【正文】 第一章 概述 ? 什么叫生物醫(yī)學(xué)工程 生物醫(yī)學(xué)工程（ Biomedical Engineering, BME）是運用自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法，研究人的生理、病理過程，揭示人體的生命現(xiàn)象，并從工程角度解決防病治病問題的一門綜合性高技術(shù)學(xué)科。 我國著名科學(xué)家顧方舟先生在 “ 中國生物醫(yī)學(xué)工程的今天與明天 ” 一書中這樣寫到“ 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是這樣一門學(xué)科：它把人體各個層次上的生命過程（包括病理過程）看作是一個系統(tǒng)的狀態(tài)變化的過程；把工程學(xué)的理論和方法與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的理論和方法有機地結(jié)合起來去研究這類系統(tǒng)狀態(tài)變化的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用各種工程技術(shù)手段，建立適宜的方法和裝置，以最有效的途徑，人為地控制這種變化，以達預(yù)定的目標。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的根本任務(wù)在于保障人類健康，為疾病的預(yù)防、診斷、治療和康復(fù)服務(wù)。 生物醫(yī)學(xué)工程是理 、 工 、 醫(yī)相結(jié)合的新興邊緣學(xué)科 ， 是多種工程學(xué)科向生物學(xué) 、 醫(yī)學(xué)滲透并相互作用的結(jié)果 。 雖然它作為一門獨立的學(xué)科發(fā)展的歷史尚不太長 （ 50年 ） ， 但由于它在保障人類健康方面所起的巨大作用 ， 它已經(jīng)成為當前醫(yī)療保健性產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)和支柱 ，許多國家都將其列為高技術(shù)領(lǐng)域 。 以人工心臟瓣膜這一典型的生物醫(yī)學(xué)工程項目為例，為了進行人工心臟瓣膜的設(shè)計和制造，人們需要作如下工作： ，弄清人體心臟瓣膜的運動學(xué)和力學(xué)特性（定量）； 2. 解決人工心臟瓣膜材料問題（相容性、毒性、力學(xué)性質(zhì)和制備工藝等）； 疲勞壽命，以及植入心臟后的長期生物效應(yīng)等 。 人工心臟瓣膜的制作和質(zhì)量控制與監(jiān)測等還要涉及一系列工程問題，此外還有成本控制問題。 風(fēng)濕性心臟病 ?生物醫(yī)學(xué)工程的特點： ?大跨度的 、 多學(xué)科的綜合性應(yīng)用學(xué)科 。 以人工器官為例 ，它需要生物材料學(xué) 、 生物力學(xué) 、 生理學(xué)及有關(guān)機電 、 化工工程技術(shù)的有機結(jié)合 ， 甚至涉及社會倫理學(xué) 。 這種大跨度（ 從非生命科學(xué)到生命科學(xué) ， 乃至從自然科學(xué)到人文科學(xué) ）的綜合 ， 是傳統(tǒng)學(xué)科所沒有的 ， 其發(fā)展需要工程技術(shù)與醫(yī)學(xué)兩方面人材的密切結(jié)合 。 ?既為醫(yī)學(xué) 、 生物學(xué)提供技術(shù)與裝備 ， 又為醫(yī)學(xué) 、 生物學(xué)的發(fā)展開辟新路： 因此它是變革醫(yī)學(xué)和生物學(xué)本身的一支重要力量 。 ?社會效益與經(jīng)濟效益的結(jié)合。 醫(yī)學(xué)注重社會效益，工程學(xué)注重經(jīng)濟效益，生物醫(yī)學(xué)工程才是二者必然的結(jié)合。 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的發(fā)展狀況 生物醫(yī)學(xué)工程是從 20世紀 50年代以來，隨著電子學(xué)、材料學(xué)、工程力學(xué)、信息科學(xué)和電子計算機等多種學(xué)科的進步并廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域而逐漸形成和發(fā)展的。電子學(xué)的滲入使心電、腦電、心音、 B超等實用診斷技術(shù)逐步地出現(xiàn)和應(yīng)用于臨床；人體植入性心臟起搏器研制成功挽救了成千上萬心臟病患者的生命；與材料科學(xué)的結(jié)合，成功地研制出如醫(yī)用硅橡膠、醫(yī)用聚氨酯和有機玻璃制作的人工股骨等人體功能輔助及衛(wèi)生保健材料和制品；工程力學(xué)原理和方法的運用，使人們能夠定量地研究血液在心血管中流動特性，建立了 本構(gòu)方程 來刻畫血液的流動行為；以醫(yī)用材料為基礎(chǔ)的多學(xué)科相結(jié)合，開始早期的人工器官如人工腎、人工肺、人工晶體、人工心瓣膜的研制和臨床應(yīng)用。 本構(gòu)規(guī)律：指 生物體、組織器官的力學(xué)性質(zhì)，特別是其應(yīng)力與應(yīng)變的規(guī)律，稱為 本構(gòu)規(guī)律。 本構(gòu)方程： 如果能將本構(gòu)規(guī)律以數(shù)學(xué)方程的形式表達出來，這一方程即稱為 本構(gòu)方程 。 進入 60年代以后 ， 微電子學(xué) 、 信息科學(xué) 、計算機科學(xué) 、 控制論 、 工程力學(xué)及材料科學(xué)等的迅速發(fā)展并緊密地與醫(yī)學(xué)結(jié)合 ， 導(dǎo)致大量的醫(yī)療儀器設(shè)備如 X線機 、 超聲儀 、 心電圖 、 腦電圖及球式機械人工心臟瓣膜等廣泛地應(yīng)用于臨床 。 這些對醫(yī)學(xué)進步 ， 對臨床診療水平的提高起到了極大的推動作用 ， 產(chǎn)生了巨大的社會效益；另外 ， 醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)已形成規(guī)模 ， 產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益 。 由此 ， 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)這一新興的邊緣學(xué)科作為一門獨立的學(xué)科成立 ，成為時代的需要 。 美國 、 日本和西方一些國家成立了醫(yī)學(xué)電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)組織 。 世界性的國際生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合會于 1965年正式成立 。 七十年代以后 ， 生物醫(yī)學(xué)工程涉及到生物醫(yī)學(xué)的各個方面 ， 并取得長足的發(fā)展 。 理論研究方面 ， 利用生物系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)對極為復(fù)雜的生命現(xiàn)象和生理過程的機制進行定量描述 ， 如胰島素釋放控制模型和傳染病流行模型等；生物力學(xué)對骨 、 軟組織和血液的流變特性作了系統(tǒng)的研究 ， 對心血管中血液流動建立了更接近生理的本構(gòu)方程； 應(yīng)用技術(shù)方面 ， X射線計算機斷層掃描裝置 （ X線 CT,XComputed Tomography） 在短短的二十年間已發(fā)展到第五代 ， 同位素斷層圖像的放射型 CT（ ECT)， 使單純形態(tài)檢查發(fā)展到功能診斷 ， 多種斷層技術(shù)使醫(yī)學(xué)影像成為臨床診斷的支柱； 生物傳感器的問世，使有機物的測量進入了無試劑分析的時代，使連續(xù)動態(tài)監(jiān)測體內(nèi)有機成分成為可能； 單板機、單片機使得醫(yī)療儀器微型化、智能化； 高性能個人計算機的出現(xiàn)，使醫(yī)療儀器具有了多功能化特征，集醫(yī)學(xué)信息采集、檢測、處理和管理為一體，大大地提高了醫(yī)療效能；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬技術(shù)的實用化，使遠程醫(yī)療成為現(xiàn)實 . 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)基本上是構(gòu)筑在生物醫(yī)學(xué)工程的基礎(chǔ)上 。四大影像設(shè)備 、 各種生物電和器官壓力流量監(jiān)測等功能檢查設(shè)備 、 各種自動生化分析儀器 ， 是現(xiàn)代臨床診斷的基礎(chǔ)；射頻儀 、 碎石機治愈了不少的患者；除顫器 、 埋藏式心臟起搏器和人工心瓣膜挽救和維持了全世界數(shù)百萬心臟病人的生命；人工腎等血液凈化技術(shù) ，維持著數(shù)十萬腎功能衰竭病人的正常生活；人工晶體 、人工關(guān)節(jié) 、 功能性假體已廣泛用于傷殘人的康復(fù)和功能輔助；生物力學(xué)的研究 ， 對動脈粥樣硬化的血栓形成認識及對骨外科器具和人工器官的設(shè)計起了十分重要的作用 。 總之 ， 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進步離不開生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展 ， 反過來又提出了新的課題 ， 促進生物醫(yī)學(xué)工程的進步 。 但是 ， 另一方面 ， 由于生物醫(yī)學(xué)工程的進步 ， 高技術(shù)的醫(yī)療儀器裝備層出不窮 ， 使得醫(yī)療保健費用呈指數(shù)曲線急劇上升 ， 成為整個社會越來越沉重的負擔 。 目前這個負擔已經(jīng)沉重到北美 、 西歐等經(jīng)濟發(fā)達國家都難以承受的地步 。 具有諷刺意義的是 ， 當初推動生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展的原因之一是指望借助于工程的方法來控制醫(yī)療費用的膨脹 。 但結(jié)果卻事與愿違 ， 生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)越發(fā)達 ， 醫(yī)療費用增長所造成的社會負擔卻越沉重 。 而從這種困境中解脫出來的唯一辦法，就是改變觀念，重視生物醫(yī)學(xué)工程的社會性。不能將生物醫(yī)學(xué)工程看成是一門單純的技術(shù)科學(xué)，看作是各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的簡單應(yīng)用。實際上生物醫(yī)學(xué)工程服務(wù)的對象是社會的每一個成員，因而必然受到社會經(jīng)濟承受能力的約束。如果忽略了這一點，片面地追求科學(xué)技術(shù)的先進性，或一味地追求生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益，其結(jié)果必然是使生物醫(yī)學(xué)工程自身陷于困境 。 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科是 1978年由國家科委正式確立的，并于 1980年成立了中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院院長黃家駟教授任首屆會長。先后在 18個省、直瞎市成立了分會，并于 1986年正式加入 IFMBE。至今設(shè) 10個學(xué)科分會和專業(yè)委員會。目前全國有近四十所高校有相當規(guī)模的生物醫(yī)學(xué)工程研究室、所，博士點十多個，碩士點幾十個，對我國的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)發(fā)展起了十分重要的作用。 我國的生物醫(yī)學(xué)工程是仿效西方的模式建立起來的。在學(xué)科形成的初期，這種仿效是必然的。但是在西方生物醫(yī)學(xué)工程的進步與它的社會效應(yīng)的矛盾日益顯露的今天，中國的生物醫(yī)學(xué)工程要發(fā)展，就必須要充分認識我國的基本國情，要以大多數(shù)中國人的衛(wèi)生保健的急需為目標，立足于我國經(jīng)濟和技術(shù)的可能，在促進我國醫(yī)學(xué)水平提高的同時，必須有助于社會醫(yī)療費用的控制。 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的科學(xué)范圍 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是工程學(xué)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，任何工程學(xué)科與生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的結(jié)合均屬于生物醫(yī)學(xué)工程的范疇，因此生物醫(yī)學(xué)工程的研究領(lǐng)域十分廣泛，并在不斷的發(fā)展，目前較成熟的領(lǐng)域有如下八個： 1. 生物力學(xué) 2. 生物材料 3. 生物系統(tǒng)建模與仿真 4. 物理因子在治療中的應(yīng)用及其生物效應(yīng) 5. 生物醫(yī)學(xué)信號檢測與傳感器 6. 生物醫(yī)學(xué)信號處理 7. 醫(yī)學(xué)圖像技術(shù) 8. 人工器官 ? 生物力學(xué) （ Biological Mechanics） ： 生物力學(xué)是力學(xué)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科之間相互滲透的邊緣學(xué)科。它的 目的 是試圖從力學(xué)的角度來了解生命。具體地說，它將用經(jīng)典力學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)的知識來解釋生命的某些現(xiàn)象；用力學(xué)的方法定量地分析、研究生命系統(tǒng)的功能與構(gòu)造的關(guān)系，進而探討生命的整個力學(xué)過程。 生物力學(xué)所涉及的領(lǐng)域很廣，目前認為它主要包括骨骼生物力學(xué)、人體運動力學(xué)、血液循環(huán)力學(xué)、呼吸流變學(xué)和生物熱力學(xué)等分支學(xué)科。 生物力學(xué)的研究，加深了對血液流變特性與疾病的關(guān)系，骨力學(xué)特性與骨折愈合的關(guān)系，血液流動規(guī)律與心血管疾病的關(guān)系等的理解。應(yīng)用生物力學(xué)的研究成果，指導(dǎo)人工關(guān)節(jié)、人工心臟瓣膜等人工器官的設(shè)計。 近年來，由于醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展．仿生學(xué)、宇航技術(shù)的進步，給生物力學(xué)提出了一系列問題，促進了生物力學(xué)的蓬勃發(fā)展。60年代后期，電子計算機開始用于醫(yī)學(xué)，為生物力學(xué)開辟了新的前景。 生物力學(xué)的研究開始于 60年代。 1960年，美國的第一屆仿生學(xué)討論會引起了人們對生物力學(xué)的注意和興趣。此后，美、歐、日、蘇、澳、加等國都相繼建立了專門的研究機構(gòu)，并多次召開國際性生物流變學(xué)會議和生物力學(xué)討論會。 1978年，在中國科學(xué)院組織的全國力學(xué)規(guī)劃會議上，將生物力學(xué)作為一門獨立的學(xué)科列入規(guī)劃中。與此同時，中國力學(xué)會組織了全國性的生物力學(xué)專業(yè)組。此后，國內(nèi)諸多著名大學(xué)相繼建立了生物力學(xué)研究所或研究機構(gòu)，并召開了多次全國