生物力学教材课件

7/8/20247/8/20241 1生物医学工程概论生物医学工程概论Introduction to Biomedical Engineering(BME)南方医科大学生物医学工程学院南方医科大学生物医学工程学院周凌宏周凌宏7/31/20231生物医学工程概论Introductio7/8/20247/8/20242 2主主 要要 内内 容容1、生物医学工程的定义、生物医学工程的定义2、生物医学工程的发展、生物医学工程的发展3、生物医学工程的经典研究领域、生物医学工程的经典研究领域7/31/20232主 要 内 容7/8/20247/8/20243 31 生物医学工程的定义生物医学工程的定义What is Biomedical Engineering (BME)?7/31/202331 生物医学工程的定义What i7/8/20247/8/20244 4边缘交叉科学边缘交叉科学(Interdisciplinary)综综综综 合：合：合：合：生物学生物学生物学生物学医学医学医学医学工程学工程学工程学工程学理论和方法理论和方法理论和方法理论和方法近几十年内建立与发展近几十年内建立与发展近几十年内建立与发展近几十年内建立与发展7/31/202347/8/20247/8/20245 5三个有代表性的定义三个有代表性的定义1 1、“三合一学说三合一学说三合一学说三合一学说”生物学医学工程学生物医学工程学生物学医学工程学生物医学工程学生物学医学工程学生物医学工程学生物学医学工程学生物医学工程学2 2、“工程应用学说工程应用学说工程应用学说工程应用学说”工程学在医学和生物学中应用工程学在医学和生物学中应用工程学在医学和生物学中应用工程学在医学和生物学中应用3 3、“结合学说结合学说结合学说结合学说”生生生生物物物物医医医医学学学学工工工工程程程程学学学学是是是是生生生生物物物物学学学学、医医医医学学学学和和和和其其其其它它它它非非非非生生生生物物物物学学学学科的结合科的结合科的结合科的结合7/31/20235三个有代表性的定义7/8/20247/8/20246 6一般定义：一般定义：一般定义：一般定义：“应用物理学和工程学的技术来解决生命应用物理学和工程学的技术来解决生命应用物理学和工程学的技术来解决生命应用物理学和工程学的技术来解决生命系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗、预防和系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗、预防和系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗、预防和系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗、预防和保健保健保健保健”综合运用现代自然科学和工程技术的原理、方法，从综合运用现代自然科学和工程技术的原理、方法，从综合运用现代自然科学和工程技术的原理、方法，从综合运用现代自然科学和工程技术的原理、方法，从工程学的角度，在多种层次上研究生物体，特别是人体的工程学的角度，在多种层次上研究生物体，特别是人体的工程学的角度，在多种层次上研究生物体，特别是人体的工程学的角度，在多种层次上研究生物体，特别是人体的结构、功能和其它生命现象，揭示和论证生命运动的规律，结构、功能和其它生命现象，揭示和论证生命运动的规律，结构、功能和其它生命现象，揭示和论证生命运动的规律，结构、功能和其它生命现象，揭示和论证生命运动的规律，深化对生命系统的认识，提供防病、治病、卫生保健、康深化对生命系统的认识，提供防病、治病、卫生保健、康深化对生命系统的认识，提供防病、治病、卫生保健、康深化对生命系统的认识，提供防病、治病、卫生保健、康复、安全防护的新理论和新方法，设计和研制用于防病、复、安全防护的新理论和新方法，设计和研制用于防病、复、安全防护的新理论和新方法，设计和研制用于防病、复、安全防护的新理论和新方法，设计和研制用于防病、治病等的新材料、人工器官、装置与系统的交叉学科治病等的新材料、人工器官、装置与系统的交叉学科治病等的新材料、人工器官、装置与系统的交叉学科治病等的新材料、人工器官、装置与系统的交叉学科7/31/20236一般定义：“应用物理学和工程学的技术来解生物医学工程学科领域基础生物医学工程学科领域基础生物学生物学物理学物理学(生物医学物理学生物医学物理学）医学医学生物医学工生物医学工程程生物生物化学化学信息科学信息科学电子与现代工程技术电子与现代工程技术生物医学工程学科领域基础生物学物理学(生物医学物理学）医学生7/8/20247/8/20248 8生物医学工程的目标生物医学工程的目标 探索人类正常生理活动探索人类正常生理活动探索人类正常生理活动探索人类正常生理活动 表征组织与器官的病变机理表征组织与器官的病变机理表征组织与器官的病变机理表征组织与器官的病变机理 给出研究和技术开发的最佳手段给出研究和技术开发的最佳手段给出研究和技术开发的最佳手段给出研究和技术开发的最佳手段 提供治疗、预防与保健的有效方法提供治疗、预防与保健的有效方法提供治疗、预防与保健的有效方法提供治疗、预防与保健的有效方法7/31/20238生物医学工程的目标7/8/20247/8/20249 9基基基基本本本本任任任任务务务务：运运运运运运用用用用用用物物物物物物理理理理理理学学学学学学、数数数数数数学学学学学学和和和和和和工工工工工工程程程程程程技技技技技技术术术术术术手手手手手手段段段段段段，研研研研研研究和解决生物学与医学中的有关问题。究和解决生物学与医学中的有关问题。究和解决生物学与医学中的有关问题。究和解决生物学与医学中的有关问题。究和解决生物学与医学中的有关问题。究和解决生物学与医学中的有关问题。基基本本性性质质：以以以以应应应应用用用用基基基基础础础础性性性性研研研研究究究究为为为为主主主主，研研研研究究究究的的的的对对对对象象象象是是是是人人人人体体体体(一一一一个个个个多多多多层层层层次次次次的的的的庞庞庞庞大大大大系系系系统统统统)，所所所所涉涉涉涉及及及及的的的的领领领领域域域域十十十十分广泛，并在不断的扩展之中。分广泛，并在不断的扩展之中。分广泛，并在不断的扩展之中。分广泛，并在不断的扩展之中。研究内容和基本任务研究内容和基本任务7/31/20239基本任务：运用物理学、数学和工程技术手段7/8/20247/8/20241010生命的活动可分为若干层次生命的活动可分为若干层次整整体体层层次次：人人人人体体体体与与与与外外外外界界界界环环环环境境境境的的的的热热热热量量量量、质质质质量量量量、动动动动量量量量交交交交换换换换，有有有有声声声声、光光光光、电电电电、热热热热、味味味味、压压压压的的的的信信信信息息息息交交交交换换换换，有有有有环环环环境境境境对对对对于于于于人人人人体体体体的的的的作作作作用用用用，人人人人与与与与生生生生活活活活环环环环境境境境及及及及工工工工作环境的相互关系，有人对于环境的能动作用作环境的相互关系，有人对于环境的能动作用作环境的相互关系，有人对于环境的能动作用作环境的相互关系，有人对于环境的能动作用7/31/202310生命的活动可分为若干层次整体层次：人体7/8/20247/8/20241111器器官官和和组组织织层层次次：生生生生物物物物力力力力学学学学、生生生生物物物物材材材材料料料料、生生生生物物物物信信信信号号号号、医医医医学学学学图图图图象象象象、人人人人工工工工器器器器官官官官、控控控控制制制制、建建建建模模模模、康康康康复复复复、组组组组织织织织工程等都发生在这一层次工程等都发生在这一层次工程等都发生在这一层次工程等都发生在这一层次微观层次：微观层次：以分子、生物大分子、细胞等为对象以分子、生物大分子、细胞等为对象以分子、生物大分子、细胞等为对象以分子、生物大分子、细胞等为对象细胞生物力学、分子生物力学、组织工程等可划细胞生物力学、分子生物力学、组织工程等可划细胞生物力学、分子生物力学、组织工程等可划细胞生物力学、分子生物力学、组织工程等可划入这一范畴入这一范畴入这一范畴入这一范畴7/31/202311器官和组织层次：生物力学、生物材料、生7/8/20247/8/202412121、迅速发展的新兴学科、迅速发展的新兴学科生生生生物物物物医医医医学学学学工工工工程程程程是是是是在在在在近近近近几几几几十十十十年年年年才才才才从从从从医医医医学学学学中中中中分分分分离离离离而而而而形形形形成成成成一一一一门门门门独独独独立立立立学学学学科科科科。当当当当代代代代高高高高新新新新科科科科技技技技的的的的飞飞飞飞速速速速发发发发展展展展，为为为为它提供基础。它提供基础。它提供基础。它提供基础。生物医学工程的特点生物医学工程的特点7/31/2023121、迅速发展的新兴学科生物医学工程是在7/8/20247/8/202413132、大跨度、多学科的综合性应用学科、大跨度、多学科的综合性应用学科医医医医学学学学、生生生生物物物物学学学学、物物物物理理理理学学学学、化化化化学学学学、力力力力学学学学、材材材材料料料料学学学学、制制制制造造造造学学学学、电电电电子子子子学学学学、计计计计算算算算机机机机科科科科学学学学等等等等学学学学科科科科的的的的有有有有机机机机结结结结合合合合，甚至涉及社会、伦理、道德、法律等甚至涉及社会、伦理、道德、法律等甚至涉及社会、伦理、道德、法律等甚至涉及社会、伦理、道德、法律等非生命科学到生命科学非生命科学到生命科学非生命科学到生命科学非生命科学到生命科学自然科学到人文科学自然科学到人文科学自然科学到人文科学自然科学到人文科学7/31/2023132、大跨度、多学科的综合性应用学科医学7/8/20247/8/202414143、是医学和生物学发展的重要动力、是医学和生物学发展的重要动力一方面生物医学工程为医学、生物学提供技一方面生物医学工程为医学、生物学提供技一方面生物医学工程为医学、生物学提供技一方面生物医学工程为医学、生物学提供技术与装备术与装备术与装备术与装备另一方面又为医学和生物学的发展开辟新路另一方面又为医学和生物学的发展开辟新路另一方面又为医学和生物学的发展开辟新路另一方面又为医学和生物学的发展开辟新路带来生物学与医学的变革带来生物学与医学的变革带来生物学与医学的变革带来生物学与医学的变革7/31/2023143、是医学和生物学发展的重要动力一方面7/8/20247/8/202415154、是社会效益与经济效益的综合、是社会效益与经济效益的综合医医医医学学学学重重重重于于于于社社社社会会会会效效效效益益益益，工工工工程程程程重重重重于于于于经经经经济济济济效效效效益益益益，生生生生物物物物医医医医学学学学工工工工程程程程是是是是医医医医学学学学与与与与工工工工程程程程学学学学的的的的结结结结合合合合，是是是是社社社社会会会会效效效效益益益益与与与与经经经经济效益必然的结合济效益必然的结合济效益必然的结合济效益必然的结合7/31/2023154、是社会效益与经济效益的综合医学重于7/8/20247/8/202416162 生物医学工程的发展生物医学工程的发展7/31/2023162 生物医学工程的发展回顾回顾自发地应用于生物学和医学自发地应用于生物学和医学1604年年 Jansen显微镜，显微镜，Hook发现细胞发现细胞1895年年 RoentgenX射线，人体的内部结构射线，人体的内部结构1898年年 居里镭，生物代谢示踪，肿瘤治疗居里镭，生物代谢示踪，肿瘤治疗1906年年 Einthoven实用的心电图实用的心电图1933年年 Ruska电子显微镜，亚细胞水平电子显微镜，亚细胞水平 1947年年 无线电波传递心电、脑电无线电波传递心电、脑电1948年年 利用超声技术获得人体切面声象图利用超声技术获得人体切面声象图回顾自发地应用于生物学和医学 能动地研究生物学医学的问题能动地研究生物学医学的问题五十年代起，工程学科广泛渗入生物医学。五十年代起，工程学科广泛渗入生物医学。医学电子学和生物医学工程学组织，医学电子学和生物医学工程学组织，1958年国际医学电子学联合会年国际医学电子学联合会(IFME)诞生诞生1963年年国国际际医医学学电电子子学学和和生生物物医医学学工工程程联联合合会会(IFMEBE)成立成立1965年年世世界界性性的的国国际际生生物物医医学学工工程程联联系系会会(IFMBE)学正式成立学正式成立 能动地研究生物学医学的问题 七十年代七十年代生生物物医医学学工工程程涉涉及及到到生生物物医医学学的的各各个个方方面面，微微型机、网络技术和虚拟技术型机、网络技术和虚拟技术形成巨大的产业形成巨大的产业现代医学基本上是构筑在生物医学工程基础上现代医学基本上是构筑在生物医学工程基础上 七十年代 我国的生物医学工程学科我国的生物医学工程学科1978年国家科委组织年国家科委组织BME科研发展规划科研发展规划1980年成立了中国生物医学工程学会年成立了中国生物医学工程学会近年来，丰富、多彩近年来，丰富、多彩 我国的生物医学工程学科7/8/20247/8/20242121当当当当前前前前，在在在在医医医医学学学学的的的的几几几几乎乎乎乎所所所所有有有有领领领领域域域域生生生生物物物物医医医医学学学学工工工工程程程程学已经发挥、将会发挥巨大的作用学已经发挥、将会发挥巨大的作用学已经发挥、将会发挥巨大的作用学已经发挥、将会发挥巨大的作用生生生生物物物物力力力力学学学学在在在在人人人人体体体体生生生生理理理理系系系系统统统统建建建建模模模模与与与与仿仿仿仿真真真真中中中中发发发发挥挥挥挥着巨大的作用着巨大的作用着巨大的作用着巨大的作用 细胞力学、运动力学、血流动力学、呼吸力学细胞力学、运动力学、血流动力学、呼吸力学细胞力学、运动力学、血流动力学、呼吸力学细胞力学、运动力学、血流动力学、呼吸力学生物医学工程发展现状生物医学工程发展现状7/31/202321当前，在医学的几乎所有领域生物医学工程7/8/20247/8/20242222生生生生物物物物医医医医学学学学材材材材料料料料在在在在人人人人体体体体组组组组织织织织与与与与器器器器官官官官修修修修复复复复(替替替替代代代代)中中中中的的的的巨巨巨巨大作用大作用大作用大作用硬硬硬硬组组组组织织织织修修修修复复复复与与与与替替替替代代代代、软软软软组组组组织织织织修修修修复复复复与与与与替替替替代代代代、血血血血管管管管替代、人造皮肤、各类人工器官替代、人造皮肤、各类人工器官替代、人造皮肤、各类人工器官替代、人造皮肤、各类人工器官人工器官在人体生理功能恢复中的巨大作用人工器官在人体生理功能恢复中的巨大作用人工器官在人体生理功能恢复中的巨大作用人工器官在人体生理功能恢复中的巨大作用人人人人工工工工心心心心脏脏脏脏、人人人人工工工工心心心心脏脏脏脏瓣瓣瓣瓣膜膜膜膜、人人人人工工工工肺肺肺肺、人人人人工工工工肾肾肾肾、人工胰人工胰人工胰人工胰7/31/202322生物医学材料在人体组织与器官修复(替代7/8/20247/8/20242323生物医学电子学在生物医学工程中的巨大作用生物医学电子学在生物医学工程中的巨大作用生物医学电子学在生物医学工程中的巨大作用生物医学电子学在生物医学工程中的巨大作用生生生生物物物物医医医医学学学学信信信信号号号号检检检检测测测测、处处处处理理理理与与与与识识识识别别别别是是是是是是是是医医医医学学学学图图图图象象象象处处处处理理理理的的的的基基基基础础础础，与与与与生生生生物物物物材材材材料料料料、生生生生物物物物力力力力学学学学、人人人人工器官、生物医学仪器等关系密切工器官、生物医学仪器等关系密切工器官、生物医学仪器等关系密切工器官、生物医学仪器等关系密切生物医学图像技术在临床诊断中的巨大作用生物医学图像技术在临床诊断中的巨大作用生物医学图像技术在临床诊断中的巨大作用生物医学图像技术在临床诊断中的巨大作用X X光光光光片片片片、CTCT图图图图像像像像、B B型型型型超超超超声声声声波波波波图图图图像像像像、MRIMRI图图图图像、像、像、像、PETPET、SPECTSPECT7/31/202323生物医学电子学在生物医学工程中的巨大作7/8/20247/8/20242424生物医学仪器对提高医学整体水平的巨大作用生物医学仪器对提高医学整体水平的巨大作用生物医学仪器对提高医学整体水平的巨大作用生物医学仪器对提高医学整体水平的巨大作用生生生生理理理理功功功功能能能能分分分分析析析析、放放放放射射射射治治治治疗疗疗疗、超超超超声声声声碎碎碎碎石石石石、刀刀刀刀、X X刀刀刀刀、细细细细胞胞胞胞刀刀刀刀、质质质质子子子子刀刀刀刀、中中中中子子子子刀刀刀刀、射射射射波波波波刀刀刀刀、康复辅助系统、机器人外科手术系统康复辅助系统、机器人外科手术系统康复辅助系统、机器人外科手术系统康复辅助系统、机器人外科手术系统7/31/202324生物医学仪器对提高医学整体水平的巨大作7/8/20247/8/20242525近近近近2020年年年年，生生生生物物物物医医医医学学学学工工工工程程程程制制制制品品品品飞飞飞飞速速速速发发发发展展展展并并并并形形形形成成成成规规规规模性产业，是我国战略性新兴产业模性产业，是我国战略性新兴产业模性产业，是我国战略性新兴产业模性产业，是我国战略性新兴产业社会需求量大，产品技术含量和产品附加值高社会需求量大，产品技术含量和产品附加值高社会需求量大，产品技术含量和产品附加值高社会需求量大，产品技术含量和产品附加值高美美美美国国国国目目目目前前前前已已已已有有有有11001100万万万万人人人人体体体体内内内内植植植植入入入入有有有有一一一一个个个个人人人人工工工工器器器器官，官，官，官，200200万人体内有万人体内有万人体内有万人体内有2 2个或个或个或个或2 2个以上人工器官个以上人工器官个以上人工器官个以上人工器官生物医学工程产业发展生物医学工程产业发展7/31/202325近20年，生物医学工程制品飞速发展并形7/8/20247/8/2024262620122012年年年年，世世世世界界界界生生生生物物物物医医医医学学学学工工工工程程程程产产产产业业业业产产产产值值值值约约约约40004000亿亿亿亿美美美美元，年增长率持续保持在元，年增长率持续保持在元，年增长率持续保持在元，年增长率持续保持在10%10%上下。上下。上下。上下。20122012年年年年，我我我我国国国国生生生生物物物物医医医医学学学学工工工工程程程程产产产产业业业业产产产产值值值值约约约约30003000亿亿亿亿元元元元，年增长率持续保持在，年增长率持续保持在，年增长率持续保持在，年增长率持续保持在1520%1520%。美美美美国国国国、日日日日本本本本、西西西西欧欧欧欧等等等等发发发发达达达达国国国国家家家家都都都都把把把把生生生生物物物物医医医医学学学学工工工工程程程程列入高技术发展的前沿列入高技术发展的前沿列入高技术发展的前沿列入高技术发展的前沿7/31/2023262012年，世界生物医学工程产业产值约7/8/20247/8/20242727我我我我国国国国有有有有1313亿亿亿亿人人人人口口口口，医医医医疗疗疗疗保保保保健健健健基基基基数数数数大大大大，生生生生物物物物医医医医学材料和人工器官的需求量大学材料和人工器官的需求量大学材料和人工器官的需求量大学材料和人工器官的需求量大肢体不自由患者约肢体不自由患者约肢体不自由患者约肢体不自由患者约15001500万万万万每年骨缺损和骨损伤约每年骨缺损和骨损伤约每年骨缺损和骨损伤约每年骨缺损和骨损伤约300300万万万万牙缺损牙缺损牙缺损牙缺损(缺失缺失缺失缺失)患者占总人口患者占总人口患者占总人口患者占总人口1/31/3大量血液病患者需人工肾大量血液病患者需人工肾大量血液病患者需人工肾大量血液病患者需人工肾大量糖尿病患者需人工胰大量糖尿病患者需人工胰大量糖尿病患者需人工胰大量糖尿病患者需人工胰7/31/202327我国有13亿人口，医疗保健基数大，生物7/8/20247/8/202428283 生物医学工程经典研究领域生物医学工程经典研究领域7/31/2023283 生物医学工程经典研究领域7/8/20247/8/20242929生物材料学生物材料学生物材料学生物材料学人工器官人工器官人工器官人工器官生物系统建模与仿真生物系统建模与仿真生物系统建模与仿真生物系统建模与仿真生物医学信号与传感器生物医学信号与传感器生物医学信号与传感器生物医学信号与传感器生物医学信息处理生物医学信息处理生物医学信息处理生物医学信息处理医学图像技术医学图像技术医学图像技术医学图像技术物理因子在治疗中应用及生物学效应物理因子在治疗中应用及生物学效应物理因子在治疗中应用及生物学效应物理因子在治疗中应用及生物学效应生物力学生物力学生物力学生物力学7/31/202329生物材料学7/8/20247/8/20243030生物医学材料学生物医学材料学生生生生物物物物医医医医学学学学材材材材料料料料是是是是用用用用以以以以和和和和生生生生物物物物系系系系统统统统接接接接合合合合，以以以以诊诊诊诊断断断断、治治治治疗疗疗疗或或或或替替替替代代代代机机机机体体体体中中中中的的的的组组组组织织织织、器器器器官官官官或或或或增增增增进进进进其其其其功功功功能能能能的的的的材材材材料料料料。可可可可以以以以是是是是天天天天然然然然材材材材料料料料，也也也也可可可可以以以以是是是是合合合合成成成成材材材材料料料料或或或或者者者者是是是是它它它它们们们们的的的的结结结结合合合合，还还还还可可可可以以以以是是是是有有有有生生生生命命命命力力力力的的的的活活活活体体体体细细细细胞胞胞胞或或或或天天天天然然然然组组组组织与生命的材料结合而成的杂化材料。织与生命的材料结合而成的杂化材料。织与生命的材料结合而成的杂化材料。织与生命的材料结合而成的杂化材料。7/31/202330生物医学材料学生物医学材料是用以和生物7/8/20247/8/20243131生生生生物物物物医医医医学学学学材材材材料料料料用用用用于于于于制制制制作作作作植植植植入入入入人人人人体体体体的的的的各各各各种种种种制制制制品品品品，也也也也包包包包括括括括需需需需要要要要与与与与血血血血液液液液直直直直接接接接接接接接触触触触的的的的医医医医用用用用导导导导管管管管材材材材料料料料、医医医医疗疗疗疗器器器器械械械械中中中中需需需需要要要要进进进进入入入入人人人人体体体体的的的的探探探探头头头头和和和和电电电电极极极极材材材材料料料料，以以以以及及及及大大大大部部部部分分分分齿齿齿齿科科科科材材材材料料料料、药药药药物物物物缓缓缓缓释释释释材材材材料料料料、外外外外科科科科手手手手术术术术缝缝缝缝合合合合线线线线、皮皮皮皮肤创面保护膜等材料。肤创面保护膜等材料。肤创面保护膜等材料。肤创面保护膜等材料。7/31/202331生物医学材料用于制作植入人体的各种制品7/8/20247/8/20243232人工器官人工器官人人人人工工工工器器器器官官官官主主主主要要要要研研研研究究究究模模模模拟拟拟拟人人人人体体体体器器器器官官官官的的的的结结结结构构构构和和和和功功功功能能能能，用用用用人人人人工工工工材材材材料料料料制制制制成成成成能能能能部部部部分分分分或或或或全全全全部部部部替替替替代代代代人人人人体体体体自自自自然然然然器器器器官官官官功功功功能能能能的的的的机机机机械械械械装装装装置置置置，当当当当人人人人体体体体器器器器官官官官发发发发生生生生病病病病变变变变而而而而用用用用常常常常规规规规方方方方法法法法不不不不能能能能医医医医治治治治时时时时，有有有有可可可可能能能能给给给给病病病病人人人人使使使使用用用用一一一一个个个个人人人人工工工工制制制制造造造造的的的的系系系系统统统统来来来来取取取取代代代代或或或或部部部部分分分分取取取取代代代代病病病病损损损损的的的的自自自自然然然然器器器器官官官官，补补补补偿或修复其功能。偿或修复其功能。偿或修复其功能。偿或修复其功能。7/31/202332人工器官人工器官主要研究模拟人体器官的7/8/20247/8/20243333人人人人体体体体除除除除大大大大脑脑脑脑尚尚尚尚没没没没有有有有人人人人工工工工大大大大脑脑脑脑替替替替代代代代以以以以外外外外，几几几几乎乎乎乎人人人人体体体体各各各各个个个个器器器器官官官官都都都都在在在在进进进进行行行行人人人人工工工工模模模模拟拟拟拟研研研研制制制制中中中中，其其其其中中中中已已已已有有有有不不不不少少少少人人人人工工工工制制制制造造造造的的的的器器器器官官官官成成成成功功功功地地地地用用用用于于于于临临临临床床床床，修修修修复复复复了了了了不不不不少病损器官的功能，挽救了病人的生命。少病损器官的功能，挽救了病人的生命。少病损器官的功能，挽救了病人的生命。少病损器官的功能，挽救了病人的生命。7/31/202333人体除大脑尚没有人工大脑替代以外，几乎7/8/20247/8/20243434虽虽虽虽然然然然人人人人工工工工器器器器官官官官研研研研究究究究已已已已取取取取得得得得很很很很大大大大进进进进展展展展，但但但但从从从从总总总总体体体体上上上上看看看看，人人人人工工工工器器器器官官官官在在在在结结结结构构构构和和和和功功功功能能能能上上上上均均均均与与与与自自自自然然然然器器器器官官官官有有有有很很很很大大大大差差差差别别别别，大大大大多多多多数数数数人人人人工工工工器器器器官官官官尚尚尚尚不不不不能能能能完完完完全全全全替替替替代代代代自自自自然然然然器器器器官官官官。人人人人工工工工器器器器官官官官的的的的应应应应用用用用与与与与自自自自然然然然器器器器官官官官移移移移植植植植有有有有互互互互补补补补作作作作用用用用，人人人人工工工工器官会为开展器官移植创造有利条件。器官会为开展器官移植创造有利条件。器官会为开展器官移植创造有利条件。器官会为开展器官移植创造有利条件。7/31/202334虽然人工器官研究已取得很大进展，但从总7/8/20247/8/20243535生物系统建模与仿真生物系统建模与仿真生生生生物物物物系系系系统统统统的的的的建建建建模模模模与与与与仿仿仿仿真真真真包包包包括括括括生生生生物物物物系系系系统统统统的的的的建建建建模模模模、仿仿仿仿真真真真、辩辩辩辩识识识识与与与与控控控控制制制制等等等等内内内内容容容容，其其其其中中中中心心心心为为为为建建建建模模模模与与与与控控控控制制制制。生生生生物物物物系系系系统统统统的的的的建建建建模模模模是是是是对对对对生生生生物物物物的的的的分分分分子子子子、细细细细胞胞胞胞、组组组组织织织织、器器器器官官官官和和和和整整整整体体体体各各各各层层层层次次次次的的的的行行行行动动动动、参参参参数数数数及及及及其其其其关关关关系系系系建建建建立立立立数数数数学学学学模模模模型型型型的的的的工工工工作作作作。生生生生物物物物系系系系统统统统的的的的控控控控制制制制是是是是人人人人为为为为地地地地外外外外加加加加控控控控制制制制条条条条件件件件来来来来影影影影响响响响生生生生物物物物系系系系统统统统的的的的生生生生命命命命过过过过程程程程，以以以以达达达达到到到到某某某某种种种种特定的目的。特定的目的。特定的目的。特定的目的。7/31/202335生物系统建模与仿真生物系统的建模与仿真7/8/20247/8/20243636生物医学信号与传感器生物医学信号与传感器生生生生物物物物医医医医学学学学信信信信号号号号检检检检测测测测是是是是对对对对生生生生物物物物体体体体中中中中包包包包含含含含的的的的生生生生命命命命现现现现象象象象、状状状状态态态态、性性性性质质质质、变变变变量量量量和和和和成成成成分分分分等等等等信信信信息息息息进进进进行行行行检检检检测测测测和和和和量量量量化化化化的的的的技技技技术术术术。生生生生物物物物医医医医学学学学传传传传感感感感器器器器是是是是获获获获取取取取各各各各种种种种生生生生物物物物信信信信息息息息并并并并将将将将其其其其转转转转换换换换成成成成易易易易于于于于测测测测量量量量和和和和处处处处理理理理的的的的信信信信号号号号(一一一一般般般般为为为为电电电电信信信信号号号号)的器件，是生物医学信号检测的关键技术。的器件，是生物医学信号检测的关键技术。的器件，是生物医学信号检测的关键技术。的器件，是生物医学信号检测的关键技术。7/31/202336生物医学信号与传感器生物医学信号检测是7/8/20247/8/20243737生生生生物物物物医医医医学学学学信信信信号号号号包包包包括括括括生生生生物物物物体体体体各各各各层层层层次次次次的的的的生生生生理理理理和和和和生生生生物物物物化化化化学学学学信信信信号号号号，如如如如心心心心电电电电、脑脑脑脑电电电电、肌肌肌肌电电电电、眼眼眼眼电电电电等等等等生生生生物物物物电电电电信信信信号号号号，心心心心磁磁磁磁、脑脑脑脑磁磁磁磁、眼眼眼眼磁磁磁磁等等等等生生生生物物物物磁磁磁磁信信信信号号号号，血血血血压压压压、体体体体温温温温、呼呼呼呼吸吸吸吸、血血血血流流流流、脉脉脉脉搏搏搏搏等等等等非非非非电电电电磁磁磁磁生生生生理理理理信信信信号号号号，血血血血液液液液、尿尿尿尿液液液液、血血血血气气气气中中中中的的的的各各各各种种种种化化化化学学学学量量量量信信信信号号号号，酶酶酶酶、抗抗抗抗体体体体、抗抗抗抗原原原原、受受受受体体体体、激激激激素素素素、神神神神经经经经质质质质等等等等生生生生物物物物化学量信号。化学量信号。化学量信号。化学量信号。7/31/202337生物医学信号包括生物体各层次的生理和生7/8/20247/8/20243838生生生生物物物物医医医医学学学学信信信信号号号号的的的的一一一一般般般般特特特特点点点点是是是是信信信信号号号号微微微微弱弱弱弱，随随随随机机机机性性性性很很很很强强强强，噪噪噪噪声声声声和和和和干干干干扰扰扰扰背背背背景景景景强强强强，动动动动态态态态变变变变化化化化和和和和个个个个体体体体差差差差异异异异大大大大，因因因因此此此此要要要要求求求求检检检检测测测测传传传传感感感感器器器器和和和和系系系系统统统统的的的的灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度高高高高，噪噪噪噪声声声声小小小小，抗抗抗抗干干干干扰扰扰扰能能能能力力力力强强强强，分分分分辨辨辨辨力力力力强强强强，动动动动态态态态特特特特性性性性好好好好。由由由由于于于于以以以以人人人人体体体体为为为为对对对对象象象象，故故故故应应应应有有有有良良良良好好好好的的的的对对对对人人人人体体体体内内内内环环环环境境境境的的的的适适适适应应应应性性性性，对对对对人人人人体体体体生生生生理理理理状状状状态态态态扰扰扰扰动动动动小小小小，尤尤尤尤其其其其对对对对传传传传感感感感器系统的可靠性和安全性有特别严格的要求。器系统的可靠性和安全性有特别严格的要求。器系统的可靠性和安全性有特别严格的要求。器系统的可靠性和安全性有特别严格的要求。7/31/202338生物医学信号的一般特点是信号微弱，随机7/8/20247/8/20243939生物医学信息处理生物医学信息处理生生生生物物物物医医医医学学学学信信信信号号号号种种种种类类类类繁繁繁繁多多多多，其其其其主主主主要要要要的的的的外外外外在在在在特特特特点点点点是是是是随随随随机机机机性性性性大大大大，噪噪噪噪声声声声背背背背景景景景强强强强，而而而而且且且且个个个个体体体体差差差差异异异异显显显显著著著著。例例例例如如如如，心心心心电电电电、肌肌肌肌电电电电信信信信号号号号总总总总是是是是伴伴伴伴随随随随有有有有因因因因肢肢肢肢体体体体动动动动作作作作和和和和精精精精神神神神紧紧紧紧张张张张等等等等所所所所带带带带来来来来的的的的假假假假象象象象，而而而而且且且且还还还还常常常常常常常常有有有有较较较较强强强强的的的的工工工工频频频频干干干干扰扰扰扰及及及及电电电电极极极极伪伪伪伪差差差差；诱诱诱诱发发发发脑脑脑脑电电电电信信信信号号号号总总总总是是是是伴伴伴伴随随随随强强强强的的的的自自自自发发发发脑脑脑脑电电电电信信信信号号号号；超超超超声声声声波波波波回回回回波波波波信信信信号号号号中中中中往往往往往往往往伴伴伴伴随随随随其其其其他他他他发发发发射射射射杂杂杂杂波波波波；生生生生物磁信号强度远远低于地磁场和环境磁噪声强度。物磁信号强度远远低于地磁场和环境磁噪声强度。物磁信号强度远远低于地磁场和环境磁噪声强度。物磁信号强度远远低于地磁场和环境磁噪声强度。7/31/202339生物医学信息处理生物医学信号种类繁多，7/8/20247/8/20244040生生生生物物物物医医医医学学学学信信信信号号号号处处处处理理理理技技技技术术术术主主主主要要要要的的的的研研研研究究究究任任任任务务务务是是是是根根根根据据据据生生生生物物物物医医医医学学学学信信信信息息息息的的的的特特特特点点点点和和和和测测测测量量量量的的的的要要要要求求求求，应应应应用用用用并并并并发发发发展展展展信信信信息息息息科科科科学学学学的的的的基基基基本本本本理理理理论论论论，研研研研究究究究从从从从被被被被干干干干扰扰扰扰和和和和噪噪噪噪声声声声所所所所淹淹淹淹没没没没的的的的信信信信号号号号中中中中提提提提取取取取特特特特定定定定的的的的生生生生物物物物医医医医学学学学信信信信息息息息，并对其进行分析、解释和分类的方法。并对其进行分析、解释和分类的方法。并对其进行分析、解释和分类的方法。并对其进行分析、解释和分类的方法。7/31/202340生物医学信号处理技术主要的研究任务是根7/8/20247/8/20244141生生生生物物物物医医医医学学学学信信信信号号号号处处处处理理理理技技技技术术术术是是是是生生生生理理理理、测测测测量量量量、模模模模式式式式识识识识别别别别、人人人人工工工工智智智智能能能能和和和和数数数数字字字字信信信信号号号号处处处处理理理理等等等等多多多多种种种种学学学学科科科科的的的的交交交交叉叉叉叉领领领领域域域域。该该该该技技技技术术术术一一一一方方方方面面面面可可可可以以以以将将将将随随随随机机机机过过过过程程程程、统统统统计计计计检检检检测测测测与与与与估估估估计计计计、时时时时间间间间序序序序列列列列分分分分析析析析等等等等数数数数学学学学方方方方法法法法应应应应用用用用于于于于生生生生物物物物医医医医学学学学中中中中；另另另另一一一一方方方方面面面面还还还还要要要要在在在在深深深深化化化化对对对对生生生生命命命命机机机机理理理理认认认认识识识识的的的的基基基基础上建立独特的生物医学信号处理理论与体系础上建立独特的生物医学信号处理理论与体系础上建立独特的生物医学信号处理理论与体系础上建立独特的生物医学信号处理理论与体系7/31/202341生物医学信号处理技术是生理、测量、模式7/8/20247/8/20244242医学图像技术医学图像技术医医医医学学学学图图图图像像像像含含含含有有有有极极极极丰丰丰丰富富富富的的的的人人人人体体体体信信信信息息息息，因因因因而而而而在在在在医医医医生生生生进进进进行行行行临临临临床诊断和病人治疗中具有愈来愈重要的作用。床诊断和病人治疗中具有愈来愈重要的作用。床诊断和病人治疗中具有愈来愈重要的作用。床诊断和病人治疗中具有愈来愈重要的作用。医医医医学学学学图图图图像像像像技技技技术术术术可可可可分分分分成成成成两两两两部部部部分分分分内内内内容容容容，即即即即医医医医学学学学成成成成像像像像技技技技术术术术和和和和医医医医学学学学图图图图像像像像处处处处理理理理技技技技术术术术。前前前前者者者者是是是是把把把把人人人人体体体体中中中中医医医医生生生生感感感感兴兴兴兴趣趣趣趣的的的的信信信信息息息息提提提提取取取取出出出出来来来来，并并并并以以以以图图图图像像像像形形形形式式式式表表表表示示示示，这这这这些些些些信信信信息息息息包包包包括括括括形形形形态态态态信信信信息息息息、功功功功能能能能信信信信息息息息及及及及成成成成分分分分信信信信息息息息；图图图图像像像像的的的的形形形形式式式式可可可可以以以以是是是是二二二二维维维维、三三三三维维维维及及及及四四四四维维维维信信信信息息息息。后后后后者者者者是是是是在在在在获获获获得得得得医医医医学学学学图图图图像像像像后后后后对对对对其其其其进进进进行行行行分分分分析析析析、识识识识别别别别、解解解解释和分类，以把某些部分增强，或提取某些特征。释和分类，以把某些部分增强，或提取某些特征。释和分类，以把某些部分增强，或提取某些特征。释和分类，以把某些部分增强，或提取某些特征。7/31/202342医学图像技术医学图像含有极丰富的人体信7/8/20247/8/20244343物理因子在治疗中应用及生物学效应物理因子在治疗中应用及生物学效应应应应应用用用用电电电电磁磁磁磁、磁磁磁磁场场场场、电电电电磁磁磁磁辐辐辐辐射射射射、超超超超声声声声等等等等物物物物理理理理能能能能量量量量治治治治疗疗疗疗疾疾疾疾病病病病或或或或缓缓缓缓解解解解病病病病痛痛痛痛，是是是是药药药药物物物物和和和和传传传传统统统统手手手手术术术术治治治治疗疗疗疗以以以以外外外外的的的的重重重重要要要要辅辅辅辅助助助助治治治治疗疗疗疗手手手手段段段段，其其其其优优优优点点点点是是是是创创创创伤伤伤伤小小小小，副副副副作作作作用用用用小小小小，费费费费用用用用低低低低，易易易易于于于于推推推推广广广广，有有有有些些些些还还还还特特特特别别别别适适适适合合合合于于于于长长长长期期期期保保保保健健健健性性性性治疗和功能辅助中。治疗和功能辅助中。治疗和功能辅助中。治疗和功能辅助中。7/31/202343物理因子在治疗中应用及生物学效应应用电7/8/20247/8/20244444物物物物理理理理因因因因子子子子生生生生物物物物效效效效应应应应主主主主要要要要是是是是通通通通过过过过对对对对生生生生物物物物群群群群体体体体的的的的流流流流行行行行病病病病学学学学调调调调查查查查、动动动动物物物物实实实实验验验验以以以以及及及及在在在在离离离离体体体体细细细细胞胞胞胞和和和和分分分分子子子子水水水水平平平平上上上上的的的的多多多多层层层层次次次次研研研研究究究究，研研研研究究究究物物物物理理理理因因因因子子子子对对对对人人人人体体体体疾疾疾疾病病病病和和和和治治治治疗疗疗疗作作作作用用用用及及及及其其其其机机机机理理理理，确确确确定定定定应应应应用用用用的的的的方方方方法法法法，确确确确定定定定有有有有效效效效作作作作用用用用的的的的剂剂剂剂量量量量和和和和安安安安全全全全剂剂剂剂量量量量，从从从从而而而而发发发发展展展展应应应应用用用用各各各各种种种种物物物物理理理理因因因因子子子子治治治治疗疗疗疗疾疾疾疾病的技术，并防止其可能的有害影响。病的技术，并防止其可能的有害影响。病的技术，并防止其可能的有害影响。病的技术，并防止其可能的有害影响。7/31/202344物理因子生物效应主要是通过对生物群体的什么是生物力学什么是生物力学力学力学生命科学生命科学生物体、器官的生长、生物体、器官的生长、消亡以及运动消亡以及运动中的力学问题中的力学问题.了解生命组织的生理特征了解生命组织的生理特征组织学、生理学、医学组织学、生理学、医学设计各种实验装置设计各种实验装置以及医疗器械等以及医疗器械等结合结合力学力学与生命科学、生理学与生命科学、生理学等学科，研究等学科，研究力作用的生物效应力作用的生物效应，进而服务于进而服务于临床、科研临床、科研以及以及实验及实验及医疗器械、仿生器械医疗器械、仿生器械的设计的设计什么是生物力学力学生命科学生物体、器官的生长、了解生命组织的生物力学的发展过程生物力学的发展过程数学家欧拉：理想流体在弹性管中的流动方程，阐述了脉搏波的传播数学家欧拉：理想流体在弹性管中的流动方程，阐述了脉搏波的传播数学家数学家Borelli(博雷利博雷利)：论生物的运动论生物的运动，肌肉的运动问题，肌肉的运动问题英国医生英国医生Yang：声带发音的弹性力学理论，杨氏模量：声带发音的弹性力学理论，杨氏模量法国流体力学家法国流体力学家Poiseulle(泊肃叶泊肃叶)：动脉压的问题：动脉压的问题生物工程之父：生物工程之父：Von Helmholts 海姆霍斯海姆霍斯Konigsberg(哥尼斯堡哥尼斯堡)大学大学波恩大学波恩大学海德堡大学海德堡大学柏林大学柏林大学视觉三色理论视觉三色理论测定神经传播速度测定神经传播速度共振仪共振仪涡量守恒定律涡量守恒定律冯元桢：航空工程专家，后又致力于生物力学研究冯元桢：航空工程专家，后又致力于生物力学研究 世界生物力学组织主席、美国生物医学工程学会主席等职世界生物力学组织主席、美国生物医学工程学会主席等职 举世公认的生物力学的开创者和奠基人举世公认的生物力学的开创者和奠基人 生物软组织本构关系的研究生物软组织本构关系的研究 肺血流动力学规律的研究肺血流动力学规律的研究 生物组织器官生长和应力关系的研究生物组织器官生长和应力关系的研究 生物力学的发展过程数学家欧拉：理想流体在弹性管中的流动方程，生物力学的发展现状生物力学的发展现状纳米机器人纳米机器人生物力学分析软件生物力学分析软件临床与理论综合临床与理论综合微观层面与系统层面相结合微观层面与系统层面相结合多学科交叉多学科交叉生物力学的发展现状纳米机器人生物力学分析软件临床与理论综合信息技术在生物力学中的应用信息技术在生物力学中的应用图像处理、光学、电信测量等图像处理、光学、电信测量等信息技术在生物力学中的应用图像处理、光学、电信测量等生物力学的研究方向生物力学的研究方向涉及内容广泛，有很大的临床及工程应用价值涉及内容广泛，有很大的临床及工程应用价值生物力学的研究方向生物力学的研究方向 生物材料力学生物材料力学生物流体力学生物流体力学生物固体力学生物固体力学生物运动力学生物运动力学生物热力学生物热力学生物力学的研究方向涉及内容广泛，有很大的临床及工程应用价值生物材料力学生物材料力学硬组织：牙齿，骨骼等硬组织：牙齿，骨骼等 软组织：肌肉，皮肤，血管及生物膜软组织：肌肉，皮肤，血管及生物膜 生物材料的特点：生物材料的特点：多相多相(multi-phase)，非均匀非均匀(heterogeneous homogeneous)，各向异性各向异性(anisotropic)isotropic 生生物物材材料料的的本本构构方方程程（constitutive equation）：多多以以实实验为前提，建立经验的本构方程验为前提，建立经验的本构方程 进进入入商商业业应应用用的的生生物物材材料料：人人工工骨骨关关节节，人人工工牙牙齿齿，人人工工血管等血管等生物材料力学硬组织：牙齿，骨骼等 人工血管人工血管 柔软、柔软、韧性、相容性韧性、相容性人工牙齿人工牙齿人工骨骼，轻、坚固、承重人工骨骼，轻、坚固、承重人工血管 柔软、人工牙齿人工骨骼，轻、坚固、承重组织工程材料组织工程材料复合材料复合材料金属支架材料金属支架材料组织工程骨软骨组织工程骨软骨支架支架组织工程材料组织工程骨软骨支架生物流体力学生物流体力学气气体体、体体液液在在流流体体介介质质中中的流动规律。的流动规律。血流动力学血流动力学 呼吸系统中的动力学呼吸系统中的动力学 生生物物体体在在流流体体介介质质中中的的流流动动规律：鱼的游动，鸟的飞行规律：鱼的游动，鸟的飞行 血血流流动动力力学学是是生生物物流流体体力力学学的重要研究内容之一的重要研究内容之一 人工心脏，设计要人工心脏，设计要符合流体力学要求符合流体力学要求生物流体力学气体、体液在流体介质中的流动规律。人工心脏，设计血管支架血管支架在在血血管管中中长长期期存存在在，要要考考虑虑对对血管的影响血管的影响设设计计不不当当会会影影响响血血流流，加加重重沉沉积积血管支架生物固体力学生物固体力学应应用用力力学学的的基基本本方方法法和和理理论论，研研究究生生物物组组织织、器器官官乃乃至至生生物系统中的力学问题。物系统中的力学问题。骨骼和关节力学是当今的热点之一骨骼和关节力学是当今的热点之一运运用用固固体体力力学学的的原原理理和和方方法法：主主要要对对骨骨，软软骨骨，关关节节，骨骼系统和牙齿等进行力学分析骨骼系统和牙齿等进行力学分析正骨正骨人工骨的运用等人工骨的运用等生物固体力学应用力学的基本方法和理论，研究生物组织、器官乃至生物力学教材课件生物运动力学生物运动力学主要研究生物体的运动主要研究生物体的运动航空航天事业航空航天事业体育运动体育运动仿生机械仿生机械生物运动力学主要研究生物体的运动航天员失重训练航天员失重训练美军机械狗美军机械狗big dog体育训练体育训练航天员失重训练美军机械狗big dog体育训练生物热力学生物热力学生生物物体体本本身身就就是是一一个个复复杂杂的的非非平平衡衡的的热热力力学学系系统统，生生命命维维持持过过程程中中的的物物质质和和能能量量的的运运输输、交交换换、补补充、消耗都依赖于热力学而存在。充、消耗都依赖于热力学而存在。生物热力学生物体本身就是一个复杂的非平衡的热力学系统，生命维6060应用：应用：航空航天航空航天疾病诊疗疾病诊疗607/8/20247/8/20246161Thank you for your Thank you for your attention!attention!7/31/202361Thank you for your