生物医学工程

生物医学工程是一门新兴的边缘学科，综合工程学、生物学和医学的理论和方法，在各层次上研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去控制这类变化，其目的是解决医学中的有关问题，保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。它有一个分支是生物信息方面，主要攻读生物和化学。

生物医学工程兴起于20世纪50年代，与医学工程和生物技术有着十分密切的关系。1958年在美国成立了国际医学电子学联合会，1965年改称国际医学和生物工程联合会，后来成为国际生物医学工程学会。生物医学工程学除了具有很好的社会效益外，还有很好的经济效益。以1984年为例，美国生物医学工程和系统的市场规模约为110亿美元，美国科学院估计到2000年其产值预计可达400～1000亿美元。

生物医学工程学是在电子学、微电子学、现代计算机技术、化学、高分子化学、力学、近代物理学、光学、射线技术、精密机械和近代高技术发展的基础上，在与医学结合的条件下发展起来的。

• 生物力学：运用力学的理论和方法，研究生物组织和器官的力学特性，包括生物流变学（血液流变学、软组织力学和骨骼力学）、循环系统动力学和呼吸系统动力学等。目前生物力学在骨骼力学方面进展较快。
• 生物控制论：研究生物体内各种调节、控制现象的机理，进而控制生理和病理现象，达到预防和治疗疾病的目的。
• 生物效应：研究光、声、电磁辐射和核辐射等能量在机体内的传播和分布，以及其生物效应和作用机理。
• 生物材料：制作各种人工器官的物质基础，要求具有强度、硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性、化学稳定性、无毒性，以及与机体组织或血液的相容性。材料包括金属、非金属及复合材料、高分子材料等，目前轻合金材料的应用较为广泛。
• 医学影像：主要采用X射线、超声、放射性核素、磁共振等进行成像。X射线成像装置包括大型X射线机组、X射线数字减影（DSA）装置、电子计算机X射线断层成像装置（CT）；超声成像装置有B型超声检查、彩色超声多普勒检查等；放射性核素成像设备有γ照相机、单光子发射计算机断层成像装置和正电子发射计算机断层成像装置；磁成像设备有共振断层成像装置；此外还有红外线成像和阻抗成像技术。
• 医用电子仪器：采集、分析和处理人体生理信号的主要设备，如心电、脑电、肌电图仪和多参量的监护仪等，正实现小型化和智能化。生物化学检验仪器逐步走向微量化和自动化。
• 治疗仪器设备：主要采用X射线、γ射线、放射性核素、超声、微波和红外线等。大型设备如直线加速器、X射线深部治疗机、体外碎石机、人工呼吸机等，小型的有激光腔内碎石机、激光针灸仪以及电刺激仪等。
• 介入放射学：在介入治疗时采用诊断用的X射线或超声成像装置以及内窥镜等进行诊断、引导和定位。目前各国竞相发展的高技术包括医学成像技术，如图像处理、阻抗成像、磁共振成像、三维成像技术以及图像存档和通信系统。生物磁成像是最新发展的课题，通过测量人体磁场进行成像，包括心磁成像（观察心肌纤维的电活动，反映心律失常和心肌缺血）和脑磁成像（诊断癫痫活动、老年性痴呆和获得性免疫缺陷综合征的脑侵入）。另一个高技术是信号处理与分析技术，包括心电信号、脑电、眼震、语言、心音呼吸等信号和图形的处理与分析。此外，神经网络的研究被认为可能引起重大突破，研究人脑思维机理并应用于智能计算机技术。

一、生物医用复合材料

生物医用复合材料是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料，主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造。长期临床应用发现，传统医用金属材料和高分子材料不具生物活性，与组织不易牢固结合；生物陶瓷材料虽然具有良好的化学稳定性和相容性、高的强度和耐磨、耐蚀性，但抗弯强度低、脆性大。利用不同性质的材料复合，可兼具组分材料的性质并得到新性能。

1. 生物医用复合材料组分材料的选择要求

• 具有良好的生物相容性和物理相容性；
• 具有良好的生物稳定性；
• 具有足够的强度和韧性；
• 具有良好的灭菌性能。

2. 生物医用复合材料的研究现状与应用

陶瓷基生物医用复合材料：以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷为基体，引入增强体材料。Al2O3、ZrO3等生物惰性材料与活性材料复合可赋予生物活性。HA-TCP复合材料平均抗弯强度达155MPa，断裂主要为穿晶断裂。

生物医用陶瓷材料：增强方式有颗粒增强、晶须或纤维增强、相变增韧和层状复合增强等。添加50%TZ-2Y的HA复合材料抗折强度达400MPa、断裂韧性为2.8～3.0MPam^1/2。纳米SiC增强HA复合材料抗弯强度提高1.6倍、断裂韧性提高2倍、抗压强度提高1.4倍。SiC晶须增强生物活性玻璃陶瓷材料抗弯强度可达460MPa、断裂韧性达4.3MPam^1/2。

二、数字信号处理

数字信号处理已渗透到各领域。数字信号处理系统的优越性表现为：灵活性好、精度高、可靠性好、可大规模集成。DSP芯片的发展促进了数字信号处理技术的提高，运算速度从80年代的MAC时间400 ns降低到40 ns以下，MIPS从5MIPS增加到40 MIPS以上。DSP芯片有浮点和定点两种数据格式，成本和功耗大幅下降。

生物医学工程学科是一门综合性很强的学科，自20世纪50年代以来发展十分迅速。中国的生物医学工程与欧美相比仍处于落后阶段，但随着相关学科的发展，其前景十分乐观，将给人类带来更多益处。

• 王伟, 刘斌. 生物医学工程学概论. 北京: 科学出版社, 2015.
• 赵宇, 李志强. 生物医用复合材料的研究进展. 中国生物医学工程学报, 2018, 37(3): 245-252.
• Y. C. Fung. Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues. 2nd ed. New York: Springer, 1993.
• J. G. Webster. Encyclopedia of Medical Devices and Instrumentation. 2nd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2006.