生物医学工程学的基础理论.ppt

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1、生物医学工程学的基础理论 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望内容目录内容目录w生物医学工程学的内涵生物医学工程学的内涵w生物医学工程学的基础理论生物医学工程学的基础理论w生物医学工程学的应用技术生物医学工程学的应用技术w生物医学工程学的新理论和新技术生物医学工程学的新理论和新技术生物医学工程学的理论基础生物电磁学生物电磁学生物电磁学w生物电磁学的早期研究生物电磁学的早期研究w生物电磁学的定义及其研究范围生物电磁学的定义及其研究范围w生物电磁现象生物电磁

2、现象w电磁波的生物学效应及其在医学上的应用电磁波的生物学效应及其在医学上的应用w生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准w生物电磁场热点问题生物电磁场热点问题生命的火生命的火花花生物电磁学的早期研究生物电磁学的早期研究wGalvaniwVoltwEinthovenwBergerwMcFee生物电磁学的定义生物电磁学的定义w生物电磁学是研究生物体电现象和磁现象生物电磁学是研究生物体电现象和磁现象以及生物电磁的应用的一门学科。以及生物电磁的应用的一门学科。w生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之上的侧重于从宏观角度研究生物电现象和上的侧

3、重于从宏观角度研究生物电现象和生物磁现象。生物磁现象。w现代生物电磁学在很多方面都已深入到细现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的研究水平。胞级甚至是分子级的研究水平。生物电磁学的研究范围生物电磁学的研究范围w外界电磁波（场）与生物体的相互作用外界电磁波（场）与生物体的相互作用a主要包括生物组织的介电特性、各层次的生物主要包括生物组织的介电特性、各层次的生物学效应及其作用机理、生物电磁剂量容许暴露学效应及其作用机理、生物电磁剂量容许暴露限值、生物医学中的应用及用于生物和医疗的限值、生物医学中的应用及用于生物和医疗的辐射系统等。辐射系统等。Bioelectromagneticsw

4、生物体自身产生的电磁现象生物体自身产生的电磁现象a主要包括电磁现象的产生机理，电磁信号的测主要包括电磁现象的产生机理，电磁信号的测量、处理和应用等。量、处理和应用等。Bioelectromagnetism 生物电磁现象生物电磁现象w生物电现象生物电现象a心电心电a脑电脑电a肌电肌电a其它生物电其它生物电w生物磁场现象生物磁场现象心电心电w心脏的传导系统心脏的传导系统是指由一系列特殊心脏细是指由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系统。胞联结组成的传导系统。w心脏传导系统的细胞组织既有自动产生心脏传导系统的细胞组织既有自动产生兴兴奋奋的功能，又有较一般心肌细胞更快的的功能，又有较一般心肌细胞更快的传

5、传导导功能，使兴奋有节律地按一定顺序传播，功能，使兴奋有节律地按一定顺序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持血液循环。以维持血液循环。w心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在兴奋过程中产生微弱电流，该电流经人体兴奋过程中产生微弱电流，该电流经人体组织向各部分传导。组织向各部分传导。w由于身体各部分的组织不同，各部分与心由于身体各部分的组织不同，各部分与心脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，表现出表现出不同的电位变化不同的电位变化，这种人体心脏内，这种人体心脏内电活动所产生的

6、表面电位与时间的关系称电活动所产生的表面电位与时间的关系称为为心电图心电图，也称，也称体表心电图体表心电图。w心电活动的信息可以通过固定在皮肤上的心电活动的信息可以通过固定在皮肤上的电极取得。电极取得。w根据电极放置位置的不同可组成各种导联。根据电极放置位置的不同可组成各种导联。在实用上为了统一标准以便进行对比分析，在实用上为了统一标准以便进行对比分析，国际上均采用标准国际上均采用标准12导联。导联。心电基础理论的研究心电基础理论的研究w心导管术心导管术w希氏束电图希氏束电图w心室晚电位心室晚电位w体表等电位标测体表等电位标测wHolter动态心电图动态心电图w高频心电图高频心电图心电正问题心

7、电正问题w心电正问题是在已知心脏状态下，依据心心电正问题是在已知心脏状态下，依据心肌的电生理特性参数，通过建立心脏模型肌的电生理特性参数，通过建立心脏模型和人体躯干模型用仿真的方法来研究心肌和人体躯干模型用仿真的方法来研究心肌的兴奋是如何传播及如和形成体表电位的。的兴奋是如何传播及如和形成体表电位的。w正常心脏状态下，窦房结周期性产生的兴正常心脏状态下，窦房结周期性产生的兴奋按心房肌、房室结、奋按心房肌、房室结、His束、左右束支、束、左右束支、浦肯野氏纤维网和心室肌这样一个顺序传浦肯野氏纤维网和心室肌这样一个顺序传播的。播的。w心电仿真首先按某一仿真算法模拟这个兴心电仿真首先按某一仿真算法模

8、拟这个兴奋传播过程，然后由心动周期中某一时刻奋传播过程，然后由心动周期中某一时刻各兴奋的心肌所产生的动作电位求出该时各兴奋的心肌所产生的动作电位求出该时刻的心电源大小，再用边界元法等数值算刻的心电源大小，再用边界元法等数值算法求出心电源在体表产生的电位。法求出心电源在体表产生的电位。w有了心电仿真模型，通过设置其模型参数有了心电仿真模型，通过设置其模型参数可以仿真多种心脏病。可以仿真多种心脏病。a例如，通过去除心脏模型中某一区域的心肌单例如，通过去除心脏模型中某一区域的心肌单元可以仿真心肌梗塞；通过减慢束支的兴奋传元可以仿真心肌梗塞；通过减慢束支的兴奋传导速度可以仿真束支传导阻滞；通过设置预激

9、导速度可以仿真束支传导阻滞；通过设置预激点可以仿真预激综合征；通过增加心室的心肌点可以仿真预激综合征；通过增加心室的心肌单元可以仿真心室肥大等等。单元可以仿真心室肥大等等。w只要你有充分的想象力，你可以利用心电只要你有充分的想象力，你可以利用心电仿真模型来研究任意心脏生理病理状态下仿真模型来研究任意心脏生理病理状态下的电兴奋传播过程及其在体表面产生的电的电兴奋传播过程及其在体表面产生的电位分布。位分布。w应用心电仿真模型还可以应用心电仿真模型还可以研究许多心脏病研究许多心脏病的形成机理的形成机理。例如。例如a引发心律失常的折返的形成机理是什么引发心律失常的折返的形成机理是什么?a在什么样的情况

10、下才能建立起折返在什么样的情况下才能建立起折返?a心肌兴奋传播的速度对心律失常有何影响？心肌兴奋传播的速度对心律失常有何影响？a心肌缺血达到何种程度才能在心电图上有所反心肌缺血达到何种程度才能在心电图上有所反映？映？aa这些对心脏病的诊断特别是这些对心脏病的诊断特别是定量诊断定量诊断方面有重方面有重要意义。要意义。心电逆问题心电逆问题w心电逆问题是指根据体表电位的分布、人心电逆问题是指根据体表电位的分布、人体的几何形状以及躯干容积导体的电特性，体的几何形状以及躯干容积导体的电特性，通过数学物理方法来求得心脏电活动的定通过数学物理方法来求得心脏电活动的定量解。量解。w心电正问题心电正问题：通过设

11、置心电仿真模型的模：通过设置心电仿真模型的模型参数，可以研究不同心脏生理病理状态型参数，可以研究不同心脏生理病理状态下的体表电位分布情况。下的体表电位分布情况。w心电逆问题心电逆问题：如果能从体表电位逆推出心：如果能从体表电位逆推出心电仿真模型的模型参数，那么由这些模型电仿真模型的模型参数，那么由这些模型参数就可确定心脏所处的状态。参数就可确定心脏所处的状态。w利用心电逆问题的解反映出病变心肌的位利用心电逆问题的解反映出病变心肌的位置、大小及病变程度等定量信息置、大小及病变程度等定量信息。脑电脑电w人类大脑神经细胞数量达人类大脑神经细胞数量达150亿个。神经元亿个。神经元像人体中的其他细胞一样

12、，具有生物电活像人体中的其他细胞一样，具有生物电活动。动。w大脑皮层中单个神经元的膜电位通常在头大脑皮层中单个神经元的膜电位通常在头皮上检测不到，在头皮上检测到的电位变皮上检测不到，在头皮上检测到的电位变化化脑电波脑电波是由大脑皮层中无数个神经是由大脑皮层中无数个神经元同步化的电活动所形成。元同步化的电活动所形成。w脑电图的医学应用脑电图的医学应用a脑功能的临床诊断和神经生理研究脑功能的临床诊断和神经生理研究w诸如诊断颅内占位性病变、癫痫、针麻观察及航空诸如诊断颅内占位性病变、癫痫、针麻观察及航空神经生理研究等。神经生理研究等。w脑电图的记录方法脑电图的记录方法a电极在头皮上安放的方法通常采用

13、电极在头皮上安放的方法通常采用国际标准国际标准10/20电极位置系统电极位置系统。a和心电图相同，脑电图的电极连接可采用和心电图相同，脑电图的电极连接可采用单极单极或或双极导联双极导联方式。方式。w自发脑电图自发脑电图（EEG）产生的基本原理产生的基本原理a脑神经细胞的生物电活动。脑神经细胞的生物电活动。a同步化作用通常被认为受脑干（皮下层中枢）同步化作用通常被认为受脑干（皮下层中枢）的控制。因此，大脑皮层具有持续、广泛而有的控制。因此，大脑皮层具有持续、广泛而有节律的电位变化，这种不受外界刺激的脑电变节律的电位变化，这种不受外界刺激的脑电变化称为化称为自发脑电位自发脑电位。w诱发脑电位诱发脑

14、电位（EP）a脑的自发电活动（脑电）可以为直接的或外界脑的自发电活动（脑电）可以为直接的或外界的确定性刺激（电、光、声等刺激）所影响，的确定性刺激（电、光、声等刺激）所影响，产生另一种局部化的电位变化称为产生另一种局部化的电位变化称为诱发脑电位诱发脑电位。w脑电图的特点脑电图的特点a脑电图是一种随机性很强的生理信号，其规律脑电图是一种随机性很强的生理信号，其规律性不如心电图明确，通常将脑电图的性不如心电图明确，通常将脑电图的振幅振幅和和频频率成分率成分作为脑电诊断时的主要依据，而频率成作为脑电诊断时的主要依据，而频率成分显得尤为重要，因为大脑活动的程度与脑电分显得尤为重要，因为大脑活动的程度与

15、脑电图的平均频率之间有密切的关系。图的平均频率之间有密切的关系。a在国际上，一般将正常脑电活动相关的脑电波在国际上，一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分成五种类型，频率由高到低依次频率范围划分成五种类型，频率由高到低依次为为波、波、波、波、波、波、波、波、波。波。a波通常在觉醒、安静和闭眼时出现在枕叶。波通常在觉醒、安静和闭眼时出现在枕叶。a波具有较高的频率，常见于紧张的精神活动波具有较高的频率，常见于紧张的精神活动期间。期间。a波主要见于儿童和成人浅睡时，出现在顶部波主要见于儿童和成人浅睡时，出现在顶部和颞部。和颞部。a波出现于成人深睡时，以及早产婴儿和幼儿。波出现于成人深睡时，以及早

16、产婴儿和幼儿。成人极度疲劳和麻醉时也出现成人极度疲劳和麻醉时也出现波。波。a波是由注意或感觉刺激引起的一种低幅高频波是由注意或感觉刺激引起的一种低幅高频波。波。a自发脑电活动通常以一种占优势的频率为其标自发脑电活动通常以一种占优势的频率为其标志。志。a自发脑电信号较弱，在正常情况下，从波峰到自发脑电信号较弱，在正常情况下，从波峰到波谷（幅值）为波谷（幅值）为10-100V，其频率范围为，其频率范围为150Hz。a波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平有关，且存在很大的个体差异。也就是的水平有关，且存在很大的个体差异。也就是说脑电波在不同的正常人中

17、也存在着不同的表说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。现。w脑电图波可以因大脑皮层和脑干病理所改脑电图波可以因大脑皮层和脑干病理所改变。变。a例如皮层中电活动的消失或阻尼可能是由于肿例如皮层中电活动的消失或阻尼可能是由于肿瘤压迫在神经元上并使其损伤，也可能是由于瘤压迫在神经元上并使其损伤，也可能是由于循环障碍引起缺氧，出血或栓塞。循环障碍引起缺氧，出血或栓塞。a脑电图的波形也受影响意识水平的脑干中的病脑电图的波形也受影响意识水平的脑干中的病理过程所影响。理过程所影响。w脑电图是诊断某些精神疾患的重要依据。脑电图是诊断某些精神疾患的重要依据。a例如在临床上可检查疑似癫痫和脑肿瘤病人，例如在

18、临床上可检查疑似癫痫和脑肿瘤病人，还可以用于测定意识水平和确定大脑的死亡。还可以用于测定意识水平和确定大脑的死亡。w采用诱发电位研究采用诱发电位研究感觉系统投射部位感觉系统投射部位及及大大脑皮层功能脑皮层功能有重要作用。诱发电位可在脑有重要作用。诱发电位可在脑皮层和中枢神经系统的其他部位（如丘脑、皮层和中枢神经系统的其他部位（如丘脑、中脑等）引出。可从一个角度阐明中枢神中脑等）引出。可从一个角度阐明中枢神经系统各部分之间、大脑皮层各部分以及经系统各部分之间、大脑皮层各部分以及皮层下不同细胞成分相互作用的机制。皮层下不同细胞成分相互作用的机制。w人的精神状态对脑电活动有极大影响，因人的精神状态对

19、脑电活动有极大影响，因此，脑电图对此，脑电图对高级神经活动高级神经活动特别是特别是心理活心理活动动具有重要意义，这对于模拟大脑功能及具有重要意义，这对于模拟大脑功能及认知研究、人工智能研究等都具有非常重认知研究、人工智能研究等都具有非常重要的意义。要的意义。肌电肌电w人体骨骼肌数以百计。每块肌肉都有许多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，肌细胞（肌纤维）借结缔组织连接在一起，两端和肌腱相连，加上供应它们的神经、两端和肌腱相连，加上供应它们的神经、血管和淋巴管共同形成。每块肌肉附着在血管和淋巴管共同形成。每块肌肉附着在骨骼及其他结缔组织上，在神经系统的管骨骼

20、及其他结缔组织上，在神经系统的管理下，成为一个具有执行一定运动机能的理下，成为一个具有执行一定运动机能的机械效应系统。机械效应系统。w兴奋和收缩是骨骼肌的最基本机能，也是兴奋和收缩是骨骼肌的最基本机能，也是肌电图形成的基础。肌电图形成的基础。肌电图肌电图是不同机能状是不同机能状态下骨骼肌电位变化的记录，这种电位变态下骨骼肌电位变化的记录，这种电位变化与肌肉的结构、收缩时的化学变化有关。化与肌肉的结构、收缩时的化学变化有关。w在肌细胞中存在在肌细胞中存在4种种不同的生物电位：静息不同的生物电位：静息电位（电位（RP）、动作电位（）、动作电位（AP）、终板电位）、终板电位（EPP）和损伤电位（）和

21、损伤电位（IP）。）。w肌电图能直接反映肌电图能直接反映肌肉活动的机能状态肌肉活动的机能状态，有助于了解各部分肌肉在完成某一动作中有助于了解各部分肌肉在完成某一动作中所表现的作用。所表现的作用。肌电图机的临床应用肌电图机的临床应用w在临床上，肌电图机可用来对多种肌肉在临床上，肌电图机可用来对多种肌肉/神神经性疾患进行诊断。经性疾患进行诊断。a例如可用肌电图来鉴别神经性肌萎缩以及肌源例如可用肌电图来鉴别神经性肌萎缩以及肌源性肌萎缩；判别神经损伤的程度和部位；可作性肌萎缩；判别神经损伤的程度和部位；可作神经再生和矫形手术前后肌肉功能的分析；可神经再生和矫形手术前后肌肉功能的分析；可用来作针灸、针麻

22、、咀嚼肌功能、膀胱括约肌用来作针灸、针麻、咀嚼肌功能、膀胱括约肌功能、子宫功能等研究的手段。功能、子宫功能等研究的手段。a在运动医学方面，肌电图机也可用来分析各种在运动医学方面，肌电图机也可用来分析各种运动时肌肉的作用、力量和疲劳的肌电图指标运动时肌肉的作用、力量和疲劳的肌电图指标等。等。其他生物电其他生物电w生物体除心脏及脑的活动能产生电现象外，生物体除心脏及脑的活动能产生电现象外，许多其他器官、组织都存在不同程度的电许多其他器官、组织都存在不同程度的电现象。现象。a视网膜电图、眼电图及眼震电图视网膜电图、眼电图及眼震电图a胃电图（胃电图（EGG）电磁波的生物学效应电磁波的生物学效应w热效应

23、热效应w非热效应非热效应 电磁波在医学上的应用电磁波在医学上的应用w除利用电磁波的生物效应用于疾病的治疗除利用电磁波的生物效应用于疾病的治疗或辅助治疗外，利用外加电磁波进行生物或辅助治疗外，利用外加电磁波进行生物医学医学检测检测的临床应用和研究也进一步深入。的临床应用和研究也进一步深入。w电磁波生物医学检测就是利用外加电磁波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的电磁能，经组织传输、作用于生物组织的电磁能，经组织传输、吸收和散射，被反射或透射的信号将携带吸收和散射，被反射或透射的信号将携带生物体的物理或几何信息，通过检测和分生物体的物理或几何信息，通过检测和分析这些信号可获得有关生

24、物学信息，利用析这些信号可获得有关生物学信息，利用不同的参数可进行生物成分、结构和功能不同的参数可进行生物成分、结构和功能的检测分析。的检测分析。a如核磁共振技术和核磁共振成像技术、微波介如核磁共振技术和核磁共振成像技术、微波介电特性成像、微波热弹性成像、微波多普勒检电特性成像、微波热弹性成像、微波多普勒检测、生物介电谱技术等，都有不同程度的实际测、生物介电谱技术等，都有不同程度的实际应用。应用。微波微波的生物效应及其在医学上的应用的生物效应及其在医学上的应用w微波微波的医学应用包括有微波诊断、微波治的医学应用包括有微波诊断、微波治疗、微波消毒、杀菌等。目前，微波在透疗、微波消毒、杀菌等。目前

25、，微波在透热疗法及肿瘤治疗等方面也发挥了重要作热疗法及肿瘤治疗等方面也发挥了重要作用。用。w微波辐射对人体和动物的作用是热效应和微波辐射对人体和动物的作用是热效应和非热效应共同作用的结果。当辐射功率超非热效应共同作用的结果。当辐射功率超过一定阈值后，以热效应为主，其生物学过一定阈值后，以热效应为主，其生物学效应与其他热引起的效应相似。效应与其他热引起的效应相似。w微波选择性局部加微波选择性局部加热热，是一种有效的现代，是一种有效的现代化热疗方法，适量的局部照射，可提高局化热疗方法，适量的局部照射，可提高局部生物组织的新陈代谢，诱导产生一系列部生物组织的新陈代谢，诱导产生一系列的物理化学变化，达

26、到解痉镇痛、抗炎脱的物理化学变化，达到解痉镇痛、抗炎脱敏、促进生长等作用。敏、促进生长等作用。w根据照射能量的不同可分为温热治疗、高根据照射能量的不同可分为温热治疗、高温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法。温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法。w根据使用频率的不同，而对皮肤的穿透深根据使用频率的不同，而对皮肤的穿透深度不同，又可分为浅表热疗、深部透热治度不同，又可分为浅表热疗、深部透热治疗。疗。w微波对人体和动物的作用具有两重性。微波对人体和动物的作用具有两重性。a一方面，如果辐射剂量控制适当，对人体和动一方面，如果辐射剂量控制适当，对人体和动物可以产生良好的刺激作用：加速血液循环，物可以产生良好

27、的刺激作用：加速血液循环，血管扩张；刺激器官功能，促进新陈代谢，改血管扩张；刺激器官功能，促进新陈代谢，改善局部营养，从而促进机体的修复与再生；甚善局部营养，从而促进机体的修复与再生；甚至选择性杀灭肿瘤细胞，增强机体抗电离辐射至选择性杀灭肿瘤细胞，增强机体抗电离辐射的能力。因此微波辐射疗法已广泛应用于临床。的能力。因此微波辐射疗法已广泛应用于临床。a另一方面，高强度微波辐射或低强度的长期照另一方面，高强度微波辐射或低强度的长期照射都有可能对人体健康产生不良影响，形成所射都有可能对人体健康产生不良影响，形成所谓的谓的“无线电波作用综合征无线电波作用综合征”。毫米波毫米波生物学效应及其在医学上的应

28、用生物学效应及其在医学上的应用w毫米波是指自由空间波长在毫米波是指自由空间波长在110mm的电磁的电磁波，相应的频率范围是波，相应的频率范围是30300GHz，处于，处于微波波段的高频段。微波波段的高频段。w毫米波在生物效应方面的特点，使其在医毫米波在生物效应方面的特点，使其在医学临床应用中有某些学临床应用中有某些特色和优点特色和优点。a具有非侵入性，对机体无损伤，易于配合药物具有非侵入性，对机体无损伤，易于配合药物或其他疗法进行治疗。或其他疗法进行治疗。a治疗剂量小，基本无变态反应，无副作用和远治疗剂量小，基本无变态反应，无副作用和远期后遗症。期后遗症。a毫米波能提高机体的总紧张度，从而使患

29、者有毫米波能提高机体的总紧张度，从而使患者有舒服的感觉；有抗应激因子的作用，能提高机舒服的感觉；有抗应激因子的作用，能提高机体的免疫力；还可镇定止痛。体的免疫力；还可镇定止痛。a能改善人体的耐毒状态，提高血液的质量，而能改善人体的耐毒状态，提高血液的质量，而且有明显的升白作用。且有明显的升白作用。生物磁场的来源生物磁场的来源w生物电流是引起生物磁场的源泉。生物电流是引起生物磁场的源泉。w由生物磁性材料产生的感应场。由生物磁性材料产生的感应场。w生物体本身含有的磁性物质产生的磁场。生物体本身含有的磁性物质产生的磁场。生物磁场检测的特点生物磁场检测的特点w测定生物磁场时，无需使用电极就能测得测定生

30、物磁场时，无需使用电极就能测得生物组织的内源电流。生物组织的内源电流。w可以同时测量恒定的生物磁场和交变的生可以同时测量恒定的生物磁场和交变的生物磁场。物磁场。w可以获得生物磁场的三维空间分布。可以获得生物磁场的三维空间分布。w通过测量体外磁场强度和分布，可以了解通过测量体外磁场强度和分布，可以了解体内强磁性物质的含量和分布，有助于诊体内强磁性物质的含量和分布，有助于诊断和检查某些职业病。断和检查某些职业病。生物磁测量生物磁测量w人体磁性活动具有普遍性，但限于检测水人体磁性活动具有普遍性，但限于检测水平和应用，目前探测到的只有心磁场、脑平和应用，目前探测到的只有心磁场、脑磁场、肺磁场、肌磁场、

31、眼磁场、肝磁场磁场、肺磁场、肌磁场、眼磁场、肝磁场等。等。磁场的生物学效应磁场的生物学效应w1磁场的生物物理作用磁场的生物物理作用w2引起生物效应的磁场的物理因素引起生物效应的磁场的物理因素w3磁场对人体的作用磁场对人体的作用w磁场疗法（简称磁场疗法（简称磁疗磁疗）是在人体的一定部）是在人体的一定部位（位（经穴经穴或患处）施加恒定或变化的磁场或患处）施加恒定或变化的磁场治疗疾病的方法。治疗疾病的方法。w磁场具有镇痛、镇静、上泻、消炎等功能。磁场具有镇痛、镇静、上泻、消炎等功能。临床上已能治疗急性扭挫伤、腰肌劳损、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、支风湿性关节

32、炎、高血压、神经性头痛、支气管哮喘、功能性腹泻、痛经等数十种常气管哮喘、功能性腹泻、痛经等数十种常见病和多发病。见病和多发病。生物电磁剂量学生物电磁剂量学w确定什么样的电磁场产生何种效应，这就确定什么样的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受需要测定生物体在特定照射条件下所接受的剂量。的剂量。w一般采用单位质量吸收的功率，描述生物一般采用单位质量吸收的功率，描述生物体受到电磁场作用的实际强度，方法学上体受到电磁场作用的实际强度，方法学上又分为又分为理论剂量学理论剂量学和和实验计量学实验计量学。电磁辐射的安全标准电磁辐射的安全标准w为了防止电磁场有害效应对人类健康产生为了防

33、止电磁场有害效应对人类健康产生危害，需要研究人体接受照射的安全电平危害，需要研究人体接受照射的安全电平和各种电磁设备的容许泄露电平，从而制和各种电磁设备的容许泄露电平，从而制定出电磁辐射卫生定出电磁辐射卫生标准标准，为环境控制和预，为环境控制和预防医学服务。防医学服务。生物磁场的热点问题生物磁场的热点问题w一、低强度低频磁场的生物学效应一、低强度低频磁场的生物学效应w二、通信系统电磁场的生物学效应二、通信系统电磁场的生物学效应w三、毫米波非热生物学效应三、毫米波非热生物学效应w四、电磁波热疗和电化学治疗四、电磁波热疗和电化学治疗w五、磁刺激的医学应用五、磁刺激的医学应用生物医学工程学的基础理论

34、生物力学生物力学生物力学w生物力学是应用力学原理和方法对生物体生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支，是研究力与生物体运动、生理、病分支，是研究力与生物体运动、生理、病理之间关系的学科。理之间关系的学科。w生物力学是力学与生物学和医学交叉的学生物力学是力学与生物学和医学交叉的学科，为解决生命科学的许多问题提供了力科，为解决生命科学的许多问题提供了力学的基本理论和分析方法，又为力学开辟学的基本理论和分析方法，又为力学开辟了一个广阔的新领域。了一个广阔的新领域。生物力学生物力学w生物力学的发展简史生物力学的发展简史w生物力学

35、的研究内容生物力学的研究内容w生物力学的研究方法生物力学的研究方法w生物力学的研究特点生物力学的研究特点生物力学的发展简史生物力学的发展简史w哈维（哈维（Harvey）w马尔皮基（马尔皮基（Malpighi）w博雷利（博雷利（Borelli）w欧拉（欧拉（Euler）w兰姆（兰姆（Lamb）w托马斯托马斯杨（杨（Young）w黑尔斯黑尔斯w泊肃叶（泊肃叶（Poiseuille）w赫姆霍兹（赫姆霍兹（Helmholtz）w弗兰克（弗兰克（Frank）w斯塔林（斯塔林（Starling）w克劳（克劳（Krogh）w希尔（希尔（Hill）w冯元祯（冯元祯（Y.C.Fung）生物力学的研究内容生物力学

36、的研究内容w生物力学的基础是能量守恒、动量定律、生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。程。w生物力学研究的重点是与生理学、医学有生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。关的力学问题。w依研究对象的不同可分为依研究对象的不同可分为生物流体力学生物流体力学、生物固体力学生物固体力学和和运动生物力学运动生物力学等。等。生物力学的研究方法生物力学的研究方法w生物力学的研究方法和其他各种物理问题生物力学的研究方法和其他各种物理问题和工程问题的研究方法有较多的相似之处。和工程问题的研究方法有较多的相似之处。主要通过三条途径

37、来解决问题：主要通过三条途径来解决问题：a用解析或数值方法来求解数学模型用解析或数值方法来求解数学模型a用试验的方法来测定物理模型或实际实验样品用试验的方法来测定物理模型或实际实验样品a对现场进行分析研究对现场进行分析研究 a分析生物的形态，器官的解剖及组织的结构和分析生物的形态，器官的解剖及组织的结构和微结构，以了解所研究对象的几何特点。微结构，以了解所研究对象的几何特点。a测定组织和材料的力学性质，确定本构关系。测定组织和材料的力学性质，确定本构关系。a根据根据物理学中的基本原则物理学中的基本原则和组织的本构方程，和组织的本构方程，导出其主要的微分和积分方程。导出其主要的微分和积分方程。a

38、分析器官工作的环境和状况，得到边界条件。分析器官工作的环境和状况，得到边界条件。a用解析方法或数值方法求解边界值问题。用解析方法或数值方法求解边界值问题。a做生理实验以验证上述问题的理论和数值解。做生理实验以验证上述问题的理论和数值解。a探讨理论和实验在实际中的应用，并做进一步探讨理论和实验在实际中的应用，并做进一步的改进。的改进。生物力学的研究特点生物力学的研究特点w生物力学研究的对象是生物力学研究的对象是生物体生物体。w作为实验对象的生物材料，有作为实验对象的生物材料，有在体在体和和离体离体。a在体生物材料一般处于受力状态（如血管、肌在体生物材料一般处于受力状态（如血管、肌肉），一旦游离出

39、来则处于自由状态，即非生肉），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，即明显收缩理状态（如血管、肌肉一旦游离，即明显收缩变短）。变短）。a在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两种情况。在体实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医学超声医学超声医学超声w频率在频率在20kHz以上的以上的机械波机械波称为称为超声波超声波。a超声波是一种超声波是一种波动波动形式，可以用于探测人体的形式，可以用于探测人体的生理和病理信息，这便是生理和病理信息，这便是诊断超声诊断超声，其声强大，其声强大小在小在0.150mW/cm2，频率在，频率在210MHz之间。之间。a超

40、声波又是一种超声波又是一种能量能量形式。当达到一定剂量的形式。当达到一定剂量的超声波在生物体系内传播时，通过它们之间一超声波在生物体系内传播时，通过它们之间一定的相互作用，可能引起生物体系的功能或结定的相互作用，可能引起生物体系的功能或结构发生变化，这便是构发生变化，这便是功率超声功率超声，其声强大小从，其声强大小从每平方厘米零点几瓦到每平方厘米几百瓦，频每平方厘米零点几瓦到每平方厘米几百瓦，频率在率在2050kHz之间。之间。w研究超声波与生物组织（主要指人体组织）研究超声波与生物组织（主要指人体组织）的相互作用机理、规律及其应用的学科分的相互作用机理、规律及其应用的学科分支称为支称为医学超

41、声医学超声。w医学超声：超声诊断和超声治疗。医学超声：超声诊断和超声治疗。a超声诊断超声诊断研究如何利用各种组织的差异来区分研究如何利用各种组织的差异来区分不同组织，特别是区分正常和病变组织。超声不同组织，特别是区分正常和病变组织。超声波在生物组织中的传播规律及诊断信息提取方波在生物组织中的传播规律及诊断信息提取方法是法是超声诊断的物理基础超声诊断的物理基础。a超声治疗超声治疗则研究如何利用则研究如何利用超声波的生物效应超声波的生物效应来来治疗某些疾病，其物理基础是超声生物效应的治疗某些疾病，其物理基础是超声生物效应的机理和超声计量学。机理和超声计量学。超声的生物效应及其在医学上的应用超声的生

42、物效应及其在医学上的应用生物医学工程学的基础理论生物医学光子学Biomedical Photonics生物医学光子学生物医学光子学w1光与生物的关系光与生物的关系w2生物医学光子学的定义生物医学光子学的定义w3生物医学光子学的发展（理论基础、技生物医学光子学的发展（理论基础、技术基础和发展动力）术基础和发展动力）w4生物医学光子学的发展特点生物医学光子学的发展特点w5生物医学光子学研究的基本步骤生物医学光子学研究的基本步骤w6生物医学光子学的研究内容生物医学光子学的研究内容1光与生物的关系光与生物的关系w人类利用光的方法可分为三类人类利用光的方法可分为三类a将光作为将光作为能量的载体能量的载体

43、a将光作为将光作为信息的载体信息的载体a将光作为将光作为科学研究的工具科学研究的工具 2生物医学光子学的定义生物医学光子学的定义w生物医学光子学是关于光子在生物、医学生物医学光子学是关于光子在生物、医学中应用的科学和技术。中应用的科学和技术。a生物光子学生物光子学是利用光子来研究生命的科学，具是利用光子来研究生命的科学，具体地说是研究生物系统产生的光子以及光子学体地说是研究生物系统产生的光子以及光子学在生物学研究、生物系统改造、农业及环境检在生物学研究、生物系统改造、农业及环境检测方面的应用。测方面的应用。a医学光子学医学光子学是光子学和现代医学相结合的产物，是光子学和现代医学相结合的产物，主

44、要包括医学光子学基础、医学光学诊断技术主要包括医学光子学基础、医学光学诊断技术和医学光学治疗技术。和医学光学治疗技术。3生物医学光子学的发展生物医学光子学的发展w生物医学光子学发展的生物医学光子学发展的理论基础理论基础应该归功应该归功于量子理论的建立。于量子理论的建立。w生物医学光子学发展的生物医学光子学发展的技术基础技术基础得益于得益于20世纪一系列技术革命成果，其中最为重要世纪一系列技术革命成果，其中最为重要的应该是激光技术、微电子技术和纳米技的应该是激光技术、微电子技术和纳米技术的发展及应用。术的发展及应用。w人们对认识世界的不断追求和对于自身健人们对认识世界的不断追求和对于自身健康及生

45、活质量的日益关切，构成了并且会康及生活质量的日益关切，构成了并且会继续成为生物医学光子学继续成为生物医学光子学发展的强大动力发展的强大动力。4生物医学光子学的发展特点生物医学光子学的发展特点w生物医学光子学除了对生物或医学学科本生物医学光子学除了对生物或医学学科本身的发展具有促进作用外，其本身也不断身的发展具有促进作用外，其本身也不断地对工学、物理学、化学等学科提出新的地对工学、物理学、化学等学科提出新的课题，更重要的是它的发展需要并促进了课题，更重要的是它的发展需要并促进了这些学科的交叉和技术的融合。这些学科的交叉和技术的融合。5生物医学光子学研究的基本步骤生物医学光子学研究的基本步骤6生物

46、医学光子学的研究内容生物医学光子学的研究内容w光与物质的相互作用的原理、方法和特点。光与物质的相互作用的原理、方法和特点。w光在人体中的传播的规律。光在人体中的传播的规律。w用于人体的光发射系统和接收系统。用于人体的光发射系统和接收系统。w物理模型和定量方法。物理模型和定量方法。w光与物质的相互作用（特别是光与生物组光与物质的相互作用（特别是光与生物组织体的相互作用）中的原理、方法和特点织体的相互作用）中的原理、方法和特点a包括生物组织中的主要吸收物质、分子的振动包括生物组织中的主要吸收物质、分子的振动及分子吸收光谱的基本测量原理、组织体的发及分子吸收光谱的基本测量原理、组织体的发光、组织体对

47、光的散射效应、光与生物组织的光、组织体对光的散射效应、光与生物组织的其他作用（光热、光声、光化学和光机械效应）其他作用（光热、光声、光化学和光机械效应）。w光在人体中的传播的规律光在人体中的传播的规律a光在组织体中传播的数学模型光在组织体中传播的数学模型a组织体光学特性的参数组织体光学特性的参数a获得光在组织体内传播特性的方法获得光在组织体内传播特性的方法w用于人体的光发射系统和接收系统用于人体的光发射系统和接收系统a通常来源于人体的信号构成极其复杂且非常微通常来源于人体的信号构成极其复杂且非常微弱，所以必须研究常用的微弱信号检测方法及弱，所以必须研究常用的微弱信号检测方法及系统。系统。a在选

48、择光的发射和接收系统时所要考虑的问题。在选择光的发射和接收系统时所要考虑的问题。w物理模型和定量方法物理模型和定量方法a从多成分或多分子的信号叠加而成的人体组织从多成分或多分子的信号叠加而成的人体组织的复杂光谱信号中定量地提取感兴趣的参数的的复杂光谱信号中定量地提取感兴趣的参数的方法和技术。方法和技术。a在光不走直线的前提下实现人体组织的结构参在光不走直线的前提下实现人体组织的结构参数或功能参数的三维成像的数学方法和技术。数或功能参数的三维成像的数学方法和技术。生物医学工程学的基础理论生物医学材料生物医学材料生物医学材料w生物医学材料的概念和分类生物医学材料的概念和分类w发展方向发展方向a纳米

49、技术与生物材料纳米技术与生物材料a药物控释技术与生物材料药物控释技术与生物材料a生物可降解和生物活性材料生物可降解和生物活性材料a组织工程材料组织工程材料a生物材料表面生物化技术生物材料表面生物化技术生物医学材料的概念生物医学材料的概念w生物医学材料是生物医学工程的生物医学材料是生物医学工程的物质基础物质基础。w生物医学材料或叫生物材料，是和生物系生物医学材料或叫生物材料，是和生物系统相作用，用以诊断、治疗修复或替换机统相作用，用以诊断、治疗修复或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。体中的组织、器官或增进其功能的材料。发展历程举例发展历程举例w公元前公元前3500年，古埃及人和中国人等就

50、利年，古埃及人和中国人等就利用棉花纤维、马鬃做缝合线，用柳树枝和用棉花纤维、马鬃做缝合线，用柳树枝和象牙修复失牙。象牙修复失牙。w16世纪开始人们用黄金板修复颗骨，陶材世纪开始人们用黄金板修复颗骨，陶材或金属做齿根，用金属作固定骨折的内骨或金属做齿根，用金属作固定骨折的内骨板等。板等。w随着材料科学、生命科学和生物技术的发随着材料科学、生命科学和生物技术的发展，使得人类在展，使得人类在分子水平分子水平上去认识材料和上去认识材料和机体间的相互作用，构建生物结构和功能，机体间的相互作用，构建生物结构和功能，使传统的使传统的无生命的材料无生命的材料通过参与生命组织通过参与生命组织的活动，成为的活动，