生物醫(yī)學工程學的基礎理論ppt課件

《生物醫(yī)學工程學的基礎理論ppt課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《生物醫(yī)學工程學的基礎理論ppt課件（92頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

生物醫(yī)學工程學基礎理論 生物電磁學生物力學超聲醫(yī)學生物醫(yī)學光子學生物技術 生物電磁學 生物電磁學 生物電磁學是研究生物體的電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象以及生物電磁的應用的一門學科 生物電磁學是建立在膜生物物理學基礎之上的側重于從宏觀角度研究生物電現(xiàn)象和生物磁現(xiàn)象 現(xiàn)代生物電磁學在很多方面都已深入到細胞級甚至是分子級的研究水平 生物電磁學的研究范圍 外界電磁波 場 與生物體的相互作用主要包括生物組織的介電特性 各層次的生物學效應及其作用機理 生物電磁劑量容許暴露限值 生物醫(yī)學中的應用及用于生物和醫(yī)療的輻射系統(tǒng)等 Bioelectromagnetics生物體自身產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象主要包括電磁現(xiàn)象的產(chǎn)生機理 電磁信號的測量 處理和應用等 Bioelectromagnetism 主要內(nèi)容 生物電及生物電的發(fā)現(xiàn)生物電現(xiàn)象電磁波在醫(yī)學中的應用微波的生物效應毫米波生物學效應生物磁場現(xiàn)象生物電磁劑量學和電磁輻射的安全標準生物電磁場熱點問題 生物電磁學 生物電生物電的發(fā)現(xiàn) 生物電 生物電現(xiàn)象是 生命的火花 一旦生命活動停止 電現(xiàn)象也就消失了 正常的生物電活動是生物和人體保持生命功能必不可少的條件 若由于機體內(nèi)部或外界原因造成生物電活動障礙 如神經(jīng)中毒 心電傳導阻滯等 會引起疾病甚至死亡 生物電的主要基礎是細胞膜內(nèi)外有電位差 即膜電位 生物電現(xiàn)象是生物系統(tǒng)內(nèi)一種普遍的共有現(xiàn)象 生物電的測量宏觀測量 如腦電 心電和肌電等 微觀測量 利用微電極技術測量到單個細胞的電活動 生物電的發(fā)現(xiàn) 人類很早就發(fā)現(xiàn)了生物體的電現(xiàn)象 早在公元前300多年前 古希臘人亞里士多德記載了地中海電鰩有強烈的 震擊 作用 以后的資料陸續(xù)記載了非洲尼羅河內(nèi)的電鯰和美洲的電鰻等都具有發(fā)電器官 早在公元一世紀 古羅馬的醫(yī)生就曾用電鰻的放電來治療痛風 人類關于生物電現(xiàn)象的系統(tǒng)研究 就起源于伽伐尼與伏特的有益爭論 從科學發(fā)展史可知 對生物體內(nèi)電現(xiàn)象的深入研究 開始于意大利的醫(yī)生 生理學家伽伐尼與同時代的物理學家伏特間的一場著名爭論 1678年荷蘭生物學家斯威莫爾登用蛙的肌肉做實驗 他把肌肉放在玻璃管內(nèi) 用一根銀絲和一根銅棒去觸及肌肉 可引起肌肉的收縮活動 伽伐尼于1791年發(fā)表了 肌肉運動中的電效應 提出 一塊蛙的神經(jīng) 肌肉標本 即使放在離放電的靜電區(qū)很遠的地方 當觀察者觸及它時 也會發(fā)生收縮 在雷電時刻豎立一條長的導線 那么大氣的電荷也可用來刺激蛙腿 當將蛙腿用銅鉤掛在鐵欄桿上時 即使沒有雷電 也會產(chǎn)生收縮 伽伐尼將這些現(xiàn)象發(fā)生的原因歸之于標本中帶有動物電 他認為 神經(jīng)與肌肉帶有相反的電荷 而金屬導體的作用僅是把神經(jīng)與肌肉之間的通路接通而已 伏特認為 伽伐尼實驗中發(fā)現(xiàn)的所有能使蛙肌肉收縮的實驗都是由于雙金屬電流所引起的 他認為只要具備三件東西 即兩種不同的金屬以及完成電路的導體就能產(chǎn)生電流 由于伽伐尼連接標本所用的金屬性質(zhì)不同就可以產(chǎn)生電位差 而神經(jīng)肌肉上的組織液體是含有電解質(zhì)的 因此 用金屬與組織液接觸時就產(chǎn)生了電流 蛙肌肉只充當了電路的導體 伏特認為伽伐尼實驗中所發(fā)生的現(xiàn)象 是外加電流刺激了肌肉標本 才引起肌肉收縮 伏特和伽伐尼的爭論促使他們各自的派別進行進一步的實驗 以此驗證自己論點的正確 伏特采用一組銅板和一組鋅板 中間用鹽水浸過的呢絨隔開 由于不同金屬與電解質(zhì)相接觸 產(chǎn)生了電動勢 制造出了世界上第一個直流電電池 伏特電池 這也是科學史上的一個重大發(fā)現(xiàn) 伽伐尼為了驗證自己的觀點 舍去金屬作為通路 他發(fā)現(xiàn) 在無金屬參與的情況下 神經(jīng)肌肉標本上的肌肉仍可發(fā)生收縮現(xiàn)象 這就有力地證明了生物電的存在 生物電磁學 生物電現(xiàn)象 生物電現(xiàn)象 人體和動物組織在靜止狀態(tài)和活動狀態(tài)都會產(chǎn)生與生命狀態(tài)密切相關的有規(guī)律的電現(xiàn)象 它是生物體興奮的重要標志 也是活組織的基本特征之一 心臟的跳動 肌肉的收縮 大腦的活動等所體現(xiàn)的電活動都與單個細胞的電活動有關 人體內(nèi)各部位產(chǎn)生的瞬時電位差 可以揭示出體內(nèi)電活動的某些特性 現(xiàn)代醫(yī)學臨床和研究已廣泛使用心電圖 腦電圖 肌電圖 胃電圖 眼電圖等來記錄人體各部分器官的生物電變化 研究生物電現(xiàn)象的生理學被稱為電生理學 生物電現(xiàn)象 心電腦電肌電其它生物電多道生理記錄儀 心電 心臟的傳導系統(tǒng)系指由一系列特殊心臟細胞聯(lián)結組成的傳導系統(tǒng) 這些細胞組織既有自動產(chǎn)生興奮的功能 又有較一般心肌細胞更快的傳導功能 這樣使興奮有節(jié)律地按一定順序傳播 使心臟保持正常的有節(jié)律的收縮和舒張 以維持血液循環(huán) 心臟傳導系統(tǒng)包括竇房結 結間束 房室結 房室束 希氏束 和其分支以及分布到心室內(nèi)的浦肯野纖維網(wǎng) 正常心臟興奮的起源點在竇房結 心臟是人體中血液循環(huán)的動力源泉 依靠心臟有節(jié)律性的搏動 使得血液不斷在體內(nèi)循環(huán) 以維持正常的生命活動 哺乳動物的心臟活動可概括為兩個過程 心房收縮推動血液進人心室 由房室瓣膜控制血流流動方向 心室收縮推動血液進人主動脈和肺動脈 血液流動由半月瓣和肺動脈瓣控制 心臟在搏動之前 心肌首先發(fā)生興奮 在興奮過程中產(chǎn)生微弱電流 該電流經(jīng)人體組織向各部分傳導 由于身體各部分的組織不同 各部分與心臟間的距離不同 因此在人體體表各部位 表現(xiàn)出不同的電位變化 這種人體心臟內(nèi)電活動所產(chǎn)生的表面電位與時間的關系稱為心電圖 也稱體表心電圖 心臟興奮與相應的心電圖波形 P波代表左右兩心房興奮除極過程所產(chǎn)生的電壓變化 P R期間代表心房開始除極傳經(jīng)房室結 希氏束至心室開始除極前的時間 QRS綜合波代表室間隔與左右兩心室除極過程產(chǎn)生的電壓變化 ST段代表心室除極后慢慢恢復極化過程的電壓變化 T波代表心室肌迅速恢復極化過程的電壓變化 U波是在T波后的一個很小的正向波 代表心肌激動的 負后電位 心臟病人心電圖中各波的波形 幅度 占有時間以及波形偏轉方向等與正常心電圖之間的差異 就是利用心電圖診斷心臟疾病的依據(jù) 隨著臨床心電圖學的發(fā)展 又出現(xiàn)了心電向量圖 心室晚電位 希氏束電圖 高頻心電圖等方法 腦電 人類大腦神經(jīng)細胞數(shù)量達150億個 神經(jīng)元像人體中的其他細胞一樣 具有生物電活動 神經(jīng)細胞的跨膜靜電息電位 或稱膜電位 大約為 70mV 這個靜息電位可認為是由K 外流而形成的 大腦皮層中單個神經(jīng)元的膜電位通常在頭皮上檢測不到 在頭皮上檢測到的電位變化 腦電波是由大腦皮層中無數(shù)個神經(jīng)元同步化的電活動所形成 大腦皮層具有持續(xù) 廣泛而有節(jié)律的電位變化 這種不受外界刺激的腦電變化稱為自發(fā)腦電位 EEG 腦的電活動可以為直接的或外界的確定性刺激 電 光 聲等刺激 所影響 產(chǎn)生另一種局部化的電位變化稱為誘發(fā)腦電位 EP 通常從人的頭皮上所引導的誘發(fā)電位幅度較小 在0 10 V 且常被淹沒在自發(fā)腦電波中而難以觀察 如果把一串相同的刺激做出的反應所獲得的誘發(fā)電位加以疊加平均 則所產(chǎn)生的波形叫作平均誘發(fā)電位 AEP 腦電圖信號 腦電圖是一種隨機性很強的生理信號 其規(guī)律性不如心電圖明確 通常將腦電圖的振幅和頻率成分作為腦電診斷時的主要依據(jù) 而頻率成分顯得尤為重要 因為大腦活動的程度與腦電圖的平均頻率之間有密切的關系 自發(fā)腦電活動通常以一種占優(yōu)勢的頻率為其標志 自發(fā)腦電信號較弱 在正常情況下 從波峰到波谷 幅值 為10 100 V 其頻率范圍為1 50Hz 波形因不同的腦部位置而異 并與覺醒和睡眠的水平有關 且存在很大的個體差異 也就是說腦電波在不同的正常人中也存在著不同的表現(xiàn) 在國際上 一般將正常腦電活動相關的腦電波頻率范圍劃分成五種類型 頻率由高到低依次為 波 波 波 波 波 波通常在覺醒 安靜和閉眼時出現(xiàn)在枕葉 即腦在休息 但未人睡 時出現(xiàn) 波 睜眼或人睡時 波消失 波存在很大的個體差異 約有10 的正常人記錄不到典型的 波 波具有較高的頻率 常見于緊張的精神活動期間 波主要見于兒童和成人淺睡時 出現(xiàn)在頂部和顳部 波出現(xiàn)于成人深睡時 以及早產(chǎn)嬰兒和幼兒 成人極度疲勞和麻醉時也出現(xiàn) 波 波是由注意或感覺刺激引起的一種低幅高頻波 腦電圖波可以因大腦皮層和腦干病理所改變 例如皮層中電活動的消失或阻尼可能是由于腫瘤壓迫在神經(jīng)元上并使其損傷 也可能是由于循環(huán)障礙引起缺氧 出血或栓塞 腦電圖的波形也受影響意識水平的腦干中的病理過程所影響 腦電圖是診斷某些精神疾患的重要依據(jù) 例如在臨床上可應用于檢查疑似癲癇和腦腫瘤病人 還可以用于測定意識水平和確定大腦的死亡 采用誘發(fā)電位研究感覺系統(tǒng)投射部位及大腦皮層功能有重要作用 誘發(fā)電位可在腦皮層和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的其他部位 如丘腦 中腦等 引出 可從一個角度闡明中樞神經(jīng)系統(tǒng)各部分之間 大腦皮層各部分以及皮層下不同細胞成分相互作用的機制 人的精神狀態(tài)對腦電活動有極大影響 因此 腦電圖對高級神經(jīng)活動特別是心理活動具有重要意義 這對于模擬大腦功能及認知研究 人工智能研究等都具有非常重要的意義 肌電 興奮和收縮是骨骼肌的最基本機能 也是肌電圖形成的基礎 肌電圖是不同機能狀態(tài)下骨骼肌電位變化的記錄 這種電位變化與肌肉的結構 收縮時的化學變化有關 在肌細胞中存在四種不同的生物電位 靜息電位 RP 動作電位 AP 終板電位 EPP 和損傷電位 IP 肌電圖能直接反映肌肉活動的機能狀態(tài) 有助于了解各部分肌肉在完成某一動作中所表現(xiàn)的作用 其它生物電 研究證明 生物體除心臟及腦的活動能產(chǎn)生電現(xiàn)象外 許多其他器官 組織都存在不同程度的電現(xiàn)象 胃電圖 EGG 通過附在腹部皮膚上的電極測量的胃電信號記錄 由于胃電信號的頻率很低 僅0 05Hz 通常與呼吸干擾 0 2 0 4Hz 心電信號 0 8 1 0Hz 電極與皮膚的接觸噪聲 3Hz 及其他噪聲混疊 因而造成檢測困難 視網(wǎng)膜電圖眼電圖眼震電圖 1 視網(wǎng)膜電圖 ERG 當視網(wǎng)膜受到瞬間閃光刺激時 安放在視網(wǎng)膜內(nèi)表面或角膜上的探測電極與安放在前額或耳垂部位的參考電極之間 可記錄到短暫的電位順序變化 這些電位變化總和稱為視網(wǎng)膜電圖 2 眼電圖 EOG 眼運動引起的電位變化記錄 眼電圖可提供眼睛的取向 角速度 角加速度的影響 可作為研究藥物對眼運動的影響 以及研究睡眠和視角搜查時眼運動的手段 3 眼震電圖 ENG 眼球運動時角膜和視網(wǎng)膜電位變化的記錄 眼震電圖用于判定前底系統(tǒng) 中樞神經(jīng)系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)的功能 在臨床體檢 特種人員的選拔和健康鑒定方面均有廣泛的應用 多道生理記錄儀 生物電磁學 電磁波在醫(yī)學中的應用 電磁波在醫(yī)學中的應用 幾乎所有的電磁波頻段都在醫(yī)學上獲得應用 電磁波傳播及其與不同媒介相互作用的基本效應 要取決于電磁波頻率 功率及射頻信號波形等參數(shù) 當應用于生物醫(yī)學研究時 它們常被作為生物效應參數(shù) 此外還要考慮輻照時間 按照電磁波對原子 分子結構作用的特點 可分成電離輻射與非電離輻射兩類 若為前者 電磁波有可能引起原子或分子電離 從而導致對生物體的強烈不可逆作用 若屬后者 則作用相對很弱而且多是可逆的 電磁波的生物學效應不僅對生物體有熱效應 而且有非熱效應 熱效應又稱為能量效應 是指通過微波照射生物體引起其組織器官生熱所產(chǎn)生的生理影響 根據(jù)照射能量的不同可分為溫熱治療 高溫消融 電灼 電凝 切割等熱療方法 根據(jù)使用頻率的不同 而對皮膚的穿透深度不同 又可分為淺表熱療 深部透熱治療 各種用途的微波熱療機 消融儀 微波電刀已成為醫(yī)院重要治療手段之一 非熱效應往往利用的是弱信號 機體組織不產(chǎn)生明顯的發(fā)熱現(xiàn)象 這類電磁波生物效應也被稱作 信息效應 生物電磁學 微波的生物效應 微波的生物效應 微波是指300MHz至300GHz的電磁波 微波對人體和動物的作用具有兩重性 如果輻射劑量控制適當 對人體和動物可以產(chǎn)生良好的刺激作用 加速血液循環(huán) 血管擴張 刺激器官功能 促進新陳代謝 改善局部營養(yǎng) 從而促進機體的修復與再生 甚至選擇性殺滅腫瘤細胞 增強機體抗電離輻射的能力 因此微波輻射療法已廣泛應用于臨床 高強度微波輻射或低強度的長期照射都有可能對人體健康產(chǎn)生不良影響 形成所謂的 無線電波作用綜合征 生物電磁學 毫米波生物學效應 毫米波生物學效應 毫米波是指自由空間波長在1 10mm的電磁波 相應的頻率范圍是30 300GHz 處于微波波段的高頻段 毫米波醫(yī)療的基本原因在于提高機體的非特異抵抗力和調(diào)動機體的內(nèi)部潛力 基本的醫(yī)療方式是用毫米波能量輻射人體的有關部位 雖然毫米波只是在局部的皮膚表層被吸收 但由于在波的作用場內(nèi)存在有感受細胞 血管 神經(jīng)纖維等 因此有可能通過機體的神經(jīng)纖維和體液系統(tǒng)將作用擴展到整個機體 對各種疾病 包括遠離照射部位的疾患產(chǎn)生治療效果 毫米波在生物效應方面的特點 使其在醫(yī)學應用中較其他微波段的臨床應用有某些特色和優(yōu)點 具有非侵入性 對機體無損傷 易于配合藥物或其他療法進行治療 治療劑量小 基本無變態(tài)反應 無副作用和遠期后遺癥 毫米波能提高機體的總緊張度 從而使患者有舒服的感覺 有抗應激因子的作用 能提高機體的免疫力 還可鎮(zhèn)定止痛 毫米波對多種疾病有綜合治療作用 而且治療過程中病人無痛苦 因此易于被患者接受 能改善人體的耐毒狀態(tài) 提高血液的質(zhì)量 而且有明顯的升白作用 生物電磁學 生物磁場現(xiàn)象 生物磁場現(xiàn)象 正常人體組織磁化率小 沒有剩余的磁矩 因此 長期以來人們并不了解人體或生物存在著磁場 根據(jù)物理學中的比奧 薩代定律 電荷的運動會產(chǎn)生磁場 因此人體中凡能產(chǎn)生生物電現(xiàn)象的部位同時會產(chǎn)生生物磁現(xiàn)象 生物磁場很微弱 20世紀60年代中期之前缺乏測量微弱磁信號的有效手段 環(huán)境磁噪聲 包括地磁場和人工磁場源 比生物磁信號強成千上萬倍 微弱的生物磁信號被環(huán)境磁噪聲淹沒 給測量工作帶來困難 生物磁場的來源 1 生物電流是引起生物磁場的源泉 2 由生物磁性材料產(chǎn)生的感應場 3 生物體本身含有的磁性物質(zhì)產(chǎn)生的磁場 1 生物電流是引起生物磁場的源泉各種生命活動 例如 電子傳遞 離子轉移 神經(jīng)電活動等均屬生物電過程 會產(chǎn)生頻率 強度 波形各異的生物電流和伴隨的微弱生物磁場 例如人體的心磁 腦磁 肌磁等都是由心電 腦電 肌電所引起的磁場 2 由生物磁性材料產(chǎn)生的感應場活體組織 器官等的組成物質(zhì)具有一定的磁性 稱為生物磁性材料 它們在地磁場及其他外界磁場的作用下產(chǎn)生感應場 例如人的脾臟所呈現(xiàn)的磁性就屬于這一類 3 生物體本身含有的磁性物質(zhì)產(chǎn)生的磁場生物體所含磁性物質(zhì)包括兩個方面 一種是生物體中所具有的磁性物質(zhì) 另一種是生物在環(huán)境中吸人或食人體內(nèi)的磁性物質(zhì) 所導致的剩余磁場 非生物本身固有的磁場 生物磁測量的特點 測定生物磁場時 無需使用電極就能測得生物組織的內(nèi)源電流 在身體表面安放電極是不可能測得身體內(nèi)部的直流電 檢測生物磁場無需使用與生物體接觸的電極 就能測定生物組織的內(nèi)源電流 同時避免了使用電極所引起的電極干擾 可以同時測量恒定的生物磁場和交變的生物磁場 可以獲得生物磁場的三維空間分布 通過測量體外磁場強度和分布 可以了解體內(nèi)強磁性物質(zhì)的含量和分布 有助于診斷和檢查某些職業(yè)病 生物磁測量 人體磁性活動具有普遍性 但限于檢測水平和應用 目前探測到的只有心磁場 腦磁場 肺磁場 肌磁場 眼磁場 肝磁場等 磁場對人體的作用 磁場療法 簡稱磁療 是在人體的一定部位 經(jīng)穴或患處 施加恒定或變化的磁場治療疾病的方法 磁場具有鎮(zhèn)痛 鎮(zhèn)靜 上瀉 消炎等功能 臨床上已能治療急性扭挫傷 腰肌勞損 風濕性關節(jié)炎 高血壓 神經(jīng)性頭痛 支氣管哮喘 功能性腹瀉 痛經(jīng)等數(shù)十種常見病和多發(fā)病 磁療具有以下特點 對癥療效顯著 適應證廣 經(jīng)濟節(jié)約 易學易用 省時省事 無痛苦 無創(chuàng)傷等 可同時治療幾種疾病 可與其他療法配合治療 生物電磁學 生物電磁劑量學電磁輻射的安全標準 生物電磁劑量學 生物電磁學的一個基本問題是確定什么樣的電磁場產(chǎn)生何種效應 這就需要測定生物體在特定照射條件下所接受的劑量 一般采用單位質(zhì)量吸收的功率 次吸收率SAR 描述生物體受到電磁場作用的實際強度 包括平均SAR和局部SAR 方法學上又分為理論劑量學和實驗計量學 理論計量學采用適當?shù)哪Ｐ?通過計算 確定人體和動物體內(nèi)電磁場分布或吸收功率密度 采用形狀與人體相似的分塊模型 利用計算機技術 使模型計算的電磁參數(shù)接近真實情形 實驗劑量學采用實驗手段來測定 從方法學上又分為兩個發(fā)展方向 電測法和熱測法 電測法直接測量照射生物模型或實體內(nèi)的電磁劑量 熱測法根據(jù)能量轉換關系 通過溫度測量 熱量測量或紅外熱像法確定吸收的電磁劑量 新型電子和光學器件 多維溫度和熱像檢測系統(tǒng)的開發(fā) 給實驗劑量學研究創(chuàng)造了條件 今后的發(fā)展方向是模型的完善和計算方法的改進 使實驗結果更加符合實際場合 電磁輻射的安全標準 為了防止電磁場有害效應對人類健康產(chǎn)生危害 需要研究人體接受照射的安全電平和各種電磁設備的容許泄露電平 從而制定出電磁輻射衛(wèi)生標準 為環(huán)境控制和預防醫(yī)學服務 生物電磁學 生物電磁場熱點問題 生物電磁場熱點問題 低強度低頻磁場的生物學效應通信系統(tǒng)電磁場的生物學效應毫米波非熱生物學效應電磁波熱療和電化學治療磁刺激的醫(yī)學應用 生物力學 主要內(nèi)容 生物力學定義生物力學的發(fā)展簡史生物力學的研究內(nèi)容生物力學的研究方法生物力學的研究特點 生物力學定義 生物力學是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題進行定量研究的生物物理學分支 是研究力與生物體運動 生理 病理之間關系的學科 生物力學的意義對于人體而言 生物力學有助于了解人體器官以及循環(huán)和呼吸系統(tǒng)的功能 這方面的應用既有常見的聽診器和血壓計等 也有利用工程學的原理和方法 實現(xiàn)器官的人工移植和替代 還有對牙和骨的修復和矯形 軟組織的縫合 循環(huán)系統(tǒng)疾病的治療和診斷 還可將傳統(tǒng)的中醫(yī)的脈診 接骨和推拿等方法結合起來 為某些疾病的治療和診斷提供理論基礎等等 生物力學的發(fā)展簡史 伽利略在在1582年前后得出擺長與周期的定量關系 利用與脈搏合拍的擺長來表達人的脈搏率 1616年 英國生理學家哈維發(fā)現(xiàn)血液只能單向流出心室 并測出心室的容量是2英兩 約等于56 7g 按每分鐘心臟搏動72次計算 每小時搏出的血液約為245kg 這么多的血液從哪流來 又流向何處 他根據(jù)流體力學中的連續(xù)性原理 從理論上論證了血液循環(huán)的存在 但由于當時還沒有顯微鏡 他并沒有看見過微血管 也不可能見到血液經(jīng)動脈流向靜脈的過程 而且動脈中的血液和靜脈中的血液看起來并不相同 因此 他的發(fā)現(xiàn)是邏輯推理的結果 1661年 馬爾皮基 Malpighi 在解剖青蛙時 在蛙肺中看到了微循環(huán)的存在 證實了哈維的論斷 意大利的數(shù)學家和天文學家博雷利 Borelli 在 論動物的運動 1680 一書中討論了鳥飛 魚游和心臟以及腸的運動 歐拉 Euler 在1775年發(fā)表了關于波在動脈中傳播的論文 蘭姆 Lamb 在1898年預言動脈中存在高頻波 現(xiàn)已得到證實 材料力學中著名的楊氏模量就是英國物理學家托馬斯 楊 Young 為建立聲帶發(fā)音的彈性力學理論而提出的 1733年 英國生理學家黑爾斯測量了馬的動脈血壓 并尋求血壓與失血的關系 制作了心室處于舒張壓時的模型 并據(jù)此估計了心輸出量 他還測量了主動脈的膨脹特性 解釋了心臟泵出的間歇流如何轉化成血管中的連續(xù)流 他在血液流動中引進了外周阻力概念 并正確指出 產(chǎn)生這種阻力的主要部位在毛細血管 泊肅葉 Poiseuille 在醫(yī)科學校學習時就發(fā)明了水銀計來測量狗主動脈的血壓 并且發(fā)現(xiàn)了黏性流體在直圓管層流中壓力差與流量的關系 也就是后來的Poiseuille定律 并通過這一研究為黏性流體力學奠定了理論基礎 據(jù)此也確立了血液流動過程中壓降 流量和阻力的關系 赫姆霍茲 Helmholtz 剛從醫(yī)科學校畢業(yè)進人軍隊工作時 在營房里寫出了能量守恒定律 他研究了眼的聚焦機理 提出了彩色視覺的三色理論 發(fā)明了用晶狀體鏡來研究眼球內(nèi)的晶體變化 發(fā)明了眼底鏡來觀察視網(wǎng)膜 他研究了聽覺的機理并發(fā)明了Helmholtz共振儀 他的渦量守恒定律成為了流體力學研究的基礎 他對發(fā)音和神經(jīng)生理學也做出了重要的貢獻 并指出肌肉收縮所釋放的熱是動物熱的重要來源 弗蘭克 Frank 解釋了心臟的力學問題 斯塔林 Starling 提出了透過膜的傳質(zhì)定律 并解釋了人體中水的平衡問題 克勞 Krogh 由于在微循環(huán)力學方面的貢獻獲得1920年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎 希爾 Hill 因肌肉能量和代謝的成就獲得1922年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎 他們的工作為20世紀60年代開始的生物力學的系統(tǒng)研究打下基礎 美籍華人科學家馮元禎教授在1966年以前主要從事航空工程和連續(xù)介質(zhì)力學方面的研究并取得卓著成果 其第一部專著已成為氣動 彈性力學領域的經(jīng)典著作 1966年以后致力于生物力學的開拓 是舉世公認的生物力學的開創(chuàng)者和奠基人 取得了三個具有里程碑性質(zhì)的成就 生物軟組織本構關系的研究 肺血流動力學規(guī)律的研究以及生物組織器官生長和應力關系的研究 生物力學的研究內(nèi)容 生物力學的基礎是能量守恒 動量定律 質(zhì)量守恒三定律并加上描寫物性的本構方程 生物力學研究的重點是與生理學 醫(yī)學有關的力學問題 依研究對象的不同可分為生物流體力學 生物固體力學和運動生物力學等 1 生物固體力學生物固體力學是利用材料力學 彈塑性理論 斷裂力學的基本理論和方法 研究生物組織和器官中與之相關的力學問題 2 生物流體力學生物流體力學是研究生物心血管系統(tǒng) 消化呼吸系統(tǒng) 泌尿系統(tǒng) 內(nèi)分泌以及游泳 飛行等與水動力學 空氣動力學 邊界層理論和流變學有關的力學問題 3 運動生物力學運動生物力學是用靜力學 運動學和動力學的基本原理結合解剖學 生理學研究人體運動的學科 在人體運動中 應用層動學和動力學的基本原理 方程去分析計算運動員跑 跳 投擲等多種運動項目的極限能力 其結果與奧林匹克運動會的記錄非常相近 在創(chuàng)傷生物力學方面 以動力學的觀點應用有限元法 計算頭部和頸部受沖擊時的頻率響應并建立創(chuàng)傷模型 從而改進頭部和頸部的防護并可加快創(chuàng)傷的治療 人體各器官 系統(tǒng) 特別是心臟 循環(huán)系統(tǒng)和肺臟 呼吸系統(tǒng)的動力學問題 生物系統(tǒng)和環(huán)境之間的熱力學平衡問題 特異功能問題等也是當前研究的熱點 生物力學的研究 不僅涉及醫(yī)學 體育運動方面 而且已深入交通安全 宇航 軍事科學的有關方面 生物力學的研究方法 生物力學的研究方法和其他各種物理問題和工程問題的研究方法有較多的相似之處 主要通過三條途徑來解決問題 用解析或數(shù)值方法來求解數(shù)學模型用試驗的方法來測定物理模型或實際實驗樣品對現(xiàn)場進行分析研究 1 分析生物的形態(tài) 器官的解剖及組織的結構和微結構 以了解所研究對象的幾何特點 2 測定組織和材料的力學性質(zhì) 確定本構關系 3 根據(jù)物理學中的基本原則 質(zhì)量守恒 動量守恒 能量守恒和Maxwell方程等 和組織的本構方程 導出其主要的微分和積分方程 4 分析器官工作的環(huán)境和狀況 得到邊界條件 5 用解析方法或數(shù)值方法求解邊界值問題 6 做生理實驗以驗證上述問題的理論和數(shù)值解 7 探討理論和實驗在實際中的應用 并做進一步的改進 生物力學的研究特點 生物力學研究的對象是生物體 因此 在研究生物力學問題時 實驗對象所處的環(huán)境十分重要 作為實驗對象的生物材料 有在體和離體之分 在體生物材料一般處于受力狀態(tài) 如血管 肌肉 一旦游離出來則處于自由狀態(tài) 即非生理狀態(tài) 如血管 肌肉一旦游離 即明顯收縮變短 兩種狀態(tài)材料的實驗結果差異較大 在體實驗分為麻醉狀態(tài)和非麻醉狀態(tài)兩種情況 至于離體實驗 在對象游離出來后 根據(jù)要求可以按整體正位進行實驗 或進一步加工成試件進行實驗 不同的實驗條件和加工條件 對實驗結果的影響很大 超聲醫(yī)學原理 主要內(nèi)容 醫(yī)學超聲定義診斷超聲的應用治療超聲的應用超聲的生物效應 醫(yī)學超聲定義 頻率在20kHz以上的機械波稱為超聲波 超聲是一門以聲學 力學 材料學 電子以及機械為基礎 學科交叉 應用廣泛 發(fā)展迅速的科學技術 超聲波是一種波動形式 因此它可以用于探測人體的生理和病理信息 這便是診斷超聲 其聲強大小在0 1 50mW cm2 頻率在2 10MHz之間 超聲波同時又是一種能量形式 當達到一定劑量的超聲波在生物體系內(nèi)傳播時 通過它們之間一定的相互作用 可能引起生物體系的功能或結構發(fā)生變化 這便是功率超聲 其聲強大小從每平方厘米零點幾瓦到每平方厘米幾百瓦 頻率在20 50kHz之間 研究超聲波與生物組織 主要指人體組織 的相互作用機理 規(guī)律及其應用的學科分支稱為醫(yī)學超聲 超聲應用于醫(yī)學可分兩大類 超聲診斷和超聲治療 超聲診斷研究如何利用各種組織的差異來區(qū)分不同組織 特別是區(qū)分正常和病變組織 超聲波在生物組織中的傳播規(guī)律及診斷信息提取方法是超聲診斷的物理基礎 超聲治療則研究如何利用超聲波的生物效應 超聲波照射引起的組織結構 功能和生物過程的變化 來治療某些疾病 超聲治療的物理基礎是超聲生物效應的機理和超聲計量學 診斷超聲的應用 1946年 Firestone提出A型超聲診斷技術 在臨床上得到廣泛應用 對于腦中線檢查及心 肝 膽囊和眼睛某些疾病的診斷取得了成功的結果 1958年 出現(xiàn)M型超聲心動圖 20世紀60年代 超聲診斷從A型 一維回波振幅顯示 向B型 二維圖像亮度顯示 過渡 70年代 隨著灰階顯示和快速實時動態(tài)圖像的實現(xiàn) 超聲診斷的發(fā)展極為迅速 除了充氣部位 如肺臟 和骨骼結構外 幾乎人體內(nèi)每個臟器都可用超聲進行診斷 超聲診斷為非侵入式診斷 具有無害 無痛 使用方便 費用低廉 診斷可靠等優(yōu)點 使其成為臨床醫(yī)學不可缺少的主要影響診斷方法之一 廣泛的臨床應用反過來又促進了超聲診斷的研究工作 各種信號處理 特別是圖像處理 技術的研究和應用使B型診斷儀的圖像質(zhì)量不斷改進 其他形式的診斷儀相繼出現(xiàn)和不斷發(fā)展 如M型 多普勒型 PPI型 C型 F型 超聲CT 合成孔徑成像等 治療超聲的應用 30年代德國就出現(xiàn)了超聲治療的專利 五六十年代 超聲治療以理療為主 70年代 出現(xiàn)了超聲粉碎結石 超聲潔牙等 80年代 超聲手術刀開始在外科大量應用 包括超聲切割軟組織 超聲肝腦腫瘤吸引 超聲骨科成形和超聲眼科白內(nèi)障乳化等 近年來 高強度聚焦治癌 超聲治療血管阻塞 超聲藥物滲透等技術的發(fā)展 拓寬了超聲治療的應用領域 使超聲治療發(fā)展成一門新興的學科 超聲的生物效應及其在醫(yī)學上的應用 一 機械效應聲波能量作用于介質(zhì) 會引起質(zhì)點高速細微的振動 產(chǎn)生速度 加速度 聲壓 聲強等力學量的變化 從而引起機械效應 利用超聲的機械效應 引起細胞的摩擦 增強細胞的彌散作用 能促進新陳代謝 高強度超聲引起的振動效應 有可能超過組織材料的彈性極限 使之破裂 造成損傷 尤其考慮到其高達50000 120000g的加速度值 任何生物組織處于如此激烈變化的運動場中 其功能和生理過程乃至結構都會受到巨大變化 不同的生物組織具有不同的切割閾值 軟組織的切割閾值50000g 骨組織的切割閾值為120000g g為重力加速度單位 二 空化效應當超聲波作用于生物組織或液體中的微氣泡 空化核 時 在周期性交變的聲壓作用下 空化核體積急劇膨脹 壓縮 直至破裂 引起生物組織的破碎或位移 這就是空化效應 超聲的空化效應的過程是集中聲場能量并迅速釋放的過程 空化核崩潰時 極短時間內(nèi)在空化核周圍的極小空間內(nèi) 產(chǎn)生5000K以上的高溫和大約5 107Pa的高壓 溫度變化率高達109K s 并伴生強烈的沖擊波和時速達400km的射流 空化效應對生物機體有很大的破壞作用 因此應避免強超聲照射眼睛 懷孕子宮等容易發(fā)生空化現(xiàn)象的部位 三 熱效應超聲在人體或在其他介質(zhì)中均可顯著產(chǎn)熱 產(chǎn)熱過程即是機械能在介質(zhì)中轉變成熱能的能量轉換過程 熱形成的原因 超聲通過機體時 聲能在介質(zhì)中損耗而產(chǎn)熱 超聲通過介質(zhì)時 有疏密交替的壓力變化 壓縮相位中產(chǎn)熱 不同組織得分界面上超聲能量的反射而產(chǎn)熱 在不同組織介質(zhì)中形成的駐波 引起質(zhì)點 離子的摩擦等也是產(chǎn)熱的另一原因 超聲治療中 是利用熱量在組織中不能及時帶走 使溫度升高到一定程度 使病變組織受到損傷 超聲治癌便主要應用此機理 超聲診斷中 由于儀器功率級很低 產(chǎn)生的熱效應是微不足道的 僅能使局部血管擴張 加快血液循環(huán) 四 彌散效應和觸變效應 生物醫(yī)學光子學BiomedicalPhotonics 主要內(nèi)容 生物醫(yī)學光子學定義生物系統(tǒng)的超微弱光子發(fā)射激光與組織的相互作用原理及應用光學成像技術光譜技術及其在生物醫(yī)學中的應用 生物醫(yī)學光子學定義 所謂光子學是指研究光和其他輻射能 以光子為量子單位 的產(chǎn)生與利用的科學 光子學的研究范圍包括能量的產(chǎn)生 探測 傳輸與信息處理 將光子學應用于生物醫(yī)學領域 運用光子學的理論和方法解決生物技術與醫(yī)學中遇到的基礎理論與應用技術等方面的問題 即成為生物醫(yī)學光子學 生物醫(yī)學光子學主要服務于人類疾病的診斷 預防 監(jiān)護 治療以及保健 康復等 生物系統(tǒng)的超微弱光子發(fā)射 生物發(fā)光 Bioluminescence 是光生物物理學的主要問題之一 是廣泛存在于自然界的一種自然現(xiàn)象 生物體不停地與外界進行物質(zhì) 能量和信息的交換 其中光的吸收和發(fā)射是重要的交換方式 生物系統(tǒng)的超微弱發(fā)光是任何生物體或細胞自發(fā)地向外界輻射光子流的現(xiàn)象 生物超微弱發(fā)光通常包括兩種類型 一種是自發(fā)的生物化學發(fā)光 與生物體的氧化代謝有關 稱為自發(fā)超微弱發(fā)光 另一種是外因誘發(fā)的發(fā)光 取決于光 電離輻射 超聲 化學藥物等外界因素的作用 稱為誘導超微弱發(fā)光 又稱延遲發(fā)光 生物的細胞 組織和體液中 普遍存在著自發(fā)和誘發(fā)的超微弱發(fā)光 誘發(fā)的超微弱發(fā)光比自發(fā)的超微弱發(fā)光要強得多 它隨時間呈指數(shù)衰減 但對于不同的生物系統(tǒng)衰減速率不同 生物系統(tǒng)超微弱發(fā)光的基本特征普遍性幾乎所有的被測生命體樣品都產(chǎn)生超微弱發(fā)光 研究發(fā)現(xiàn)種子 動物的肝臟 癌癥患者的血液 人的手指等都是超微弱發(fā)光的產(chǎn)生者 強度極弱超微弱發(fā)光的強度為幾個 幾千個光子 cm2 S 生物體的等級越高 發(fā)光強度也越大 光譜較寬光譜分布從紅外延伸到紫外波段 最短達200nm 而且隨著生物等級的提高 輻射譜發(fā)生一定的紅移 非線性超微弱發(fā)光具有非線性的特征 例如切割成塊的種子比完整的種子光強大2 3倍 相干性經(jīng)典相干性研究結果表明 其相干時間至少具有幾分鐘的量級 反映細胞的新陳代謝許多實驗證實 細胞的繁殖 增生 死亡等過程中發(fā)光的強弱有很大變化 說明生物超微弱發(fā)光是細胞新陳代謝的一種體現(xiàn) 對氧有依賴性氧在超微弱發(fā)光中扮演重要角色 在斷氧的情況下 任何動 植物組織的超微弱發(fā)光都會停止 而且生物體對氧的依賴性是非線性的 對溫度的依賴性生物超微弱發(fā)光與環(huán)境溫度的關系存在高溫和低溫的臨界點 在此范圍內(nèi)是線性變化 超過臨界點后 發(fā)光逐漸減弱 當溫度過高或過低 生物瀕臨死亡時 發(fā)光又增強 化學物質(zhì)對超微弱發(fā)光有明顯影響 激光與組織的相互作用原理及應用 目前 利用激光可以醫(yī)治包括眼科 婦科 皮膚科 內(nèi)科 外科 腫瘤科在內(nèi)的200多種疾病 激光對組織的生物效應激光對組織的生物效應一般是指光作用于生物體后產(chǎn)生的物理 化學或生物學的反應 激光的生物效應既與激光的性能有關 又與生物組織的性質(zhì)有關 還與作用時間和作用方式有關 激光對組織的生物效應主要包含熱效應 光化學效應 壓強作用 電磁場效應和生物剌激效應 壓強作用和電磁場效應主要由中等功率以上的激光所產(chǎn)生 光化學效應在低功率激光照射時特別重要 熱效應存在于所有的激光照射 生物剌激作用則只發(fā)生在弱激光照射時 激光診療技術用于檢驗和診斷的技術主要有 激光熒光光譜技術 激光拉曼光譜分析技術 激光全息術 激光散斑分析技術 激光多普勒測速技術 激光流動式細胞分析技術 激光干涉技術 激光透照技術和激光偏振技術等等 分別用來測量血液 尿液和人體其他組織的成分 微量元素的含量等 以及識別和分辨細胞是否病變或癌變等 激光治療的適應癥現(xiàn)在已經(jīng)涉及臨床所有各科 大體可分為激光手術治療 激光非手術治療 激光光動力學治療和激光介入性治療等 光學成像技術 激光掃描共聚焦顯微成像技術多光子熒光成像技術近場掃描光學顯微成像技術光學相干層析成像技術時間分辨成像技術 光譜技術及其在生物醫(yī)學中的應用 熒光光譜紫外 可見吸收光譜分子振動光譜 謝謝