生物医学工程概论--复习
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Tianjin Polytechnic University
图像处理:
对已获得的医学图像进行分析、识别、 分割、解释、分类以及作三维重建与显示， 其目的——是把获得的医学图像的某些部分 增强，或提取某些特征，为医生提供感兴趣 的信息。 成像与图像处理技术有时是结合成一体 的。
Tianjin Polytechnic University
Tianjin Polytechnic University
生物系统的仿真
用电子计算机求解生物系统的数学 模型以分析和预测各种条件下生物 系统运行机制和状态的工作。
Tianjin Polytechnic University
生物医学信号检测与传感器
生物医学信号检测：
对生物体中包含的生命现象、状态、性质及 变量和成分等信息的信号进行检测和量化的 技术。
A、生物功能性 B、生物相容性 C、生物安全性 (Biofunctionability) (Biocompatibility) (Biological Safety)
Tianjin Polytechnic University
A、生物医学材料的生物功能性
生物医学材料的生物功能性 —— 生物医 学材料在植入后行使功能的能力，或为执行 功能，其自身和植入位臵应当满足的适当的 物理化学要求。 生物医学材料能否有效行使功能，除与其 自身物理化学性质相关外，还和其所处的生 物环境相关。
Tianjin Polytechnic University
• 3.1 简述生物降解高分子材料
♫15世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等 生活用品。
♫1870年，美国人Hyatt用硝化纤维素和樟脑制
得的“赛璐珞”塑料，是有划时代意义的一种人
造高分子材料。
♫1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类
高分子材料的降解性
.概念——聚合物的降解反应是指聚合物分子链在机械 力、热、高能辐射、超声波或化学反应等的作用下， 分裂成较小聚合度产物的反应过程。
Tianjin Polytechnic University
高分子材料的降解类型
生物降解
光降解 化学降解 热降解
降解 类型
机械降解
氧化降解
Tianjin Polytechnic University
主要内容:
利用力学的基本原理和方法，结合生理学、 医学和生物学来研究生物体特别是人体功能、 生长、消亡及运动的规律。 应用生物力学的研究成果，指导人工关节、 人工心脏瓣膜等人工器官的设计。
Tianjin Polytechnic University
生物材料
研究用以治疗或替换机体内的组织、器官 或增强其功能的材料，以及这些材料与生物 体之间的相互作用的学科。
应用合成高分子材料的开始
Tianjin Polytechnic University
• 3.1 简述生物降解高分子材料
♫1932年，Hermann Staudinger总结了自己的大
分子理论，出版了划时代的巨著《高分子有机化合
物》成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志，
高分子学科出现。 ♫1956年，Szwarc提出“活性聚合”概念，高分子 进入分子设计时代。 ♫1970年以后，高分子合成新技术不断涌现，高分
生物医学传感器：
获取各种生物信息并将其转换成易于测量和 处理的信号的器件，是生物医学信号检测的 关键技术。
Tianjin Polytechnic University
生物医学信号处理
生物医学信号——一般都是伴随着噪声 和干扰的信号……信号中无用成份亦应 视为检测中的干扰。
生物信息处理技术：
研究从被检测的湮没在干扰和噪声中的 生物医学信号中提取有用的生物医学信 息的方法。
生物医学工程的目标
几乎所有工程学和物理学都可与生物医学相 互结合 探索人类正常生理学 表征组织与器官的病变机理 给出研究和技术开发的最佳手段
提供治疗与预防的有效方法
Tianjin Polytechnic University
1.2生物医学工程研究内容和基本任务
基本任务
生物医学工程学的基本任务是运用工程技术手段，研
Tianjin Polytechnic University
－－ 1960 ‘ s ， Clemson Univ., USA
生物医用材料一般定义：
对生物体进行诊断、治疗和臵 换损坏组织、器官或增进其功能的 材料。
Tianjin Polytechnic University
2.2 生物医学材料的基本性能要求
究和解决生物学和医学中的有关问题。
研究方法
生物医学工程学以应用基础性研究为主，研究的对象 是人体(一个多层次的庞大系统)，所涉及的领域十分广 泛，并在不断的扩展之中。
Tianjin Polytechnic University
1.3 生物医学工程学科的特点
生物医学工程的特点
新兴、综合、交叉与边缘科学
B、生物医学材料的生物相容性
（2）材料反应——材料在生物体内的响应
主要来自生物环境对材 料的腐蚀和降解，可能 使材料性质腐蚀变化， 甚至破坏。
金属腐蚀 聚合物降解 磨损
Tianjin Polytechnic University
C、生物医学材料的生物安全性
采用生物学方法检测材料对受体的毒副作用，从 而预测该材料在医学实际应用中的安全性。 包括：材料对受体局部组织； 血液和整体的反应；
主要分为——医用合成或天然高分子材料、 医用金属材料、医学陶瓷，医用复合材料等 类。
Tianjin Polytechnic University
生物系统建模与仿真
生物系统建模
对生物的细胞、器官和整体各个层次的行为、 参数及其关系建立数学模型的工作，最终希 望用数学的形式表达出来。 建模的目的——是更好地了解生物系统的行 为及规律，为生物控制奠定基础。
子新材料层出不穷。
Tianjin Polytechnic University
★ 高分子材料使用废弃后，如何处理？
•产生有害气体 •造成二次污染
CO、 CO2、 SO2、 NH3、 CH4、 HCN、 HCl、 等。
•占用大量土地； •造成土壤恶化。
焚烧？
填埋？
回收再 利用？
•难度大； •成本高。
Tianjin Polytechnic University
2.3 生物医学材料的分类
A、按材料化学组份划分 B、按材料来源划分 C、按使用要求划分 D、按应用部位及功能划分
Tianjin Polytechnic University
A、按材料化学组份划分
(1)、无机生物医学材料 (2)、金属及合金生物医学材料 (3)、高分子生物医学材料 (4)、复合生物医学材料 (5)、生物功能材料
Tianjin Polytechnic University
B、按材料来源分类：
1、自体材料 2、同种异体器官及组织； 3、异体器官及组织； 4、人工合成材料； 5、天然材料
Tianjin Polytechnic University
C、按照使用要求分为：
植入与非植入材料 血液接触材料 一次性使用材料与重复使用材料 生物活性与生物惰性材料 生物降解材料与非生物降解材料等
边缘交叉科学 (Interdisciplinary)
综 合：生物学、医学、工程学的理论 和方法； 近几十年内建立与发展。
Tianjin Polytechnic University
一般定义
应用物理学和工程学的技术来 解决生命系统中的问题，突出强调
人类疾病的诊断、治疗和预防。
Tianjin Polytechnic University
Tianjin Polytechnic University
2.1 生物医学材料的定义
－－其定义随科学技术的发展而演变
（1）生物材料
(Biomaterials)：
“植入活体内或与活体结合而设计的与 活体系统不起药物反应的惰性物质” 随着生物材料的发展，该定义已明显不适 应生物材料的功能与范畴的飞速发展。 －－－载药生物材料、生物活性材料
(1) 改进和发展生物医用材料的生 物相容性评价 （2） 研究新的降解材料 （3） 研究具有全面生理功能的人工 器官和组织材料 （4） 研究新的药物载体材料 （5） 材料表面改性的研究
Tianjin Polytechnic University
三. 生物降解高分子材料
• 3.1 简述生物降解高分子材料 • 3.2 生物降解高分子材料的制备 及应用
诱变、致畸、免疫反应等。
Tianjin Polytechnic University
B、生物医学材料的生物相容性
材料的生物相容性与其使用的环境和条件密切相关：
与血液直接接触的材料主要考察其与血液的相互作用，
称为血液相容性 与肌肉、骨骼、皮肤等长期接触材料的生物相容性，称 为组织相容性
Tianjin Polytechnic University
生物医学工程概论 ——复习课
天津工业大学 张雯
一、生物医学工程概述
1.1 生物医学工程的定义 1.2 生物医学工程的研究内容与基本任务 1.3 生物医学工程学科的特点
Tianjin Polytechnic University
1.1 生物医学工程的定义
What is Biomedical Engineering (BME)?
Tianjin Polytechnic University
A、按材料化学组份划分
生物功能材料(Biologically Functional Materials) 采用物理或化学的方法将生物活性分子如 酶、抗体、抗原、多糖类、酯类、药物及细胞 等固定在材料表面或内部，构成具有生理功能 的生物医学材料。
对受体的遗传效应等。
Tianjin Polytechnic University
C、生物医学材料的生物安全性
目前已有的标准有：
1、ISO10993.1－1992至 ISO10993.12－1992； 2、美国ASTM（F748－82）标准； 3、我国在美国和日本的基础上，1997年由 卫生部颁布了我们自己的标准。
目前涉及较多的学科
医学、生物学、物理学、化学、 力学、材料学、制造学、电子学、 计算机科学等……
Tianjin Polytechnic University
主要研究领域
各研究领域既 相互独立，又 相互交叉，相 互支撑
Tianjin Polytechnic University
生物力学
研究生物体和力学有关的问题的学科
人工器官
当人体器官病伤而不能用常规方法医治 时，有可能给病人使用一种人工制造的装臵 来部分或全部替代病损的自然器官，以补偿、 替代或修复自然器官的功能，这样的器件或 装臵称为人工器官。
Tianjin Polytechnic University
二. 生物医用材料
2.1 定义及内涵 2.2 基本性能要求 2.3 分类方法
Tianjin Polytechnic University
B、生物医学材料的生物相容性
生物相容性——生命体组织
与非生命材料产生合乎要求
的反应(生物学行为)的一种 性能，决定于材料与活体间 的相互作用。
Tianjin Polytechnic University
B、生物医学材料的生物相容性
材料与活体间相互作用
生物降解塑料
生物可降解塑料可以在细菌、酶和微生物的侵入、 吸收及破坏下产生分子链的断裂，从而达到降解、崩 溃的结果。
生物降解塑料
生物降解塑料有两种不同的降 解方式: 一种称为生物降解，主要是由 微生物的作用使塑料分子链断 裂； 另一种称为生物崩溃，虽然也 是微生物或细菌的作用，但塑 料的降解过程表现为整体的崩 溃，是一种突变过程。
Tianjin Polytechnic University
D、按材料应用部位及功能划分
硬组织材料 软组织材料 心血管材料 血液代用材料 齿科材料 分离、过滤材料 膜透析材料 ……来自百度文库…
Tianjin Polytechnic University
生物医用材料的研究和发展方向主要为：
宿主反应
材料反应
生物材料的生物相容性评价应该分为两个方面
Tianjin Polytechnic University
B、生物医学材料的生物相容性
（1）宿主反应——生物体对生物材料的响应
即材料对机体系统的作用
包括局部和全身反应，其结果导致对机体的毒副作
用和机体对材料的排斥。
炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致
图像处理:
对已获得的医学图像进行分析、识别、 分割、解释、分类以及作三维重建与显示， 其目的——是把获得的医学图像的某些部分 增强，或提取某些特征，为医生提供感兴趣 的信息。 成像与图像处理技术有时是结合成一体 的。
Tianjin Polytechnic University
Tianjin Polytechnic University
生物系统的仿真
用电子计算机求解生物系统的数学 模型以分析和预测各种条件下生物 系统运行机制和状态的工作。
Tianjin Polytechnic University
生物医学信号检测与传感器
生物医学信号检测：
对生物体中包含的生命现象、状态、性质及 变量和成分等信息的信号进行检测和量化的 技术。
A、生物功能性 B、生物相容性 C、生物安全性 (Biofunctionability) (Biocompatibility) (Biological Safety)
Tianjin Polytechnic University
A、生物医学材料的生物功能性
生物医学材料的生物功能性 —— 生物医 学材料在植入后行使功能的能力，或为执行 功能，其自身和植入位臵应当满足的适当的 物理化学要求。 生物医学材料能否有效行使功能，除与其 自身物理化学性质相关外，还和其所处的生 物环境相关。
Tianjin Polytechnic University
• 3.1 简述生物降解高分子材料
♫15世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等 生活用品。
♫1870年，美国人Hyatt用硝化纤维素和樟脑制
得的“赛璐珞”塑料，是有划时代意义的一种人
造高分子材料。
♫1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类
高分子材料的降解性
.概念——聚合物的降解反应是指聚合物分子链在机械 力、热、高能辐射、超声波或化学反应等的作用下， 分裂成较小聚合度产物的反应过程。
Tianjin Polytechnic University
高分子材料的降解类型
生物降解
光降解 化学降解 热降解
降解 类型
机械降解
氧化降解
Tianjin Polytechnic University
主要内容:
利用力学的基本原理和方法，结合生理学、 医学和生物学来研究生物体特别是人体功能、 生长、消亡及运动的规律。 应用生物力学的研究成果，指导人工关节、 人工心脏瓣膜等人工器官的设计。
Tianjin Polytechnic University
生物材料
研究用以治疗或替换机体内的组织、器官 或增强其功能的材料，以及这些材料与生物 体之间的相互作用的学科。
应用合成高分子材料的开始
Tianjin Polytechnic University
• 3.1 简述生物降解高分子材料
♫1932年，Hermann Staudinger总结了自己的大
分子理论，出版了划时代的巨著《高分子有机化合
物》成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志，
高分子学科出现。 ♫1956年，Szwarc提出“活性聚合”概念，高分子 进入分子设计时代。 ♫1970年以后，高分子合成新技术不断涌现，高分
生物医学传感器：
获取各种生物信息并将其转换成易于测量和 处理的信号的器件，是生物医学信号检测的 关键技术。
Tianjin Polytechnic University
生物医学信号处理
生物医学信号——一般都是伴随着噪声 和干扰的信号……信号中无用成份亦应 视为检测中的干扰。
生物信息处理技术：
研究从被检测的湮没在干扰和噪声中的 生物医学信号中提取有用的生物医学信 息的方法。
生物医学工程的目标
几乎所有工程学和物理学都可与生物医学相 互结合 探索人类正常生理学 表征组织与器官的病变机理 给出研究和技术开发的最佳手段
提供治疗与预防的有效方法
Tianjin Polytechnic University
1.2生物医学工程研究内容和基本任务
基本任务
生物医学工程学的基本任务是运用工程技术手段，研
Tianjin Polytechnic University
－－ 1960 ‘ s ， Clemson Univ., USA
生物医用材料一般定义：
对生物体进行诊断、治疗和臵 换损坏组织、器官或增进其功能的 材料。
Tianjin Polytechnic University
2.2 生物医学材料的基本性能要求
究和解决生物学和医学中的有关问题。
研究方法
生物医学工程学以应用基础性研究为主，研究的对象 是人体(一个多层次的庞大系统)，所涉及的领域十分广 泛，并在不断的扩展之中。
Tianjin Polytechnic University
1.3 生物医学工程学科的特点
生物医学工程的特点
新兴、综合、交叉与边缘科学
B、生物医学材料的生物相容性
（2）材料反应——材料在生物体内的响应
主要来自生物环境对材 料的腐蚀和降解，可能 使材料性质腐蚀变化， 甚至破坏。
金属腐蚀 聚合物降解 磨损
Tianjin Polytechnic University
C、生物医学材料的生物安全性
采用生物学方法检测材料对受体的毒副作用，从 而预测该材料在医学实际应用中的安全性。 包括：材料对受体局部组织； 血液和整体的反应；
主要分为——医用合成或天然高分子材料、 医用金属材料、医学陶瓷，医用复合材料等 类。
Tianjin Polytechnic University
生物系统建模与仿真
生物系统建模
对生物的细胞、器官和整体各个层次的行为、 参数及其关系建立数学模型的工作，最终希 望用数学的形式表达出来。 建模的目的——是更好地了解生物系统的行 为及规律，为生物控制奠定基础。
子新材料层出不穷。
Tianjin Polytechnic University
★ 高分子材料使用废弃后，如何处理？
•产生有害气体 •造成二次污染
CO、 CO2、 SO2、 NH3、 CH4、 HCN、 HCl、 等。
•占用大量土地； •造成土壤恶化。
焚烧？
填埋？
回收再 利用？
•难度大； •成本高。
Tianjin Polytechnic University
2.3 生物医学材料的分类
A、按材料化学组份划分 B、按材料来源划分 C、按使用要求划分 D、按应用部位及功能划分
Tianjin Polytechnic University
A、按材料化学组份划分
(1)、无机生物医学材料 (2)、金属及合金生物医学材料 (3)、高分子生物医学材料 (4)、复合生物医学材料 (5)、生物功能材料
Tianjin Polytechnic University
B、按材料来源分类：
1、自体材料 2、同种异体器官及组织； 3、异体器官及组织； 4、人工合成材料； 5、天然材料
Tianjin Polytechnic University
C、按照使用要求分为：
植入与非植入材料 血液接触材料 一次性使用材料与重复使用材料 生物活性与生物惰性材料 生物降解材料与非生物降解材料等
边缘交叉科学 (Interdisciplinary)
综 合：生物学、医学、工程学的理论 和方法； 近几十年内建立与发展。
Tianjin Polytechnic University
一般定义
应用物理学和工程学的技术来 解决生命系统中的问题，突出强调
人类疾病的诊断、治疗和预防。
Tianjin Polytechnic University
Tianjin Polytechnic University
2.1 生物医学材料的定义
－－其定义随科学技术的发展而演变
（1）生物材料
(Biomaterials)：
“植入活体内或与活体结合而设计的与 活体系统不起药物反应的惰性物质” 随着生物材料的发展，该定义已明显不适 应生物材料的功能与范畴的飞速发展。 －－－载药生物材料、生物活性材料
(1) 改进和发展生物医用材料的生 物相容性评价 （2） 研究新的降解材料 （3） 研究具有全面生理功能的人工 器官和组织材料 （4） 研究新的药物载体材料 （5） 材料表面改性的研究
Tianjin Polytechnic University
三. 生物降解高分子材料
• 3.1 简述生物降解高分子材料 • 3.2 生物降解高分子材料的制备 及应用
诱变、致畸、免疫反应等。
Tianjin Polytechnic University
B、生物医学材料的生物相容性
材料的生物相容性与其使用的环境和条件密切相关：
与血液直接接触的材料主要考察其与血液的相互作用，
称为血液相容性 与肌肉、骨骼、皮肤等长期接触材料的生物相容性，称 为组织相容性
Tianjin Polytechnic University
生物医学工程概论 ——复习课
天津工业大学 张雯
一、生物医学工程概述
1.1 生物医学工程的定义 1.2 生物医学工程的研究内容与基本任务 1.3 生物医学工程学科的特点
Tianjin Polytechnic University
1.1 生物医学工程的定义
What is Biomedical Engineering (BME)?
Tianjin Polytechnic University
A、按材料化学组份划分
生物功能材料(Biologically Functional Materials) 采用物理或化学的方法将生物活性分子如 酶、抗体、抗原、多糖类、酯类、药物及细胞 等固定在材料表面或内部，构成具有生理功能 的生物医学材料。
对受体的遗传效应等。
Tianjin Polytechnic University
C、生物医学材料的生物安全性
目前已有的标准有：
1、ISO10993.1－1992至 ISO10993.12－1992； 2、美国ASTM（F748－82）标准； 3、我国在美国和日本的基础上，1997年由 卫生部颁布了我们自己的标准。
目前涉及较多的学科
医学、生物学、物理学、化学、 力学、材料学、制造学、电子学、 计算机科学等……
Tianjin Polytechnic University
主要研究领域
各研究领域既 相互独立，又 相互交叉，相 互支撑
Tianjin Polytechnic University
生物力学
研究生物体和力学有关的问题的学科
人工器官
当人体器官病伤而不能用常规方法医治 时，有可能给病人使用一种人工制造的装臵 来部分或全部替代病损的自然器官，以补偿、 替代或修复自然器官的功能，这样的器件或 装臵称为人工器官。
Tianjin Polytechnic University
二. 生物医用材料
2.1 定义及内涵 2.2 基本性能要求 2.3 分类方法
Tianjin Polytechnic University
B、生物医学材料的生物相容性
生物相容性——生命体组织
与非生命材料产生合乎要求
的反应(生物学行为)的一种 性能，决定于材料与活体间 的相互作用。
Tianjin Polytechnic University
B、生物医学材料的生物相容性
材料与活体间相互作用
生物降解塑料
生物可降解塑料可以在细菌、酶和微生物的侵入、 吸收及破坏下产生分子链的断裂，从而达到降解、崩 溃的结果。
生物降解塑料
生物降解塑料有两种不同的降 解方式: 一种称为生物降解，主要是由 微生物的作用使塑料分子链断 裂； 另一种称为生物崩溃，虽然也 是微生物或细菌的作用，但塑 料的降解过程表现为整体的崩 溃，是一种突变过程。
Tianjin Polytechnic University
D、按材料应用部位及功能划分
硬组织材料 软组织材料 心血管材料 血液代用材料 齿科材料 分离、过滤材料 膜透析材料 ……来自百度文库…
Tianjin Polytechnic University
生物医用材料的研究和发展方向主要为：
宿主反应
材料反应
生物材料的生物相容性评价应该分为两个方面
Tianjin Polytechnic University
B、生物医学材料的生物相容性
（1）宿主反应——生物体对生物材料的响应
即材料对机体系统的作用
包括局部和全身反应，其结果导致对机体的毒副作
用和机体对材料的排斥。
炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致