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走进生物医学工程：专业图谱

已有 3023 次阅读 2022-7-6 18:13 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

走进生物医学工程：专业图谱

导语

生物医学工程是“守护人类健康的工程科学”，它是自然科学和工程技术各学科领域与医学深度交叉融合的产物，是依据工程技术手段解决医学和人体健康问题的一个年轻学科，其应用技术主要用于人类疾病的预防、诊断、监护、治疗、保健和康复等各方面的仪器、设备、材料和系统等，是现代医疗器械和医用材料产业的主要支撑学科。接下来将基于书籍《什么是生物医学工程？》（图1）内容，发布《走进生物医学工程》系列文章，带领大家走进生物医学工程。本次内容为生物医学工程的专业图谱。

图1 《什么是生物医学工程？》书籍

生物电现象

一个活细胞无论处于兴奋状态还是静息状态，都在不断发生电荷变化，这种现象称为生物电现象。生物电就是生命活动中的一类物理、化学变化，是正常生理活动的变现，也是生物活组织的一个基本特征。在临床医学领域，生物电现象的应用包括心电图、脑电图、肌电图等（图2）。

图2 生物电的临床应用

生物医学信号处理

生物医学信号处理是根据生物医学信号特点（强噪声背景下，低频微弱非线性随机信号），应用信息科学的基本理论和方法，研究如何从被干扰和噪声淹没的观察记录中提取各种生物医学信号中所携带的信息，并对它们进行分析、解释和分类。

表1 生物医学信号处理方法

方法类型	分析方法
经典方法	信号直方图分析，信号平均，信号相关分析，信号数字滤波技术，傅里叶变换与信号谱分析，信号的自适应滤波
现代方法	非高斯信号的分数低阶处理，非平稳随机信号的时频分析，独立分量分析，信号的小波变换，信号的经验模态分解，一大数据和深度学习为核心的人工智能技术

医学成像

医学成像技术是物理学、电子学、数学、计算机科学等多门学科交叉的产物，它集中体现了生物医学工程的多学科交叉融合的特色，是一门影响了每个人生命健康的工程科学。医学成像有X射线成像、CT成像、核磁共振成像、核医学成像、超声成像等（图3）。

图3 各种医疗仪器产生的医学成像

康复工程

康复工程师生物医学工程的学科分支，主要研究康复领域中有关工程学的问题。换句话说，康复工程就是帮助残疾人最大限度地恢复丧失的功能，恢复独立生活、工作和生活的能力，以便更好回归正常生活的科学。目前，康复工程医疗器械产业蓬勃发展，所涉及领域包括医学和工学（图4）。

图4 康复工程医疗器械涉及的理论与技术

生物材料

生物材料学是一个新兴的多学科交叉领域，对人类健康、经济和许多科学领域又有着重大影响。这里的生物材料是指与生命系统相互作用的一类用于医学领域的以天然或人工合成的功能材料（图5）。其本身不是药物，而是通过与机体融合并相互作用而发挥作用。生物材料经历了惰性生物材料、生物材料生物化、组织工程支架材料三个阶段，其应用的四大领域为骨科、心脑血管、牙科和组织工程（图6）。

图5 医用生物材料

图6 生物材料应用

生物医学传感技术

传感器是将各种信息转化为电信号的电子器件。传感器技术与生物医学工程的发展密切相关，智能诊断、治疗、康复、制药等医学领域和生物信息探测对传感技术的需求日益增加。同时，人们从生物感知原理出发，结合电、光、热、力、磁等科学技术，开发了大量仿生传感器和病毒检测传感器（图7）。

图7 GE开发的Covid-19生物传感器让手机成为病毒探测器

医疗大数据与人工智能

在医疗健康大数据来源多样化（主要包括电子病历数据、检验数据、费用数据、移动问诊数据、影像数据、基因测序数据、智能穿戴数据、体检数据等）且快速增长的背景下，随着近些年深度学习技术的不断发展，人工智能逐步从前沿技术转变为现实应用。大数据和人工智能以一种新技术、新模式、新业态在不断变革传统医疗、形成“新医疗”在临床方面应用广泛（图8）。