生物医学工程学科知识体系.ppt
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1、BME Biomedical Engineering生物医学工程导论生物医学工程导论/概论概论生物医学工程学生物医学工程学知识体系知识体系生物医学工程学生物医学工程学基础理论基础理论生物医学工程学生物医学工程学应用技术应用技术生物医学工程学生物医学工程学发展趋势发展趋势生物医学工程学学科体系生物医学工程学学科体系1生物医学工程学与生命生物医学工程学与生命2生物医学工程学的定义生物医学工程学的定义3生物医学工程学的层次结构生物医学工程学的层次结构4生物医学工程学的特点生物医学工程学的特点5生物医学工程学的研究范围生物医学工程学的研究范围/内容内容6生物医学工程学对医学发展的贡献生物医学工程学对医
2、学发展的贡献7生物工程与生物医学工程生物工程与生物医学工程8生物医学工程教育与产业生物医学工程教育与产业一、生物医学工程学与生命一、生物医学工程学与生命l物质文明物质文明高度发达高度发达l人们人们对于自身的认识对于自身的认识比起对非生命的客观世界的比起对非生命的客观世界的认识要逊色得多认识要逊色得多l人人享有卫生保健人人享有卫生保健l健康健康是人类是人类生命存在生命存在的正常状态的正常状态l健康健康不仅是没有疾病或者虚弱,而且是指身体的,不仅是没有疾病或者虚弱,而且是指身体的,心理的和社会的良好状态。【心理的和社会的良好状态。【WHO】健康的三个层次(温饱)健康的三个层次(温饱)l第一层(一级
3、健康)是满足第一层(一级健康)是满足生存条件生存条件,包括:,包括:l无饥饿、无病、无体弱,能精力充沛地生活和劳动,无饥饿、无病、无体弱,能精力充沛地生活和劳动,满足基本卫生要求,对健康障碍的预防和治疗具有基本满足基本卫生要求,对健康障碍的预防和治疗具有基本知识。知识。l对有科学预防方法的疾病和灾害,能够做到采取合格对有科学预防方法的疾病和灾害,能够做到采取合格的预防措施。的预防措施。l对健康的障碍能够及时采取合理的治疗和康复措施。对健康的障碍能够及时采取合理的治疗和康复措施。健康的三个层次(小康)健康的三个层次(小康)l第二层(二级健康)为满意度条件,包括:第二层(二级健康)为满意度条件,包
4、括:l一定的职业和收人,满足经济要求。一定的职业和收人,满足经济要求。l日常生活中能享用最新科技成果。日常生活中能享用最新科技成果。l自由自在地生活。自由自在地生活。健康的三个层次(富裕)健康的三个层次(富裕)l第三层(三级健康)为最高层次的健康,包括:第三层(三级健康)为最高层次的健康,包括:l通过适当训练,掌握高深知识和技术并且有条件应用通过适当训练,掌握高深知识和技术并且有条件应用这些技术。这些技术。l能过着为社会做贡献的生活。能过着为社会做贡献的生活。如何才能健康地生活?如何才能健康地生活?l新陈代谢新陈代谢l异常异常l医学医学l生物医学工程生物医学工程l社会的发展社会的发展l医学模式
5、的变革医学模式的变革二、生物医学工程学的定义二、生物医学工程学的定义l工程学工程学是建立在基础自然科学(主要是物理学,是建立在基础自然科学(主要是物理学,也涉及化学和生物学等)原理基础上的应用技术也涉及化学和生物学等)原理基础上的应用技术科学。科学。l医学医学主要致力于生命科学成果的实际应用(疾病主要致力于生命科学成果的实际应用(疾病的预防、诊断和治疗的预防、诊断和治疗预防医学和临床医学)。预防医学和临床医学)。二、生物医学工程学的定义二、生物医学工程学的定义l生物医学工程学是运用现代自然科学和工程技术生物医学工程学是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法,从工程学的角度,在多层次上研的原理和
6、方法,从工程学的角度,在多层次上研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象,研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生象,研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统的工程原理保健的人工材料、制品、装置和系统的工程原理的学科。的学科。二、生物医学工程学的定义(二、生物医学工程学的定义(NIH)l生物医学工程学是结合物理学、化学、数学和计生物医学工程学是结合物理学、化学、数学和计算机科学与工程学原理,从事生物学、医学、行算机科学与工程学原理,从事生物学、医学、行为学或卫生学的为学或卫生学的研究研究;提出基本概念,产生从分;提出基
7、本概念,产生从分子水平到器官水平的子水平到器官水平的知识知识;开发创新的生物学;开发创新的生物学制制品品、材料、加工方法、植入物、材料、加工方法、植入物、器械器械和信息学和信息学方方法法;用于疾病预防、诊断和治疗,病人康复,改;用于疾病预防、诊断和治疗,病人康复,改善卫生状况等善卫生状况等目的目的。三、生物医学工程学的层次结构三、生物医学工程学的层次结构l人体是一个多层次的人体是一个多层次的复杂的巨系统复杂的巨系统。因此,生物。因此,生物医学工程学必定具有层次结构。医学工程学必定具有层次结构。l生物医学工程学大体上可以分为三个层次生物医学工程学大体上可以分为三个层次l整体层次整体层次l器官和组
8、织层次器官和组织层次l微观层次微观层次整体层次整体层次l把人看作一个整体,或者把人和环境(自然的和把人看作一个整体,或者把人和环境(自然的和人为的)看作一个整体,考虑人的生命运动规律人为的)看作一个整体,考虑人的生命运动规律和影响因素,进而进行能动的协调和控制。和影响因素,进而进行能动的协调和控制。l人人-机环境系统工程中的生物医学工程问题机环境系统工程中的生物医学工程问题研究人和工研究人和工作环境之间的相互关系。作环境之间的相互关系。l如:如:保障工作环境中人的安全(人对各种刺激因素的生理耐保障工作环境中人的安全(人对各种刺激因素的生理耐限与心理与生理耐限)和健康(职业病防治),进而提高工作
9、限与心理与生理耐限)和健康(职业病防治),进而提高工作效率的工程问题。效率的工程问题。航空航天医学工程、航天医学。航空航天医学工程、航天医学。l中医工程中医工程用现代技术对中医学问题进行多学科综合用现代技术对中医学问题进行多学科综合研究。研究。器官和组织层次器官和组织层次l发展人体器官、组织的某些功能的补偿技术或代发展人体器官、组织的某些功能的补偿技术或代用装置及人工生物医学材料。用装置及人工生物医学材料。l如人工肾、人工肺、人工肝、人工胰、人工心瓣、人工如人工肾、人工肺、人工肝、人工胰、人工心瓣、人工血液、人工皮肤、人工感官、人工关节、假肢等等。血液、人工皮肤、人工感官、人工关节、假肢等等。
10、l发展医用传感器和人体参数测量技术,特别是无发展医用传感器和人体参数测量技术,特别是无创诊断技术和装置。创诊断技术和装置。l如生物传感技术和各种成像技术。如生物传感技术和各种成像技术。l发展新型的医疗技术制备的发展新型的医疗技术制备的系统监测系统监测装置。装置。微观层次微观层次生物技术和生物工程生物技术和生物工程l主要是指细胞和生物大分子层次上的生物医学工主要是指细胞和生物大分子层次上的生物医学工程问题。程问题。l在人为环境下,按预定的目标,控制生物系统(如生物在人为环境下,按预定的目标,控制生物系统(如生物反应器)的功能,即生物反应器的设计和运转程序的优反应器)的功能,即生物反应器的设计和运
11、转程序的优化问题。化问题。l发展高效、快速的分离技术装置,以获得高纯度的保持发展高效、快速的分离技术装置,以获得高纯度的保持生物活性的产品。生物活性的产品。l发展在生物系统的控制和生物物质分离中需要的生物传发展在生物系统的控制和生物物质分离中需要的生物传感器的检测、控制技术。感器的检测、控制技术。l生物芯片相关技术。如生物芯片相关技术。如芯片分析芯片分析。四、生物医学工程学的特点四、生物医学工程学的特点l新兴、综合、交叉与边缘科学新兴、综合、交叉与边缘科学l生物医学工程学将人体看作是由许多子系统构成生物医学工程学将人体看作是由许多子系统构成的一个整体的一个整体系统系统,并将人体各层次上的生理过
12、程,并将人体各层次上的生理过程看作是一个系统的状态变化的过程,把工程学的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医学的理论和方法有机地结合理论和方法与生物医学的理论和方法有机地结合起来,研究这类系统状态变化的规律。在此基础起来,研究这类系统状态变化的规律。在此基础上进而从上进而从工程学工程学角度去解决疾病的防治及康复问角度去解决疾病的防治及康复问题,即应用各种工程技术手段创建适宜的方法和题,即应用各种工程技术手段创建适宜的方法和仪器设备,以最有效的途径来人为地控制疾病的仪器设备,以最有效的途径来人为地控制疾病的变化过程,以达到预期的防治疾病、保障人类健变化过程,以达到预期的防
13、治疾病、保障人类健康的目的。康的目的。五、生物医学工程学的研究范围五、生物医学工程学的研究范围/内容内容l基础(理论)研究基础(理论)研究:指以认识自然现象,探索自:指以认识自然现象,探索自然规律为目的,不直接考虑应用目标的研究活动。然规律为目的,不直接考虑应用目标的研究活动。l应用基础应用基础/应用技术研究应用技术研究:指有广泛应用前景,但:指有广泛应用前景,但以获取新原理、新技术、新方法为主要目标的研以获取新原理、新技术、新方法为主要目标的研究。究。l应用研究(产品研发)应用研究(产品研发):根据在基础理论研究中:根据在基础理论研究中获得的知识,用现代技术手段具体地解决问题,获得的知识,用
14、现代技术手段具体地解决问题,包括研制新仪器,发展新技术、探索新方法。包括研制新仪器,发展新技术、探索新方法。(一)基础理论研究(一)基础理论研究l生物物理生物物理l生物力学生物力学l生物技术与生物工程生物技术与生物工程l生物控制生物控制生物系统的建模仿真及控制生物系统的建模仿真及控制(二)应用研究与应用技术(二)应用研究与应用技术l生物医学传感器和检测技术生物医学传感器和检测技术l生物材料和人工器官生物材料和人工器官l医学图像技术医学图像技术l生物医学仪器生物医学仪器l纳米技术纳米技术l组织工程组织工程l六、生物医学工程学对医学发展的贡献六、生物医学工程学对医学发展的贡献l经验医学到实验医学经
15、验医学到实验医学l医学听诊技术医学听诊技术l心电图学心电图学l放射医学放射医学l超声医学超声医学l医用光学医用光学l人工器官人工器官l诊疗仪器与诊疗技术诊疗仪器与诊疗技术l社会发展社会发展(一)经验医学到实验医学的转变(一)经验医学到实验医学的转变l随着光学显微镜的出现,医学领域相继诞生了细随着光学显微镜的出现,医学领域相继诞生了细胞学、组织学、细胞病理学,从而将医学研究提胞学、组织学、细胞病理学,从而将医学研究提高到细胞形态学水平,为现代医学奠定了基础。高到细胞形态学水平,为现代医学奠定了基础。l光学显微镜,推动了解剖学向微观层次发展。光学显微镜,推动了解剖学向微观层次发展。l电子显微镜使得
16、人们能够研究细胞内核结构电子显微镜使得人们能够研究细胞内核结构DNA、RNA等大分子变化,于是医学跨入了超微结构时等大分子变化,于是医学跨入了超微结构时代。代。(二)医学听诊技术的建立(二)医学听诊技术的建立l由由纸筒听诊器纸筒听诊器进化到包括拾音器、导管和耳塞三进化到包括拾音器、导管和耳塞三个部分组成的个部分组成的听诊器听诊器。l现在的电子听诊器现在的电子听诊器由传感器、放大器和电听筒等由传感器、放大器和电听筒等部分组成,可供多位医生同时听诊。电子听诊器部分组成,可供多位医生同时听诊。电子听诊器还可以配备一套自动记录、示波和运算设备,并还可以配备一套自动记录、示波和运算设备,并把听诊数据输入
17、电子计算机。把听诊数据输入电子计算机。(三)心电图学的形成(三)心电图学的形成l1903年,年,Einthoven制成了第一部用于记录心脏制成了第一部用于记录心脏电位的心电图机。电位的心电图机。l1912年研究了正常心电图的变动范围,提出了胸年研究了正常心电图的变动范围,提出了胸导联测量心电图,现在心电图已经成为最基本的导联测量心电图,现在心电图已经成为最基本的身体检查和疾病诊断的一个手段,形成了现在的身体检查和疾病诊断的一个手段,形成了现在的心电图学。心电图学。l1924年成为诺贝尔生理学或医学奖获奖者。年成为诺贝尔生理学或医学奖获奖者。(四)放射医学的创建(四)放射医学的创建l1895年,
18、德国科学家威廉年,德国科学家威廉伦琴发现了伦琴发现了X射线,射线,为他的妻子的手拍摄了有史以来第一张为他的妻子的手拍摄了有史以来第一张X射线的透射线的透视照片,由于视照片,由于X射线可以穿透皮肉透视手掌、骨骼射线可以穿透皮肉透视手掌、骨骼,在医疗上很有用处。,在医疗上很有用处。l1898-1904年,居里夫人和她的丈夫皮埃尔首次年,居里夫人和她的丈夫皮埃尔首次从铀矿中分离出强有力的放射性元素镭。镭在医从铀矿中分离出强有力的放射性元素镭。镭在医学上作为癌症治疗的物质起过很重要的作用,从学上作为癌症治疗的物质起过很重要的作用,从而有了放射治疗学的雏形。而有了放射治疗学的雏形。l1910年,居里夫人
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