生物医学工程学

第1章 绪论 1.1 什么是生物医学工程 生物医学工程学是将工程技术应用于人类健康的科学。人类健康是全方位多面性的，因此，生物医学工程是集成了物理、化学、数学和计算科学以及工程原理来研究生物、医学、行为以及健康的学科，是生命科学与信息、材料、精密机械等学科交叉与高度综合的产物。换言之，生物医学工程是综合应用生命科学与工程科学的原理和方法，从工程学角度在分子、细胞、组织、器官乃至整个人体系统多层次认识人体的结构、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保健的人工材料、制品、装置和系统技术的总称。生物医学工程学不仅是基础医学研究与临床医学应用中间的桥梁，也是医学研究的重要组成和综合实力的体现。 生物医学工程的兴起和发展历程是不断将其他学科的科研成果融合并引入到医学领域的过程。例如，随着临床上对治疗和监测技术需求的增加，电气工程和物理学的原理与技术被引入医学领域，基于先进的光、电、磁技术发展出一系列仪器设备（例如心电图、脑电图、血氧检测、磁共振成像、CT成像、电刺激技术等）；材料学和力学的发展为人工器官和植入材料提供了重要的物质和理论基础；新药的研发对化学、材料学、应用数学提出了更高的要求，而这些学科的发展又反过来加速了新药的研发；细胞和分子生物学的发展与生物材料和力学相结合，为实现体外构建活组织和器官，或原位引导缺损组织的再生和修复提供了强有力的技术支撑。 CRC出版社2015年出版的《生物医学工程：基础篇》第4版的目录中列出了以下内容： 生物材料、分子细胞和组织工程、药物设计和递送系统、再生医学和细胞治疗、个体化医疗、基因组学和蛋白质组学、仿生学、微米和纳米技术及生物微流控技术、植入假体和人工器官、远程医疗、临床工程、医学和生物信息学、生物技术、医学和生物分析、医疗机器人、医学和红外成像、神经工程、医学仪器和器件、生物信号与生物传感、生物电子和生理系统仿真、生物力学、康复工程和行为学。 这些分支学科构成了生机勃勃的生物医学工程“世界”，为现代医学的发展提供着源源不断的新技术和新方法。 1.2 生物医学工程学是现代医学发展的重要推动力 现代医学实际上开始于20世纪。20世纪中期基础科学（化学、物理、药学等）的进步对现代医学的发展产生了深远的影响，使健康医疗体系得到了飞跃式的发展。毋庸置疑，在过去的70多年里，生物医学工程学科的兴起与快速发展在延长人类寿命和改善人类健康状况方面发挥了不可替代的重要作用。 工欲善其事，必先利其器。当人类通过新工具对自身的结构和功能获得更深入的了解后，就能够应用所获得的知识去创造和改进工具，修复和改善自身的功能。从这个角度来看，生物医学工程的发展历程就是连续和循环往复的发现与创造的过程。直至今日，生物医学工程仍然是保持这两个方面，一方面是分析和研究机体系统的运行规律，另一方面是发展新技术和新方法来研究和修复机体。下面所列举的几个简要示例可大致勾勒出生物医学工程在以上两个方面的作用。 1903年William Einthoven设计出**台心电图仪，能够检测心脏跳动中的电位变化，开启了心血管医学和电测量科技的新时代。X射线的发现和临床应用使医学开始面向检测和诊断。到了20世纪30年代，通过使用钡盐或各种各样的不透射材料，X射线几乎能使所有器官可视化。与此同时，制冷技术的出现使血库能够建立和完全发展起来。德林氏人工呼吸器在1927年制成，在1939年**次出色地完成了心肺搭桥。20世纪40年代，心导管插入术和血管造影术发展起来，用一个螺纹套管穿过手臂血管静脉插到心脏并注射不透X射线的染料，通过X射线造影实现了肺和心脏的血管瓣膜可视化，使精确诊断先天性和获得性心脏疾病成为可能，从此开启了一个新的心血管手术领域。 在21世纪的**个十年，机器人手术的发展使得现代手术有了更大的可能性。神经外科手术，包括周围神经和中心神经以及血管手术，以及骨科手术中高难度区域的操作在新技术的帮助下有了显著的提高。20世纪50年代进入医学领域的电子显微镜为观察细胞的精细结构提供了强有力的手段；而利用正电子发射断层造影术（PET）来检测和监测肿瘤的发展，把医学带入了原子时代。第二次世界大战之后，为军事目的而发展的先进科技使现代医学受益匪浅。例如，为追踪敌军舰艇和飞机的电子科技以及给飞行员提供关于高度、飞行速度以及其他一些类似信息的技术已广泛应用于医学，用于跟踪中枢神经系统的电生理行为或监控患者的心跳。第二次世界大战造成的伤残对康复工程和假肢领域产生了大量的需求。20世纪70年代以来，计算机断层扫描（CT）成像、磁共振成像（MRI）等新的医学成像科技的发展使医生能够对脑部的血流和氧消耗进行测量，从而研究神经元活跃区域。随着1954年人工肾的成功研发，“人工器官”的概念被接受并且逐渐进入主流医学，植入性假体如人工心脏瓣膜和人工血管也随之快速发展起来，人工心脏的研发也随之开始。近年来，纳米科技、人工智能等新兴学科的快速发展为医学领域带来了更加多样和前沿的新技术，极大地推动了现代医学的发展。 1.3 国际生物医学工程教育概貌 生物医学工程学科在很大程度上反映了一个大学的综合科研实力。国际上很多大学设立了生物医学工程专业，并有自己的特色研究。例如，美国约翰 霍普金斯大学的生物医学工程研究包括了细胞和组织工程、医学影像、生物信息学和计算生物学、计算建模、心血管系统、分子与细胞系统等，杜克大学主要包括生物分子和组织工程、医学影像、生物力学、生物电子工程等，耶鲁大学主要涉及生物分子工程、药物递送、生物医学影像，犹他大学主要涉及组合医疗器械和药物递送系统、再生医学、材料表面工程，康奈尔大学主要研究微纳生物技术和系统生物学，西北大学主要涉及神经工程，弗吉尼亚大学主要包括纳米医学和纳米生物学。英国牛津大学的研究覆盖再生医学、无创治疗与药物递送、生物医学影像分析、生物医学测量和建模、生物医学信号处理与仪器分析等方向。日本东京大学主要包括生物流体力学、分子影像学、人工器官、再生医学、药物递送系统和检测系统、健康/环境医学工程等，京都大学集中于生物材料的再生医学和药物递送系统。 1.4 北京协和医学院生物医学工程系 北京协和医学院（PUMC）生物医学工程系的前身是1978年由时任中国医学科学院院长的黄家驷教授发起并建立的生物医学工程研究室，是中国大陆地区建立的**个生物医学工程专业，1996年生物医学工程学系获得教育部博士学位授权点资格。黄家驷院长于1981年发起并成立了中国生物医学工程学会，担任首届理事长。此后，多位中国医学科学院院长担任过中国生物医学工程学会理事长。 学系成立以来，围绕临床需求开展应用基础研究，发展面向重大疾病检测、诊断和治疗的新技术与新方法；将科研与教学相结合，建立并不断完善面向八年制本科和博/硕士研究生的生物医学工程学科教学体系，培养具有生物医学和工程学综合素养的高层次科研人才和工程技术人才。在中国医学科学院/北京协和医学院系统内，基础医学研究所/基础学院、生物医学工程所、放射医学研究所、病原生物学研究所、北京协和医院、阜外医院等单位均有生物医学工程学科，研究方向主要包括生物材料/医疗器械（件）、组织工程与再生医学、纳米生物医学、药物递送系统、电子医学技术、康复工程、医学图像与成像技术、计算生物学与生物信息学、医学大数据、医学仪器与装备、移动数字医疗等。 1.5 拉斯克医学奖中的生物医学工程技术 生物医学工程与医学的融合已经为疾病的诊断和治疗带来了全新的方法和手段，为现代医学带来了革命性的变化。美国拉斯克医学奖中生物医学工程相关的重要成就从一个侧面反映了生物医学工程对医学进步的巨大推动作用。以下举例说明。 1.5.1 电子显微镜（1960年） 现代电子显微镜使人看到了光学显微镜无法看到的物体，把人类的视觉范围扩大了几百倍，揭示了以前人们看不到和认为根本不存在的结构，极大地激发了人们解析生物材料精细结构的兴趣，证明了在以往不可见的尺度下存在着有序结构。柏林工业大学的Ernst Ruska博士和David Sarnoff研究中心（RCA实验室）的James Hillier博士因其对电子显微镜的设计、制造、发展和完善所做出的重大贡献获1960年美国拉斯克基础医学研究奖。 1.5.2 聚酯人工动脉血管（1963年） 贝尔大学医学院的Michael E. DeBakey博士获得了1963年的拉斯克临床医学研究奖。DeBakey博士被公认为现代心血管外科之父。他早期的成就之一是设计了一种对血液成分产生*小损伤的滚筒式泵，这项发明十年后被应用于人工心肺设备。DeBakey博士还开发了通过植入物来修复血管的方法——使用由聚酯或其他合成材料制成的人造血管，通过外科手术完成了身体许多部位的血管置换。作为一名医生，他的开创性贡献还包括**次成功地实现了用手术方法治疗主动脉不同部位的动脉瘤。DeBakey博士在科学研究的基础上，运用近乎大胆的外科手术为治疗甚至预防包括中风在内的血管疾病开辟了新的途径。人工血管技术挽救了大量的生命，并使患者的器官重新获得了正常功能。他的贡献激励了全世界的外科医生追求更高的标准和更大的成就。 1.5.3 细胞器电子显微术（1966年） 洛克菲勒大学的George E. Palade博士因其在细胞器电子显微术方面的突出成就获得了1966年拉斯克基础医学研究奖。Palade博士和他的同事自20世纪50年代初开始探索各种类型细胞的详细结构，并开发一系列方法在分子水平上将细胞结构与其生物化学活性联系起来，在超微结构水平上整合了结构与功能的关系。Palade博士应用电子显微技术在分子水平上研究细胞过程的本质，其主要贡献包括开发了固定细胞的技术，首先描述并命名了线粒体的精细结构，展示了微粒体的组织和结构，并从中区分出核糖体及核糖体构成的胞浆颗粒，他还分析了毛细血管的复杂结构，包括肾小球及其他超微解剖结构。 1.5.4 体外循环手术用心肺机（1968年） 杰弗逊医学院的John H. Gibbon Jr.博士毕生致力于心脏和血管外科的改进和进步，因其在体外循环手术用心肺机方面的贡献获1968年拉斯克临床医学研究奖。Gibbon博士在1935年通过动物实验首次证明了生命可以由体外的机器维持，该机器执行心脏和肺的所有功能，且不会对实验动物造成损害。经过18年漫长的工程试验和动物实验，Gibbon博士对初始设备做了进一步完善，1953年5月使用心肺机进行了世界上**次成功的体外循环手术，纠正了心室间隔膜的闭合缺陷。此后，心肺机在全世界获得了广泛应用，无数原本会因为以前无法治愈的心脏病而丧失能力或死亡的患者获得了更长的寿命。如果没有Gibbon博士的专注研究，就不可能进行心脏移植手术。Gibbon博士的故事表明，从一个研究项目中获得的新知识和新技术可以引发连锁反应，引发更多的知识，*终使疾病得以预防或有效治疗。 1.5.5 心脏除颤器和起搏器（1973年） 约翰 霍普金斯大学的William B. Kouwenhoven博士和哈佛大学医学院贝斯以色列医院的Paul M. Zoll因在心脏除颤器和起搏器方面的成就共同获得了1973年拉斯克临床医学研究奖。 Kouwenhoven博士在心脏病救护方面做出了三个里程碑式的贡献：证实了电击可以逆转心脏的心室颤动，开发了开胸和闭胸除颤器，发明了胸外心脏按压技术。Kouwenhoven博士对心血管生理学的兴趣始于1928年，当时他专注于电流对心脏影响的实验研究。1933年，他和他的同事证实了电击可以使颤动的心脏恢复正常跳动的原理。1958年，在从电气工程领域退休4年之后，他对自己独立开发的胸腔闭式除颤器进行了完善，并设计了一种简单的胸外心脏按压技术。Zoll博士在1952年首次证明，当人类心脏停止