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我对生物医学工程的认识BiomadicalEngineeringinMyMind陈凯乐U201312603生物医学工程201301班内容摘要：生物医学工程是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的多学科交叉的新兴学科，其基本任务是研究和解决生物学和医学中的有关问题，揭示人体奥秘，特别是人体的生理、病理过程，同时运用工程技术手段，从事相应医疗仪器和生命科学仪器的研究和开发，用于疾病的预防、诊断、治疗和康复，保障人类健康。本文综述了生物医学工程的发生发展过程、研究内容、研究现状及其在军事中的广泛应用。关键词：生物医学工程医学军事前景Abstract:Biomedicalengineering,amultidisciplinaryemergingdisciplineintegratingthetheoryandmethodsofbiology,medicineandengineering,whosebasictaskistostudyandsolveproblemsinbiologyandmedicine,revealthemysteriesofthehumanbody,especiallythephysiologicalandpathologicalprocesses,meanwhile,useengineeringtechniquestostudyanddevelopmedicalequipmentandlifescienceinstruments,fortheprevention,diagnosis,treatmentandrehabilitation,toprotecthumanhealth.Thispaperreviewsthedevelopmentprocess,researchcontent,researchstatusanditswiderangeofapplicationsinbiomedicalengineeringinthemilitary.Keywords:BiomedicalEngineering,Medicine,Military,Prospect1引言生物医学工程是一门由理、工、医相结合的交叉学科，是多种工程学科向生物医学渗透的产物。它运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学角度，多层次研究人体的结构、功能及其相互关系，揭示其生命现象，为防病、治病提供新的技术手段。它涉及生物信息学、医学图像、图像处理、生物信号处理、生物力学、生物材料、三维建模和系统分析等领域；研究方法中一个最重要的手段就是运用仿生研究，研发出和人体结构和功能相类似的工程产品以适应疾病诊断治疗需要；生物医学工程伴随着医学进步和医疗器械的发展而不断成熟，在健康教育、疾病预防、疾病诊断、疾病治疗、疾病康复中都发挥重要作用，也将在未来战场上发挥越来越大的影响。2生物医学工程的发展生物医学工程始于20世纪50年代，我国生物医学工程作为一个专门学科则起步于20世纪70年代，我国著名的医学家黄家驷院士是我国生物医学工程学科最早的倡导者。生物医学工程标志性成果主要包括4个方面：2．1显微镜的发明17世纪发明了光学显微镜，其分辨能力达到微米（μm）级水平；20世纪60年代出现的电子显微镜，使人们能观察到纳米（nm）级的微小个体。2．2影像学诊断进步影像学诊断是20世纪医学诊断最重要也是发展最快的领域之一，50年代X线透视和摄是临床最常用的影像学诊断方法；1972年第1台CT诞生，只能用于颅脑检查；1974年，全身CT出现；现在螺旋CT（SpiralCT）能快速扫描和重建图像，提高了诊断准确率；1976年，第1台商用正电子发射体层摄影（PET）诞生，PET是目前最先进的影像诊断技术；1980年，第1台可以用于临床的全身MRI诞生；1984年，美国第1台医用磁共振获得FDA认证，MRI工程的进步，促进了医学诊断学向功能与形态相结合的方向发展，向超快速成像、准实时动态MRI、MRI、fMRI、MRS发展；2000年，第1台PET/CT诞生；2010年，MRI/PET诞生等。2．3介入医学问世1964年，Dotter和Judkin最早使用介入技术导管对下肢动脉阻塞性病变进行扩张治疗取得成功；1967年，Margulis首先使用介入放射学，这是医学文献出现“介入”一词的最早记载；1977年，Gruenzing成功地进行了首例冠状动脉球囊扩张术获得成功；20世纪80年代，随着高精度计算机化影像诊查仪器、数字减影血管造影（DSA）、射频消融技术以及高分子新材料制成的介入技术用的各种导管相继问世，使介入性诊疗技术飞速进步。2．4人工器官（artificialorgan）的应用人造心脏瓣膜的试制开始于20世纪40年代后期，1953年，垂屏式氧合器人工心肺机的研发，开始了人工心肺机体外循环技术应用；1958年，瑞典医生奥克·森宁为患者植入了世界首例全埋藏式人工心脏起搏器；1960年，美国首次将人造硅胶球心脏瓣膜植入一位风心病二尖瓣狭窄患者体内，术后长期存活，开创了人工心脏瓣膜置换的先河；1982年，美国人工心脏研究小组为一患者植入完全人工心脏使其存活了112d；Abio-Cor于2001年获得批准使用人工心脏；同时，人工关节、人工肝、人工肺也在临床得到了大量应用。3生物医学工程学科的特点生物医学工程学科是一门高度综合的交叉学科，这是它最大的特点。所谓交叉学科是指由不同学科、领域、部门之间相互作用，彼此融合形成的一类学科群。从学科发展的历史长河来看，新学科的产生大都是传统或成熟学科相互交叉作用产生的结果。而且，生物医学工程所指的学科交叉，不是生物医学同哪一个工程学科分支的简单结合，而是多学科、广范围、高层次上的融合。近年来，高分子材料科学、电子学、计算机科学等自然科学的不断发展，极大地推动了生物医学工程学科的发展。此外，生物医学工程学科所涉及的领域非常广泛。可以说，有多少理工科分支，就会产生多少生物医学工程领域，这种多学科的交叉融合涉及到所有的理、工学科和所有的生物学和医学分支。这样一来，当任何一个学科取得突破进展时都能影响到生物医学工程的发展，使其发展的速度异常迅速。4研究内容与领域生物医学工程的研究内容包括：基础性研究，涉及生物力学、生物材料学、生物医学信息的提取与处理、生物系统建模与仿真、各种物理因子的生物效应、生物系统的质量和能量传递等；应用性研究，直接为医学服务，涉及生物医学信号检测与传感技术，生物医学信息处理技术，医学成像与图像处理技术，人工器官、医用制品和仪器，康复与治疗工程技术等。当前生物医学工程研究的重要领域包括：4．1生物力学研究生命体运动和变形的学科，主要通过生物学与力学原理方法的有机结合，认识生命过程的规律，解决生命与健康领域的科学问题；研究领域主要包括：生物流变学、心血管生物力学与血液动力学、骨关节生物力学等。4．2组织工程学应用细胞生物学和工程学的原理，吸收现代细胞生物学、分子生物学、材料与工程学等学科的科研精华，在体内或体外构建组织和器官，以维持、修复、再生或改善损伤组织和器官功能，是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上又一新的里程碑，标志着医学将走出器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代。4．3生物材料学研究与生物体特别是人体组织、血液、体液相接触或作用时不凝血、不溶血、不引起细胞突变、畸变和癌变，不引起免疫排异和过敏反应，无毒、无不良反应的特殊功能材料。4．4人工器官主要研究人体组织与器官的再生、修复与替代。人工器官在临床上的应用，挽救了不少垂危的生命，为临床医学的发展开拓了新途径。4．5生物传感器技术使用固定化的生物分子结合换能器，用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的技术。4．6生物系统建模与仿真对生物体在细胞、器官和整体等各层面的参数及其相互关系建立数学模型，并用计算机求解该模型以分析和预测各种条件下生物系统运行的机制和状态。4．7生物医学信号检测与处理技术生物医学信号的检测与处理几乎成为了生物医学工程学科共同的研究方向。4．8医学成像与图像处理技术研究如何将人体有关生理、病理的信息提取出来并显示为直观的图像、图形方式，或对已获得的医学图像进行分割、分类、识别、解释及三维重建等进行分析处理。4．9物理因子的生物效应及其医疗应用通过对生物群体流行病学调查、动物实验、临床试验及细胞和分子水平等多层次研究，了解物理因子对生物体的作用效应及作用机理，确定其有效和允许的作用剂量，发展运用物理因子生物效应诊断和治疗疾病的技术，并防止其可能发生的有害影响。5生物医学工程领域研究现状5．1发达国家生物医学工程的现状在美国以及欧洲等经济发达国家，早在上世纪70年代就指出生物医学工程的重要性，基于其强大的经济、科技实力，经过近半个世纪的努力均取得了各自的成果。如今，这些国家在生物医学工程方面处于世界前列。但是面对当今科技飞速发展的新形势，他们仍在想尽一切办法努力前进。在美国，许多著名大学根据自身条件和生物医学工程学科的特点以及社会需要采用各种方式积极推进“学科交叉计划”。这样一来，生物医学工程在这一有利条件下迅速发展，朝向以整合生物、医学、物理、化学及工程科学等高度交叉跨领域方向发展。这种发展方向既促进了传统性专业的提升，又为逐步形成新专业创造了条件。另外，美国政府因认识到新的世纪生物医学工程对促进卫生保障事业发展所具有极大的重要性，急需扭转美国生物医学工程领域研发工作群龙无首的分散局面，美国第102届国会于3000年1月34日通过立法，在国立卫生研究院内设立了国家生物医学成像和生物工程研究所，规定由该所负责对美国生物医学工程领域的科研创新、开发应用、教育培训和信息传播等进行统一协调和管理，促进生物学、医学、物理学、工程学和计算机科学之间的基本了解、合作研究以及跨学科的创新。这也大大推动了美国的生物医学工程学科的发展。5．2国内生物医学工程的现状我国的生物医学工程学科相对国外发达国家来说起步比较低。自上世纪80年代以来，经过30多年的发展，目前全国已有很多所高校内设有此专业，在一些理、工科实力较强的高校内均建有生物医学工程专业。由于这些学校的理、工等学科在全国都有重要的影响，且大都设有国家级重点学科，他们开展起来十分方便，这些院校均是以科研性学科设置的。此外，还有一些医学院校则是以医学作为基底学科，置入某些工程学科的知识，并以医学应用为目的建立相关的课程体系，而对于生物学中所涉及到的细胞及分子生物学、发育生物学及生物技术，对于工程技术中的控制技术、材料学均较少涉及，这些院校培养的目标就是将生物医学工程运用于实际。因为生物医学工程是以理、工、医为基础，医学中的许多问题只有在这些学科相互结合的前提下才能得以解决。要将基础研究转化为工业化产品，将美好的前景分析变为卫生保健的实际行动而服务于广大人民，就离不开生物医学工程师。这就是这些生物医学工程工作者的工作理念。6生物医学工程在军事领域的应用6．1生物医学工程在军事医学领域具有广阔的应用前景生物医学工程技术不仅为军事医学及其相应基础研究提供必要的技术、手段、方法、仪器和设备，而且也是军事医学研究成果物化为卫勤保障装备，实现我军卫勤装备现代化、高技术化的桥梁。例如，生物力学利用力学的基本原理，结合生理、医学、生物学，从分子力学到系统力学各个不同的层次来研究生物体的力学问题，研制各种生物材料和人工器官的基础，也是武器装备和卫勤装备研制过程中人机匹配设计的重要依据。生物材料是与人体组织相接触或作用而对人体无毒副作用、不凝血、不溶血、不引起人体细胞突变、畸变和癌变，也不引起免疫排斥和过敏反应的特殊功能材料。可开发出在军事医学领域具有广泛用途的抗凝血材料、可降解性骨修补材料、吸咐解毒材料、药物缓释材料、生物粘合材料、抗粘连材料、透析及超过滤用的膜材料、外科手术缝线、药物载体材料、记忆合金等。生物系统建模与仿真通过对生物细胞、器官和整体各层次的行为参数及其关系建立数学模型，用电子计算机分析和预测各种条件下生物系统的运行机制和状态。这种技术可