黑龙江中医药大学毕业论文生物医学工程.docx

Error! No text of specified style in document.摘要 “生物医学工程”是多种学科交叉的边缘科学，已经为临床做出了各种惊人的贡献，从17世纪显微镜的发现并应用与医学，再到上世纪X射线的发现以及影像医学的普及，到现在“人类基因组计划”完成后的精准医学，未来的生物医学和临床学科的发展就是要整合生物学新前沿，运用新技术和新概念，更加有效的为人类医疗卫生与健康保健做出贡献。关键词显微镜的发现；X射线；人类基因组计划；精准医学AbstractBiomedical engineering is a variety of the edge of the interdisciplinary science, has made all sorts of amazing contribution to clinical, from the 17th century found and application and medical microscope, and X ray findings of the last century and the popularity of medical image, and now after the completion of the human genome project of precision medical, the future of the development of the biomedical and clinical science is to integrate new frontier in biology, using new technology and new concept, more effectively contribute to human health and health care.KeywordsThe discovery of biomedical microscope;Biomedical; X-ray; the human genome project; precision medicine12- -目录 目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 引言12 医学影像学的发展22.1 显微镜的发明具有划时代的意义22.1.1 光学显微镜的发明22.1.2电子显微镜的发明22.1.3 显微镜大时代下催生BME22.2 影像诊断学的进步32.2.1 X射线发现与应用32.2.2 CT与X射线结合提高影像学诊断水平32.2.3 分子影像学的发展33 介入医学问世53.1 临床新领域-介入医学53.2 人工器官的应用53.3 其他BME成果54 人类基因组计划完成之后的精准医学75 21世纪生物医学工程展望9参考文献11致谢14千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。English Catalog 千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。Error! No text of specified style in document. Error! No text of specified style in document.1 绪论1.1 引言生物医学工程（Biomedical Engineering,BME）是生物医学、工程学、生物学等学科相结合而发展的交叉边缘学科，多学科的交叉，使它不同于那些经典的学科，也有别于生物医学和纯粹的工程学科。现在的生物医学工程在疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面起着巨大作用，世界各个主要国家均将它列入高技术领域，重点投资优先发展。上世纪50年代，生物医学工程才刚出生，特别是随着曼哈顿计划和阿波罗计划俩个斥资上百亿大计划的完成，生物医学工程有了快速的发展，几乎涉及了生物医药和理工学的所有领域。随着2013年人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）宣布完成，生物医学工程的技术更加多样与成熟。我国生物医学工程起步比较晚，上世纪末才逐渐高校才开设生物医学工程学科，并且实践较为匮乏，与国际交流不是很多。我国目前已经有了一定规模的生物谷，并在上海张江高科技园区成立了生物药谷，为赶超国际生物医学工程的发展不懈努力。我国BME市场成为继美国和日本之后世界第三大市场，并且在以每年14%左右的速度增长。制药业和生物医学工程是当代健康产业的俩大支柱。但是我们的技术和世界先进水平相比有很大的差距，主要产品的技术水平相差近20年。据不完全统计，仅美国一国生产的BME产品就占全世界总量的40%以上，欧洲占了30%左右，日本占了15%18%加起来几乎垄断了世界市场，而中国BME产品总产值仅世界总销售额的2%。BME产品一般技术含量较高，而且进入市场严格，至今为止，很多关键的技术还在发达国家大公司所垄断。国内缺乏大环境，以至于没有自主研发产品，多是跟着国外走，技术储备匮乏。BME作为日后国家重点扶持项目，还是要走很长的道路，我们新一代的生物工作者责无旁贷，了解掌握国外先进技术，创新新的产品，更新思维和意识观念，才能让中国BME产业傲视群雄。2 医学影像的发展2.1 显微镜的发明具有划时代的意义2.1.1 光学显微镜的发明人眼的分辨力（resolving power）只有0.1mm，也就是说，如果俩条平行线距离小于0.1mm时，人眼就会把其看作一条线。在公元前一世纪，人们发现通过球形透明物体去观察微小物体可以呈放大的像，在16世纪已经有眼镜制造商可以做出类似于光学显微镜。1665年列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）首次使用复合式显微镜观察到了细胞，解开了微生物学的序幕。虽然普通光学显微镜（light microscope）只能看到微米（m）级别，对于超微细结构等就无法分辨，但是光学显微镜的发展仍然是划时代的进步，利用光学显微镜，科学家们才打开了通往微观领域的大门。2.1.2 电子显微镜的发明光学显微镜受照明用光的波长限制，分辨力不能在提高了。所以科学家们急需更高分辨力的显微镜。电子显微镜（electron microscope，EM）的问世又开辟影像信息学的新领域。电子显微镜是利用加速的电子束代替可见光来“照明”的，其分辨率比光学显微镜提高了很多倍。1988年，Confocal（共轭焦）扫描显微镜被科学家广泛使用。目前，在美国刚刚举行的显微镜及微分析研讨会上FEI公司推出的扫描传输显微镜已经可以使亚埃级（原子级）成像。科学技术的发展推动着影像信息的图片更精确，信息量更庞大。2.1.3 显微镜大时代下催生BME 回顾历史，人类寿命不长原因之一就有疾病和瘟疫，所以当时的科学家和医疗工作者们对于看不见的“魔鬼”束手无策，以至于欧洲中世纪一直在黑暗的教会下统治。显微镜的发明，不仅仅让人们看到了微生物，还让人们看到了治疗疾病的光明，在普通显微镜诞生后的100年中，不断有人改进显微镜，并且发现更多微生物，也为后来的施莱登和施旺（Schliden and Schwann）提倡细胞学原理提供了工具。当时的BME还只是雏形，普遍没有意识到这将是人类抵抗疾病和瘟疫最轻松的方式。2.2 影像学诊断的进步2.2.1 X射线发现与应用1895年11月8日，德国科学家伦琴开始进行阴极射线的研究。1895年12月28日他完成了初步的实验报告一种新的射线。他把这项成果发布在维尔茨堡的物理医疗社会(Physical-MedicalSociety)杂志上。为了表明这是一种新的射线，伦琴采用表示未知数的X来命名。很多科学家主张命名为伦琴射线，伦琴自己坚决反对，但是这一名称仍然有人使用。1901年伦琴获得诺贝尔物理学奖。伦琴发现X射线后仅仅几个月时间内，它就被应用于医学影像。1896年2月，苏格兰医生约翰麦金泰在格拉斯哥皇家医院设立了世界上第一个放射科。放射医学是医学的一个专门领域，它使用放射线照相术和其他技术产生诊断图像。的确，这可能是X射线技术应用最广泛的地方。X射线的用途主要是探测骨骼的病变，但对于探测软组织的病变也相当有用。常见的例子有胸腔X射线，用来诊断肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺气肿;而腹腔X射线则用来检测肠道梗塞，自由气体(free air，由于内脏穿孔)及自由液体(free fluid)。某些情况下，使用X射线诊断还存在争议，例如结石(对X射线几乎没有阻挡效应)或肾结石(一般可见，但并不总是可见)。2.2.2 CT与X射线结合提高影像学诊断水平借助计算机，人们可以把不同角度的X射线影像合成成三维图像，在医学上常用的电脑断层扫描(computted tomography，CT)就是基于这一原理。X线CT 片提供给医生的信息量，远远大于普通X线照片观察所得的信息。目前，螺旋CT(spiral CT 或helicalet CT)已经问世，能快速扫描和重建图像，在临床应用中取代了多数传统的CT， 提高了诊断准确率1。医学工程研究利用生物组织中氢、磷等原子的核磁共振(nu clear magnetic resonance)原理。研制成功了核磁共振计算机断层成像系统(MRI)，它不仅 可分辨病理解剖结构形态的变化，还能做到早期识别组织生化功能变化的信息，显示某些疾 病在早期价段的改变，有利于临床早期诊断。可以认为MRI工程的进步，促进了医学诊学 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、MRA、FMRI、MRS发展。 根据核医学示踪，利用正电子发射核素(18F，11C，13N)的原理，创造 的正电子发射体层摄影(PET)，是目前最先进的影像诊断技术。美国新闻媒体把PET列为十大 医学生物技术的榜首。PET问世不过30年历史，但它已显示出对肿瘤学、心脏病学、神经病 学、器官移植，新药开发等研究领域的重要价值2。影像学诊断水平的不断提高 ，与20世纪生物医学工程技术的发展密切相关。2.2.3 分子影像学的发展分子影像学是传统医学影像技术与现代分子生物学相结合产生的一门新兴学科，具有传统成像手段所不能触及的高灵敏度和精确性，从更基础的层面探测到病变的发生与发展，而且是无创伤、实时、活体、特异、精细的影像检查。更重要的是分子影像不仅仅影响到疾病的诊断，更会带来疾病治疗方面的革命。而在分子影像技术中，核医学是发展前景最好、目前应用最广泛的技术，其代表设备就是PET。目前中国的PET市场，主要集中在高端的PET/CT中心（PET/CT+回旋加速器），超大的投资和高昂的运转费用，无法在普通人群中使用，限制了PET在中国的普及。中国的分子影像技术要跟上世界发展潮流，必须克服价格障碍，才能迅速向PET市场转移，逐渐向世界市场过度。为此提出用临床实用的专业PET和常规ECT搭配，以合理的价格取代符合线路的普及方案，这一方案得到高度认可。 在共同的努力下，分子影像学的研究进入了一个发展的阶段，各个学者、专家对分子影像学的理论做了相关论述，对其技术实施也提出了根本性的改进，对分子影像学诊断所需的设备提出相应的研制方法，这样将会从根本上改进现有影像诊断质量。研究分子影像就是为了将其运用于疾病发生早期症状的诊断，以达到在没有表现出相应临床症状之前发现其内在的发生发展情况，提早干预、预防疾病的发生。 我们分子影像学发展的最高目标是为了达到分子影像时代，即我们在公共场所的过道、门栏中安装分子影像仪及与其连接的显示器。当人们经过时，人体内的分子、细胞活动状况将自动被监视器反映在显示器上，这样，人们能够在显示器上看见自己的身体内部分子水平的相关情况，随时随地发现自身细胞、分子的变异及损坏与否，及早地处理这些问题，这样会大大减少疾病地发生发展率。3 介入医学问世3.1 临床新领域-介入医学介入医学是一种微创伤的诊疗技术。Dotter和Judkin(1964 年)是最早使用介入技术治疗疾病的创始人，他们用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首先使用过介入放射学(Interventional Radiology)，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 张术获得成功以后，介入性诊疗技术由于其创伤小、患者痛苦少，安全有效而倍受临床欢迎 。20世纪80年代随着生物医学工程的发展，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(high-polymer)新材料制成的介入技术用的各种导管相 继问世，使介入性诊疗技术发生了飞速进步，临床应用范围不断扩大，从心血管、脑血管、 非血管管腔器官到某些恶性肿瘤等都具有使用介入诊疗的适应证，并使诊疗效果明显提高，患者可减免许多大手术之苦。有人把介入诊疗技术视 为与药物诊疗、手术诊疗并列的临床三大诊疗技术之一，也有人把介入诊疗技术称之为20世 纪发展起来的临床医学新领域-介入医学3，4。3.2 人工器官的应用当人体器官因病伤已不能用常规方法救治时，现代临床医疗技术有可能使用一种人工制造的装置来替代病损器官或补偿其生理功能，人们称这种装置 为人工器官(artificial organ)。如20世纪50年代以前，风湿性心脏瓣膜病的治疗，除了应 用抗风湿药物、强心药物对症治疗外，对病损的瓣膜很难修复改善，不少患者因心功能衰竭 死亡。而今天可以应用人工心肺机体外循环技术，在心脏停跳状态下切开心脏，进行更换人 工瓣膜或进行房、室间隔缺损的修补，使心脏瓣膜病、先天性心脏病患者恢复健康。心外科 之所以能达到今天这样的水平，主要是由于人工心肺机的问世和使用了人工心脏瓣膜、人工 血管等新材料、新技术的结果5。肾功能衰竭、尿毒症患者愈后不良，而人工肾血液透析技术已挽救了大量肾病晚期患者的生 命，肾病治疗学也因此有了很大进步。现代生物医学工程中人工器官的发展也非常迅速，除上述人工器官外，人工关节、人工心脏 起搏器、人工心脏、人工肝、人工肺等在临床都得到应用，使千千万万的患者恢复了健康。 可以说，人体各种器官除大脑不能用人工器官代替外，其余各器官都存在用人工器官替代的 可能性。3.3 其他BME成果此外，放射医学、超声医学、激光医学、核医学、医用电子技术、计算机远程医疗技术等先 进的医疗技术和仪器设备都是现代医学工程研究开发的成果，综上可见，20世纪生物医学工 程的发展，显著提高了医学诊断和治疗水平，有力地推动着医学科的问题。 其次，还有生物力学、材料学和医学工程的结合创造出人工心脏起搏器和人工心脏瓣膜等等人工器官，这些人工器官正在挽救和维持着世界数百万心脏病患者的生命；人工晶体、人工关节和功能性假体等已广泛用于伤残人的康复和功能辅助，为患者带来福音。上面我们只是简单的介绍了一些学科在医学检测和治疗的一些应用，而医学和其他学科的交叉应用正在朝着应用范围越来越广，结合层次越来越深的趋势发展，所有的这些正在从根本上改变着医院的面貌。所以说现代医学技术的进步是和生物医学工程学的发展分不开的。随着现在生活水平的提高而逐年增加，人们越来越关注自身的健康和保健问题，对此投入也日渐加大，由此它所带动的产业在国民经济中占有重要地位。在这个日渐膨胀的医疗保健产业中生物医学工程学是其重要基础和动力，各国都非常看好生物医学工程前景，纷纷加大在生物医学工程研究方面的投入。4 人类基因组计划完成后的精准医学“人类基因组计划”（Human Genome Project，HGP）是BME遇到瓶颈时最大的解决方案。HGP正是这样一个计划，以高质量测定一个人的基因组为具体目标，以发展DNA测序技术和规模化操作为手段，以国际合作为成功保障。这样的计划和管理模式显然也适用于其它物种的基因组计划和人类基因组多态性的深入研究。其次，大型科学计划要具有可计划性，计划的主体是人才与技术。HGP的实际领导者很多是来自于其他领域，他们的可信任度来自于做事情有始有终的历史纪录。比如英国的苏斯顿博士（JohnSulston，获2002年度诺贝尔生理或医学奖）和美国的瓦特斯顿博士（RobertWaterston）被选为HGP基因组测序的主要领导者，分别领导了英国和美国最大的测序中心，他们早年其实是研究线虫生物学的专家。其三是大科学项目要有始有终，亦即具有阶段性和可操作性的目标，不能是开放式的（Open-ended）或结果无法量化的。当然，所谓的量化不是用文章和专利的多少，培养学生的多少来衡量，而是用社会效益来衡量，由独立咨询机构来调研和报告的。最后是统理和实施的艺术。HGP不仅要有一个清楚的路线图科学领域发展的路线图往往是指研究活动的终极目标和操作过程而且还要有共同的原则和实施方案。比如，HGP著名的“百慕大原则”（BermudaPrinciples）要求所有测序数据必须在产出的24小时之内投放到公共数据库里，使珍贵的数据得到实际和及时的共享。2011年美国基因组学与生物医学界的智库又发表了迈向精准医学：建立生物医学与疾病新分类学的知识网络，宣示基因组学的研究成果和手段如何可以促成生物医学和临床医学研究的交汇，从而编织新的知识网络。现已退休的华盛顿大学欧森博士是唯一一位既参加了起草1987年“人类基因组计划”宣言性报告，也参加了这个精准医学报告撰写的科学家。他对精准医学的解释是：“个性化”其实就是医学实践的正常形式，而分子水平信息的正确使用则会使医学更精准，因而成为恰如其分的目的性描述。他学医出身的博士后，也是目前NIH基因组研究所所长的格润博士（EricGreen），正在坚决地实践着欧森三十年以来的一贯思想：大科学项目一定要有始有终、要有直接造福于社会的目的性。只有这样，主流科学家、政府、社会和民众才能坚定地支持这样耗时十数年、耗资几十亿、集科学思想与技术集成为一体的大科学项目。我们已经看到了诸多“转化中心”的成立，我们也看到了各类“转化研究”的启动。尽管目前精准医学还不是一个具体的学科和大项目，但是在这个科学思维框架下的蓝图已经规划好了。迈向精准医学：建立生物医学与疾病新分类学的知识网络的报告已直接建议了几个可实施大项目，比如“百万人美国人基因组计划”、“糖尿病代谢组计划”、“暴露组研究（Exposome）计划”等。就百万人基因组测序而言，其单纯的DNA测序价格就应该在10亿美元以上。鉴于英国的医学临床资源规范而且丰富，首相卡梅伦去年斥资一亿英镑率先就启动了“十万人基因组测序计划”。可见，BME对于HGP完成后的应用越来越趋于成熟，精准医学的研究计划，也使科研人员找到了新的方向。5 21世纪生物医学工程展望 纵观医学新技术诞生和发展的历史，从伦琴发现X线到今天X射线诊疗技术的发展，从朗兹万发现超声波到今天B超诊断的广泛应用，从布洛赫和伯塞尔发现核磁共振到今天MRI的问世，从赫斯费尔德发明CT到今天C t成像系统的应用，都是以物理学工程技术为基础、医学需求为前提发展起来的医学新技术。循着20世纪医学发展的轨迹，我们有理由预测21世纪新的医学诊疗技术可能在以下10个方面有重大突破和创新：(1)各种诊疗仪器、实验装置趋向计算机化、智能化，远程医疗信息网络化，诊疗用机器人将被广泛应用。6(2)介入性微创，无创诊疗技术在临床医疗中占有越来越重要的地位。激光技术，纳米技术和植入型超微机器人将在医疗各领域里发挥重要作用。(3)医疗实践发现单一形态影像诊查仪器不能满足疾病早期诊断的需要。随着PET的问世和应用，形态和功能相结合的新型检测系统将有大发展。非影像增显剂型心血管、脑血管影像诊查系统将在21世纪问世。(4)生物材料和组织工程将有较大发展，生物机械结合型、生物型人工器官将有新突破，人工器官将在临床医疗中广泛应用。(5)材料和药物相结合的新型给药技术和装置将有很大发展，植入型药物长效缓释材料，药物贴覆透入材料，促上皮、组织生长可降解材料，可逆抗生育绝育材料、生物止血材料将有新突破。(6)未来医疗将由治疗型为主向预防保健型医疗模式转变。为此，用于社区、家庭、个人医疗保健诊疗仪器，康复保健装置，以及微型健康自我监测医疗器械和用品将有广泛需求和应用。(7)除继续努力加强生物源性疾病防治外，对精神、心理、社会源性疾病的防治诊疗技术和相应仪器设备的研制受到越来越多的重视与开发，研制精神分析、心理安抚、生物反馈型诊疗技术和设备将是生物医学工程的新起点。(8)创伤是造成青年人群死亡的主要原因，研制新型创伤防护装置、生命急救系统是未来生物医学工程的重要课题。(9)即将迎来的21世纪是分子生物学时代，有关分子生物学的诊疗新技术将快速发展，遗传、疾病基因诊疗技术，生物技术和微电子技术相结合的DNA芯片、雪白芯片和诊疗系统将被广泛应用。(10)空气污染、环境污染严重危害着人类健康，研究和开发劳动保护、家庭保健、个人防护用的人工气候微环境是未来不能忽视的问题。1997年我国发布了关于卫生工作改革与发展的决定，提出了奋斗目标：“到2000年，基本实现人人享有初级卫生保健”，到2010年国民健康的主要指标在经济发达地区达到或接近世界中等发达国家水平，在欠发达地区达到发展中国家的先进水平。1999年国家科技部召开了“发展生物医学工程技术战略研讨会”，国家工程院开展了有关发展我国医疗器械工业战略研究等，对推动生物医学工程产业发展、落实创新工程战略布置起着重要作用。20世纪人类与疾病做斗争，在医学诊疗技术上取得了重大成就；但面向21世纪的巨大挑战，我们要动员起来，调整政