《生物医学原理概要》课件

生物医学原理概要欢迎学习生物医学原理概要课程本课程将系统介绍生物医学工程的基本原理、关键技术与应用方法，帮助您建立工程技术与生物医学交叉领域的知识体系通过本课程的学习，您将了解从细胞生物学到医疗设备设计的全面知识，掌握生物医学检测与信号处理的基础理论生物医学工程作为一门新兴的交叉学科，正在改变现代医疗技术的面貌，推动医学诊断与治疗手段的创新发展本课程将带您探索这一充满活力的领域，了解其最新进展与未来方向课程目标掌握基本原理与应用系统学习生物医学工程的基础理论，理解其在现代医疗领域的广泛应用，建立完整的学科认知理解关键技术和方法深入了解生物医学领域的核心技术与研究方法，包括医学成像、生物传感器、生物材料等重要内容学习医学检测基础知识掌握生理参数检测与分析的基本原理，了解各类医学传感技术的工作机制与应用场景建立交叉知识体系构建工程技术与生物医学的交叉知识架构，培养跨学科思维与创新能力课程内容概述生物医学工程基础介绍生物医学工程的定义、特点、发展历程与学科体系，建立学科整体认知人体生理与病理学基础讲解人体基本结构、细胞生物学、生物化学以及生理病理过程的基础知识生物医学检测原理阐述各类生物医学检测技术的基本原理，包括生物电信号、生化参数及医学成像检测医用传感器与信号处理详细讲解医用传感器的工作原理及应用，以及生物医学信号的处理方法与技术生物医学材料与医疗设备介绍各类生物医学材料的特性与应用，以及典型医疗设备的工作原理与设计要点第一章生物医学工程概述创新与发展推动医疗技术变革多学科交叉融合工程、医学、生物学等领域生命科学基础3理解生理病理过程工程技术应用解决医学实际问题生物医学工程是一门融合自然科学、工程技术与医学原理的综合性学科，致力于从工程角度研究人体生命现象并解决医学问题本章将系统介绍生物医学工程的基本概念、特点与发展历程，帮助建立对该学科的整体认识生物医学工程定义应用自然科学原理运用物理、化学、数学等自然科学的基础理论与方法，为医学问题提供科学解释与分析框架结合工程技术方法采用电子、信息、材料、机械等工程技术的设计理念与实现手段，开发医学工具与系统研究生理病理过程深入探究人体正常生理功能与病理变化规律，建立生命过程的定量模型解决医学临床问题面向疾病诊断、治疗与康复的实际需求，提供系统性的工程解决方案生物医学工程的特点多学科交叉融合生物医学工程融合了工程学、医学、生物学、物理学、化学、数学等多个学科领域的知识与方法，形成了独特的跨学科视角研究人员需要具备多领域的知识背景，能够理解不同学科的专业语言与思维方式工程技术与医学结合将工程设计方法与医学临床需求紧密结合，用工程思维解析生命现象，用工程手段解决医学问题这种结合体现在从基础研究到应用开发的各个环节，促进了医学技术的快速发展与创新系统性研究方法采用系统工程的整体观念，将人体视为复杂的生命系统，从分子、细胞、组织、器官到整体多层次进行研究通过建立数学模型、计算机模拟等手段，实现对生命系统的定量化分析与预测应用导向性强研究工作始终以解决实际医学问题为目标，注重理论成果的临床转化与应用成果评价标准不仅包括科学创新性，还强调实用性、安全性、有效性及经济性，直接服务于提高医疗质量与效率生物医学工程发展历程计算机技术整合时期（世纪下半叶）20早期医疗设备时期（世纪前）19计算机技术广泛应用于医疗领域，CT、MRI等先进医学成主要以机械结构为主的医疗工具与设备，如听诊器、血压计像设备问世，数字化医疗系统开始形成，生物医学工程学科等简单诊断设备的发明，为现代医疗技术奠定了初步基础正式建立1234电子技术应用时期（世纪上半叶）现代综合发展时期（世纪至今）2021电子技术与医学结合，出现了心电图机、脑电图机等电子医分子生物学、纳米技术、人工智能等新兴技术与生物医学工疗设备，开始对生物电信号进行记录与分析，医学诊断能力程深度融合，精准医疗、再生医学、智能医疗等领域蓬勃发显著提升展，学科边界不断拓展生物医学工程学科体系医学图像处理研究医学影像的获取、重建与分析方法生物医学电子学•CT/MRI成像技术研究生物电信号的检测、处理与分析技术•图像重建算法•医学仪器设计•医学图像识别•生物电放大器•电子检测系统生物医学信息学研究生物医学数据的管理、挖掘与应用•医学大数据分析•生物信息学生物医学材料•临床决策支持系统研究用于医疗的材料特性与应用医疗器械工程•植入材料研究医疗设备的设计、制造与评价•组织工程材料•医疗器械研发•生物相容性•性能测试与评价•临床应用与安全性国内外生物医学工程现状全球研究热点与趋势中国生物医学工程发展产业规模与前景技术创新与突破国际生物医学工程研究正朝中国生物医学工程研究近年全球医疗器械市场规模持续技术应用推动远程医疗发5G着精准化、微型化、智能化来发展迅速，已形成完整的扩大，年增长率保持在展；人工智能辅助诊断系统5-方向发展人工智能与大数教育体系和研究网络在医新兴市场需求快速增在多个医学领域取得突破；7%据分析技术在医学诊断中的学成像、生物材料、人工器长，老龄化社会对医疗技术生物打印技术在组织器官3D应用、可穿戴设备的普及、官等领域取得显著进步，部的依赖度提高中国医疗器构建方面取得进展；柔性电微创治疗技术的进步成为研分技术达到国际领先水平械行业增速超过全球平均水子技术在可穿戴医疗设备中究热点再生医学、纳米医健康中国战略推动了该领域平，国产高端医疗设备市场的应用拓展；新型生物传感学、神经工程等新兴领域受的研发投入与技术创新份额逐步提升，产业链逐渐器在疾病早期诊断中展现潜到广泛关注完善力第二章人体生理与病理基础分子水平1基因表达与蛋白质合成细胞水平细胞结构与功能组织水平组织形态与特性器官水平器官功能与调节系统与整体水平系统协调与整合要设计有效的生物医学设备与系统，必须深入理解人体的生理与病理过程本章将介绍从分子到整体的人体多层次结构与功能，阐述正常生理过程与病理变化的基本原理，为后续章节奠定生物学基础人体基本结构整体人体作为统一的生命整体系统执行特定生理功能的器官集合器官由不同组织构成的功能单位组织相似细胞及其细胞外基质的集合细胞生命的基本结构与功能单位人体是一个复杂而高度有序的生物系统，从微观的细胞到宏观的器官系统形成了多层次的结构体系各系统相互协作，维持人体的正常生理功能循环系统负责物质运输，神经系统执行信息传递与整合，内分泌系统实现化学调控，免疫系统提供防御保护理解这种层次结构与系统整合是生物医学工程的基础细胞生物学基础细胞结构与功能细胞增殖与分化细胞是由细胞膜、细胞质和细胞细胞周期包括间期（、、G1S核组成的基本单位细胞膜控制）和分裂期（期），由细胞G2M物质进出，维持内环境稳定；细周期蛋白精确调控细胞分化是胞质内含有多种细胞器，如线粒指细胞从非特化状态发展为特化体（能量产生）、内质网（蛋白细胞的过程，决定了细胞的特定合成与脂质代谢）、高尔基体形态和功能干细胞具有自我更（蛋白修饰与分泌）等；细胞核新和多向分化潜能，是组织修复存储遗传信息并调控基因表达与再生的基础细胞凋亡与死亡细胞凋亡是一种程序性细胞死亡方式，是机体发育和稳态维持的重要机制凋亡过程涉及一系列蛋白酶级联反应，导致细胞核固缩、断裂和细胞碎片形DNA成凋亡调控异常与多种疾病相关，如肿瘤、神经退行性疾病等生物化学基础生物大分子结构与代谢过程酶与催化作用功能代谢包括分解代谢（如酶是生物催化剂，通过核酸（和）是糖酵解、三羧酸循环）降低反应活化能加速生DNA RNA遗传信息的携带者，通和合成代谢（如糖异化反应酶的催化特异过复制、转录和翻译实生、蛋白质合成）能性源于其活性中心与底现基因表达蛋白质是量代谢以为中心，物的精确识别酶活性ATP结构和功能的主要执行通过氧化磷酸化产生并受底物浓度、温度、pH者，其三维结构决定其利用能量代谢途径受值等因素影响，并通过特定功能脂质构成生酶、激素和神经系统的变构效应、共价修饰等物膜并储存能量碳水精确调控，维持机体稳方式进行精细调节化合物提供能量并参与态细胞识别人体生理过程神经系统调控内分泌系统调节处理感觉输入，整合信息，协调运动输分泌激素传递信号，调节代谢与发育出防御与免疫物质运输与交换3识别并清除病原体，维护内环境稳定循环系统运输氧气、养分和代谢废物人体生理过程是一系列复杂而协调的功能活动，涉及多个系统的相互配合生理参数如血压、体温、血糖等在一定范围内波动，通过负反馈机制维持动态平衡神经系统通过电信号传导实现快速调控，内分泌系统则通过激素介导长效调节各器官系统功能的精确协调确保了机体的正常运作病理过程原理病因遗传因素、环境因素、病原体感染等致病原因发病机制细胞损伤、炎症反应、免疫失调、代谢异常等病理过程疾病发展从早期改变到功能障碍的进展过程临床表现症状、体征与生理参数异常病理过程是疾病发生、发展的内在机制，了解这些过程对于诊断与治疗至关重要常见的病理变化包括细胞适应性改变（如肥大、增生）、细胞损伤与死亡、炎症反应、血液循环障碍、免疫病理过程等这些变化最终导致组织结构异常和器官功能障碍，表现为各种疾病症状第三章生物医学检测原理测量基本原理检测技术分类生物医学检测基于物理、化学和按测量原理可分为电学、光学、生物学原理，将生物信息转换为声学、力学、热学和化学测量；可量化的信号检测过程包括传按测量参数可分为生物电检测、感、信号转换、放大、滤波、处影像检测、生化检测和生理参数理与显示等环节，形成完整的信检测；按应用场景可分为临床诊息获取链准确度、精密度、灵断、健康监测、科学研究和体外敏度和特异性是评价检测方法的分析等类别关键指标信号特性与处理生物医学信号具有微弱、低频、非线性和非平稳等特点，常受各种干扰和噪声影响信号处理技术如滤波、放大、模数转换和数字处理等是提取有效信息的关键步骤，直接影响检测结果的质量生物医学检测概述生物电信号检测心电图（）ECG心电信号反映心肌细胞的电活动，通过体表电极采集标准12导联心电图可从不同角度观察心脏电活动，用于心律失常、心肌梗死等心脏疾病的诊断心电信号幅度一般为

0.5-2mV，频率范围为

0.05-100Hz脑电图（）EEG脑电信号来源于大脑皮层神经元群体的突触后电位，反映大脑的电活动状态国际10-20系统定义了标准电极放置位置脑电信号幅度微弱（通常为5-100μV），包含δ、θ、α、β等不同频段，用于癫痫诊断、脑功能研究等肌电图（）EMG肌电信号是肌肉收缩过程中运动单位电位的叠加，可通过表面电极或针电极记录表面肌电用于运动分析和康复评估，针肌电用于神经肌肉疾病诊断肌电信号频率为10-500Hz，幅度从微伏到毫伏不等，与肌力强度相关生物化学检测样本采集与预处理从患者体内采集血液、尿液、脑脊液等生物样本，通过离心、过滤等方法进行预处理，分离出待测成分样本处理的标准化与质量控制直接影响检测结果的准确性特异性分析方法采用各种分析技术对目标物质进行检测，如分光光度法（基于物质的光吸收特性）、色谱法（基于物质在不同相中分配系数的差异）、电化学方法（基于氧化还原反应）、免疫分析法（基于抗原抗体特异性结合）等信号检测与量化将分析过程产生的化学信号转换为可测量的物理信号（如光、电、热），通过仪器设备进行信号采集与放大，最终根据标准曲线计算出样本中目标物质的浓度现代生化分析仪可同时测量数十种生化指标医学成像检测成像技术物理原理典型应用优势特点X射线/CT X射线穿透组织的衰减差异骨骼、胸部、大型器官检查空间分辨率高，成像速度快超声成像超声波在组织界面的反射与散射腹部器官、血管、胎儿检查无辐射，实时成像，便携磁共振成像原子核在磁场中的共振与弛豫特性脑部、软组织精细结构软组织对比度高，多参数成像核医学成像放射性核素的γ射线或正电子湮灭功能与代谢成像敏感度高，可进行分子水平成像医学成像技术是现代医学诊断的重要工具，能够无创或微创地获取人体内部结构与功能信息各种成像技术基于不同的物理原理，在空间分辨率、时间分辨率、对比度、安全性和成本等方面各有特点临床应用中常根据具体诊断需求选择合适的成像方法，或结合多种模态进行融合成像生理参数监测技术血压检测原理血氧饱和度测量呼吸监测技术血压是心血管系统的重要指标，反脉搏血氧仪基于光电容积法和氧合呼吸监测包括呼吸频率、潮气量、映心脏泵血功能和血管阻力无创与脱氧血红蛋白的不同光吸收特通气量等参数监测方法有胸腹运检测方法包括听诊法（柯氏音法）性通过发射红光和红外光，测量动检测（如阻抗气体描记法）、气和示波法听诊法通过听取动脉血透过或反射光强度的比值计算血氧流测量（如热敏元件、压力传感管内血流声音确定收缩压和舒张饱和度现代脉搏血氧仪采用多波器）和气体成分分析（如二氧化碳压；示波法通过分析压力脉波形态长技术提高准确性，并能同时测量波形图）等连续呼吸监测对识别自动计算血压值有创血压监测则脉率血氧监测在麻醉、重症监护睡眠呼吸暂停和评估机械通气效果通过导管直接测量血管内压力和睡眠研究中广泛应用至关重要体温检测方法体温是基础生理参数，反映机体代谢状态和热平衡测量方法包括接触式（如水银温度计、电子温度计）和非接触式（如红外测温）根据测量部位不同，有口腔、腋窝、直肠、鼓膜温度等现代连续体温监测技术能够实时追踪体温变化趋势，用于发热性疾病管理第四章医用传感器原理及应用

7.3%42B年增长率市场规模医用传感器市场全球年均复合增长率预计年全球医用传感器市场规模2025（美元）万5应用种类医疗设备中使用的传感器种类数量医用传感器是现代医疗设备的关键组件，它们能够将各种生理参数转换为可测量的电信号本章将系统介绍医用传感器的基本原理、分类与性能特点，详细讲解各类传感器的工作机制与应用场景，帮助理解传感技术在医疗领域的重要作用医用传感器基础应用医疗诊断、监测与治疗系统集成信号处理与数据分析性能评价精度、灵敏度、稳定性信号转换物理量到电信号的变换敏感机制对特定物理量的响应原理医用传感器是将生物医学参数转换为可测量电信号的装置，是医疗设备感知外界的器官根据工作原理可分为电阻式、电容式、压电式、电化学式、光电式等多种类型；按照检测对象可分为物理参数传感器和生化参数传感器传感器的关键性能指标包括灵敏度、线性度、动态范围、响应时间、稳定性和生物相容性等电阻式传感器应变式传感器原理热敏电阻传感器医疗应用实例应变式传感器基于导体或半导体的压热敏电阻利用材料电阻随温度变化的血压传感器中应用应变片测量血管压阻效应，即材料在受到机械形变时电特性测量温度根据温度系数不同分力；呼吸监测设备通过胸廓扩张引起阻发生变化传感元件通常由金属箔为正温度系数（）和负温度系数的电阻变化检测呼吸运动；体温计使PTC或半导体材料制成，固定在弹性基底（）两类热敏电阻在医用热敏电阻精确测量体温；输液泵和NTC NTC上当外力作用导致形变时，电阻值疗领域应用广泛，具有高灵敏度、快注射泵采用应变式传感器监测液体压随之改变，通过惠斯通电桥电路转换速响应、体积小等优点，但存在一定力确保输注安全；运动康复设备中应为电压信号输出的非线性用于力量测量与反馈电容式传感器基本工作原理灵敏度与测量范围医疗领域应用电容式传感器基于电容值随极板面积、电容式传感器具有较高的灵敏度，能够呼吸监测通过测量胸腹部体积变化引间距或介电常数变化的原理工作电容检测极微小的位移变化，理论分辨率可起的电容变化，实现无创呼吸监测值，其中为真空介电常达纳米级其测量范围主要受极板尺寸C=ε₀εᵣA/dε₀体位与活动监测利用电容变化检测患数，为相对介电常数，为极板面积，和电子电路性能限制，通过合理设计可εᵣA者姿势和活动状态，预防压疮和跌倒为极板间距通过测量极板间的电容变适应不同应用需求d化，可转换为与所测物理量相关的电信微流体控制在微流控芯片中监测液体传感器的灵敏度与极板面积、初始间距号流量和位置，用于即时检验设备和介电材料特性密切相关通过优化这电容变化的检测通常采用交流电桥、振些参数，可以设计出满足特定医疗应用触摸控制界面医疗设备触摸屏和控制荡电路或充放电电路等方式实现现代要求的传感器电容变化的线性度问题面板采用电容感应技术，提高操作便捷电容式传感器常集成有专用信号调理电可通过差分结构或特殊电极形状设计解性路，直接输出标准电信号决生物力学研究测量关节活动范围和肢体运动参数，辅助康复评估与训练压电式传感器压电效应原理压电效应是指某些材料（如石英晶体、锆钛酸铅陶瓷）在受到机械力时产生电荷的现象，也包括反压电效应（施加电场导致形变）这种效应源于晶体结构不对称性导致的电偶极矩变化压电材料兼具传感与驱动功能，是电—机械能量转换的理想介质超声换能器设计医用超声换能器主要由压电陶瓷、匹配层、阻尼层和背衬组成压电陶瓷将电信号转换为超声波（发射模式）或将接收到的声波转换为电信号（接收模式）匹配层优化声阻抗，提高能量传输效率；阻尼层控制脉冲宽度，提高分辨率；背衬吸收后向声波，减少伪像医学诊断应用超声成像是压电传感器最重要的医学应用，用于心脏、腹部、产科等多种检查多普勒超声利用频移测量血流速度；弹性成像评估组织硬度差异此外，压电传感器还用于血压测量、心音监测、呼吸监测等压电加速度计在运动分析、姿势监测和跌倒检测中发挥重要作用电化学传感器电化学传感器基于电化学反应原理工作，通过测量电位、电流或电导率变化检测特定物质按工作模式可分为电位式（测量电极电位）、电流式（测量电流强度）和电导式（测量电导率变化）这类传感器在便携医疗设备中应用广泛，特别是血糖监测、电解质分析和血气分析等领域血糖传感器是最成功的电化学传感器应用，采用葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶催化葡萄糖氧化，通过测量反应中电子转移产生的电流确定血糖浓度持续血糖监测系统使用皮下植入的微型电化学传感器，实现长时间连续监测医用气体传感器如氧气传感器利用电化学原理监测呼吸气体成分，确保医用气体供应和麻醉安全生物电检测电极电极材料与结构表面电位测量原理医用生物电极主要包括表面电极生物电信号测量基于体表电位分布（如电极）、针电极和微的检测电极电解质界面形成电化Ag/AgCl-电极等表面电极常用于心电、脑学半电池，产生半电池电位理想电等无创检测，由导电金属、电解的生物电极应具有稳定的半电池电质和粘合剂组成针电极和微电极位、低电极阻抗和小极化效应差用于侵入性记录，材料包括不锈分放大电路用于提取微弱生物电信钢、铂、金、钨等导线、屏蔽层号并抑制共模干扰，提高信噪比和连接器是电极系统的重要组成部分生物电极界面特性电极皮肤界面可等效为复杂的电阻电容网络，包括电极本身阻抗、电极电解---质界面阻抗和组织阻抗界面阻抗影响信号质量，过高的阻抗导致信号失真和噪声增加降低界面阻抗的方法包括皮肤准备（清洁、轻度磨砂）、使用导电凝胶和优化电极设计光电传感器光电转换原理基于光电效应将光信号转化为电信号生物光学特性利用组织对不同波长光的吸收与散射特性光电容积脉搏波3检测血容量脉动变化产生的光强信号信号处理与计算分析光电信号提取生理参数信息光电传感器在医疗领域应用广泛，特别是在无创生理参数监测方面具有独特优势脉搏血氧仪是最典型的应用，通过红光和红外光在血液中的吸收差异测量血氧饱和度和心率光电容积脉搏波描记法可用于心率变异性分析和血管弹性评估近红外光谱技术用于组织氧合监测和功能性脑成像现代光电传感器正向小型化、多参数和可穿戴方向发展生物传感器生物识别元件生物分子结合1酶、抗体、核酸等特异性识别分子与目标分析物特异性相互作用信号处理信号转换放大、处理信号并转化为有用信息3将生物识别事件转化为可测信号生物传感器是一类将生物特异性识别元件与物理化学换能器相结合的新型传感器，能够实现对特定生物分子的高选择性检测根据生物敏感元件类型可分为酶传感器、免疫传感器、DNA传感器、细胞传感器等；按换能方式可分为电化学、光学、压电、热敏等多种类型生物传感器在点of care检测、可植入监测设备、药物筛选和环境监测等领域具有广阔应用前景新型生物传感器正朝着微型化、多功能、高通量、实时监测方向发展，纳米材料和微流控技术的应用进一步提升了其性能生物传感器的研究是生物医学工程领域的前沿热点第五章生物医学信号处理信号获取与预处理生物医学信号处理始于高质量的信号采集，包括传感器优化、信号放大和模数转换预处理环节处理各种干扰和噪声，如工频干扰、基线漂移、肌电干扰等，常用方法包括数字滤波、小波去噪和自适应滤波，为后续分析奠定基础信号分析与特征提取信号分析包括时域、频域和时频域多种方法时域分析关注波形形态和统计特征；频域分析利用傅里叶变换研究频率成分；时频分析如小波变换能同时获取时间和频率信息特征提取是从复杂信号中提取关键诊断信息的过程模式识别与决策支持通过机器学习和人工智能算法实现信号分类与识别，辅助医学诊断传统方法包括贝叶斯分类、支持向量机和决策树等；深度学习方法如卷积神经网络和循环神经网络在复杂生物信号分析中表现出色，能够自动学习层次化特征生物医学信号特性信号类型频率范围幅度范围特征描述心电图ECG

0.05-100Hz

0.5-5mV准周期性，P-QRS-T波形脑电图EEG

0.5-100Hz5-300μV非平稳随机信号，多频带特性肌电图EMG20-500Hz

0.1-5mV随机突发，与肌肉收缩相关心音图20-200Hz相对值S

1、S2为主，瓣膜活动声音血压波形0-30Hz0-300mmHg准周期性，收缩期峰值特征生物医学信号可分为生物电信号（如ECG、EEG）、生物力学信号（如血压、呼吸）、生物声学信号（如心音、肺音）和生物光学信号等这些信号通常具有幅度小、频率低、信噪比差、非平稳性和个体差异大等特点，增加了信号处理的难度理解信号的时域特征（如波形、持续时间）和频域特征（如频谱分布、主频成分）对正确解读生理信息至关重要信号预处理技术滤波方法与原理基线漂移校正伪迹去除技术滤波是信号预处理的基础技术，用于去基线漂移是生物电信号中常见的低频干伪迹是指与生理现象无关的干扰信号，除噪声和干扰按实现方式分为模拟滤扰，主要来源于电极皮肤界面阻抗变如工频干扰（）、肌电干扰、-50/60Hz波和数字滤波；按频率特性分为低通、化、受试者运动、呼吸影响等校正方电极移动伪迹等陷波滤波器用于消除高通、带通和带阻滤波；按设计方法分法包括高通滤波去除极低频成分；多工频干扰；适应性滤波可动态追踪和消为滤波器（如巴特沃斯、切比雪夫）项式拟合法估计并减去基线；小波变换除变化的噪声；独立成分分析能分离混IIR和滤波器数字滤波既可在时域中分解后重构；中值滤波提取并消除缓慢合信号源；阈值法可检测并标记伪迹FIR通过卷积实现，也可在频域中通过频谱变化趋势有效的基线校正是准确测量段；小波阈值去噪在保留信号细节的同修正实现信号幅值的前提时有效抑制噪声数字信号处理基础时域分析方法时域分析直接研究信号随时间的变化特性，是最基本的信号处理方法统计参数分析计算信号的均值、方差、峰值等统计量；波形识别提取特征点和关键波形（如中ECG的波群）；相关分析研究信号内部或信号间的相关性；包络分析提取信号强度随QRS时间的变化趋势时域分析直观且计算简单，适合识别明显的信号特征频域分析技术频域分析将信号分解为不同频率的正弦分量，揭示信号的频率结构傅里叶变换是最基本的频域分析工具，包括离散傅里叶变换和快速傅里叶变换；DFT FFT功率谱分析研究信号能量在频域的分布；频谱估计方法如自回归模型、维纳滤波等提高了频谱估计的精度和分辨率频域分析能揭示时域不明显的周期性成分时频分析原理时频分析适用于非平稳信号，能同时提供时间和频率信息短时傅里叶变换将信号分段后进行傅里叶变换，形成时频图；小波变换具有多分辨率STFT特性，适合分析瞬态信号；希尔伯特黄变换是一种自适应信号分解方法，对-非线性非平稳信号有独特优势；分布提供高时频分辨率但存在交Wigner-Ville叉项干扰时频分析在生物医学信号处理中应用广泛特征提取与模式识别生理信号特征提取模式识别基本原理医学诊断应用案例特征提取是将原始信号转换为代表其本质特性的模式识别将信号特征映射到预定义类别，实现自心律失常检测从ECG信号提取时域和频域特特征向量时域特征包括波形形态参数、统计量动分类传统方法包括K最近邻KNN基于特征，通过分类算法识别不同类型的心律异常，辅和形态学特征；频域特征包括频谱成分、功率分征空间距离分类；支持向量机SVM寻找最佳分助临床诊断布和谱矩等；时频特征如小波系数和时频能量分类超平面；决策树通过分层决策规则分类；人工癫痫发作预测分析EEG信号的非线性动力学特布；非线性特征如熵值、分形维数和Lyapunov神经网络模拟神经元网络结构学习复杂映射关征，构建预测模型预警即将发生的癫痫发作指数反映信号的复杂度和动力学特性系睡眠阶段分析结合EEG、EOG和EMG信号特有效的特征应具备区分性、稳定性和计算效率深度学习方法如卷积神经网络CNN、长短期记征，自动识别和划分不同睡眠阶段，评估睡眠质特征选择和降维技术如主成分分析PCA、线性忆网络LSTM能自动学习层次化特征，在复杂量判别分析LDA可减少特征冗余，提高分类效生物信号分析中表现优异模型评价指标包括准率确率、敏感性、特异性和ROC曲线等运动障碍评估通过加速度计和EMG数据分析运动模式特征，评估帕金森病等神经系统疾病患者的运动功能生理状态监测通过多源信号融合和模式识别，实时评估心理压力、疲劳度和认知负荷等生理状态第六章生物医学材料生物医学材料是指用于诊断、治疗、修复或替代人体组织、器官或功能的材料这些材料需要与人体组织相容，能够承受生理环境而不降解（除非有意设计为可降解），并满足特定的力学、物理、化学和生物学性能要求根据材料特性可分为金属、高分子、陶瓷和复合生物材料等多种类型生物材料科学是生物医学工程的重要分支，其发展经历了三代演变第一代材料追求生物惰性，第二代材料强调生物活性，第三代材料则致力于生物功能化和智能响应现代生物材料研究正朝着组织工程支架、药物控释载体、细胞微环境调控、生物打印和智能材料等方向发展，为再生医学和精准治疗提供关键技术支持生物医学材料概述1第一代材料1950-1970s追求生物惰性，以金属和传统高分子为主，如不锈钢植入物和PMMA骨水泥设计理念是减少材料与组织的相互作用，避免免疫排斥这一时期的材料主要服务于机械支撑和替代功能2第二代材料1980-1990s注重生物活性和可降解性，开发了生物活性陶瓷、可降解高分子等材料这些材料能与周围组织产生特定相互作用，促进组织结合或在完成功能后被人体吸收降解，如羟基磷灰石涂层和聚乳酸支架3第三代材料至今2000s强调生物功能化和智能响应特性，整合了生物学信号分子和纳米技术这类材料能模拟天然组织微环境，诱导细胞生长和组织再生，具有刺激响应性，如生长因子负载支架、智能水凝胶和仿生纳米复合材料4未来发展趋势个性化生物材料设计、3D/4D生物打印技术、细胞外基质仿生材料、多功能纳米载体系统、组织界面材料工程等方向人工智能辅助设计和高通量筛选技术将加速生物材料的开发和优化过程金属生物材料不锈钢特性与应用钛及钛合金材料医用不锈钢主要为型，含医用钛合金主要有纯钛和316L Ti-6Al-铬、镍、钼等元素，具有良好的耐等，具有优异的生物相容性、4V腐蚀性和加工性能机械强度高，比强度高和良好的抗腐蚀性钛表韧性好，但含镍可能引起过敏反面自发形成致密氧化膜，提供稳定应主要用于骨科固定装置（如骨的生物界面广泛应用于骨科植入板、骨钉、骨针）、心血管支架物、牙科植入体、心脏瓣膜支架和（早期应用）和外科手术器械性神经刺激电极等较低的弹性模量价比高，但生物相容性较钛合金减少了应力遮挡效应，更接近骨组差织力学性能表面处理技术金属植入物表面处理旨在改善生物相容性、骨整合性和抗感染性能技术包括物理方法（如喷砂、等离子喷涂）、化学方法（如酸蚀、阳极氧化）和生物功能化方法（如羟基磷灰石涂层、生物分子修饰）微纳米表面结构的精确控制能显著影响细胞黏附、增殖和分化行为，提高植入物的临床性能高分子生物材料陶瓷生物材料生物惰性陶瓷氧化铝Al₂O₃和氧化锆ZrO₂是典型的生物惰性陶瓷，具有高硬度、优异的耐磨性和化学稳定性氧化铝主要用于髋关节假体和牙科修复；氧化锆因其高强度和良好的美观性广泛应用于牙科全瓷修复和髋关节假体球头这类材料与骨组织形成机械接触，无化学结合生物活性陶瓷羟基磷灰石[Ca₁₀PO₄₆OH₂]和生物活性玻璃是主要的生物活性陶瓷这类材料能与骨组织形成化学结合，促进骨整合羟基磷灰石成分类似骨矿物质，用于骨缺损修复和金属植入物涂层；生物活性玻璃含有SiO₂、Na₂O、CaO和P₂O₅，能形成羟基碳酸磷灰石层与骨结合，同时释放离子刺激骨形成可降解生物陶瓷β-磷酸三钙[β-Ca₃PO₄₂]和硫酸钙CaSO₄等可降解陶瓷能在体内逐渐被吸收并替换为新生骨组织这类材料的降解速率需与骨再生速度相匹配，过快或过慢都会影响修复效果双相磷酸钙陶瓷结合了羟基磷灰石的稳定性和β-TCP的可降解性，通过调整两者比例优化降解行为复合生物材料功能优化满足多重生物医学需求结构设计多相结构组织与界面控制材料组合不同类型材料的协同作用复合生物材料结合了不同类型材料的优势，克服单一材料的局限性，实现性能的协同优化常见的复合策略包括金属陶瓷复合（如羟基磷灰石涂-层钛合金）改善骨整合性；高分子陶瓷复合（如聚乳酸羟基磷灰石）兼具可加工性和生物活性；纤维增强复合材料（如碳纤维增强）提高力-/PEEK学性能；纳米复合材料利用纳米填料增强界面相互作用复合生物材料在设计时需考虑相界面结合强度、力学性能匹配、生物相容性协调和制备工艺可行性等因素先进制造技术如打印、电纺丝和冷冻3D铸造等使复合材料的结构设计更加精确和复杂，能够实现梯度结构和各向异性特性，更好地模拟天然组织的结构特征生物材料降解与组织工程可降解材料原理组织工程支架设计细胞材料相互作用-可降解生物材料能在体内逐渐降解，最组织工程支架是细胞附着、增殖和分化细胞与材料表面的相互作用是组织工程终被人体吸收或排出，避免二次手术取的三维模板，要求具有互连的多孔结构成功的关键这种相互作用始于蛋白质出降解机制包括水解（如聚酯水解断（促进细胞迁移和物质交换）、适当的吸附，继而影响细胞黏附、铺展、增殖链）、酶降解（如胶原蛋白被胶原酶降力学性能（匹配目标组织）和生物活性和分化材料表面特性如化学成分、电解）和溶解（如某些无机盐的溶解）表面（促进细胞黏附和功能表达）荷、润湿性、粗糙度和拓扑结构都会影响这一过程降解过程受材料化学结构、分子量、交支架设计参数包括孔隙率（通常60-联度、结晶度、值和酶浓度等因素影）、孔径大小（骨组织生物信号分子如粘附蛋白、生长因子和pH90%100-响降解产物的生物安全性和局部变，软组织）、孔连通细胞外基质成分可被整合到材料中，提pH350μm20-100μm化是设计中需要考虑的关键问题理想性和力学强度制备方法包括颗粒浸出供生化信号同时，材料的物理信号如的降解材料应具有可控的降解速率、无法、气体发泡法、冻干法、相分离法和刚度、微纳米结构也能调控细胞命运毒的降解产物和适当的力学性能保持打印等生物活性分子的整合能进一了解并调控这些相互作用是设计高效组3D期步增强支架的组织诱导能力织工程支架的基础第七章医疗设备工作原理诊断设备治疗设备用于疾病检测与诊断用于疾病治疗与干预医学成像设备放射治疗设备••临床检验仪器微创手术设备••12生理信号监测设备物理治疗设备••康复设备监护与生命支持促进功能恢复与代偿维持生命体征与功能3功能电刺激监护仪••康复机器人呼吸机••辅助技术设备体外循环设备••医疗设备是生物医学工程理论与技术的具体应用，是现代医学不可或缺的技术支撑理解医疗设备的工作原理对设计、使用和维护这些设备至关重要本章将系统介绍各类医疗设备的基本原理与关键技术，揭示其背后的工程设计思想诊断设备原理心电图机工作原理超声诊断仪设计基本原理CT/MRI心电图机通过体表电极检测心脏电活动，记录超声诊断仪基于超声波在组织中传播和反射的（计算机断层成像）利用射线在不同角度CT X不同导联下的电位差变化信号处理环节包括原理工作系统主要由探头（发射和接收超声穿过人体后的衰减数据，通过反投影算法重建前置放大器（提供高输入阻抗）、隔离放大器波）、脉冲发生器、接收放大器、信号处理器断层图像现代采用螺旋扫描和多排探测器CT（保障电安全）、模拟滤波器（抑制干扰）、和显示系统组成型超声通过扫描多方向回波提高扫描速度和分辨率（磁共振成像）B MRI模数转换（数字化处理）和数字信号处理（滤形成二维图像；多普勒超声利用频移检测血则基于强磁场中氢原子核的共振现象，通过射波、分析）现代心电图机还集成了自动分析流；弹性成像评估组织硬度现代超声设备采频脉冲序列激发不同组织中质子的弛豫差异，与诊断算法，能识别常见心律失常和心肌异用数字波束形成技术提高图像质量，并整合多产生对比度信号具有优异的软组织对比MRI常种成像模式度和多参数成像能力治疗设备原理电外科设备工作机制电外科设备通过高频电流（300kHz-5MHz）在组织中产生热效应实现切割、凝血或消融切割模式下，高电流密度使细胞内液迅速汽化，形成组织分离；凝血模式下，较低的电流密度产生中等热量，使蛋白质变性凝固，封闭小血管双极技术电流仅通过两电极间组织，单极技术则需要大面积回路电极设备必须具备精确的功率控制和安全监测功能放疗设备技术原理放射治疗利用电离辐射（如高能X射线、电子束、质子束）破坏肿瘤细胞DNA直线加速器是最常用的外照射设备，通过电磁场加速电子产生高能X射线射束调制技术（如多叶准直器）能精确控制辐射场形状；影像引导放疗实时监测肿瘤位置；强度调节放疗优化剂量分布放疗计划系统基于CT数据计算剂量分布，确保肿瘤接受足够剂量的同时最小化正常组织损伤血液净化设备设计血液透析是主要的血液净化技术，用于肾功能衰竭患者透析机通过半透膜（透析器）将血液中的代谢废物和过多水分清除系统包括血液泵（控制血流量）、透析液系统（配制和输送透析液）、超滤控制系统（调节水分去除）和监测系统（监测压力、温度、电导率等参数）连续性肾脏替代治疗则提供更缓和的治疗方式，适用于不稳定的重症患者监护与生命支持设备多参数监护仪设计呼吸机工作原理多参数监护仪集成多种生理参数监测功呼吸机是辅助或替代自主呼吸的生命支持能，包括心电、血压、血氧、呼吸、体温设备气路系统通过压力和流量控制阀调等系统架构包括传感器模块、信号处理节气体流动；驱动系统提供动力源；控制单元、数据存储与管理系统、显示界面和系统根据设定参数和患者状态调整通气方报警系统信号处理采用数字滤波和参数式基本通气模式包括控制通气（时间触提取算法；报警系统设置多级报警策略；发）、辅助通气（患者触发）和同步间歇网络接口实现与中央监护站连接现代监指令通气（混合模式）现代呼吸机采用护仪强调模块化设计、智能报警和临床决微处理器控制，具备多种通气模式和自适策支持功能应功能，能更好地满足患者个体化需求人工心肺技术人工心肺机在心脏手术中暂时替代心脏和肺功能系统主要由血泵（提供血液动力）、氧合器（实现气体交换）、热交换器（调节血液温度）、滤器（去除气泡和微粒）和监测系统组成血泵类型包括滚轮泵和离心泵；氧合器有膜式和气泡式两类，现代设备多采用膜式氧合器降低血液损伤体外膜肺氧合ECMO是人工心肺技术在重症监护中的延伸应用，为心肺功能衰竭患者提供长期支持康复设备原理80%42%功能恢复率使用增长使用先进康复设备的中风患者功能恢复比例康复机器人近五年临床应用增长率倍3效率提升电刺激辅助下运动恢复速度的提升倍数功能电刺激FES系统利用电脉冲刺激运动神经，诱发肌肉收缩，替代或增强受损的神经肌肉功能系统包括脉冲发生器、电极和控制单元刺激参数（脉宽、频率、强度）需根据目标肌肉和功能目的进行精确调整先进的FES系统采用闭环控制，结合运动传感器反馈，实现更自然的动作模式康复机器人结合机械工程和控制技术，辅助或增强患者运动功能上肢康复机器人帮助手臂和手部功能恢复；下肢外骨骼辅助步行和平衡训练；智能步态训练系统提供体重支持和步态引导机器人技术可精确控制训练强度、提供量化评估数据并增加患者参与度，是现代神经康复的重要工具听觉辅助设备如助听器和人工耳蜗则通过声音放大或直接电刺激听神经，帮助听力障碍患者恢复听觉功能第八章生物医学工程未来发展微型化与植入式技术1设备尺寸不断缩小，功能不断增强智能化与互联技术设备间数据共享与智能决策自动化与机器人技术减少人为干预，提高精确度个性化与精准医疗4基于个体特性的定制化解决方案生物医学工程正迈入一个融合创新的新时代，多学科交叉与技术融合成为主要特征人工智能、大数据、云计算等信息技术与生物医学深度结合，推动医学智能化发展；新材料、新工艺为医疗器械创新提供新的可能；基因组学和再生医学的进步为个性化医疗提供基础支持技术发展正从治疗向预防和健康管理转变，从医院中心向家庭和社区延伸，从单一功能向系统解决方案扩展生物医学工程未来将更加注重医疗可及性、临床价值和成本效益的平衡，以满足全球健康需求的多样化挑战前沿研究方向精准医疗技术医用机器人与人工智能可穿戴与植入式设备精准医疗基于个体基因组、蛋白组和医用机器人在微创手术、远程操作和可穿戴健康监测设备实现持续、无创代谢组信息，提供个性化诊疗方案辅助康复等领域展现巨大潜力手术的生理参数监测，如心电、血压、血基因编辑技术CRISPR-Cas9为遗传疾机器人提供稳定的操作平台和精确的糖等柔性电子技术使传感器能更好病治疗开辟新途径；液体活检技术通动作控制；人工智能算法在医学影像地贴合人体曲面；微型化植入设备如过分析循环肿瘤DNA实现无创癌症检分析、病理诊断和临床决策支持中表闭环胰岛素泵、神经调控装置和智能测；药物基因组学指导个体化用药，现出超越人类的精度深度学习模型药物释放系统能实现长期治疗和监提高疗效并减少不良反应这一领域能从海量医疗数据中发现复杂模式；测这些设备正与移动医疗平台和远正从一刀切医疗模式转向高度个性自然语言处理技术协助医疗记录管理程医疗系统整合，构建连续健康管理化的精准治疗方案和文献分析生态系统纳米医学与纳米诊疗纳米医学利用纳米尺度材料和装置进行疾病诊断、治疗和预防纳米载体实现药物靶向递送，提高疗效并减少副作用；纳米探针提供分子水平成像能力；纳米机器人有望在体内执行精确治疗操作多功能纳米平台整合诊断与治疗功能，实现诊疗一体化这一领域正逐步克服生物安全性和大规模制备等挑战总结与展望知识体系回顾学科交叉融合构建工程与医学交叉的系统性认知多学科界面催生创新突破使命与责任技术创新转化改善人类健康与生活质量从实验室到临床应用的转化路径本课程系统介绍了生物医学工程的基本原理与核心技术，从生物医学基础、传感器原理、信号处理、生物材料到医疗设备设计，构建了完整的知识框架生物医学工程作为一门交叉学科，正在医学诊断、治疗、监测和康复各个环节发挥越来越重要的作用未来，生物医学工程将继续向智能化、微型化、个性化和系统化方向发展技术突破将来自学科交叉融合与协同创新；成果价值将体现在临床转化与健康改善作为生物医学工程领域的学习者和从业者，应秉持科学态度，保持创新精神，兼具工程思维与医学人文关怀，为推动医学技术进步和人类健康事业贡献力量。