生物力学教材课件.ppt

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1、1/22/2023,1,生物医学工程概论Introduction to Biomedical Engineering(BME),南方医科大学生物医学工程学院周凌宏,1/22/2023,2,主 要 内 容1、生物医学工程的定义2、生物医学工程的发展3、生物医学工程的经典研究领域,1/22/2023,3,1 生物医学工程的定义What is Biomedical Engineering(BME)?,1/22/2023,4,边缘交叉科学(Interdisciplinary)综 合：生物学医学工程学理论和方法近几十年内建立与发展,1/22/2023,5,三个有代表性的定义1、“三合一学说”生物学医学工

2、程学生物医学工程学2、“工程应用学说”工程学在医学和生物学中应用3、“结合学说”生物医学工程学是生物学、医学和其它非生物学科的结合,1/22/2023,6,一般定义：“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、预防和保健”综合运用现代自然科学和工程技术的原理、方法，从工程学的角度，在多种层次上研究生物体，特别是人体的结构、功能和其它生命现象，揭示和论证生命运动的规律，深化对生命系统的认识，提供防病、治病、卫生保健、康复、安全防护的新理论和新方法，设计和研制用于防病、治病等的新材料、人工器官、装置与系统的交叉学科,生物医学工程学科领域基础,生物学,物理学(生物

3、医学物理学）,医学,生物医学工程,生物化学,信息科学,电子与现代工程技术,1/22/2023,8,生物医学工程的目标 探索人类正常生理活动 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、预防与保健的有效方法,1/22/2023,9,基本任务：运用物理学、数学和工程技术手段，研究和解决生物学与医学中的有关问题。,基本性质：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。,研究内容和基本任务,1/22/2023,10,生命的活动可分为若干层次,整体层次：人体与外界环境的热量、质量、动量交换，有声、光、电、热、味、压的信息

4、交换，有环境对于人体的作用，人与生活环境及工作环境的相互关系，有人对于环境的能动作用,1/22/2023,11,器官和组织层次：生物力学、生物材料、生物信号、医学图象、人工器官、控制、建模、康复、组织工程等都发生在这一层次微观层次：以分子、生物大分子、细胞等为对象细胞生物力学、分子生物力学、组织工程等可划入这一范畴,1/22/2023,12,1、迅速发展的新兴学科,生物医学工程是在近几十年才从医学中分离而形成一门独立学科。当代高新科技的飞速发展，为它提供基础。,生物医学工程的特点,1/22/2023,13,2、大跨度、多学科的综合性应用学科,医学、生物学、物理学、化学、力学、材料学、制造学、电

5、子学、计算机科学等学科的有机结合，甚至涉及社会、伦理、道德、法律等非生命科学到生命科学自然科学到人文科学,1/22/2023,14,3、是医学和生物学发展的重要动力,一方面生物医学工程为医学、生物学提供技术与装备另一方面又为医学和生物学的发展开辟新路带来生物学与医学的变革,1/22/2023,15,4、是社会效益与经济效益的综合,医学重于社会效益，工程重于经济效益，生物医学工程是医学与工程学的结合，是社会效益与经济效益必然的结合,1/22/2023,16,2 生物医学工程的发展,回顾,自发地应用于生物学和医学1604年Jansen显微镜，Hook发现细胞1895年RoentgenX射线，人体的

6、内部结构1898年居里镭，生物代谢示踪，肿瘤治疗1906年Einthoven实用的心电图1933年 Ruska电子显微镜，亚细胞水平 1947年 无线电波传递心电、脑电1948年利用超声技术获得人体切面声象图,能动地研究生物学医学的问题五十年代起，工程学科广泛渗入生物医学。医学电子学和生物医学工程学组织，1958年国际医学电子学联合会(IFME)诞生1963年国际医学电子学和生物医学工程联合会(IFMEBE)成立1965年世界性的国际生物医学工程联系会(IFMBE)学正式成立,七十年代生物医学工程涉及到生物医学的各个方面，微型机、网络技术和虚拟技术形成巨大的产业现代医学基本上是构筑在生物医学工

7、程基础上,我国的生物医学工程学科1978年国家科委组织BME科研发展规划1980年成立了中国生物医学工程学会近年来，丰富、多彩,1/22/2023,21,当前，在医学的几乎所有领域生物医学工程学已经发挥、将会发挥巨大的作用生物力学在人体生理系统建模与仿真中发挥着巨大的作用细胞力学、运动力学、血流动力学、呼吸力学,生物医学工程发展现状,1/22/2023,22,生物医学材料在人体组织与器官修复(替代)中的巨大作用硬组织修复与替代、软组织修复与替代、血管替代、人造皮肤、各类人工器官人工器官在人体生理功能恢复中的巨大作用人工心脏、人工心脏瓣膜、人工肺、人工肾、人工胰,1/22/2023,23,生物医

8、学电子学在生物医学工程中的巨大作用生物医学信号检测、处理与识别是是医学图象处理的基础，与生物材料、生物力学、人工器官、生物医学仪器等关系密切生物医学图像技术在临床诊断中的巨大作用X光片、CT图像、B型超声波图像、MRI图像、PET、SPECT,1/22/2023,24,生物医学仪器对提高医学整体水平的巨大作用生理功能分析、放射治疗、超声碎石、刀、X刀、细胞刀、质子刀、中子刀、射波刀、康复辅助系统、机器人外科手术系统,1/22/2023,25,近20年，生物医学工程制品飞速发展并形成规模性产业，是我国战略性新兴产业社会需求量大，产品技术含量和产品附加值高美国目前已有1100万人体内植入有一个人工

9、器官，200万人体内有2个或2个以上人工器官,生物医学工程产业发展,1/22/2023,26,2012年，世界生物医学工程产业产值约4000亿美元，年增长率持续保持在10%上下。2012年，我国生物医学工程产业产值约3000亿元，年增长率持续保持在1520%。美国、日本、西欧等发达国家都把生物医学工程列入高技术发展的前沿,1/22/2023,27,我国有13亿人口，医疗保健基数大，生物医学材料和人工器官的需求量大肢体不自由患者约1500万每年骨缺损和骨损伤约300万牙缺损(缺失)患者占总人口1/3大量血液病患者需人工肾大量糖尿病患者需人工胰,1/22/2023,28,3 生物医学工程经典研究领

10、域,1/22/2023,29,生物材料学人工器官生物系统建模与仿真生物医学信号与传感器生物医学信息处理医学图像技术物理因子在治疗中应用及生物学效应生物力学,1/22/2023,30,生物医学材料学,生物医学材料是用以和生物系统接合，以诊断、治疗或替代机体中的组织、器官或增进其功能的材料。可以是天然材料，也可以是合成材料或者是它们的结合，还可以是有生命力的活体细胞或天然组织与生命的材料结合而成的杂化材料。,1/22/2023,31,生物医学材料用于制作植入人体的各种制品，也包括需要与血液直接接触的医用导管材料、医疗器械中需要进入人体的探头和电极材料，以及大部分齿科材料、药物缓释材料、外科手术缝合

11、线、皮肤创面保护膜等材料。,1/22/2023,32,人工器官,人工器官主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料制成能部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置，当人体器官发生病变而用常规方法不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的系统来取代或部分取代病损的自然器官，补偿或修复其功能。,1/22/2023,33,人体除大脑尚没有人工大脑替代以外，几乎人体各个器官都在进行人工模拟研制中，其中已有不少人工制造的器官成功地用于临床，修复了不少病损器官的功能，挽救了病人的生命。,1/22/2023,34,虽然人工器官研究已取得很大进展，但从总体上看，人工器官在结构和功能上均与自然器官有很大差别，大

12、多数人工器官尚不能完全替代自然器官。人工器官的应用与自然器官移植有互补作用，人工器官会为开展器官移植创造有利条件。,1/22/2023,35,生物系统建模与仿真,生物系统的建模与仿真包括生物系统的建模、仿真、辩识与控制等内容，其中心为建模与控制。生物系统的建模是对生物的分子、细胞、组织、器官和整体各层次的行动、参数及其关系建立数学模型的工作。生物系统的控制是人为地外加控制条件来影响生物系统的生命过程，以达到某种特定的目的。,1/22/2023,36,生物医学信号与传感器,生物医学信号检测是对生物体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等信息进行检测和量化的技术。生物医学传感器是获取各种生物信

13、息并将其转换成易于测量和处理的信号(一般为电信号)的器件，是生物医学信号检测的关键技术。,1/22/2023,37,生物医学信号包括生物体各层次的生理和生物化学信号，如心电、脑电、肌电、眼电等生物电信号，心磁、脑磁、眼磁等生物磁信号，血压、体温、呼吸、血流、脉搏等非电磁生理信号，血液、尿液、血气中的各种化学量信号，酶、抗体、抗原、受体、激素、神经质等生物化学量信号。,1/22/2023,38,生物医学信号的一般特点是信号微弱，随机性很强，噪声和干扰背景强，动态变化和个体差异大，因此要求检测传感器和系统的灵敏度高，噪声小，抗干扰能力强，分辨力强，动态特性好。由于以人体为对象，故应有良好的对人体内

14、环境的适应性，对人体生理状态扰动小，尤其对传感器系统的可靠性和安全性有特别严格的要求。,1/22/2023,39,生物医学信息处理,生物医学信号种类繁多，其主要的外在特点是随机性大，噪声背景强，而且个体差异显著。例如，心电、肌电信号总是伴随有因肢体动作和精神紧张等所带来的假象，而且还常常有较强的工频干扰及电极伪差；诱发脑电信号总是伴随强的自发脑电信号；超声波回波信号中往往伴随其他发射杂波；生物磁信号强度远远低于地磁场和环境磁噪声强度。,1/22/2023,40,生物医学信号处理技术主要的研究任务是根据生物医学信息的特点和测量的要求，应用并发展信息科学的基本理论，研究从被干扰和噪声所淹没的信号中

15、提取特定的生物医学信息，并对其进行分析、解释和分类的方法。,1/22/2023,41,生物医学信号处理技术是生理、测量、模式识别、人工智能和数字信号处理等多种学科的交叉领域。该技术一方面可以将随机过程、统计检测与估计、时间序列分析等数学方法应用于生物医学中；另一方面还要在深化对生命机理认识的基础上建立独特的生物医学信号处理理论与体系,1/22/2023,42,医学图像技术,医学图像含有极丰富的人体信息，因而在医生进行临床诊断和病人治疗中具有愈来愈重要的作用。医学图像技术可分成两部分内容，即医学成像技术和医学图像处理技术。前者是把人体中医生感兴趣的信息提取出来，并以图像形式表示，这些信息包括形态

16、信息、功能信息及成分信息；图像的形式可以是二维、三维及四维信息。后者是在获得医学图像后对其进行分析、识别、解释和分类，以把某些部分增强，或提取某些特征。,1/22/2023,43,物理因子在治疗中应用及生物学效应,应用电磁、磁场、电磁辐射、超声等物理能量治疗疾病或缓解病痛，是药物和传统手术治疗以外的重要辅助治疗手段，其优点是创伤小，副作用小，费用低，易于推广，有些还特别适合于长期保健性治疗和功能辅助中。,1/22/2023,44,物理因子生物效应主要是通过对生物群体的流行病学调查、动物实验以及在离体细胞和分子水平上的多层次研究，研究物理因子对人体疾病和治疗作用及其机理，确定应用的方法，确定有效

17、作用的剂量和安全剂量，从而发展应用各种物理因子治疗疾病的技术，并防止其可能的有害影响。,什么是生物力学,力学,生命科学,生物体、器官的生长、消亡以及运动中的力学问题.,了解生命组织的生理特征,组织学、生理学、医学,设计各种实验装置以及医疗器械等,结合力学与生命科学、生理学等学科，研究力作用的生物效应，进而服务于临床、科研以及实验及医疗器械、仿生器械的设计,生物力学的发展过程,数学家欧拉：理想流体在弹性管中的流动方程，阐述了脉搏波的传播,数学家Borelli(博雷利)：论生物的运动，肌肉的运动问题,英国医生Yang：声带发音的弹性力学理论，杨氏模量,法国流体力学家Poiseulle(泊肃叶)：动

18、脉压的问题,生物工程之父：Von Helmholts 海姆霍斯,Konigsberg(哥尼斯堡)大学波恩大学海德堡大学柏林大学,视觉三色理论测定神经传播速度共振仪涡量守恒定律,冯元桢：航空工程专家，后又致力于生物力学研究 世界生物力学组织主席、美国生物医学工程学会主席等职 举世公认的生物力学的开创者和奠基人 生物软组织本构关系的研究 肺血流动力学规律的研究 生物组织器官生长和应力关系的研究,生物力学的发展现状,纳米机器人,生物力学分析软件,临床与理论综合微观层面与系统层面相结合多学科交叉,信息技术在生物力学中的应用,图像处理、光学、电信测量等,生物力学的研究方向,涉及内容广泛，有很大的临床及工

19、程应用价值生物力学的研究方向 生物材料力学生物流体力学生物固体力学生物运动力学生物热力学,生物材料力学,硬组织：牙齿，骨骼等 软组织：肌肉，皮肤，血管及生物膜 生物材料的特点：多相(multi-phase)，非均匀(heterogeneous homogeneous)，各向异性(anisotropic)isotropic 生物材料的本构方程（constitutive equation）：多以实验为前提，建立经验的本构方程 进入商业应用的生物材料：人工骨关节，人工牙齿，人工血管等,人工血管 柔软、韧性、相容性,人工牙齿,人工骨骼，轻、坚固、承重,组织工程材料复合材料金属支架材料,组织工程骨软骨,

20、支架,生物流体力学,气体、体液在流体介质中的流动规律。血流动力学 呼吸系统中的动力学 生物体在流体介质中的流动规律：鱼的游动，鸟的飞行 血流动力学是生物流体力学的重要研究内容之一,人工心脏，设计要符合流体力学要求,血管支架在血管中长期存在，要考虑对血管的影响设计不当会影响血流，加重沉积,生物固体力学,应用力学的基本方法和理论，研究生物组织、器官乃至生物系统中的力学问题。骨骼和关节力学是当今的热点之一运用固体力学的原理和方法：主要对骨，软骨，关节，骨骼系统和牙齿等进行力学分析正骨人工骨的运用等,生物运动力学,主要研究生物体的运动航空航天事业体育运动仿生机械,航天员失重训练,美军机械狗big dog,体育训练,生物热力学,生物体本身就是一个复杂的非平衡的热力学系统，生命维持过程中的物质和能量的运输、交换、补充、消耗都依赖于热力学而存在。,60,应用：航空航天疾病诊疗,1/22/2023,61,Thank you for your attention!,