1、生物機械工程研究生物機械工程研究 機械工程學院機械工程學院機電機電2011杜建忠（杜建忠（1179203135）生物機械工程研究進展生物機械工程研究進展 l生物機械工程生物機械工程(biomechamical engineering) 是生物是生物醫(yī)學工程學的重要組成部分醫(yī)學工程學的重要組成部分, 它利用現(xiàn)代生物學、醫(yī)它利用現(xiàn)代生物學、醫(yī)學、工程學、信息科學與技術的理論和方法學、工程學、信息科學與技術的理論和方法, 研究、研究、創(chuàng)造新材料、新技術、新儀器設備創(chuàng)造新材料、新技術、新儀器設備, 用來治療、康復、用來治療、康復、保健保健, 保障人民健康保障人民健康, 提高醫(yī)療水平提高醫(yī)療水平, 是推

2、動現(xiàn)代醫(yī)學是推動現(xiàn)代醫(yī)學進步的一門新興交叉學科進步的一門新興交叉學科, 同時也是一門邊緣學科。同時也是一門邊緣學科。該學科的研究內(nèi)容涉及生物學、醫(yī)學、生物力學和生該學科的研究內(nèi)容涉及生物學、醫(yī)學、生物力學和生物流變學、材料學、機械學、仿生學、電子學、計算物流變學、材料學、機械學、仿生學、電子學、計算機與信息科學、控制理論等機與信息科學、控制理論等, 其中人體適用材料、人其中人體適用材料、人工器官、醫(yī)療器械、遠程診療系統(tǒng)、運動與康復機械、工器官、醫(yī)療器械、遠程診療系統(tǒng)、運動與康復機械、醫(yī)用與仿生機器人等內(nèi)容的研究、設計、制造都與機醫(yī)用與仿生機器人等內(nèi)容的研究、設計、制造都與機械工程密切相關。械工

3、程密切相關。生物機械工程的研究現(xiàn)狀及其意義生物機械工程的研究現(xiàn)狀及其意義 l國外在生物機械工程方面的研究起步較早國外在生物機械工程方面的研究起步較早, 許多研究成果已進入許多研究成果已進入實用化階段。目前實用化階段。目前, 美國、日本及歐洲一些國家在該領域的研究美國、日本及歐洲一些國家在該領域的研究處于領先地位處于領先地位, 許多發(fā)達國家在高等院校、科研機構(gòu)建立了有關許多發(fā)達國家在高等院校、科研機構(gòu)建立了有關生物醫(yī)學工程學的教學系、科和研究機構(gòu)。日本政府從生物醫(yī)學工程學的教學系、科和研究機構(gòu)。日本政府從2002 年年度實施度實施“納米醫(yī)療器械開發(fā)計劃納米醫(yī)療器械開發(fā)計劃”; 同年秋同年秋, 日

4、本岡山大學醫(yī)學日本岡山大學醫(yī)學系的科研人員宣布系的科研人員宣布, 他們已經(jīng)研制出一種可以置入人體內(nèi)部的小他們已經(jīng)研制出一種可以置入人體內(nèi)部的小型人工肺型人工肺, 開發(fā)毫米級的內(nèi)窺鏡等各種微型醫(yī)療器械開發(fā)毫米級的內(nèi)窺鏡等各種微型醫(yī)療器械, 力爭力爭510 年后達到實用化水平。在美國有近百所高校設立了生物醫(yī)學工程年后達到實用化水平。在美國有近百所高校設立了生物醫(yī)學工程專業(yè)。近年來專業(yè)。近年來, 美國一改傳統(tǒng)冠心病手術方案美國一改傳統(tǒng)冠心病手術方案, 在植入心臟的金在植入心臟的金屬動脈包裹一層特殊的藥膜屬動脈包裹一層特殊的藥膜, 以預防心臟冠狀動脈阻塞的復發(fā)。以預防心臟冠狀動脈阻塞的復發(fā)。l目前目前

5、, 我國醫(yī)療器械市場主要依賴進口我國醫(yī)療器械市場主要依賴進口,年銷售年銷售額已達額已達550 億元。生物機械工程學的誕生和發(fā)億元。生物機械工程學的誕生和發(fā)展有力地推動了醫(yī)學科學的進步展有力地推動了醫(yī)學科學的進步, 加速了醫(yī)學加速了醫(yī)學科學的現(xiàn)代化科學的現(xiàn)代化, 顯著提高了醫(yī)療和診斷水平顯著提高了醫(yī)療和診斷水平, 因此因此,機械科學與生物學、醫(yī)學的結(jié)合機械科學與生物學、醫(yī)學的結(jié)合, 是符合是符合現(xiàn)代科學技術的發(fā)展規(guī)律和發(fā)展方向的?，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展規(guī)律和發(fā)展方向的。 l國際上很早就非常重視生活質(zhì)量。隨著我國人民生活國際上很早就非常重視生活質(zhì)量。隨著我國人民生活水平的提高水平的提高, 人們也開始關

6、注自身的健康問題人們也開始關注自身的健康問題, 對醫(yī)療對醫(yī)療水平和生活質(zhì)量提出了更高的要求。先進的治療手段水平和生活質(zhì)量提出了更高的要求。先進的治療手段人工器官的移植、運動與康復機械和醫(yī)用與仿生機器人工器官的移植、運動與康復機械和醫(yī)用與仿生機器人的使用將會愈來愈普遍。因此人的使用將會愈來愈普遍。因此, 大力推動生物機械大力推動生物機械工程的研究與開發(fā)工程的研究與開發(fā), 將大大促進生物工程、生物醫(yī)學將大大促進生物工程、生物醫(yī)學工程學科的建設與發(fā)展工程學科的建設與發(fā)展,對提高我國醫(yī)療保健水平、保對提高我國醫(yī)療保健水平、保障人民健康、提高生活質(zhì)量等將產(chǎn)生深遠的影響障人民健康、提高生活質(zhì)量等將產(chǎn)生深遠

7、的影響, 具具有重大的社會和經(jīng)濟效益。有重大的社會和經(jīng)濟效益。生物機械工程主要研究領域與發(fā)展趨勢生物機械工程主要研究領域與發(fā)展趨勢 l公元前公元前500 年年, 當時人們只能用肉眼觀察研究人體的解剖結(jié)構(gòu)。當時人們只能用肉眼觀察研究人體的解剖結(jié)構(gòu)。17 世紀發(fā)明了光學顯微鏡世紀發(fā)明了光學顯微鏡, 推動了解剖學向微觀層次發(fā)展推動了解剖學向微觀層次發(fā)展, 出現(xiàn)出現(xiàn)了細胞學研究。這時人們不但可以了解人體解剖的變化了細胞學研究。這時人們不但可以了解人體解剖的變化, 而且可而且可以進一步觀察細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化以進一步觀察細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化, 隨之誕生了組織學。光學顯隨之誕生了組織學。光學顯微鏡的出現(xiàn)使醫(yī)學

8、的研究提高到細胞形態(tài)學水平。由于普通光學微鏡的出現(xiàn)使醫(yī)學的研究提高到細胞形態(tài)學水平。由于普通光學顯微鏡的分辨率只有數(shù)個微米顯微鏡的分辨率只有數(shù)個微米, 只能觀察細胞的形態(tài)變化只能觀察細胞的形態(tài)變化, 而像而像病毒以及細胞的各種顯微結(jié)構(gòu)。病毒以及細胞的各種顯微結(jié)構(gòu)。20 世紀世紀60 年代出現(xiàn)了電子顯微年代出現(xiàn)了電子顯微鏡鏡, 使人們的視力達到能看到千分之一微米的微小個體使人們的視力達到能看到千分之一微米的微小個體, 可以觀可以觀察研究細胞的超微結(jié)構(gòu)。由此可見察研究細胞的超微結(jié)構(gòu)。由此可見, 光學顯微鏡、電子顯微鏡都光學顯微鏡、電子顯微鏡都是光學、精密機械、電子學等研究的成果是光學、精密機械、電

9、子學等研究的成果, 它們對推動醫(yī)學的發(fā)它們對推動醫(yī)學的發(fā)展起了重要作用。展起了重要作用。 生物醫(yī)學材料生物醫(yī)學材料 l生物醫(yī)學材料是指用來制作各種人工器官和與人體生生物醫(yī)學材料是指用來制作各種人工器官和與人體生理環(huán)境相接觸的醫(yī)療用具和制品的材料理環(huán)境相接觸的醫(yī)療用具和制品的材料, 它為醫(yī)學的它為醫(yī)學的發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)基礎。主要類型有發(fā)展提供了豐富的物質(zhì)基礎。主要類型有: 天然高分天然高分子材料子材料, 金屬與合金材料金屬與合金材料, 無機非金屬材料無機非金屬材料, 雜化材料雜化材料與復合材料等。國內(nèi)外生物材料開發(fā)研究的主要趨勢與復合材料等。國內(nèi)外生物材料開發(fā)研究的主要趨勢是提高生物材料的生

10、物相容性是提高生物材料的生物相容性, 研究開發(fā)出生物相容研究開發(fā)出生物相容性更好、更能適應人體生理需要的新材料。利用分子性更好、更能適應人體生理需要的新材料。利用分子設計學方法和仿生學設計學方法和仿生學, 根據(jù)需要設計、研制具有特定根據(jù)需要設計、研制具有特定功能的材料功能的材料, 發(fā)展仿生高性能工程材料發(fā)展仿生高性能工程材料, 最終達到材料最終達到材料本身具有生命性質(zhì)而與生命體產(chǎn)生生物性結(jié)合的目的本身具有生命性質(zhì)而與生命體產(chǎn)生生物性結(jié)合的目的。 人工器官與人工肢體人工器官與人工肢體 l人體除大腦外人體除大腦外, 其他多數(shù)器官都在進行人工制造的研其他多數(shù)器官都在進行人工制造的研究究, 而且不同程

11、度地取得了進展而且不同程度地取得了進展, 有的已成功地用于臨有的已成功地用于臨床床, 如人工心臟瓣膜、人工血管、人工心肺機、人工如人工心臟瓣膜、人工血管、人工心肺機、人工血液、人工腎、人工肝、人工胰、人工關節(jié)、人工心血液、人工腎、人工肝、人工胰、人工關節(jié)、人工心臟及輔助循環(huán)、人工耳蝸、人工皮膚、人工肢體等等臟及輔助循環(huán)、人工耳蝸、人工皮膚、人工肢體等等 。人工器官和人工肢體發(fā)展的總趨勢是人工器官和人工肢體發(fā)展的總趨勢是, 由體外型向體由體外型向體內(nèi)型過渡內(nèi)型過渡, 由大型向小型化、微型化發(fā)展由大型向小型化、微型化發(fā)展,由暫時應用由暫時應用向永久替代置換、長期應用發(fā)展向永久替代置換、長期應用發(fā)展

12、, 功能逐步完善功能逐步完善, 可靠可靠性不斷提高。性不斷提高。 遠程診療系統(tǒng)遠程診療系統(tǒng) l遠程診療系統(tǒng)始于遠程診療系統(tǒng)始于20 世紀世紀50 年代年代, 是計算機硬件技術、是計算機硬件技術、網(wǎng)絡通信技術和現(xiàn)代醫(yī)療技術的有機融合網(wǎng)絡通信技術和現(xiàn)代醫(yī)療技術的有機融合, 它通過攝它通過攝像機、顯微鏡、計算機等硬件設備、網(wǎng)絡系統(tǒng)和信息像機、顯微鏡、計算機等硬件設備、網(wǎng)絡系統(tǒng)和信息接受設備接受設備, 使異地之間進行有關醫(yī)學診斷、治療、護使異地之間進行有關醫(yī)學診斷、治療、護理、咨詢以及教育等方面的信息和數(shù)據(jù)傳遞理、咨詢以及教育等方面的信息和數(shù)據(jù)傳遞, 使醫(yī)療使醫(yī)療資源共享資源共享, 既可以為偏遠地區(qū)的

13、患者提供醫(yī)療服務既可以為偏遠地區(qū)的患者提供醫(yī)療服務, 降降低醫(yī)療成本低醫(yī)療成本, 也可以作為醫(yī)生之間進行交流及培訓的也可以作為醫(yī)生之間進行交流及培訓的工具工具, 逐步改變?nèi)藗兊纳?、工作方式和傳統(tǒng)的醫(yī)療逐步改變?nèi)藗兊纳?、工作方式和傳統(tǒng)的醫(yī)療模式模式, 已成為國際上廣泛關注的跨學科高科技已成為國際上廣泛關注的跨學科高科技, 如醫(yī)用如醫(yī)用機器人計算機輔助外科手術的研究機器人計算機輔助外科手術的研究; 如圖像處理、信如圖像處理、信號傳遞、精密機械和外科手術的結(jié)合。號傳遞、精密機械和外科手術的結(jié)合。遠程診療系統(tǒng)的研究熱點遠程診療系統(tǒng)的研究熱點l遠程診療系統(tǒng)的研究熱點是遠程診療系統(tǒng)的研究熱點是: 遠程

14、放射學和圖遠程放射學和圖像歸檔與通信系統(tǒng)、遠程會診和遠程診斷像歸檔與通信系統(tǒng)、遠程會診和遠程診斷(遠遠程病理系統(tǒng)、遠程皮膚科診斷系統(tǒng)、遠程牙科程病理系統(tǒng)、遠程皮膚科診斷系統(tǒng)、遠程牙科診斷系統(tǒng)、遠程放射學系統(tǒng)診斷系統(tǒng)、遠程放射學系統(tǒng)) 、遠程治療、遠、遠程治療、遠程監(jiān)護和家庭護理技術、遠程教育、醫(yī)學咨詢、程監(jiān)護和家庭護理技術、遠程教育、醫(yī)學咨詢、網(wǎng)上公共衛(wèi)生和醫(yī)學數(shù)據(jù)庫建立、國際醫(yī)療聯(lián)網(wǎng)上公共衛(wèi)生和醫(yī)學數(shù)據(jù)庫建立、國際醫(yī)療聯(lián)網(wǎng)技術網(wǎng)技術, 應用人機工程學發(fā)展多媒體醫(yī)學信息應用人機工程學發(fā)展多媒體醫(yī)學信息管理數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)庫, 為遠程醫(yī)療研究服務等為遠程醫(yī)療研究服務等 。醫(yī)療器械醫(yī)療器械 l醫(yī)療器

15、械是用于人體疾病和傷殘診斷、預防、醫(yī)療器械是用于人體疾病和傷殘診斷、預防、監(jiān)護、治療、緩解、補償人體結(jié)構(gòu)或生理過程監(jiān)護、治療、緩解、補償人體結(jié)構(gòu)或生理過程的研究、替代或修復的研究、替代或修復, 計劃生育等方面的儀器、計劃生育等方面的儀器、設備、器具、材料或其他物品設備、器具、材料或其他物品, 其品種、規(guī)格、其品種、規(guī)格、功能多種多樣功能多種多樣 。 醫(yī)用機器人醫(yī)用機器人 l國內(nèi)外已研究和開發(fā)了多種醫(yī)學機器人系統(tǒng)國內(nèi)外已研究和開發(fā)了多種醫(yī)學機器人系統(tǒng), 大致可分為大致可分為3 類類: 醫(yī)療機器人社會福利機器人醫(yī)療機器人社會福利機器人; 醫(yī)學教育機器人。有的已應用于臨床醫(yī)學教育機器人。有的已應用于

16、臨床, 具有巨具有巨大的潛在經(jīng)濟和社會效益。大的潛在經(jīng)濟和社會效益。 生物機械工程研究存在的主要問題生物機械工程研究存在的主要問題 l國內(nèi)生物機械工程方面的研究和應用國內(nèi)生物機械工程方面的研究和應用, 雖然從雖然從1980 年年以來在引進、消化及推廣應用上已有一些成果以來在引進、消化及推廣應用上已有一些成果, 但與但與發(fā)達國家相比差距太大。具體表現(xiàn)在發(fā)達國家相比差距太大。具體表現(xiàn)在:政府部門未能把政府部門未能把人民群眾的生活質(zhì)量、醫(yī)療水平和生命保障問題放在人民群眾的生活質(zhì)量、醫(yī)療水平和生命保障問題放在足夠重視的地位足夠重視的地位; 對生物機械工程技術研究開發(fā)的重對生物機械工程技術研究開發(fā)的重大

17、意義認識不足大意義認識不足; 企業(yè)對研發(fā)生物機械產(chǎn)品和開拓市企業(yè)對研發(fā)生物機械產(chǎn)品和開拓市場顯得信心不足和缺乏熱情場顯得信心不足和缺乏熱情; 生物機械學科沒有真正生物機械學科沒有真正建立建立, 學術地位沒有真正確立學術地位沒有真正確立; 生物機械工程研究人員生物機械工程研究人員很少很少, 研究經(jīng)費嚴重不足研究經(jīng)費嚴重不足, 對基礎理論、材料及工藝的對基礎理論、材料及工藝的研究不夠研究不夠, 設計制造水平不高設計制造水平不高, 等等。等等。 對策對策l1) 大力宣傳生物機械工程研究對提高人民生活質(zhì)量和醫(yī)療保健大力宣傳生物機械工程研究對提高人民生活質(zhì)量和醫(yī)療保健水平、推動現(xiàn)代醫(yī)學進步的重要意義。水平、推動現(xiàn)代醫(yī)學進步的重要意義。 l2) 成立中國機械工程學會生物機械工程學科分會成立中國機械工程學會生物機械工程學科分會, 確立生物機械確立生物機械工程學科的學術地位工程學科的學術地位, 推動生物機械工程學科的學術交流和推廣推動生物機械工程學科的學術交流和推廣應用。應用。l 3) 組織強有力的科研團隊組織強有力的科研團隊, 大力開展生物機械工程的基礎理論研大力開展生物機