生物医学工程发展史
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生物医学工程发展史范文第1篇
生物医学工程学是生物学、自然科学与工程学、医学等多专业结合的典型的交叉性学科，研究内容涉及：探索人类生命的奥秘、研究组织器官病变机理，并通过相关技术手段对疾病提供诊断、治疗、预防的有效方法。不久的将来，各种技术相互融合、现有技术的不断演变、改进，新技术的发明、医疗整合及精准医疗的出现会更好的为人民的健康事业服务。未来医学对于操作的微创性、精准性的要求会越来越高，生物医学工程在医学中的应用也越来越广、越来越精，生物医学的发展无疑会对医学的发展展现其巨大的创造力和推动力。
1生物医学工程在临床中的应用及发展
1．1微创技术
“微创技术”始终贯穿于整个医学发展，是医学技术未来发展的方向。1985年由英国Payne和Wickham等最早提出了“微创操作”的概念［1］。而“微创外科”的概念是在微创概念的基础上出现的，其本质是腔镜技术。相对于传统开放手术，实则就是对患者采用最小创伤达到最佳治疗效果的方法都归“微创技术”，如介入超声、介入放射、内镜、腔镜及微创化手术等。而这些微创技术创造、发明，都是在生物学、工程学及医学等多学科的融合下完成的。
1．2内镜技术
我国内镜技术起步较晚，但发展较快，目前国内临床工作中常用的是纤维内镜。伴随科学技术及医学技术的不断发展，内镜和腔镜技术都不同程度的得到进一步发展及完善，诊疗过程也越来简便、微创化，是微创技术发展中最为全面和成熟的，如目前有更轻便的胶囊内镜等，无处不体现生物医学工程的重要性。
1．3腔镜技术
腔镜技术的发展在过去的20世纪80年代后期才有了质的飞跃，其中最为突出的是腹腔镜技术的发展，自1992年我国荀祖武首次开展腹腔镜下胆囊切除术之后，腔镜技术在国内发展迅猛，直到今天腔镜技术广泛应用于各个外科领域［2］，目前国际及国内更流行的有3D腹腔镜及达芬奇机器人手术系统。
2生物医学工程在影像及介入医学的应用
2．1影像介入技术
随着医学技术的进步，影像学科也在不断发展，尤其是透视引导下的微创技术更是发展迅猛。根据透视设备的不同，透视微创技术主要包括在X光／CT引导、超声引导和MRI引导下开展的透视微创治疗技术。而介入超声因其设备轻便、操作简便、无辐射等优点深受广大医务人员及患者的青睐。
2．2介入放射学
介入放射学技术是在1895年由Haschek和Lindenthal两位教授在行血管造影后首次提出并应用的，此技术出现后就引起了世界医学界的广泛关注，从此，世界范围内掀起了研究和应用的热潮。其应用范围也在不断扩展。介入放射学因其创伤小、效果好等特点，世界范围内绝大部分医疗机构都成立有不同规模的、单独的介入科，介入治疗在国内外已成为部分疾病的常规诊治措施，甚至取代了外科手术。
2．3CT引导下的微创－数字技术与医学的融合
生物医学不仅在诊疗设备、三围图像重建及数字医学等方面取得跨越式的进步，而且在诊疗模式也发生了根本性的改变，这些成果的取得恰恰是在计算机辅助下完成的［3］。主要体现为CT辅助的立体定位技术，例如CT定位引导下组织穿刺活检、脑血肿清除及腰间盘突出的定位。
2．4超声引导微创技术
我国在半个多世纪前超声学已应用于医学临床诊断，相对于其他医学影像学，超声有其诸多优势（如无放射性、无创伤、费用低廉、设备简单、报告迅速、便于多次随访等），而且还可以动态观察机体或脏器情况，对体内病理改变比较直观，故在超声引导下对甲状腺、乳腺、肝脏及肾脏等疾病进行微创治疗也得到良好效果。目前介入超声治疗在临床越来越被受到重视，尤其在小肿瘤的治疗优势更明显，其不仅代表了21世纪现代医学发展的方向，而且还展现了其定位精准、疗效显著、微创安全的医学发展模式。介入超声学在临床的应用使其成为最具发展潜力和学术活力的医学科学体系。近10余年，由超声科、医学工程学科专家创立和发展起来的这门新型学科技术，正在被泌尿外科、肝胆外科、血管外科、麻醉科及骨科等更多的临床医师所应用，这不仅使得介入超声学得到更迅速的传播和承认、在肿瘤及多种技术的综合应用等方面取得重要进展，同时也体现了生物医学工程在临床中的重要地位。超声引导下肿瘤的射频消融术对探针的要求比较高，而目前对金纳米材料的研究成了科学研究领域的一大热点，并取得了很大进展。大量的研究结果表明，金纳米材料具有独特的光学、电学、热学、化学等性质，在疾病的诊断、食品检测、肿瘤的显像与放射治疗、靶向载药、药物控释、以及对有机物的选择性催化反应等领域有着巨大的优势和广阔的应用前景［4～7］。面对学科发展之迅速。要求我们必须努力发展新技术、开展新业务，同时也要求我们技术操作更科学、合理、规范、个体化［8］，而这些恰恰需要有生物医学工程的参与，才能创造出更多、更精、更无创的医疗设备。
3生物医学工程展望
3．1生物医学工程学与其他学科的多学科合作
微创技术需要永无止境的追求。个人觉得相比于“能治病”，“会治病”更重要，这就要求我们必要要培养一种临床思维模式，这正如我们需要通过“微创”在客观上建立另一种临床思维模式，即微创技术的创新－微创医学的长远发展［9］；在微观上，借国家医改大好政策，展望未来5～10年微创技术将会进一步发展及普及，如现有各种微创技术的全面、系统提升，以及不同技术间的融合及新技术的创新发展。但是，微创医学发展到今天仍挑战巨大，特别是学科之间竞争激烈，这些可以在医疗资源及专业主导地位的分配反映出来，故使我们不仅要更进一步加快学科建设、人才培养，而且要促使基础、临床及预防医学和其他多个学科之间的合作，更进一步加快生物医学工程在医学中创造新方法、制造新设备的步伐，最终使各个学科受益，各个患者、医生受益。
3．2医疗整合
近些年临床各亚专科、亚专业的进一步细化，国内医学的发展模式也是以“能分则分、能细则细”为主，这虽然在一定程度上提高了诊疗水平，同时伴随的是医学知识及诊疗实践出现碎片化、机械化的问题。那么如何可以改变‘头痛医头，脚痛医脚’的状况以及未来医学到底该如何发展？樊代明、郎景和等多名院士及著名医学专家在2016年中国整合医学大会的发言称：实现医学模式转变不仅要进行医学整合，而且未来医学发展的方向，更需要我们为保障人类健康而具备新的临床思维模式和新的医学观念，而不是像目前仅具备的单纯“能看病”。所谓整合医学，前提必须是以人的整体为基础，根据生物、心理、社会、环境的现实将各医学专业目前国际最先进的知识和各专科最有效的治疗加以有机整合，使其对人体健康和疾病诊疗更符合、更适合的新的医学体系，医疗服务不仅使得心身并举、防治结合，而且要达到医养共进、人病同治的目的。国民全面健康，医学发展必须要靠基础医学、临床医学、生物工程学及预防医学等多学科整合，医学又是自然科学、社会科学和人文科学等多学科之间的交叉与融合。所以凡是涉及和人或人类健康有关的学科或科学都应该用来更好的为医学服务，为人类健康服务。而生物医学工程正是这样一门学科。同时把各种先进知识、有效实践经验进行合理、不同程度的整合，使其更好的为人类健康服务，形成生命医学高度融合的乘法效应。
3．3精准医疗
美国总统奥巴马于2015年1月30日在国情咨文演讲，宣布美国正式启动“精准医学”研究计划［10］。早在2011年，由美国科学院、工程院、国立卫生研究院及美国科学委员会就共同发出了“精准医学”的倡议［11～13］。其最高规模4大研究机构的联手倡议，为未来的医学指明方向，代表精准医学就是未来的医学发展方向。医学发展史上发展的3个里程碑分别是经验医学、实验医学和循证医学。而过去的研究模式以试验为主导的［14，15］，这不仅和临床距离大，而且根本无法达到临床需求。而以临床为主导的新研究模式恰恰是目前所提出的精准医学，精准医疗的发展必然要应用更精准的医疗仪器及设备，而精准设备及仪器的研发恰恰需要生物医学工程与其他学科的融合［16］。展望未来，所有疾病的治疗最终都将走向精准医学，医学的发展一定和生物医学工程的“同呼吸、共命运”。
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生物医学工程发展史范文第2篇
——有机硅的生物相容性与安全性评价
生命是人们永恒探究的课题，在漫长的求索过程中生物医用材料一直扮演着不可或缺的角色。有记载表明，早在古希腊时代人们就已经开始用马尾上的毛作为外科缝合线进行一些外科手术。时至今日生物医用材料已获得长足的进步，其中医用高分子材料更是被誉为医疗技术发展史上的一次飞越。
在此我谨对医用高分子材料中的有机硅材料谈一些我个人的认识。
1954年，mc dougall发现对外界影响极为敏感的热血动物的各种细胞组织与液态、半液态和类似橡胶态的有机硅制品接触时，其细胞组织的发育状态未见异常，表明硅橡胶不会对细胞生长产生不良的影响。医用硅橡胶的医学特性就此被发现。随后在20世纪60年代，国外开始将硅胶制品植入人体。心脏起搏器、人工心脏瓣膜等的应用给不少患者带来福音。到70年代，国外已有许多医用硅橡胶制品（硅橡胶、指关节、眼眶底托、气管插管、耳廓、脑积水引流管、腹膜透析管、带气囊分道导管、导尿管等）投入了临床应用。我国的发展虽然晚与外国，但在十几年来也获得长足进展。目前我国的硅胶制品已涵盖了脑外科，心胸外科，内科，皮肤科，整形外科等诸多领域。因为生物医用材料最基本的要求是它必须与生物系统直接结合,所以生物医用材料都必须具备生物学性能,即生物相容性,这是生物医用材料区别于其它功能材料的最重要的特征,并且要求这种材料不会因与生物系统直接结合而降低其效能与使用寿命。生物医用材料与活体系统的相互作用表现在两个方面:一是材料反应,即活体系统对材料的作用,包括生物环境对材料的腐蚀、磨损和性质退化、甚至破坏。二是宿主反应,即材料对活体系统的作用,包括局部和全身反应,如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等。其结果可能导致对机体的中毒和机体对材料的排斥。
接下来我们就选取有机硅的几个具体应用案例来对它的生物相容性及安全性进行评价。
一 用一次性硅胶导尿管作引流管治疗气胸和胸腔积液
《中华实用医药杂志》20__ 年 6 月 第 5 卷 第 12 期
黑龙江省佳木斯市结核医院对20例患者采用一次性硅胶导尿管进行胸腔闭式引流术，肺复张较快无痛苦，引流全过程无脱落，引流管滞留时间3～15天，平均7天，引流通畅性良好，未见明显不适反应。
在上述病例中我们了解到硅胶导尿管在人体中滞留一段时间后患者并没有出现明显不适反应，这说明硅胶制品无毒性并且具有较好的组织相容性。
二 使用硅胶管治疗泪道阻塞
中国人民第264医院
临床资料
23例泪道阻塞患者，男性4例，均为单眼，共4只眼，女性19例，单眼14例，双眼5例，共24只眼，总计28只眼。年龄18～53岁，平均42岁。病程1～15 a，平均5.6 a。
结果
23例中随访1 a者5例，0.5 a者1例，3个月以上者17例。拔管后23例28只眼中22只眼症状完全消失，占78.57%，2只眼症状明显改善，占7.14%，4只眼虽症状改善，但仍主诉有较明显的溢泪，占14.29%，这4只眼行2次插管，留置时间为2～4周，拔管后3个月再复查，溢泪症状均消失。
在上述病例中我们可以发现硅胶材料在人体内停留了较长时间但患者并未产生不良反应并且在材料取出后一段时间内也未有不良症状产生。由此可见硅胶材料应具有良好的生物相容性。
三 硅胶鞍鼻注射整形1014例五年随访分析
《生物医学工程学》 华西医科大学附属医院
本院用gn514室温硫化硅橡胶作鞍鼻注射整形1014例,其中男性132例,女性882例,患者年龄由16岁至53岁,年龄存30岁以下者占800例。gn514硅胶为液态,使用前为两组份,即gn514—m和gn514—n.当两组份液体等量均匀混合后,经30—60分钟可硫化成为固体硅胶。从1979—1984年我们应用gn514硅胶对1014例鞍鼻患者进行注射整形,其中仅3例分别于注射后第4,7,12月发生局部炎症反应(不良反应率为0.3％)。此3例经手术刮除部份感染组织,作了组织病理学检查,为局部慢性炎症,但未发现癌变。
上述病例充分说明硅胶具有良好的组织相容性不良反应率低。且在术后一年内致癌可能性低。
四 假体
生物医学工程发展史范文第3篇
【关键词】 医学图像； 交互式异地存储系统； 无损压缩
1 引言
医生在对病人进行诊断和治疗的过程中，第一步要做的是取得足够的有关病人状态的信息。图像所含有的信息要比文字描述更丰富直观。随着科学技术的发展，各种医学图像得到迅速的发展。
1895年11月8日．德国物理学家伦琴(Wilhelm Gonad Roentgen)发现“X”射线，100年来，X光照相技术在临床医学上得到广泛的应用，成像技术也得到了不断的发展， 但是X光图片不能反映组织或病灶的三维空间位置。随着计算机技术的飞速发展，它和反投影图像重建技术相结合构成计算机断层扫描技术(Computed Tomography，简称CT)，医学图像就三维立体化了，使人们能够看到人体的内部。正电子发射断层扫描成像技术(Positron Emission Tomography，简称PET)是医学图像发展史中又一重大事件，一般医学图像反映的是人体的静止状态，PET图像则能反映其生命过程，它在研究人体生理、病理，肿瘤成因，代谢机制，药物动力学及脑科学方面都有十分重要的价值。由于成像的原理不同，存在有多种成像模式(Imaging Modalities)，主要分为描述生理形态的解剖成像模式(Anatomical Imaging Modality)和描述人体功能或代谢的功能成像模式(Functional Imaging Modality)。表1给出几种主要的成像模式。如今人体三维图像已经发展到很高的水平。著名的可视人项目(Visible Human Project)就是一个例子，其图像是以分层形式组织的，可视人数据集已经成为人们研究医学图像和解剖教学的重要工具，一个洞悉人体奥秘的时代为期不远了。
医学图像所包含的生理信息和病理信息十分丰富，使医生对疾病的诊断变得更加的准确，它对于患者、医生和医院都具有举足轻重的作用，因此它的存储、安全问题就变得非常重要。也就是说，医学图像不但具有普通图像的特点：更具体、生动地表现一个事物的相关信息，还得加两个十分重要的附加条件：一是必须十分真实的展现事物的本身；二是医学图像自身的安全。
本研究主要讨论了在出现了自然灾害或服务器出现了不可预料的安全问题情况下如何保存PACS系统中的医学图像，提出了一种新的存储方法，基于这种方法建立了交互式异地存储系统来解决无限存储和安全存储问题；本研究还介绍了图像的无损压缩，提出了三个无损压缩的发展方向。表1 多种成象模式（略）
2 医学图像的存储和压缩
从结构上讲，图形文件分为两种，即位图和矢量图。位图中，图像由许多的屏幕小点（像素）组成，像素的分散性使动态图像的表达显得困难，会有像素丢失造成的图像失真。矢量图弥补了这种不足，能无限放大、缩小而不失真，不需要将图像每一点的状态记录下来，因而比相同质量和大小的位图占用的空间少得多，它还可以方便地制作动画。现在所用的各种图像存储方式，如BMP（Bitmap）JPEG（Joined Photographic Experts Group）、 GIF、 PNG(GIF补丁版)、 PCD等都是基于这两种基本图像原理。
随着计算机断层扫描(CT)、核磁共振(MR)、心血管造影和超声成像设备的大量出现，它们之间的通信，信息交换问题也越来越显得严重了。为使不同的医疗设备能有效地进行信息交流，美国放射学会(American College of Radiology， CR)和美国电器制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)组织制定的专门用于医学图像存储和传输的标准，即DICOM标准(Digital Imaging and Communication of Medicine)，它是随着图像化、计算机化的医疗设备的普及和医院管理信息系统，特别是图像存档和通信系统(Picture Archiving and Communication System， PACS)和远程医疗系统的发展应运而生的，DICOM标准解决了在不同的地点、不同设备制造商、不同国家等复杂的网络环境下的医学图像存储和传输的问题。
医学图像的存储占据大的惊人的存储空间， 其中含有很多的无用信息，浪费宝贵的数字资源，必须进行有效的图像压缩再进行存储，由于医学图像的特殊性，在进行图像压缩时不能丢失任何对它有用的信息。图像压缩有两种，一是有损压缩，另一种就是无损压缩，为了不丢失图像的有用信息，对于医学图像只能采用无损压缩。
无损压缩的基本原理是相同的颜色信息只需保存一次。从本质上看，无损压缩的方法可以删除一些重复数据，大大减少图像在磁盘上保存占据空间， 它的优点是能够比较好地保存图像的质量，但是相对来说这种方法的压缩率比较低，并且不能减少图像的内存占用量。对于医学图像的无损压缩，它的发展有三个主要方向：一是削除医学图像的编码冗余来达到无损压缩；二是削除医学图像的像素冗余来达到无损压缩；三是削除视觉心理冗余来达到医学图像的无损压缩。
如果一个图像的灰度级编码，使用了多于实际需要的编码符号，就称该图像包含了编码冗余。如果用8位表示该图像的像素，我们就说该图像存在着编码冗余，因为该图像的像素只有两个灰度，用一位即可表示。
像素冗余，由于任何给定的像素值，原理上都可以通过它的邻居预测到，单个像素携带的信息相对是小的。对于一个图像，很多单个像素对视觉的贡献是冗余的。这是建立在对邻居值预测的基础上，例如：原图像数据：234 223 231 238 235，压缩后数据：234 11 -8
-7 3。
视觉心理冗余，一些信息在一般视觉处理中比其它信息的相对重要程度要小，这种信息就被称为视觉心理冗余。
常用的图像的压缩方法有行程长度编码（run-length encoding）、LZW（Lempel，Ziv，Welch）编码、霍夫曼编码（Huffman encoding）、预测及内插编码、矢量量化编码、变换编码、模型编码等。
3 医学图像的无限存储和安全存储
医学图像所包含的生理信息和病理信息十分丰富，使医生对疾病的诊断变得更加的准确，它的存在还有其它很多方面的意义：比如病情的复查、病情的进展情况，病人对病情的查询，这都是需要将医学图像长期保存的理由，对于患者、医生和医院都具有举足轻重的作用，它的存储、安全就变得非常重要。国家有法规规定，医院对患者的X光片等必须保存十年以上，以便于查阅。在网络和计算机技术十分发达的今天，绝大多数的医院还是用专门的房间来保存那些X光片、CT片等医学图像，这种方法浪费了惊人的人力、物力和财力，实在是一个不科学的做法。为何医院仍旧采取原始的方法来保存这些医学图像呢？那是因为医学图像对于患者、医生和医院的极其重要性，目前还没有一种非常安全的医学图像存储系统让医院实施用计算机来管理、储存各种医学图像，因此成功地解决医学图像绝对安全存储问题具有重要的实际意义和理论价值。
PACS系统是对医学影像及其相关信息实现计算机化和网络化管理的系统，一般PACS系中的设备包括CT、MRI、DSA、CR、DR、经数字化改造后的传统胃肠设备、激光胶片打印机、图像处理工作站，以及添加的报告工作站、肖像型监视器工作站、胶片扫描工作站、注册登记工作站、教学和读片投影工作站等，它有两个十分重要的作用：第一，它是一个信息交流的平台；第二，它是一个巨大的数据库，里面存储着十分重要的医学数据，最主要的数据就是医学图像。保证医学图像能够在PACS系统中安全存储是十分重要的，它是一个PACS系统的核心问题之一。
医学图像数据量大，每天都会有大量的新的图像需要保存。虽然现在已有公司提出并生产出了1T的硬盘，但它总有一个被存储满的时候。在PACS系统中，常会出现海量的概念，实际是使用硬盘阵列来完成的。本文提出了交互式无限存储医学图像的概念，其实行方案如下：
采用两台配置先进的计算机作图像存储服务器，一台做为主机，一台是备份机，二者同时接收从医疗设备传来的原始图像并进行图像压缩存储，其图像存储、传输标准均使用国际通用标准DICOM标准。主机和备份机之间每隔一定时间周期通过一个互补算法进行比较数据是否一致，如果不一致，有新图像的那台计算机立即传输新图像到另一台计算机，维持两台计算机信息的一致性，一段时间后当计算机硬盘被存储满时，再给主机和备份机更换新的硬盘，开始新的存储，这样交替存储，从而实现无限存储，无限存储方案图见图1。
如今计算机技术和网络技术的飞速发展，可以轻松实现将信息一分为二和两台计算机相互检测、实时更新， 但无论是海量存储，还是本研究提出的交互式无限存储，在数据量很大的情况下，查询是一个非常费时的技术难题。本研究运用了数组和索引的思想解决这个问题。首先，在每一次更换硬盘时，对它进行存档符号标识，标明这块硬盘上存储的医学图像相关信息，并建成一个专门的数据库进行管理，这样就大大地缩短了查询时间，达到了快速查询的目的。
转贴于
一个完整的PACS系统，并非仅仅只要一个交互式无限存储系统就足够，它还要解决一个最重要的问题安全问题，这是PACS系统存在的意义。目前许多公司开发的PACS系统都具备一定的安全性，但如果出现了突如其来的自然灾害或存储图像的服务器出现了不可预料的漏洞病毒，现有的PACS系统就会发生崩溃，医学图像的安全存储问题无法得到保障。为解决这个问题。本研究对上面提出的交互式无限存储的方案进行改进，就能够有效保证图像的安全存储，改进方案如下：
第一，将两台交互式图像存储服务器放在异地，主服务器和备份服务器形成一个交互式异地远程存储系统，达到抵制突如其来的自然灾害的目的；
第二，将两台交互式图像存储服务器装上不同的操作系统，一台用熟悉的Windows系统，另一台用功能强大的Linux系统，由于系统漏洞不可能同时发生在两个完全不一样的操作系统上；
第三，开发针对性很强的软件来保证两台服务器之间所构成的局域网的安全，即要确保两台电脑实时对比更新的是图像，不能让病毒通过这个局域网传播，两台服务器分别装上不同的杀毒软件和防火墙，服务器严禁使用一些可能传播病毒的外设，有效预防病毒的侵害。
注：影像存储归档（A）和影像存储归档（B）即为交互式异地PACS系统的两个数据存储服务器，它们分别位于不同的楼房内，装有不同的操作系统和杀毒软件等。
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