生物医学工程的发展前景

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生物医学工程的发展前景范文第1篇

关键词： 生物医学工程专业 医学信号检测与仪器 产学研人才培养模式 课程群

在美国及欧洲等经济发达国家，早在上世纪50年代就指出生物医学工程的重要性，目前海外知名高校均设有生物医学工程专业，本专业世界排名前三位的高校分别是美国约翰霍普金斯大学、哈佛大学和宾夕法尼亚大学。生物医学工程专业招生分数在这几所学校中也往往远高于其他专业，其毕业生也受到其他各大高校研究室、大型生物医学研发企业和各大医院青睐，毕业后发展前景良好。

目前，全国设置生物医学工程专业的高校达140所左右，在天津市开设生物医学工程专业的高校仅有天津大学、天津医科大学、河北工业大学和天津工业大学，其他天津市市属高校均未开设该专业。其中天津大学以光学仪器为专业特色，天津医科大学以医学背景为主解决一些临床存在的工程问题，河北工业大学以电磁计算为专业特色。

天津市把医疗器械产业作为调整经济结构，促进经济转型升级过程中重点培育的新兴产业，加强医药器械研发的产、学、研联合，支持医疗器械产业走“专、精、特、新”道路，着力培育医疗器械特色产业。天津市人才的需求情况：2013年，天津市生物医药产业工业总产值突破1000亿元。生物医药企业2000余家。2012年，主营业务收入超过百亿元企业3家，50～100亿元企业3家，10～50亿元企业6家，1～10亿元企业58家。天津市医疗器械生产企业284家（2013年底统计），其中规模以上企业共36家，医疗器械注册企业2500余个。技术服务企业：行业产值近亿元。因此天津市急需这方面的高端专业人才。

生物医学工程专业是21世纪最具发展前景的专业之一，为适应我国和天津市“十三五”经济建设和科技发展的需要，推动“天津市医疗仪器产业”的发展，天津工业大学设置了天津市首个专门以培养医学信号检测及仪器方向高端专业人才为主的“生物医学工程”本科专业。本专业在与学校办学定位和专业结构布局相统一的基础上，以培养复合型人才，增强学生工程技术和工程实践能力为目标，逐步形成产学研相结合的人才培养模式。为了适应这种发展趋势，天津工业大学生物医学工程专业2012年本成为“天津市生物医学工程学会”理事单位；2013年成为“天津滨海新区转换医学产业技术战略联盟”理事单位；2014年与中国医学科学院生物医学工程研究所共同组建“天津市医学电子诊疗技术工程中心”；2015年成为“中国生物医学工程学会健康工程分会”成员，这些发展都是为了加快发展产学研相结合的人才培养模式。

课程建设总体思路是按照目前的专业定位进行课程的建设，形成以《生理学》、《生物医学电子学》、《传感器与医学工程》、《医学电子仪器设计》、《嵌入式系统》、《医学成像新技术》、《医学仪器概论与标准》等为核心课程，构建医学信号检测及仪器为方向的课程群，带动整个生物医学工程课程体系的建设和发展。

本专业开设的主要理论课程有：高级语言程序设计（C）、大学物理、电路理论、模拟电子技术、数字电子技术、信号与系统、高频电子、生物医学电子学、人体解剖、生理学、工程光学、传感器与医学工程、医学电子仪器设计、医学成像新技术、医学仪器概论与标准、嵌入式系统、数字信号处理及DSP技术、EDA原理及应用、电磁场与电磁波、通信原理、虚拟仪器技术、光电检测技术与系统、电磁兼容、生物医学光子学、医学图像处理、生命科学导论等。

主要实践课程有：电路理论实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验、生物医学电子学实验、生理学实验、传感器与医学工程实验、医学电子仪器设计实验、医学成像新技术实验、电工实践、电子实践、电子系统设计与工程实践（1，2）、嵌入式系统设计专题实践、生物医学工程实践1（偏重医学信号检测原理与方法）、生物医学工程实践2（偏重医学电子仪器的开发与实现）、毕业实践、毕业设计。

本专业毕业生可以在培养具有生命科学、医学信号检测理论与方法、医学电子仪器设计等方面知识和能力，德智体全面发展，能在生命科学研究领域、医疗仪器及器械领域、健康产品领域、医疗卫生事业单位等从事研究、设计、市场、销售、教学、管理和服务等方面工作，具有医学信号检测及仪器方向的创新型、复合型、应用型人才，适应国家和天津市“十三五”的医疗仪器产业的发展需求。本专业学制四年，学生毕业后可获得工学学士学位。

生物医学工程的发展前景范文第2篇

关键词：生物医学工程；基础生物学；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）09-0140-02

生物医学工程（Biomedical Engineering，BME）是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的新兴边缘学科，其主要是运用工程技术手段，在多层次上研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统的工程原理的学科。它主要以临床医学为对象，以生物学、化学、物理学、数学等传统自然学科为基础，融电子、机械、化工、计算机信息为一体，对于揭示生命现象、临床诊断、治疗和预防疾病等方面显示了不可估量的应用前景[1]。自上世纪70年代末以来，国内许多综合或理工科大学、医学院校及相关科研机构都设立了生物医学工程专业，旨在培养具有各方面能力的复合型人才[2]。我校生物医学工程专业设置在电子信息与电气工程学部，基础生物学是其中必修的专业基础课程。基础生物医学知识的教学是生物医学工程专业教学体系的重要组成部分，通过基础生物学、医学知识的学习，为进一步促进生物医学工程不同学科间的交叉融合奠定必要的生物学基础。基础生物学课程涉及领域宽，涵盖范围广，而且随着生命科学的日益发展，不断地涌现出新的理论和技术，给基础生物学的教学工作带来了极大的挑战。[3]因此作者针对在该专业基础生物学教学中遇到的实际问题，结合本学科课程设置的目的，在基础生物学课程教学中对教学模式的改变进行了大胆的尝试，在把握课程整体思想、方法的基础上，引入以研究内容为导向的课程设置和以研究课题为基础的教学方式，使学生有机会参与科研项目研究，在实践过程中获得知识。

一、精选教学内容，灌输思维方法

目前国内生物医学工程学科的发展仍处于起步阶段，不同院校的生物医学工程专业具有不同的研究方向和专业培养目标，因此对于基础生物学的教学还没有统一的教材，这就要求任课教师在教材的选择上应体现出自身特色。对于工科院校学生而言，由于缺乏基础生物医学相关背景知识，如果按照以往传统教材内容按部就班的授课，很可能导致学生的理解难度增加，降低学生的学习兴趣，同时容易造成学生把握不住学习重点，不能对所学知识灵活运用。同时内容多与课时少的矛盾相对突出，导致教学效果不佳。因此对于本课程的教材，精心选取国内高等教育出版社最新最优秀的同类课程教材《基础生命科学（第2版）》、《生物学导论》等作为主要参考书，基于保持本课程的实用性和先进性为目的，依据教学内容的差异，为学生推荐现代生命科学前沿学科的优秀教材，以确保教学内容的精炼和完整。同时，考虑到学生的专业背景，适当删减基础生物学教材内容，调整重点、难点，强化学习内容的结构层次和逻辑联系，注重交叉学科的联系渗透，通过不断引入新的理论和技术来提高学生学习的积极性和主动性。比如在讲发育时，把授课内容的侧重点主要放在干细胞与组织工程领域，着重向学生介绍现代生物技术在该领域的研究现状及发展前景，使学生在学习新理论、新技术的同时，能够和之前所学的知识融会贯通，从而对生物医学工程专业的发展有更深层次的理解，为以后更进一步的学习及工作打下良好的基础。在教学过程中，如何培养学生的学习兴趣，变被动的、应付考试的学习，为主动的、探索性的学习是提高教学水平的主要环节，因此对于每一门课程，任课教师必须要清楚教学目的，把握课程思想。在授课过程中，教师不仅要教会学生单纯的理论知识，更重要的是灌输思维方法，实现真正的学以致用。同时还要注意讲授内容的深度与广度相结合，紧密跟踪前沿学科，启发学生积极探索的创新思维。

二、改进教学方式，丰富教学方法

基础生物学以生命基本特征为主线，涵盖生命活动的各个领域，涉及人口、粮食、环境、资源、健康等诸多社会问题，与我们的日常生活密切相关。因此，如何将学生的综合素质培养融入到课程教学中，激发学生的学习热情，培养学生的历史责任感，是我们一直在探索的一个问题。在理论教学中，我们主要采取精讲、略讲和自学相结合的原则，以提高教学效率，提高学生分析问题、解决问题的能力。同时在采用现代多媒体教学的基础上，不断探索教学方式的改进与完善，促进师生互动，调动学生自主学习的积极性、主动性和创造性，从而为学生进一步获取更专业的知识打下坚实的基础。

生物医学工程的发展前景范文第3篇

学医建议不要选什么专业

1、生物医学

首先，各位要注意生物医学专业和生物医学工程专业并不相同，前者是正儿八经的医学类专业，而后者则是工科专业，且属于基础医学类。同时，该专业就业前景并不是很好，毕业后想成为医生较难，大多数毕业生更适合科研工作。因此，如果学历不高，就业形势是比较严峻的，学生至少要有博士学历，才有相对多的选择，如科研、高校教师等。

2、药学

目前很多人都认为药学专业是一个“坑”，因为虽然是医学专业，但基本是做不了医生的。该专业本科毕业后多数人都会选择医药代表这种工作，而研究生专业方向更多，但大多毕业后也都是从事科研、学术类工作，学历要求高前景也很一般。

3、医学技术类

医学技术类是医学专业中的一大类，包括医学检验技术、医学影像技术、眼视光学等等，其中经常被家长、考生与口腔医学混淆的莫过于——口腔医学技术。不过虽然只是多了两个字，但却大不一样。前者是当下最热门的学医专业之一，而后者则是相对冷门的医学专业。从医学技术类专业毕业后，即使能进入医院工作，但想要成为医生同样很难，更多的人只能去到一些工厂，做一些技师工作。

学医选什么专业好

1.临床医学

临床医学顾名思义就是在病房床边的医学，它其实是一个广泛的概念，像内外妇儿等多个学科都在临床医学的范畴内。可以说，大致上除了基础医学、影像医学、检验医学等之外，在医院直接给病人看病的都属于临床医学。

任何事情都有两面性的，只要自己能够坚守本心，真心踏实的喜欢自己报考的专业，对自己所做的行业负责任，报考这个专业未来不仅受人尊敬，而且发展前景也不错。

2.口腔医学

因为近些年来人们生活条件越来越好，就医也不仅仅只是局限于一些比较重和急的病症。人们更加重视身体全面健康的理念，因此口腔医学逐渐发展了起来。所以说这可以说是一个新兴的医学专业，具有良好的市场潜力。

生物医学工程的发展前景范文第4篇

【关键词】 多孔磷酸钙陶瓷; 骨水泥; 微孔; 生物相容性

Preparation and Characteration of Porous Calcium Phosphate Bioactive Material for Bone Tissue Engineering

【Abstract】 Objective To prepare the adaptive porous calcium phosphate bioactive material. Methods The hydroxyapatite/tricalcium phosphate biphasic powder was synthesized by the wet coprecipitation method. Then polymer sponge immersion method and appropriate progeny were used to prepare porous calcium phosphate (CaP) .The morphology and structure of CaP ceramics and CPC were observed by scanning electronic microscopy (SEM).Their phase composition were analyzed by Xray diffraction(XRD). Results The porosities of CaP ceramics and CPC were 72% and 67% respectively. Their pore sizes were 200 to 280 μm. The results of XRD showed that CaP ceramics composed of HA and βTcp， CPC composed of HA， βTCP. Conclusion The preparation by the experiment has appropriate pore size and porosity and excellent biocompatibility which are suitable to the bone ingrowth.

【Key words】 porous calcium phosphate (CaP) ceramics; cement; micropore; biocompatibility

1 前 言

磷酸钙生物材料由于具有与自然骨组织相似的无机成分，因此表现出优良的生物相容性，植入体内后能够与骨组织形成骨键合，被称为生物或材料，并已经成功地被应用于临床骨缺损的修复和填充［1］。但是，临床常常会遇到病理情况下的骨缺损，如骨质疏松导致的骨缺损，患者的骨密度低，骨修复能力差；或者大体积的骨缺损。由于无机的磷酸钙生物材料缺乏生长因子、蛋白质等，引导新骨长入磷酸钙生物材料的能力有限，上述原因常常导致临床不愈合或延迟愈合。因此，有研究提出通过体外培养细胞或在磷酸钙生物材料中添加一定的生物因子，如骨形态发生蛋白［2］（BMP），转移生长因子［3］（TGFβ）等，或者在生物材料体外培养细胞，通过添加生长因子或细胞赋予生物材料诱导组织再生的能力［4］ ，有巨大的发展前景。因此，如何制备模仿自然骨组织的孔隙结构，尤其是适合细胞长入的孔隙结构，包括适当的孔隙尺寸、以及孔隙的贯通性等，是当前骨组织工程研究的热点［5］。

2 材料制备和方法

2.1 双相磷酸钙粉末合成

本研究采用Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4作为起始原料湿法合成混合均匀的羟基磷灰石（hydroxyapatite， HA）/磷酸三钙(Tricalcium Phosphate， TCP)。通过控制反应液中的pH值和Ca/P原子比可以制备不同HA/βTCP比例的共沉淀粉体。化学反应方程式如下：

Ca(NO3)2+(NH4)2HPO4+NH4OH Ca5(OH)(PO4)3+ Ca3(PO4)2＋NH4NO3（式－1）

经老化，将沉淀过滤并用蒸馏水反复清洗至pH 7，烘干，球磨机研磨成粉末备用。

2.2 磷酸钙多孔支架的制备

磷酸钙陶瓷多孔支架材料采用有机泡沫浸浆法，将上述合成的磷酸钙粉料加入蒸馏水调制成磷酸钙浆料，浸渍有机泡沫，干燥，然后经过1 250℃的高温烧结，去除有机泡沫，即可制备多孔磷酸钙陶瓷。

根据文献［6］，多孔磷酸钙骨水泥粉末由αTCP（αCa3(PO4)2）、DCPD（CaHPO4.2H2O）、HA（Ca5(PO4)3OH）、CaCO3按58∶25∶8.5∶8.5的质量比混合而成。采用NaCl颗粒作为致孔剂，致孔剂占70 wt ％，其中60％的致孔剂的粒径小于200 μm，剩下的40％分布在200～450 μm之间。采用磷酸缓冲液作为液相，将粉相和液相混合后，磷酸钙骨水泥发生固化。在蒸馏水中将易溶造孔剂溶解，即形成多孔磷酸钙骨水泥。

2.3 磷酸钙多孔组织工程多孔材料的表征

2.3.1 孔隙率的测定 本研究采用直接称重体积计算法测定多孔磷酸钙陶瓷的孔隙率。先切取形状规则且大小合适的多孔材料样品，注意切割试样时尽量不要使材料的原始孔隙结构产生变形，且试样形状应便于测量和进行体积计算。利用天平称出试样质量，利用游标卡尺进行样品的尺寸测量，并计算其体积，根据公式得出孔率［7，8］。

本实验中制备的骨水泥样品，每个质量都为1g。凝固后形状为圆柱状，测得直径为15 mm，高3 mm.本实验采用的NaCl的密度为2.16 g/cm3.

2.3.2 形貌观察 采用扫描电镜观察了组织工程多孔支架材料的高倍形貌。分别取两种多孔磷酸钙生物材料，镀金，利用扫描电镜（FEI，Quta 200）观察多孔磷酸钙生物材料的孔隙结构和形貌。

2.3.3 成分分析 采用X射线衍射测定两种组织工程支架材料的相组成，测试条件采用X射线衍射仪（Philip，Xpert）对样品粉末进行分析，选择铜靶在35 mA、45 kV的测试条件［9］。

3 结果

3.1 磷酸钙多孔材料的孔隙率

多孔材料的孔率（又称孔隙率或孔隙度），是指多孔体中孔隙所占体积与多孔体总体积之比，一般以百分数来表示，该指标是多孔材料中的最基本的参数之一，也是决定多孔材料的其它性能的关键因素。多孔材料的孔隙包括贯通孔、半通孔和闭合孔3种，这3种孔率的总和就是总孔率［10］。

本研究所制备多孔磷酸钙陶瓷的孔隙率约为72％；多孔磷酸钙骨水泥的孔隙率约为67％.

3.2 形貌观察

采用扫描电镜观察了多孔磷酸钙陶瓷和磷酸钙骨水泥的形貌，如图2所示。从图中可以观察到，在两种多孔支架材料大孔的孔壁上均有大量孔径在几个至数十微米的微孔，尤其是磷酸钙多孔陶瓷。

3.3 成分分析

X射线衍射结果如图3所示。从图中可分析磷酸钙陶瓷中主要相成分为羟基磷灰石（HA），此外还含有少量的磷酸三钙（βTCP）。磷酸钙骨水泥粉末主要为磷酸三钙，其中主要包括β相的磷酸三钙（βTCP）和少量的β相磷酸三钙（βTCP）。磷酸钙粉相和液相混合固化后，主要成分为HA、βTCP和βTCP，经过蒸馏水的浸泡后，其中的βTCP、βTCP的含量下降，尤其是βTCP的衍射峰基本消失，而HA的含量明显增加［11］。

磷酸钙骨水泥能够自行硬化并转化为羟基磷灰石的原理基于不同磷酸钙盐在水中的溶解度的差异。由于在pH 4.2～11范围内，羟基磷灰石在水中的溶解度是最小的，因而在热力学上是最稳定的。其它磷酸钙盐在水中会向HA转化，因此，本实验制备的磷酸钙骨水泥随着固化以及在蒸馏水中浸泡后，HA的含量明显增加，而磷酸钙骨水泥粉相中的αTCP等，溶解或转化成HA。虽然自然骨中无机相主要为HA，但也有少量的TCP，因此HA、αTCP和βTCP三种磷酸钙盐均具有优良的生物相容性，已成功地被应用于临床［12］。

4 讨论

通过体外培养细胞或在磷酸钙生物材料中添加一定的生物因子，如骨形态发生蛋白（BMP），转移生长因子（TGFβ）等，或者在生物材料体外培养细胞，通过添加生长因子或细胞赋予生物材料诱导组织再生的能力，这种在体外构建组织的方法被称为“组织工程”，是目前研究的方向［13］。根据ASTM标准其定义为：“在体内和体外应用科学原理和方法构建组织工程医疗产品，用于医学诊断和治疗。各种原理和技术是工程学和生物医学基本的实践和方法，例如：制造传统医疗器械和生物制品的细胞、基因，或药物治疗，胚胎学或其他形式的发育学和生物学，外科修复方法和技术等。组织工程也可用于生产非人体用产品。”，根据ISO标准，其定义为：“指制造一类医疗产品的技术和工艺，这类医疗产品中活组织或细胞应能修复、改善或再生受者细胞、组织和器官和/或其结果和功能”。

组织工程的三大要素分别为：细胞、细胞生长因子和细胞载体材料。由于分离的细胞自身不能形成组织，它们需要特殊的环境，通常包括细胞生长临时的支架材料。这种三维支架材料常常模拟其自然对应物——体内的细胞外基质，既起物理支架的作用，又是细胞在体外培养和后期植入的粘附物质。运用于骨组织工程的支架材料主要有无机材料和生物可吸收高分子材料或它们的复合物，无机材料主要包括羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）、磷酸三钙（Tricalcium phosphate， TCP）以及它们组成的双相磷酸钙材料等［14］。但如何制备模仿自然骨组织的孔隙结构，尤其是适合细胞长入的孔隙结构，包括适当的孔隙尺寸、以及孔隙的贯通性等，是当前骨组织工程研究的难点和热点。

贯穿式多孔结构有利于组织液的渗入，使组织液能够进入材料内部，材料与组织液接触面积增加，有利于材料的生物降解［15］。为了适应新生骨组织长入材料的要求，微孔的最小孔径必须大于100μm，此时，骨细胞可以在孔内生长，有利于材料的血管彼此连通，以保证长入材料深部的组织有营养供给，同时种植体可以起到支架作用［16］。

作者采用有机泡沫浸渍法和加入致孔剂的方法，制备出多孔磷酸钙陶瓷和磷酸钙骨水泥，通过控制有机泡沫的孔隙率和孔隙结构，以及致孔剂的加入量和尺寸，有效控制多孔磷酸钙陶瓷和骨水泥中的孔隙率和孔隙尺寸，并分别采用扫描电镜、X射线研究分析其表面形貌和孔隙结构，测定磷酸钙陶瓷和骨水泥的孔隙率，以及相成分，证实其有利于细胞和细胞生长因子在体外构建组织，是具有适合新骨长入的孔隙率、孔隙尺寸和结构的多孔磷酸钙组织工程支架材料。

【参考文献】

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［3］ Barralet. Preparation of Macroporous Calcium Phosphate Cement Tissue Engineering Scaffold ［J］. Biomaterials， 2002， 23(15): 3 0633 072.

［4］ Miao X. Porous Calcium Phosphate Ceramics Prepared by Coating Polyurethane Foams with Calcium Phosphate Cements ［J］. Materials Letters， 2004， 58: 397402.

［5］ 吕效杰，南欣荣. 磷酸钙陶瓷在骨组织工程中的应用［J］. 山西医科大学学报 ， 2006， (01): 108109.

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［7］ 田三德， 张 宏， 杨 辉. 我国成骨细胞研究、应用现状和发展前景［J］. 陕西科技大学学报 ， 2005， (01): 201.

［8］ 王永刚，裴国献. 周围神经及骨代谢与组织工程骨的构建［J］. 中华创伤骨科杂志 ， 2005， (07): 400402.

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［12］ 莫湘涛. 骨组织工程支架材料的降解和生物力学特性［J］. 医用生物力学 ， 2004， (01): 300302

［13］ 郑小龙，张西正，李瑞欣. 骨科可吸收材料的降解和生物力学性能研究进展［J］. 生物医学工程与临床 ， 2006， (01): 303304.

［14］ 于 燕， 颜 虹， 胡森科，等. 纳米材料的安全性评价［J］. 中国临床康复 ， 2006， (01): 397402.

生物医学工程的发展前景范文第5篇

【关键词】植入式；无线；通信

1.引言

植入式装置是一种埋置在生物体或人体内的电子设备，用来代替或补偿人体器官的功能，或进行人体内部各种生理信息的检测[9]。随着微电子技术和信号处理技术的飞速发展，植入式电子装置在临床医学中得到越来越广泛的应用。

为了确保植入式装置功能的发挥和诊疗信息的可靠，要求体外控制装置和体内功能装置之间有可靠的数据交换。无线通信则是传输体内、体外数据的关键技术，随着电子技术的发展无线通信的方式也越来越多，本文将对几种常用于医用植入式通信的方法进行比较，通过比较得出一种最可靠、最简单、最实用的医用植入式通信方式。

2.植入式装置的研究现状

植入式电子装置是一种用来测量生命体内生理生化参数的长期变化，诊断、治疗某些疾病，也可用来代替功能已丧失的器官的埋置在生物体或人体内的电子设备。由于其在临床应用上表现出很大的作用，植入式装置已成为临床上很多疾病治疗的首选方案。植入式装置主要有以下优点：

(1)可保证在生物体自然条件对体内的各生理参数进行实时监测；

(2)采用植入式测量装置后，可以大大降低体外对其产生的干扰，因此可得到更加精确的数据；

(3)可以用来治疗某些神经系统疾病，比如癫痫、瘫痪等；

(4)用来代替某些器官的功能，比如肾脏、四肢、耳蜗等[1]。

植入式电子装置主要包括：植入式刺激器，如植入式心脏起搏器与除颤器；植入式测量系统，如胶囊式内窥镜；植入式药疗装置；植入式人工器官及辅助装置，如人工心脏[1]。

植入式人工心脏起搏器是一种很精巧的、可靠程度很高的电脉冲刺激器，是应用一定型式的起搏脉冲发生器，与特制的导线（即：起搏导管电极）连接，和起搏电极发送电脉冲刺激心脏，使激动不能或传导不好的心脏应激而起搏的植入式电子装置。

人工心脏起搏器是人工制成的一种精密仪器。它能按一定形式的人工脉冲电流刺激心脏，使心脏产生有节律地收缩，不断泵出血液以供应人体的需要。人工心脏起搏器可以随时监测患者心脏工作的情况，一旦出现异常情况，它可以“领导”心脏进行有规律地跳动，从而帮助患者免除各种心脏疾病（心动过缓、停搏等）导致的心悸、胸闷、头晕甚至猝死等病症。

3.几种常用的医用植入式无线通信方式

3.1 电磁耦合方式

植入式装置中，数据交换可以通过电磁耦合实现，一对共振于射频段的线圈成为体内、体外数据交换的通道。电磁耦合方式有很多种包括：脉冲位置调制(PPM)的电磁耦合，幅度键控调制(ASK)系统等。目前使用普遍的是脉冲位置调制（PPM），它是一种经皮无线通信方式，基于谐振电磁耦合理论，设计体外程控器线圈和体内医疗仪器线圈，这样可以提升通信效果的可靠性，通过位置容差试验表明脉冲位置调制（PPM）通信系统具有抗线圈失配能力强的特点，通过对通信距离和耦合系数、位置容差和谐振频率的关系进行了实验分析，实验结果表明，体内PPM通信系统平均功耗仅为99ttW，约为常用幅度键控调制(ASK)系统的1/300。因此脉冲位置调制（PPM）具有低功耗，传输可靠性高的优点。但由于PPM调制方式用于植入式医疗仪器设计通信距离为4cm，受设计限制现在未能实现复杂模式、多参数、大数据量的数据传输。

电磁耦合方式在设计线圈中要考虑到电路的传输效率、电路的易于实现[2]Donaldson NN等[3]首先对电磁耦合的数据交换应用进行了理论分析。他们以两个空心线圈组成的谐振电路为模型，对空心线圈组成的应用于经皮耦合的谐振电路的各项性能指标进行了理论分析，Donaldson NN的理论成为以后众多植入式装置设计时的理论基础[2]。

然而，随着临床应用范围的扩大对植入的深度、遥测的距离提出了新的要求。为了解决这些问题，Troyk PR[5]等人提出了E类功率放大器的理论和设计方案：发射端使用一种E类功率放大器来驱动发射线圈，可以实现较低的耦合系数时较高的传输效率。为了提高体内植入部分发射端的发射距离，Hemics Z[6]也把E类功率放大器应用于该部分的发射端。耦合线圈两端也可能会存在由频率或线圈负载的变化引起的频率失配，这会减弱信息和能量的传输效率或产生对发射端的损害。Zieia B[8]提出了在体外部分的发射端使用具有反馈环的E类功放电路，解决了以上问题。

无论是Donaldson NN的理论分析，还是TroykPR的实践设计，都以空心线圈作为信息传输的物理基础[2]。

3.2 近红外线通信方式

红外通讯技术利用红外线来传递数据，是无线通讯技术的一种。采用红外线通信的方法也是植入式装置完成体内体外通信的一种方式。它的特点是不需要实体连线，简单易用且实现成本较。但是由于红外线的直射特性，红外信号通过皮肤会产生衰减，而且使用这种通信方式要求接收电路必须比较严格地与发射器件对准，而在人体某些部位对准不容易做到，例如腹部，这时信号传输的可靠性就大大下降。因此，采用近红外线通信方式存在着许多的问题。

3.3 射频识别（RFID）方式

射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术是一种新兴的自动识别技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别主要包括：标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。

射频识别技术的应用范围十分广泛，它最典型的应用就是无线IC卡。无线IC卡系统由一个读卡器(PCD)和IC卡（PICC)构成，它们利用射频方式进行非接触双向通信。射频识别技术应用于植入式装置时，PICC相当于“植入体”，而PCD则相当于“体外部分”。因此，可以利用RFID技术实现医用植入装置的通信[11]。

射频识别通信方式按照按信号的变换方式可以分为模拟式和数字式两类。模拟式是将被测的生理参数变换成模拟(连续)信号进行传输的遥控体制。数字式是将被测理参数最终变换成数字(离散)信号进行传送的遥控体制。由于后者有较强的抗干扰能力，传输精度高，容量大而且可直接与计算机接口，因此植入式电子系统中常采用数字式的通信方法。植入式装置现在应用的数字式的射频识别通信方式有很多种比如：目前提出的一种基于NRF24L01无线传输系统应用比较多。它主要是通过NRF24L01芯片与单片机连接实现无线通信，可以在多种工作模式下进行通信，具有低功耗，工作稳定，可靠性高等优点。

采用射频识别的方法的特点是：以往的医用植入装置的设计往往采用专用集成电路，因而具有较高的成本和较长的研发周期。而RFID技术成熟、应用广泛、器件丰富，将RFID技术应用于医用植入装置，可以大大降低成本和研发周期，而且射频识别技术传输的可靠性高[11]。但射频磁感应的方法可能会对外界产生干扰，或是被外界磁场干扰，而且射频磁感应的方法难于实现高速的大容量的信号传输。

射频识别技术是一种成熟的技术，但是其应用于医用植入式装置时间并不久，相对来说也是一项新的技术，在很多方面都有很大的发展空间，以后在临床上还有更加广泛的应用空间，具有很大的应用价值。

4.小结

极短距离的电磁耦合作为一种发展较成熟的技术是植入式医疗设备经常采用的通信方式，从Donaldson NN等人对共振线圈在射频数据交换中的应用进行了理论分析到Troyk PR等人提出了E类功率放大器的理论和设计方案，还有Hemics Z、Zieia B等人的进一步的研究。他们都是以空心线圈作为信息传输的物理基础。这就要求在编程器和医疗设备之间进行紧耦合，通常数据传输率低于50kbps。

红外线通讯方式是发展最成熟的无线通信技术，在各个领域都有比较广泛的应用。也比较早的运用于植入式装置的无线通信简单易用且使用成本低，但是由于其受到障碍物时易衰减这样它的传输可靠性就大大地降低，不能很好的满足于目前植入式装置的要求。

射频识别技术作为一种新型的技术，目前正处于发展阶段，慢慢的走向成熟，有很多的研究价值和发展空间。它作为医用植入式装置的通信方式也是一种新的运用。目前已有很多的医用植入式装置在使用射频识别技术，取得了很好的效果，它的发展前景十分的诱人。

对于医用的植入式装置其要求微功耗，微型化，体内体外信息和数据的传输效率好可靠性高，电磁耦合方式可靠性差，红外线技术干扰大，而射频识别技术则可以满足其要求，而且目前射频设别的技术其设计方法越来越多，能够更加满足医用植入式装置的各种设计要求。射频技术是目前植入式装置体内体外通信方式的一个发展趋势。

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