频率。,药品被定向释放到病灶部位，可提升治疗效果和降低剂量。,能够释放复合大分子药品，防止其它方法不足。,生物医学工程学的基础理论,第125页,纳米控释体系研究目标,纳米粒载体材料筛选与组合，以取得适宜释药速度。,改进纳米粒组织和细胞豁附性，方便提升局部定位效率。,改进纳米粒子表面血液相容性，延长在血液循环中寿命。,生物医学工程学的基础理论,第126页,提升纳米粒子与靶细胞识别和结合能力。,提升基因转染和表示能力。,将人造类病毒体系用于基因载体。,生物医学工程学的基础理论,第127页,生物可降解和生物活性材料,当前广泛研究和使用医用生物降解材料包含以下几个方面：,天然高分子材料,，主要是纤维素、壳聚糖、蛋白、胶原、明胶和脂质体等；普通降解周期短。,化学合成高分子材料,，主要是聚氨基酸、聚乳酸、聚经基乙酸、聚乳酸和聚经基乙酸共聚物、聚经基丁酸醋、聚经基戊酸等。,化学合成和生物合成生物降解材料,其组成、结构和降解行为易于控制。,生物医学工程学的基础理论,第128页,组织工程材料,组织工程,是应用生命科学和工程学原理与方法，研究、开发用于组织和器官修复与替换，或促进其功效“,体外活组织,”。,组织工程关键是,构建细胞和生物材料三维空间复合体,，该结构是细胞获取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢场所，是新含有形态和功效组织、器官基础。,生物医学工程学的基础理论,第129页,组织工程材料,特点,组织工程材料首先是无毒，含有良好生物相容性和组织相容性；,其次是在组织形成过程中材料降解并被吸收。,另外还要含有可加工性，能形成含有较大孔隙率三维结构，以及良好材料细胞界面，有利于细胞黏附、增殖、激活细胞特异基因表示等,生物医学工程学的基础理论,第130页,生物材料表面生物化技术,生物材料植入体内后，直接也是最先与组织、细胞相接触、作用是材料表面。所以，材料表面性质相当主要，而且表面性质不一样还将影响细胞吸附、增殖、分化等一系列反应。,在生物环境中，细胞和材料相互作用实际上是细胞膜表面受体与细胞外生物材料所能提供对应配体之间相互分子识别，产生特异性相互作用。,生物医学工程学的基础理论,第131页,小结,伴随材料科学与生命科学发展，生物医学材料研究已,从被动适应生物环境，向功效性、生命化方向发展,；已从应用仿生原理、组织工程、基质控制矿化思绪出发，用来研制成为组成、结构和性能,与人体自然组织相近,生物医学材料。,生物医学工程学的基础理论,第132页,生物医学工程学基础理论,生