生物醫學工程學 節選

第1章 緒論 1.1 什么是生物醫學工程 生物醫學工程學是將工程技術應用于人類健康的科學。人類健康是全方位多面性的，因此，生物醫學工程是集成了物理、化學、數學和計算科學以及工程原理來研究生物、醫學、行為以及健康的學科，是生命科學與信息、材料、精密機械等學科交叉與高度綜合的產物。換言之，生物醫學工程是綜合應用生命科學與工程科學的原理和方法，從工程學角度在分子、細胞、組織、器官乃至整個人體系統多層次認識人體的結構、功能和其他生命現象，研究用于防病、治病、人體功能輔助及衛生保健的人工材料、制品、裝置和系統技術的總稱。生物醫學工程學不僅是基礎醫學研究與臨床醫學應用中間的橋梁，也是醫學研究的重要組成和綜合實力的體現。 生物醫學工程的興起和發展歷程是不斷將其他學科的科研成果融合并引入到醫學領域的過程。例如，隨著臨床上對治療和監測技術需求的增加，電氣工程和物理學的原理與技術被引入醫學領域，基于先進的光、電、磁技術發展出一系列儀器設備（例如心電圖、腦電圖、血氧檢測、磁共振成像、CT成像、電刺激技術等）；材料學和力學的發展為人工器官和植入材料提供了重要的物質和理論基礎；新藥的研發對化學、材料學、應用數學提出了更高的要求，而這些學科的發展又反過來加速了新藥的研發；細胞和分子生物學的發展與生物材料和力學相結合，為實現體外構建活組織和器官，或原位引導缺損組織的再生和修復提供了強有力的技術支撐。 CRC出版社2015年出版的《生物醫學工程：基礎篇》第4版的目錄中列出了以下內容： 生物材料、分子細胞和組織工程、藥物設計和遞送系統、再生醫學和細胞治療、個體化醫療、基因組學和蛋白質組學、仿生學、微米和納米技術及生物微流控技術、植入假體和人工器官、遠程醫療、臨床工程、醫學和生物信息學、生物技術、醫學和生物分析、醫療機器人、醫學和紅外成像、神經工程、醫學儀器和器件、生物信號與生物傳感、生物電子和生理系統仿真、生物力學、康復工程和行為學。 這些分支學科構成了生機勃勃的生物醫學工程“世界”，為現代醫學的發展提供著源源不斷的新技術和新方法。 1.2 生物醫學工程學是現代醫學發展的重要推動力 現代醫學實際上開始于20世紀。20世紀中期基礎科學（化學、物理、藥學等）的進步對現代醫學的發展產生了深遠的影響，使健康醫療體系得到了飛躍式的發展。毋庸置疑，在過去的70多年里，生物醫學工程學科的興起與快速發展在延長人類壽命和改善人類健康狀況方面發揮了不可替代的重要作用。 工欲善其事，必先利其器。當人類通過新工具對自身的結構和功能獲得更深入的了解后，就能夠應用所獲得的知識去創造和改進工具，修復和改善自身的功能。從這個角度來看，生物醫學工程的發展歷程就是連續和循環往復的發現與創造的過程。直至今日，生物醫學工程仍然是保持這兩個方面，一方面是分析和研究機體系統的運行規律，另一方面是發展新技術和新方法來研究和修復機體。下面所列舉的幾個簡要示例可大致勾勒出生物醫學工程在以上兩個方面的作用。 1903年William Einthoven設計出**臺心電圖儀，能夠檢測心臟跳動中的電位變化，開啟了心血管醫學和電測量科技的新時代。X射線的發現和臨床應用使醫學開始面向檢測和診斷。到了20世紀30年代，通過使用鋇鹽或各種各樣的不透射材料，X射線幾乎能使所有器官可視化。與此同時，制冷技術的出現使血庫能夠建立和完全發展起來。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橋。20世紀40年代，心導管插入術和血管造影術發展起來，用一個螺紋套管穿過手臂血管靜脈插到心臟并注射不透X射線的染料，通過X射線造影實現了肺和心臟的血管瓣膜可視化，使精確診斷先天性和獲得性心臟疾病成為可能，從此開啟了一個新的心血管手術領域。 在21世紀的**個十年，機器人手術的發展使得現代手術有了更大的可能性。神經外科手術，包括周圍神經和中心神經以及血管手術，以及骨科手術中高難度區域的操作在新技術的幫助下有了顯著的提高。20世紀50年代進入醫學領域的電子顯微鏡為觀察細胞的精細結構提供了強有力的手段；而利用正電子發射斷層造影術（PET）來檢測和監測腫瘤的發展，把醫學帶入了原子時代。第二次世界大戰之后，為軍事目的而發展的先進科技使現代醫學受益匪淺。例如，為追蹤敵軍艦艇和飛機的電子科技以及給飛行員提供關于高度、飛行速度以及其他一些類似信息的技術已廣泛應用于醫學，用于跟蹤中樞神經系統的電生理行為或監控患者的心跳。第二次世界大戰造成的傷殘對康復工程和假肢領域產生了大量的需求。20世紀70年代以來，計算機斷層掃描（CT）成像、磁共振成像（MRI）等新的醫學成像科技的發展使醫生能夠對腦部的血流和氧消耗進行測量，從而研究神經元活躍區域。隨著1954年人工腎的成功研發，“人工器官”的概念被接受并且逐漸進入主流醫學，植入性假體如人工心臟瓣膜和人工血管也隨之快速發展起來，人工心臟的研發也隨之開始。近年來，納米科技、人工智能等新興學科的快速發展為醫學領域帶來了更加多樣和前沿的新技術，極大地推動了現代醫學的發展。 1.3 國際生物醫學工程教育概貌 生物醫學工程學科在很大程度上反映了一個大學的綜合科研實力。國際上很多大學設立了生物醫學工程專業，并有自己的特色研究。例如，美國約翰 霍普金斯大學的生物醫學工程研究包括了細胞和組織工程、醫學影像、生物信息學和計算生物學、計算建模、心血管系統、分子與細胞系統等，杜克大學主要包括生物分子和組織工程、醫學影像、生物力學、生物電子工程等，耶魯大學主要涉及生物分子工程、藥物遞送、生物醫學影像，猶他大學主要涉及組合醫療器械和藥物遞送系統、再生醫學、材料表面工程，康奈爾大學主要研究微納生物技術和系統生物學，西北大學主要涉及神經工程，弗吉尼亞大學主要包括納米醫學和納米生物學。英國牛津大學的研究覆蓋再生醫學、無創治療與藥物遞送、生物醫學影像分析、生物醫學測量和建模、生物醫學信號處理與儀器分析等方向。日本東京大學主要包括生物流體力學、分子影像學、人工器官、再生醫學、藥物遞送系統和檢測系統、健康/環境醫學工程等，京都大學集中于生物材料的再生醫學和藥物遞送系統。 1.4 北京協和醫學院生物醫學工程系 北京協和醫學院（PUMC）生物醫學工程系的前身是1978年由時任中國醫學科學院院長的黃家駟教授發起并建立的生物醫學工程研究室，是中國大陸地區建立的**個生物醫學工程專業，1996年生物醫學工程學系獲得教育部博士學位授權點資格。黃家駟院長于1981年發起并成立了中國生物醫學工程學會，擔任首屆理事長。此后，多位中國醫學科學院院長擔任過中國生物醫學工程學會理事長。 學系成立以來，圍繞臨床需求開展應用基礎研究，發展面向重大疾病檢測、診斷和治療的新技術與新方法；將科研與教學相結合，建立并不斷完善面向八年制本科和博/碩士研究生的生物醫學工程學科教學體系，培養具有生物醫學和工程學綜合素養的高層次科研人才和工程技術人才。在中國醫學科學院/北京協和醫學院系統內，基礎醫學研究所/基礎學院、生物醫學工程所、放射醫學研究所、病原生物學研究所、北京協和醫院、阜外醫院等單位均有生物醫學工程學科，研究方向主要包括生物材料/醫療器械（件）、組織工程與再生醫學、納米生物醫學、藥物遞送系統、電子醫學技術、康復工程、醫學圖像與成像技術、計算生物學與生物信息學、醫學大數據、醫學儀器與裝備、移動數字醫療等。 1.5 拉斯克醫學獎中的生物醫學工程技術 生物醫學工程與醫學的融合已經為疾病的診斷和治療帶來了全新的方法和手段，為現代醫學帶來了革命性的變化。美國拉斯克醫學獎中生物醫學工程相關的重要成就從一個側面反映了生物醫學工程對醫學進步的巨大推動作用。以下舉例說明。 1.5.1 電子顯微鏡（1960年） 現代電子顯微鏡使人看到了光學顯微鏡無法看到的物體，把人類的視覺范圍擴大了幾百倍，揭示了以前人們看不到和認為根本不存在的結構，極大地激發了人們解析生物材料精細結構的興趣，證明了在以往不可見的尺度下存在著有序結構。柏林工業大學的Ernst Ruska博士和David Sarnoff研究中心（RCA實驗室）的James Hillier博士因其對電子顯微鏡的設計、制造、發展和完善所做出的重大貢獻獲1960年美國拉斯克基礎醫學研究獎。 1.5.2 聚酯人工動脈血管（1963年） 貝爾大學醫學院的Michael E. DeBakey博士獲得了1963年的拉斯克臨床醫學研究獎。DeBakey博士被公認為現代心血管外科之父。他早期的成就之一是設計了一種對血液成分產生*小損傷的滾筒式泵，這項發明十年后被應用于人工心肺設備。DeBakey博士還開發了通過植入物來修復血管的方法——使用由聚酯或其他合成材料制成的人造血管，通過外科手術完成了身體許多部位的血管置換。作為一名醫生，他的開創性貢獻還包括**次成功地實現了用手術方法治療主動脈不同部位的動脈瘤。DeBakey博士在科學研究的基礎上，運用近乎大膽的外科手術為治療甚至預防包括中風在內的血管疾病開辟了新的途徑。人工血管技術挽救了大量的生命，并使患者的器官重新獲得了正常功能。他的貢獻激勵了全世界的外科醫生追求更高的標準和更大的成就。 1.5.3 細胞器電子顯微術（1966年） 洛克菲勒大學的George E. Palade博士因其在細胞器電子顯微術方面的突出成就獲得了1966年拉斯克基礎醫學研究獎。Palade博士和他的同事自20世紀50年代初開始探索各種類型細胞的詳細結構，并開發一系列方法在分子水平上將細胞結構與其生物化學活性聯系起來，在超微結構水平上整合了結構與功能的關系。Palade博士應用電子顯微技術在分子水平上研究細胞過程的本質，其主要貢獻包括開發了固定細胞的技術，首先描述并命名了線粒體的精細結構，展示了微粒體的組織和結構，并從中區分出核糖體及核糖體構成的胞漿顆粒，他還分析了毛細血管的復雜結構，包括腎小球及其他超微解剖結構。 1.5.4 體外循環手術用心肺機（1968年） 杰弗遜醫學院的John H. Gibbon Jr.博士畢生致力于心臟和血管外科的改進和進步，因其在體外循環手術用心肺機方面的貢獻獲1968年拉斯克臨床醫學研究獎。Gibbon博士在1935年通過動物實驗首次證明了生命可以由體外的機器維持，該機器執行心臟和肺的所有功能，且不會對實驗動物造成損害。經過18年漫長的工程試驗和動物實驗，Gibbon博士對初始設備做了進一步完善，1953年5月使用心肺機進行了世界上**次成功的體外循環手術，糾正了心室間隔膜的閉合缺陷。此后，心肺機在全世界獲得了廣泛應用，無數原本會因為以前無法治愈的心臟病而喪失能力或死亡的患者獲得了更長的壽命。如果沒有Gibbon博士的專注研究，就不可能進行心臟移植手術。Gibbon博士的故事表明，從一個研究項目中獲得的新知識和新技術可以引發連鎖反應，引發更多的知識，*終使疾病得以預防或有效治療。 1.5.5 心臟除顫器和起搏器（1973年） 約翰 霍普金斯大學的William B. Kouwenhoven博士和哈佛大學醫學院貝斯以色列醫院的Paul M. Zoll因在心臟除顫器和起搏器方面的成就共同獲得了1973年拉斯克臨床醫學研究獎。 Kouwenhoven博士在心臟病救護方面做出了三個里程碑式的貢獻：證實了電擊可以逆轉心臟的心室顫動，開發了開胸和閉胸除顫器，發明了胸外心臟按壓技術。Kouwenhoven博士對心血管生理學的興趣始于1928年，當時他專注于電流對心臟影響的實驗研究。1933年，他和他的同事證實了電擊可以使顫動的心臟恢復正常跳動的原理。1958年，在從電氣工程領域退休4年之后，他對自己獨立開發的胸腔閉式除顫器進行了完善，并設計了一種簡單的胸外心臟按壓技術。Zoll博士在1952年首次證明，當人類心臟停止