生物医学工程导论生物医学工程概况

生物医学工程导论生物医学工程概况第1页/共88页课程简介

生物医学工程是理、工、医相结合的边缘学科，其将现代工程技术、近代物理学、生物学和医学结合起来，形成了对生命科学、现代医学具有极其重要意义的新兴交叉学科。其属于技术科学范畴，是以生命的人为对象，用工程学原理，研究开发防病、治病、人体辅助功能等为医学应用服务的人工装置和系统。医疗仪器、医疗器械即是其最广泛的应用。随之而起的生物医学工程产业被称为朝阳产业，我国形成环渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲等三大产业带，深圳是我国生物医学工程产业中最具有竞争力的产业基地，其产值占珠江三角洲的百分之八十以上，对该学科的人才有较高的需求。

本课程以讲座形式，以交叉学科充满创新的特点，介绍生物医学工程的基本原理、典型应用、最新成果及未来发展。在最后几讲中将介绍生物医学工程产业和临床工程的一些基本知识，以帮助学生从事实际工作时能尽快入门。第2页/共88页教材名称作

者出

版社IntroductiontoBiomedicalEngineeringJohnEnderle,SusanBlanchard,JosephBronzino,AcademicPress,2005,SecondEdition参考书名称作

者出

版社生物医学工程江佩栋，杨子彬山东科学技术出版社第3页/共88页考核形式课堂测验成绩（50％）

+期末考核（50％）每次课有10分钟左右的课题测验作为平时成绩期末考试方式是通过课程学习总结，查阅文献，根据自己的兴趣撰写相关的课程报告。课件下载：/courseware第4页/共88页讲座内容第一讲：生物医学工程概况陈思平教授第二讲：人体解剖与生理及生物电现象王晓梅教授第三讲：生物医学传感器张会生副教授第四讲：生物医学仪器张会生副教授第五讲：康复工程 郭霞博士/王珏博士第六讲：生物医学信号处理纪震教授第七讲：组织工程张小云教授第八讲：生物技术和生物芯片余晓博士后第九讲：放射学成像和磁共振成像但果副教授第5页/共88页第十讲：医学超声陈思平教授第十一讲：生物医学图象处理 汪天富教授第十二讲：生物材料 曾燮榕教授第十三讲：生物医学中的光学与激光屈军乐副研究员第十四讲：医疗信息系统纪震教授第十五讲：临床工程及电气安全陈思平教授第十六讲：医疗器械产业基本知识 陈思平教授第十七讲：计算机辅助诊断 汪天富教授中间安排一次去生物医学工程企业参观第6页/共88页本讲内容提要生物医学工程学科简介生物医学工程产业现状学术组织介绍参考书和杂志第7页/共88页生物医学工程简介

生物医学工程发展

生物医学工程概念生物医学工程的内容生物医学工程的互动、现状。第8页/共88页中国医学超声诊断发源地?

第9页/共88页A北京

B上海C广州

D武汉

E其他第10页/共88页中国超声诊断与无损检测195819591960-上海第六人民医院江南材料厂第一次超声诊断大跃进献礼超声探伤仪超声诊断学习班安适医生

—«中国超声诊断四十年»第11页/共88页超声回波幅度信息提取

第12页/共88页第13页/共88页

生物医学工程概念技术科学范畴，以生命的人为对象，用工程学原理，研究开发防病、治病、人体辅助功能等医学应用服务的人工装置和系统。边缘学科理、工、医相结合交叉学科，将现代工程技术、近代物理学、生物学和医学结合起来，形成了对生命科学、现代医学具有极其重要意义的新兴学科。独立学科发展历史仅50年第14页/共88页生物医学工程学科领域基础生物学物理学(生物医学物理学）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第15页/共88页第16页/共88页智能胶囊内窥镜技术第17页/共88页第18页/共88页第19页/共88页麻雀虽小……..现代集成电路技术射频通讯技术光学窥镜技术图像传输与处理技术无线电源技术无线遥控技术（舱）生物材料第20页/共88页生物医学工程简介生物医学工程研究的内容生物医学工程概念生物医学工程发展生物医学工程的互动、现状。第21页/共88页生物医学工程主要研究范畴（1）生物医学仪器与工程技术:临床医学诊断、治疗仪器与设备：如各种医学成像设备和技术、各种诊断、治疗、检测分析仪、手术技术设备、监护技术及仪器等；康复医学工程与技术：医学康复技术、设备和方法、物理康复技术与器械等；基因芯片、DNA检测分析技术与设备等；远程医疗：远程诊断、监护、治疗、手术等；生物医学传感器技术；其他：微型手术与监测，植入式装置等。第22页/共88页生物医学工程主要研究范畴（2）生物材料与生物组织工程：具有生物组织特性的人工生物材料；人工器官；生物医学信息科学：生物医学信息的提取、分析、识别技术；医学信息网络与系统；生物医学信息学。第23页/共88页生物医学工程主要研究范畴（3）物理因子的生物组织效应及其应用：电磁场的生物组织效应及其应用；激光、红外线；X-线、高能射线；超声波等。第24页/共88页生物医学工程主要研究范畴（4）其他：环境医学工程：环境对生长、发育、致病的关系；生物力学：研究人体和生物在生长和发育过程中的各种力学现象、力学条件及其应用；生物物理：生物数学：生物医学光子学：光与生物组织的效应及应用第25页/共88页生物医学工程简介生物医学工程发展生物医学工程概念生物医学工程的内容生物医学工程的互动、现状。第26页/共88页生物医学工程发展生物医学工程孕育于十九世纪，1895年开创了医学成像技术，形成于二十世纪。*二十世纪五十年代形成学科领域(Ilmenau)，发展迅速。**1978年我国开始确立为独立学科，80年招研究生。***新世纪为生物医学工程的发展提供更广阔的发展空间。生物医学工程是生命科学的重要领域，与人类生活质量及健康的关系密切。第27页/共88页从医学成像技术看ＢＭＥ发展第28页/共88页医学成像技术1.

X射线成像

2.磁共振成像3.超声成像

4.核医学成像

5.光成像第29页/共88页X射线成像

—功不可灭

从1895年X射线发现后,X光机很快进入医学临床，开创了医学图像学,现代生物医学工程逐步形成第30页/共88页从伦琴谈起1895年11月8日阴极射线仪器（电子束），“X”

射线人类史上第一幅医学图像1903年第一个诺贝尔物理学奖第31页/共88页X射线成像原理1%以下诊断X线波长范围为0.008～0.031nm(40～150kV）荧光效应摄影效应电离效应X线机主要部件示意图第32页/共88页X射线成像原理

不同厚度组织(密度相同)与X线成像的关系第33页/共88页

X射线成像装置

-传统X射线机

-心血管系统造影X射线装置

-X射线数字减影装置(DSA)-移动式电视X射线机

-双能X线减影骨密度测量仪

-数字X射线成像装置（CR/DR)**-X-CT

螺旋CT、CT血管造影（CTA）、超快速CT第34页/共88页X射线成像设备（安科）第35页/共88页X射线成像原理

不能反映病灶三维空间位置X射线X射线像物体第36页/共88页CT成像原理ABCABCDEFDEFGHIGHII1O1I2I3I4O2O3O4I1-O1=H+E+BI2-O2=G+E+CI3-O3=D+E+FI4-O4=A+E+IX射线源检测器第37页/共88页第38页/共88页CT成像原理第39页/共88页CT成像设备（安科）第40页/共88页生物医学工程简介

生物医学工程发展生物医学工程的内容

生物医学工程概念生物医学工程的互动、现状第41页/共88页从X光机发展看学科互动X光机(1895年)头部CT全身CT螺旋CT、超高速CT常见病诊断：肺炎、骨折脑部肿瘤、出血，颅骨外伤内脏器官占位性病变肿瘤早期诊断、心血管病变计算机、软件技术等造影剂等滑环技术、快速摄影技术等第42页/共88页人们对自己的认识进程第43页/共88页超声成像生物医学工程不断发展的历史

--揭示隐含信息的历史第44页/共88页

超声成像装置A型二维组织剖面图像(B)，多普勒（D）---测流速，彩色多普勒（C），

M型（M）第45页/共88页幅度信息提取

第46页/共88页

回波的反射、折射

—幅度信息提取1.垂直入射到两层相邻的介质

Z2Z1反射入射折射声强声强第47页/共88页声特性阻抗ZZ=C

－密度 C－声速

空气 0.000429105瑞利

PZT-5 33.7105瑞利

水 1.513105瑞利

肝 1.648105瑞利

骨 5.57105瑞利第48页/共88页幅度信息启示1.反射和折射所产生的各层回波给我们带来了人体内部各层组织的幅度信息，使我们可以利用这些信息及其变换进行超声诊断：A超，B超，M超等。A型：(AScope)超声回波幅度为纵坐标，超声传播时间为横坐标的显示方式。第49页/共88页幅度信息启示B型：辉度调制型(BrightModulation)，以回波幅度调制声束各扫描点的亮度，形成二维显示断面图。

B超

第50页/共88页速度信息的提取第51页/共88页超声多普勒效应—速度信息的提取1842奥地利数学家和天文学家C.Doppler

在观察天体运动时发现了一种物理现象,当星球朝向地球或背离地球运动时，来自星球的光色发生了变化，即光波发射与接收的频率差和光源与接收器之间相对运动有关。这种物理现象我们称之为多普勒效应。日常生活：如火车鸣笛而来，音调增高；呼啸而去，音调降低。这种频率变化称多普勒频移。第52页/共88页超声多普勒效应—速度信息的提取胎心、瓣膜、血管壁、血流等都是人体中的运动体，当超声照射到它们时会产生多普勒效应体外检测由体内运动体产生的多普勒频移信号就可达到无创伤地检测体内运动状况的目的。第53页/共88页超声多普勒效应—速度信息的提取

医学超声多普勒效应的基本测速公式第54页/共88页超声多普勒效应—速度信息的提取第55页/共88页提取速度、方向信息Sx()0-0正向流反向流0d0-d多普勒信号特点：*窄带随机信号*0±d第56页/共88页提取速度、方向信息方法2cosot信号合成谱分析器放大多普勒回波信号0±d2sinot低通滤波高通滤波±d第57页/共88页血流深度信息的提取Nyquist采样频率限制即连续多普勒特点：连续多普勒方法与脉冲多普勒不同之处除了系统不同外，探头也不同，它采用两组探头，一组连续发射脉冲，一组不断接收回波。所以不可能有距离选通功能。因为不存在PRF,故原理上可测速度不受限制。但由于具体线路限制，一般机器给出最大可测血流速度在7m—10m/S之间。第58页/共88页声束扫描多普勒血流成像第59页/共88页彩色超声多普勒血流成像

—B

mode+Doppler

mode第60页/共88页STATUSPOSTMITRALVALVEREPAIRCASE#2EchoLabUofC第61页/共88页我国第一台彩超

－安科公司1989199820002003第62页/共88页发展方向（1）高频、多频（2）3D（3）全数字化、小型化、软件化（4）新的成像方法第63页/共88页1mmCurvedArraySingleElementsoftheArraysMultiElementTransducer–CurvedArray第64页/共88页3DColorDopplerCASE#2EchoLabUofC第65页/共88页还有什麽超声隐含信号

可以提取？第66页/共88页超声谐波技术第67页/共88页谐波信息提取第68页/共88页第69页/共88页还有什麽超声隐含信号

可以提取？第70页/共88页衰减参数成像第71页/共88页讨论

不断发展的揭示隐含信息的历史检测、提取医学超声信号方法：传统：发射、接受单脉冲。扩谱技术：伪随机码超声发射、接受脉冲序列通讯医学超声形成新的产品

BME交叉学科**西安交大1987年研究

第72页/共88页讨论

生物医学工程不断发展的历史

--揭示隐含信息的历史

我们回顾过去几十年，从超声回波中检测出幅度信息,到检测出多谱勒频移信息,进而检测出谐波信息。可以说超声回波信号的检测历史就是一部不断发展的揭示隐含信息的历史。从B超，彩超，到谐波成象，应该说每一步都有一个跃进。可以预见新的隐含信息检测出来将会带来超声诊断仪新的突破。第73页/共88页医疗器械产业的现状和发展第74页/共88页1.国际医疗器械产业的概况

长青树朝阳产业（90年代，0-7，0-3，3-8）全球销售总量超出1000亿USD（2001），年增长率９%。诊断医学影像类134亿，增长9%，病人监护仪类70亿，增长10%，离体诊断器械用品210亿，增长12%，

整形器械

120亿，增长12%，*第75页/共88页1.国际医疗器械产业的概况1.2全球医疗器械市场特点:分布不均享用不平衡

第76页/共88页1.国际医疗器械产业的概况1.3全球的跨国性医疗器械制造商强强联合和兼并全球兼并、收购、重组的波澜此起彼伏

医学影像业这种强强联合和兼并的结果形成了全球三大巨头（Philips、GEmedical，SiemensAGmedical）既竞争又合作，已走向“竞合”的成熟阶段

第77页/共88页1.国际医疗器械产业的概况1.4国外医疗器械制造产业正在向第三世界转移由于中国制造成本低廉，前述的国际三大巨头兼并、重组国内有实力的企业现象也在中国重演。事物总是有正反两面，随着“中国制造”席卷全球，这也正是国内有实力的企业加入国际分工的大好时机。

第78页/共88页MadeinChina

manufacturedesign

研发服务

Ụ制造第79页/共88页２.我国医疗器械产业现状

第80页/共88页3．医疗器械产业发展的几点建议3.2重视原创产品的研究，开发有自主知识产权的新产品

医疗器械的原创产品的创新体现在三个方面：１能开拓和引导医疗技术新的发展２能和新技术应用结合，研制出有自主知识产权的新产品３医工结合，医学专家的作用前移

第81页/共88页3．医疗器械产业发展的几点建议3.3

调整产品结构，适应医疗体制改革和医疗保险制度我国全面实施新的医疗保险制度，使我国的卫生模式从以前的病后治疗转变为以预防为主；随着医疗改革的深入，我国又提出了“人人享有医疗保健”的要求，这对医疗器械行业的发展将产生较大影响。早期诊断和普查的基本诊疗项目所使用的常规医疗器械数量将会有稳定持续地增长；小型化适合携带，能进入社区、带到家庭病床旁的B超是受欢迎的。因此医疗器械产业需要调整医疗器械产品的结构，使其适应这种变化。适用于基本医疗、社区医疗和面