生物医学工程导论 ppt课件

本构规律：指生物体、组织器官的力学性质，特别是其应力与 应变的规律，称为本构规律。 本构方程：如果能将本构规律以数学方程的形式表达出来，这 一方程即称为本构方程。
进入 60 年代以后，微电子学、信息科学、 计算机科学、控制论、工程力学及材料科学等 的迅速发展并紧密地与医学结合，导致大量的 医疗仪器设备如 X线机、超声仪、心电图、脑 电图及球式机械人工心脏瓣膜等广泛地应用于 临床。这些对医学进步，对临床诊疗水平的提 高起到了极大的推动作用，产生了巨大的社会 效益；另外，医疗器械产业已形成规模，产生 了巨大的经济效益。由此，生物医学工程学这 一新兴的边缘学科作为一门独立的学科成立， 成为时代的需要。
第一章 概述

什么叫生物医学工程
生物医学工程（Biomedical Engineering, BME）是运用自然科学和 工程技术的原理和方法，研究人的生理、病理过程，揭示人体的生命现 象，并从工程角度解决防病治病问题的一门综合性高技术学科。
我国著名科学家顾方舟先生在‚中国生物医学工程的今天与明天‛ 一书中这样写到‚生物医学工程学是这样一门学科：它把人体各个层次 上的生命过程（包括病理过程）看作是一个系统的状态变化的过程；把 工程学的理论和方法与生物学、医学的理论和方法有机地结合起来去研 究这类系统状态变化的规律，并在此基础上，应用各种工程技术手段， 建立适宜的方法和装置，以最有效的途径，人为地控制这种变化，以达 预定的目标。生物医学工程学的根本任务在于保障人类健康，为疾病的 预防、诊断、治疗和康复服务。
应用技术方面， X 射线计算机断层扫描 装置（X-线 CT,X-Computed Tomography）在 短短的二十年间已发展到第五代，同位素断 层图像的放射型CT（ECT)，使单纯形态检查 发展到功能诊断，多种断层技术使医学影像 成为临床诊断的支柱；
生物传感器的问世，使有机物的测量进入了无试剂分析的时代， 使连续动态监测体内有机成分成为可能；
但是，另一方面，由于生物医学工程的进 步，高技术的医疗仪器装备层出不穷，使得医 疗保健费用呈指数曲线急剧上升，成为整个社 会越来越沉重的负担。目前这个负担已经沉重 到北美、西欧等经济发达国家都难以承受的地 步。 具有讽刺意义的是，当初推动生物医学工 程发展的原因之一是指望借助于工程的方法来 控制医疗费用的膨胀。但结果却事与愿违，生 物医学工程技术越发达，医疗费用增长所造成 的社会负担却越沉重。
美国、日本和西方一些国家成立了医学 电子学和生物医学工程学组织。世界性的国 际生物医学工程联合会于1965年正式成立。 七十年代以后，生物医学工程涉及到生 物医学的各个方面，并取得长足的发展。理 论研究方面，利用生物系统建模与仿真技术 对极为复杂的生命现象和生理过程的机制进 行定量描述，如胰岛素释放控制模型和传染 病流行模型等；生物力学对骨、软组织和血 液的流变特性作了系统的研究，对心血管中 血液流动建立了更接近生理的本构方程；
工程技术的有机结合，甚至涉及社会伦理学。这种大跨度
（从非生命科学到生命科学，乃至从自然科学到人文科学） 的综合，是传统学科所没有的，其发展需要工程技术与医 学两方面人材的密切结合。 既为医学、生物学提供技术与装备，又为医学、生物学的 发展开辟新路：因此它是变革医学和生物学本身的一支重 要力量。 社会效益与经济效益的结合。医学注重社会效益，工程学 注重经济效益，生物医学工程才是二者必然的结合。
生物医学工程是理、工、医相结合 的新兴边缘学科，是多种工程学科向生 物学、医学渗透并相互作用的结果。虽 然它作为一门独立的学科发展的历史尚 不太长（ 50 年），但由于它在保障人类 健康方面所起的巨大作用，它已经成为 当前医疗保健性产业的重要基础和支柱， 许多国家都将其列为高技术领域。
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以人工心脏瓣膜这一典型的生物医学工程项目 为例，为了进行人工心脏瓣膜的设计和制造，人们 需要作如下工作： 1.了解心脏瓣膜开启和关闭的机理，弄清人体 心脏瓣膜的运动学和力学特性（定量）； 2. 解决人工心脏瓣膜材料问题（相容性、毒性、 力学性质和制备工艺等）；
3.了解人工心脏机械瓣和生物瓣的力学特性和 疲劳寿命，以及植入心脏后的长期生物效应等 。
人工心脏瓣膜的制作和质量控制与监测等还要 涉及一系列工程问题，此外还有成本控制问题。
风湿性心脏病
生物医学工程的特点：
大跨度的、多学科的综合性应用学科。以人工器官为例， 它需要生物材料学、生物力学、生理学及有关机电、化工
单板机、单片机使得医疗仪器微型化、智能化；
高性能个人计算机的出现，使医疗仪器具有了多功能化特征，集 医学信息采集、检测、处理和管理为一体，大大地提高了医疗效能；网 络技术和虚拟技术的实用化，使远程医疗成为现实.
现代医学基本上是构筑在生物医学工程的基础上。 四大影像设备、各种生物电和器官压力流量监测等功 能检查设备、各种自动生化分析仪器，是现代临床诊 断的基础；射频仪、碎石机治愈了不少的患者；除颤 器、埋藏式心脏起搏器和人工心瓣膜挽救和维持了全 世界数百万心脏病人的生命；人工肾等血液净化技术， 维持着数十万肾功能衰竭病人的正常生活；人工晶体、 人工关节、功能性假体已广泛用于伤残人的康复和功 能辅助；生物力学的研究，对动脉粥样硬化的血栓形 成认识及对骨外科器具和人工器官的设计起了十分重 要的作用。总之，现代医学的进步离不开生物医学工 程的发展，反过来又提出了新的课题，促进生物医学 工程的进步。
1.1 生物医学工程学的发展状况
生物医学工程是从20世纪50年代以来，随着电子学、材 料学、工程力学、信息科学和电子计算机等多种学科的进步 并广泛应用于医学和生物学领域而逐渐形成和发展的。电子 学的渗入使心电、脑电、心音、B超等实用诊断技术逐步地 出现和应用于临床；人体植入性心脏起搏器研制成功挽救了 成千上万心脏病患者的生命；与材料科学的结合，成功地研 制出如医用硅橡胶、医用聚氨酯和有机玻璃制作的人工股骨 等人体功能辅助及卫生保健材料和制品；工程力学原理和方 法的运用，使人们能够定量地研究血液在心血管中流动特性， 建立了本构方程来刻画血液的流动行为；以医用材料为基础 的多学科相结合，开始早期的人工器官如人工肾、人工肺、 人工晶体、人工心瓣膜的研制和临床应用。