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| 編輯推薦： |
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《生物医学工程学进展》适合生物医学工程、生物科学与技术、临床医学等相关专业的高年级本科生、硕士生、博士生作为教材，便于学生全面地了解本学科的概貌及研究热点，也可以作为工程技术人员、行业监督管理人员的参考资料。
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| 內容簡介： |
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《生物医学工程学进展》侧重于生物医学工程学各个学科分支领域,特别是当前比较活跃的学科方向的近期研究发展动态，概要介绍其基本情况、发展历程、研究与应用现状及**研究内容与进展。《生物医学工程学进展》内容共13章，包括生物医学工程学科发展与产业化、生物力学、生物材料学进展、再生医学、组织工程学、生物芯片与微流控技术、生物医学传感器进展、生物医学信息技术、介入医学工程、医学成像技术进展、脑科学、神经工程学进展、人工器官研究与应用进展。
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| 目錄：
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目录
前言
**章生物医学工程学科发展与产业化1
**节生物医学工程学概述1
第二节生物医学工程学科发展历程3
第三节生物医学工程学科发展趋势5
第四节国内外生物医学工程产业现状11
一、我国生物医学工程与医疗器械行业
发展现状11
二、国外生物医学工程产业概述13
第五节我国生物医学工程产业发展规划16
一、我国生物医学工程研发重点领域和方向16
二、生物医学工程产业发展布局17
第二章生物力学20
**节生物力学概述20
第二节生物固体力学21
一、骨力学21
二、软组织力学27
三、器官力学30
第三节生物流体力学30
一、生物流体力学的研究范围、目的、对象和方法30
二、循环系统力学32
三、呼吸系统力学34
第四节运动生物力学37
一、竞技体育技术测试研究方法及发展趋势37
二、运动器系的力学研究40
三、运动生物力学测量技术42
第五节细胞与分子生物力学43
一、细胞生物力学43
二、分子生物力学47
第三章生物材料学进展50
**节生物材料学概述50
一、生物材料定义与分类50
二、生物材料发展历程50
三、生物材料的机遇与挑战52
第二节纳米生物材料与功能性生物材料52
一、零维纳米生物材料53
二、一维和二维纳米生物材料56
三、三维纳米生物材料59
四、纳米生物材料的毒性与安全性61
五、功能性生物材料62
第三节智能水凝胶及其应用66
一、智能水凝胶66
二、水凝胶作为生物医学材料的应用70
第四节生物材料表面修饰与改性77
一、等离子体表面处理77
二、离子束处理78
三、激光表面改性79
四、微弧氧化80
五、其他80
第五节生物材料与组织细胞的相互作用81
一、生物材料与生物分子的相互作用81
二、生物材料与细胞的相互作用81
三、生物材料与细菌、病毒的相互作用82
四、生物材料与组织器官的相互作用83
五、生物材料与系统的作用84
第六节生物材料的成型加工84
一、快速成型技术85
二、静电纺丝技术87
三、可注射型支架材料制备方法89
第七节生物材料的生物相容性评价92
一、生物相容性的概念92
二、细胞和组织相容性92
三、血液相容性94
四、免疫相容性97
第四章再生医学101
**节再生医学研究概况101
一、再生医学的概念与范畴101
二、再生医学的发展趋势与挑战101
第二节再生医学的生物和分子基础102
一、再生的生物学机制102
二、再生中的生物分子105
三、再生过程的信号转导途径106
四、影响再生的因素110
第三节再生医学的基本方法和关键技术111
一、干细胞培养111
二、干细胞鉴定及示踪方法113
三、干细胞的靶向基因操作技术114
四、体细胞重编程技术115
五、细胞转分化技术118
第四节细胞治疗的原理、基础及应用现状119
一、细胞治疗发展状况119
二、细胞治疗原理119
三、干细胞移植治疗进展122
第五节组织再生原理与进展128
一、心脏修复与再生128
二、小血管再生130
三、角膜修复与再生131
四、软骨的修复与再生133
五、再生医学伦理学原则133
第五章组织工程学135
**节组织工程概述135
第二节种子细胞、生长因子与组织工程136
第三节组织工程支架材料138
一、组织工程支架材料138
二、生物活性物质释放载体139
第四节三维体系与体外组织构建139
一、生物反应器140
二、计算机辅助组织工程141
三、组织工程产品保存技术142
四、组织工程产品的安全性评价143
第五节器官组织工程144
一、皮肤组织工程144
二、神经组织工程146
三、组织工程骨与软骨147
四、心肌组织工程149
五、角膜组织工程150
六、骨骼肌组织工程150
七、其他器官的组织工程研究151
第六章生物芯片与微流控技术153
**节生物芯片技术概论153
一、生物芯片的概念153
二、生物芯片的类型153
三、生物芯片技术相关仪器设备153
四、生物芯片的应用154
五、生物芯片技术研究及产业发展现状154
六、生物芯片产业化前景155
第二节探针芯片155
一、基因芯片155
二、蛋白质芯片157
三、细胞芯片158
四、糖芯片159
第三节组织芯片160
一、组织芯片技术对现代生命科学发展的意义160
二、组织芯片分类161
三、组织芯片发展史161
四、组织芯片技术的应用161
第四节微流控技术165
一、微流控技术及微流控芯片165
二、微流控芯片的制备166
第五节微流控芯片单元171
一、进样及样品前处理单元171
二、微混合和微反应单元171
三、微分离单元172
第六节微流控技术在生物医学领域的应用174
一、细胞培养174
二、PCR反应175
三、基因结构与功能研究175
第七节微液滴技术176
一、利用微流控法制备微液滴的方法176
二、微液滴的应用177
三、展望178
第七章生物医学传感器进展179
**节人体生理信号及其基本特征179
一、人体生理信号分类179
二、人体生理信号特点180
第二节传感器概述180
一、传感器定义180
二、传感器组成及结构181
三、传感器分类181
第三节生物医学传感器定义、作用及应用领域183
一、生物医学传感器定义183
二、生物医学传感器作用183
三、生物医学传感器在医疗中的应用185
四、生物医学传感器要求185
第四节生物医学传感器发展趋势185
一、集成化、微型化186
二、智能化190
三、多参数、多功能化191
四、光学传感器192
五、可遥控、无创检测193
六、新材料、新原理193
第八章生物医学信息技术195
**节生物医学工程中的信息技术与新兴交叉领域195
第二节计算生物学196
第三节生物信息学196
第四节系统生物学198
第五节合成生物学200
第六节生化系统建模与可视化200
第七节生化系统建模语言与优化203
第八节高性能计算与生化系统建模211
第九章介入医学工程213
**节介入医学概述213
一、介入医学简介213
二、介入医学临床技术214
三、介入医学发展趋势217
四、介入医学工程218
第二节介入医学工程相关器材219
一、栓塞材料219
二、穿刺器械219
三、成形器械219
四、支架成形器械220
五、相关介入专科使用器材221
第三节介入医学工程材料的研究现状与发展226
一、介入医学工程用高分子材料226
二、介入产品主要品牌231
三、介入医学工程发展方向232
四、典型临床案例233
第十章医学成像技术进展238
**节医学影像学与医学成像技术概述238
第二节投影X射线成像238
第三节螺旋CT进展241
一、螺旋CT的基本原理241
二、螺旋CT扫描排数的发展241
三、螺旋CT新技术242
第四节超声成像技术主要进展246
一、超声造影技术246
二、四维超声技术247
三、心脏斑点追踪技术247
第五节PETCT、PETMRI、PET
CTMRI的基本原理及其临床应用248
一、PETCT的基本原理及其临床应用248
二、PETMRI的基本原理及其临床应用249
三、PET CTMRI的基本原理及其临床应用251
第六节磁共振成像新技术253
一、弥散加权成像253
二、多b值弥散成像253
三、弥散张量成像254
四、扩散峰度成像255
五、磁共振灌注成像256
六、磁共振波谱成像257
第十一章脑科学258
**节神经系统的结构基础258
一、神经元258
二、神经胶质259
三、神经纤维和神经末梢259
四、突触259
第二节中枢神经系统的组成260
一、端脑260
二、间脑260
三、小脑260
四、脑干260
五、脊髓261
第三节神经元的电生理活动基础261
一、静息膜电位261
二、动作电位263
三、神经冲动的产生和传导265
第四节电生理技术268
一、电生理原理268
二、电生理基本装置269
三、电生理记录种类271
第五节脑科学研究新动态277
第十二章神经工程学进展280
**节神经工程学概述280
第二节脑 机接口技术281
第三节神经调控286
第四节光遗传学287
一、光蛋白发展历史288
二、光电极研制**进展289
三、光遗传学应用**进展289
第五节神经假体290
一、人工耳蜗290
二、人工视觉291
三、神经修复292
第六节神经机器人294
第七节神经信息学295
第八节神经工程的未来发展方向296
第十三章人工器官研究与应用进展298
**节人工器官概述298
第二节全人工心脏299
一、概述299
二、全人工心脏的发展史300
三、TAH的结构及作用机制301
四、TAH临床应用的经验和现状304
第三节心肺支持系统305
一、心肺支持系统概述305
二、心肺支持系统的组成306
三、心肺支持系统的临床应用与发展316
参考文献321
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| 內容試閱：
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**章生物医学工程学科发展与产业化
**节生物医学工程学概述
生物医学工程学（biomedicalengineering，BME）*初的发展是基于生命科学的发展和临床医学实践的需求，其内涵是应用力学、物理学、化学、数学等基础学科及电子学、光学、材料学、计算机科学、信息科学等工程技术学科的原理与方法来研究生物学和医学问题，定量认识生命现象和生物学过程中的基本规律，以此理解、改变或控制生物系统，提升人类健康保障与重大疾病诊疗水平。
紧随社会进步的步伐，生物医学工程学科及产业发展极其迅速。特别是从20世纪80年代末期开始，由于人类对自身健康的关注与需求不断增加及疾病谱的变化，对疾病诊断治疗技术及装备的要求越来越高。近50年以来，生物医学工程已深入到生命科学、临床医学的各个领域，从生命现象的发现到生物学过程的定量分析，从海量的组学数据分析到新药研制，从临床医学到基础医学，生物医学工程深刻地改变了生命科学和医学本身，而且预示着生命科学进步和医学变革的方向。可以说，没有生物医学工程就没有生命科学和临床医学的今天。生物医学工程是所有学科中发展*快的一个科学技术领域，取得了令人震惊的成就，并且仍然具有极其诱人的发展前景。
生物医学工程的概念*早源自H.von.赫姆霍兹，他率先提出“工程学将推动生物学和医学，尤其是通过用于测量和成像的仪器”的观点，预言了生物学、医学与工程学的紧密结合图1-1。“生物医学工程”一词正式出现于20世纪50年代，由美国电气和电子工程师协会（InstituteofElectronicandElectricalEngineering，IEEE）提出并初步定义为“应用工程学的原理和技术解决生物学和医学的问题”。随着医学影像学技术、人工器官、医学电子仪器等的快速发展，生物医学工程突破了技术的范畴，开始形成一门独立的学科，其核心内涵为“将工程学的原理和方法与生命科学的原理和方法相结合，认识生命运动的规律，以维护和促进人的健康”，确立了学科的主题和目标，建立了研究方法学的基本原则。图1-1生物医学工程学科交叉示意图
美国国立卫生研究所（NationalInstituteofHealth，NIH）于2000年定义生物医学工程：综合运用工程科学、物理学、化学、数学和计算科学的原理研究生物学、医学、行为科学与人类健康的一门边缘性、交叉性学科。学科的目标是进行从分子、细胞、组织、器官到整个人体系统多层次上的基础研究，形成和完善新的知识体系，致力于生物学、材料科学、过程控制、组织器官移植、仪器科学和信息学中相关的创新性研究，服务于疾病的预防、诊断、治疗、康复，提高人类健康水平。
生物医学工程学研究导致了如X射线计算机断层扫描（X-CT）、磁共振成像MRI、超声成像、患者监护和生化分析等大量新型临床诊断与监护技术、设备的出现和普及；种类繁多的激光和电磁治疗设备提供了新的治疗和外科手术手段，并推动了家庭保健的开展；人工心脏起搏器和人工心脏瓣膜正在挽救和维持着世界数百万心脏病患者的生命；人工肾等血液净化技术维持着数十万肾衰竭患者的正常生活；人工晶体、人工关节和功能性假体等已广泛用于伤残人的康复和功能辅助；生物力学的研究加深了对严重危害人类健康的动脉血管硬化和血栓形成机制的认识，为心、脑血管疾病的防治和人工心脏瓣膜、人工血管等人工器官的设计提供了依据；计算机和信息技术在医学和临床上的扩大应用，正在从根本上改变着医院的面貌。我国科学家还将现代工程方法与中医相结合，进行了中医四诊客观化、中医专家系统和中医经络的初步研究，为中国传统医学的新发展注入了活力。现代医学的进步是和生物医学工程学的发展分不开的。
同时，生物医学工程学是医疗保健性产业的重要基础和动力，医疗器械和医药工业同生物医学工程学的研究与应用有着*直接的联系，它所带动的产业在国民经济中占有重要地位。例如，美国每年生物医学工程学带动的产业就高达数百亿美元。各国在生物医学工程研究方面的投入，随着生活水平的提高而逐年增加。这门学科面临着众多的新课题，许多成果又有着极好的产业化前景，因此生物医学工程学被称为朝阳学科。
当前，生物医学工程学科无论在广度上还是深度上都有了巨大进展，早已不可同日而语。就深度而言，已经超越了为生物学和医学提供解决问题的方法、手段和工具的范畴，而是融入生命科学、医学当中，成为其不可或缺的一个组成部分。例如，在生物力学（biomechanics）领域，随着应力-生长关系的发现，深刻揭示了力的作用在生命体各个层次生长、发育过程中，乃至地球生命演化过程中是一个更为初始的信息系统，从而推动传统的生物力学向力学生物学转变。随着21世纪的到来，医学模式也在发生深刻变化，已经进入以个体化医疗为基本特征的新时期，“临床医学工程”的发展即为明显标志，它将基础医学、医学工程技术、临床专家经验（借助于知识工程技术）三者紧密结合起来，直接为患者的诊断和治疗提供服务，已经形成生物医学工程的新领域。
另外，生物医学工程是因人类健康需求而发展起来的科学技术领域，其多层面、多方位的社会需求和学科属性决定了生物医学工程必然是一个广覆盖、深交叉、快速发展、多变化的学科图1-2。其分支学科或分支技术领域的界定是十分困难且相当模糊的，大体上可以将其划分为四大技术领域。
图1-2生物医学工程学科领域
（1）以电子、电气工程技术和信息科学技术为基础，以观测、分辨组织、器官结构和形态系统功能等为主要目标，如医学影像、医学信息技术、数字化医疗、神经工程等。
（2）以生物材料和生物力学为基础，结合生物技术、细胞生物学、分子生物学、发育与再生生物学等，以认识人体生理系统、器官、组织、细胞等生命体的结构-功能关系，进而修复损伤，重建功能，以达到修复损伤、增进健康的目的。人工器官、组织工程、再生医学工程、细胞工程、介入医疗工程、康复工程、行为工程等可归属于此领域。
（3）以生物化学和生物技术为基础，结合微电子、微制造技术，以识别、调控人体生命活动的微细变化等为目标。包括生物信息学、生物传感器、生物芯片、微流控技术、生物微机电系统等。
（4）以物理因素的生物学效应为基础，运用系统工程原理和方法，实现特定的医疗保健目标。包括放射医疗工程、超声医疗工程、激光医疗工程、核医学、生物磁学、生物电学、生物医学光子学等。
第二节生物医学工程学科发展历程
20世纪初，化学、生理学、药理学等基础学科飞速发展，形成了各学科紧密结合、交叉渗透的发展氛围，特别是物理学的各种新发现促使医学研究产生质的飞跃。1903年Einthoven设计出**台心电图机，测量到心跳过程中所产生的电流变化。这一发明不仅为心血管医学，还为电测量技术开创了一个新时代。同期，X射线的发现对临床医学的发展意义*为重大。1895年Roentgen首次发现X射线，从此人体的秘密就开始向医学检查敞开大门。开始时，X射线主要用于骨折和脱臼的诊断。很快X射线机这个新设备就在美国很多医院得到大力推广应用，并由此形成独立的放射科。20世纪30年代，随着钡盐等各种X射线不能穿透的物质的发现与应用，X射线机几乎可以将人体所有器官可视化、图像化。X射线成像技术的发明极大地提高了医生的诊断能力，使其能够正确判断各种疾病与损伤，并直接导致医学影像学的形成。1926年德国物理学家布希Busch发明电子显微镜，在20世纪50年代开始应用于医学，极大地推进了对细胞及亚细胞结构的可视化，这类技术的应用使人类开始进入原子时代。1927年Drinker发明呼吸机，1939年创建心肺分流术（heart-lungbypass）——心肺搭桥，20世纪40年代开发心导管及心血管造影术（cardiaccatheterizationandangiography），利用细小的导管将造影剂注入心脏和肺部血管及瓣膜，用于正确诊断先天性和获得性心脏病。这些技术开辟了心血管外科手术的新纪元。1947年实现生物无线电遥测技术测定心电、脑电信号。第二次世界大战简称二战中出现了很多先进技术，在通信、自动化技术、核技术、生化、超声等领域取得快速发展。二战后，大批科学家转入了造福于人类健康的学科。1948年出现了**台超声诊断仪，1958年发明可植入式心脏起搏器。20世纪50年代，**例肾移植手术获得成功，生物医学材料和人工器官开始研制与使用，如硅橡胶、聚氨酯材料，人造器官如人工肾、人工肺、人工心瓣膜、人工晶体等先后在临床应用。伴随着计算机技术的发展，1963年美国物理学家Cormack将图像重建数学理论应用于放射医学研究。1972年英国工程师Housfield在美国科学家Cormack的研究基础上发明了X射线计算机断层扫描仪（X-rayscomputedtomography，X-CT）。1979年Housfield和Cormack获得诺贝尔生理学或医学奖。1973年美国科学家劳特布尔和英国科学家曼斯菲尔德研制出临床实用的磁共振成像仪（magneticresonanceimaging，MRI），同时成功开发的医疗器械（仪器）还有心脏起搏器、高频电刀、激光刀、X射线刀、超声刀、医用电子直线加速器等。早期的生物医学工程也称为医学工程学medicalengineering，综合运用数理科学原理和现代工程技术，致力于研究与解决基础医学和临床医学问题。
随着经济社会的发展和世界政治格局的变迁，世界科技中心也逐步从欧洲转移到美国。自1930年以来，先后有80多位美国科学家获得诺贝尔奖。表1-1中列举了与生物医学工程技术领域密切相关的历届诺贝尔奖获奖情况，这些研究成果的绝大多数都直接推动了科学技术的临床应用，促使复杂的外科手术技术快速发展。表1-1直接应用于生物医学工程领域的历届诺贝尔奖及获奖成果物理学奖生理学或医学奖1901年，W.C.伦琴德国
发现伦琴射线X射线
1911年，A.古尔斯特兰德（瑞典）从事有关眼睛屈光学方面的研究1902年，H.A.洛伦兹荷兰；P.塞曼荷兰塞曼效应的发现和研究
1924年，W.爱因托文（荷兰）发现心电图机制1927年，A.H.康普顿美国发现康普顿效应
1932年，C.S.谢林顿；E.D.艾德里安（英国）发现神经细胞活动的机制1943年，O.斯特恩美国
测定质子磁矩
1956年，A.F.库南德；D.W.理查兹（美国）；W.福斯曼（德国）开发了心脏导管术1944年，I.I.拉比美国
用共振方法测量原子核的磁性1961年，G.V.贝凯西（美国）确立“行波学说”，发现耳蜗感音的物理机制1953年，F.塞尔尼克荷兰
论证相衬法，特别是研制相差显微镜
1979年，A.M.科马克（美国）；G.N.蒙斯菲尔德（英国）出现了用电子计算机操纵的X射线断层扫描仪（简称扫描仪）1964年，C.H.汤斯美国；N.G.巴索夫苏联；A.M.普洛霍罗夫苏联
在量子电子学领域的基础研究导致了根据微波激射器和激光器的原理构成振荡器和放大器；制造用于产生激光光束的振荡器和放大器；微波激射器和激光器2003年，保罗 劳特布尔（美国）；彼得 曼斯菲尔德（英国）
在磁共振成像技术上获得关键性发现，*终导致磁共振成像仪出现
1972年，J.巴丁美国；L.N.库珀美国；J.R.斯莱弗美国提出所谓BCS理论的超导性理论
1973年，B.D.约瑟夫森英国；江崎岭于奈日本；I.迦埃弗美国
关于固体中隧道现象的发现，预言了超导电流能够通过隧道阻挡层即约瑟夫森效应；发现半导体中的隧道效应；发现超导体中的隧道效应续表物理学奖生理学或医学奖1986年，E.鲁斯卡德国；G.宾尼瑞士；H.罗雷尔瑞士
电子物理领域的基础研究工作，设计出世界上**台电子显微镜；设计出扫描式隧道效应显微镜1992年，J.夏帕克法国
粒子探测器特别是多丝正比室的发明2003年，阿列克谢 阿布
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