| 生物医学工程技术的现在与未来 |
| 作者:admin
来自:中国医疗设备网 时间:2005-5-31 |
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一、 前言
生物医学工程技术的历史至少可以追朔到100年前伦琴射线的发现和X射线机的问世，其形成与发展的模式基本上可归纳为：通过工程技
术手段把物理、化学以及技术科学中新的技术、原理、方法应用于研制医疗装置、满足临床诊治的需要。随着科学技术进步、新的物理、化学方法和工程技术不断被应用于医学，医用产品越来越多，相应的工业越来越发达，到二十世纪末已发展成为代表一个国家科技进步和国民经济现代化水平的，具有高增长率、包含了大量高新技术的以医疗器械产品为主的生物医学工程产业（通常又称作医疗器械产业）。由于发展势头蒸蒸日上，被许多国家誉之为朝阳工业。90年代以来，全球医疗器械产品销售总额增长率保持在6％－10％之间，产品的国际贸易额每年以25％的速度增长，销售利润达40％－50％ ，目前全球年销售额在美元1700亿以上，美国约占40% 。
产业的发展又反过来激励生物医学工程学本身不断的高速向前发展，由于各学科的新成果不断融入，于是突出的成为众多先进技术聚集的边缘学科。特别是当代生命科学和信息科学两大前沿学科的发展，更是直接影响到生物医学工程技术与医疗器械发展的现在和未来。现代电子技术、计算机技术、信号与信息处理技术已是现代生物医学工程技术与医疗仪器设备的核心技术，生命科学中基因工程和干细胞工程的最新进展，则为生物医学工程和医疗器械的未来展现了更为广阔的前景。
二、进入21世纪的生物医学工程技术与医疗器械
当代生物医学工程技术中最具代表性的技术是：数字医学影象技术；物理外科手术技术；电生理参数检测与监护技术；临床检验、分析与分子生物学技术；医学网络与信息系统。本章着重介绍一下相关的医用电子学技术。
1、数字医学影象技术：
（1）X-CT：是根据人体组织对外源性X线的不同吸收程度，来判断人体组织器官结构变化的成象设备。已有近30年历史，技术上发展很快，由笔型束到锥型束、环型扫描到螺旋扫描、单层螺扫到多层螺扫，几乎2-3年就更新换代一次，目标是高速、清晰、方便。现已出现第5代电子束CT。新型CT不仅图象清晰而且有较强的图象存储能力和较高的三维重构速度；此外移动式CT是一个新的发展动向，它可用于术前诊断、术中监视、术后检查，对心脑血管病的诊疗和手术有重要的临床意义，目前已有较高水平的产品。
(2) MRI：对软组织病变的发现比X-CT要敏感。有利于颅脑、脊椎等部位病变的早期发现，磁场强度一般在0.1-4T,目前产品有低场(<0.5T)、中场(1T)、高场(>1.5T)三类，低场开放式和高场(1.5T以上)MRI，现在较受医院欢迎。此外新出现的FMRI 能提取脑部非特异性代谢功能信息，进一步扩展了MRI的用途。
(3) US：由于其无创、实时，被广泛用于体检普查、临床诊断、定位以及手术导航等。代表当前水平的产品是全数字化多功能彩超，融入了宽带、高密度探测、全程动态聚焦、谐波成象、快速三维重构等新技术。
(4) PET SPECT：是核医学发展进入影象阶段的产物。是利用核技术实现功能代谢成象的技术设备，可探测人体内物质（或药物）代谢的动态变化状况，从而能显示肿瘤生长状况。其中PET代表了核医学技术的最高水平，但由于病灶难以准确定位、而且造价昂贵，因此只有很少数的大型医院装备。2000年10月美国研制成功PET和CT相结合的最新产品，能同时较精确的显示人体组织器官解剖学详情和代谢过程，从而有助于获得更加直观、有效、准确的临床诊断效果。
(5) DR：指数字化X线设备。优点是：辐射剂量低（可下降30%-70%），分辨率高，可数字化传输、存储实现无胶片化。具体设备有CR（Computer Radiography）和DDR(Directly Digital Radiography)两种。CR（计算机放射影像技术），采用一种特殊的磷影像板取代传统暗盒，将影像采集间接数字化。DDR（直接数字化放射影像技术），不需人工直接干预，通过某种形式，直接把透过受检者的X射线，转换成能用计算机显示出来的数字化图象，并能在计算机中存储、显示。X射线设备是各类医院都必须装备的基本诊断设备，目前用的大都是模拟式设备，数字化是其发展的必然趋势。
(6)医学影像的后处理技术：现代医学影象技术的成就，极大的促进了医学图象处理技术的高度发展，并获得了广泛的应用。如：图象滤噪、图象分割、三维重构等技术，可用于提高各种影象设备临床应用的有效性；图象配准和融合技术，可把具有不同功能的不同模式影像表达在同一幅图像中，使医生能对患者的病灶，从形态学和代谢功能两个方面进行全面的判断，从而有助于大大提高临床诊断的有效性；图象无损压缩可用于高效传输和存储；虚拟现实技术，可用于手术计划和导航；以及虚拟人体可视化技术等等。由于医学影象的信息提取与应用问题相当复杂，有大量的技术难题有待电子及信息技术领域的学者去解决，因此近些年医学图象处理一直是国内外的热点研究领域。
2、高能物理治疗技术：
（1）放疗与立体定向放射外科手术
立体定向放射外科是50年代Leksell教授提出的。
*Υ刀：1967年Leksell等设计制作了第一台Υ刀，经多年改进试用，于89年才通过FDA审查进入市场。主要用于神经外科。目前Υ刀产品主要由瑞典ELEKTA公司生产，其主体结构是个半球形金属屏蔽系统，其中排列了201个钴60放射源，发出的Υ射线经准直器校正后，形成窄光束聚焦于半球中心。90年代我国奥沃公司在瑞典静态Υ刀基础上研制出旋转式Υ刀，采用旋转聚焦原理，将30个可旋转照射的钴60源，围绕靶点中心安装在半球形壳体上，治疗时每个源体均以病灶为中心作锥面旋转聚焦运动，将病灶"切除"。
*X刀：50年代产生的直线加速器，是采用微波电场，将电子加速到高能产生高能X射线和电子线用于治疗的设备。X刀的基本思想是将立体定向手段与直线加速器相结合。目前的X刀多采用可旋转的直线加速器放射源围绕等中心点作270-360度旋转，不同的立体定向框架可适用于不同部位的治疗。
*粒子刀：Υ线和X线均属高能光子，粒子刀采用的是荷电粒子，它所具有的物理特性是能在组织深部形成一个高剂量区（Bragg峰），有利于深部肿瘤治疗。主要有质子刀和重粒子刀，技术先进、造价昂贵，90年代以来才有一些发达国家用于临床治疗和研究。
（2）超声治疗技术
20世纪80年代以来，超声诊断的发展进入了黄金时代，随之而来的超声治疗，将成为21世纪医学超声发展的重点。正如1998年第16届国际声学会议（ICA）主席，著名声学家L.A.Crum教授在大会报告"治疗超声"中所指出的：超声在治疗中的应用将会有更大的前景。并指出若干重要的研究课题，正在世界范围内取得进展，例如高强聚焦超声、超声体外碎石、超声止血等。
超声治疗主要靠：碎裂效应（极高的加速度）；空化效应（液体中气泡，在超声波作用下被激活产生震荡、收缩、崩溃等过程，释放能量，破坏周围细胞组织）；止血效应（使生物组织脱水生成氧，导致微血管收缩）；超声热效应。
近20年来超声外科兴起，开辟了一个强超声治疗技术的新领域。其代表性的进展表现在超声外科手术刀（20～30kHz），超声体外碎石机（1～2MHz）、无创性高强聚焦超声外科（0.5-4.5MHz）等方面。其中外科手术刀主要有切割型、抽吸型和去脂型三种类型手术刀。前两种已在脑外科、腹外科、胸外科、心血管外科、妇外科、眼外科，整形外科获得广泛应用，后一种利用超声波的"空化效应"和微振作用在去脂减肥方面获得重要应用。
（3）电磁波热疗技术
主要是利用微波（2450、915、433MHz）、高频（几MHz到几十MHz）、射频（100-1000KHz）的生物热效应，在生物组织产生高温达到治疗目的。
组织温度 人体组织变化 作用结果
100°C以上 生烟、尘、渣 汽化
90-100°C 皲缩 干化
65-90°C 变灰 蛋白质破坏
60-65°C 变白 凝固
37-60°C 外观无明显变化 细胞、生物大分子
和代谢显著变化
41.5-43°C 无变化 癌细胞不可逆损伤
治疗方式有：体外温热治疗；体腔温热理疗或热凝治疗；介入治疗（如心脏消融）；微创（如多电极射频或微波热凝治疗）；有创手术治疗等。
（4）高能肿瘤热疗技术
恶性肿瘤的临床治疗，目前仍然主要依靠手术、放疗、化疗三大治疗技术，放化疗的严重副作用、对免疫功能的破坏，是人所共知的，因此对人体损伤较小的热疗技术一直受到人们的关注，但由于治疗技术还不够完善，目前尚处辅助治疗地位，近些年来技术有了新的进展，前景甚好。
* 生物学研究
80年代：主要研究加温43°C的生物学模式，偏重肿瘤细胞热杀灭及放、化疗增敏。
90年代：主要是对亚高温（40-41°C）热生物学及不同细胞热敏性、热耐受，热疗与凋亡，热剂量学等的研究。
2000年：主要是热生物学分子水平的研究。包括免疫与热疗，基因与热疗，HSP（热休克蛋白）的研究。
*热疗设备
80年代初期：微波、射频。设计重点是加热物理与辐射器。这一代产品至今临床应用甚广。
80中-90年代初：依照SAR（比吸收率）分布，设计和改善辐射器性能。代表性产品有RF8（日）和BSD1000（美）。
90中-2001年：体外高强聚能超声热疗系统，大功率射频热疗系统，高功率微波热疗机，多元微波系统（BSD2000）等。
我国近代产品：重庆、北京、深圳的高强聚能超声热疗机；吉林迈达的双频射频热疗机和深圳先科的射频热疗机；湖南舒泰UHR-2000微波热疗机；等。
*进入21世纪的热疗
①区域/全身长时间低高温治疗（40-41.5°C/2h）。全身低高温+免疫治疗 前景良好。
②热化疗。术中、术后腹腔热灌注化疗。
③基因/免疫（HSP） 治疗与热疗的结合。
④腔内热疗是我国热疗的特色。在食管、宫颈、鼻咽、直肠治疗方面获得明显疗效。
⑤治疗方式多元化：汽化，固化，微创介入凝固治疗，常规热疗（43°C），亚高温（40-41°C）全身热疗等。
*各类高能热疗的特异性
体外超声聚焦，焦斑小对非治疗部位损伤少，但超声波束不能穿透带空腔的器官和骨骼，骨骼对超声能量有严重的吸收。
射频与高频，由于能作用到机体组织的深部，在临床上应用较多，但脂肪对射频能量有较强的吸收作用，从而造成患者疼痛，使应用受到限制，特别是几MHZ到20MHZ更为严重。
微波热疗，由于使用安全，且易于控制而受到重视，但由于作用深度受限，主要用于浅表部位的治疗。如何提高加热深度是大家共同关注的问题。此外，腹腔脏器对微波能量吸收敏感，而且散热功能较差，易造成损伤。
3、高度发展的电生理检测设备与监护技术
以微机为核心的数字化电生理检测设备，正在逐步取代传统的模拟设备，例如新一代的六道、十二道心电图机，无纸描记脑电图机等不仅能精确的测出心电、脑电图波形，而且带有分析功能，测试结果可存储和直接通过网络传输，精度高、使用方便。数字化与检测、分析相结合是现代化电生理检测仪器发展的重要趋势。
监护仪是一种需求日益增长的、临床急需的设备。过去主要用于危重病人监护，如心电监护仪主要装备ICU、CCU病房，目前已向普通病房伸展，基层医疗单位和社区医疗的发展也提出了新的需求。90年代以来，发展十分迅速，监护技术的临床应用范围不断得到扩展，在设备方面，由于微机技术及OEM生产方式的引入，科技水平和生产水平大为提高，目前正进一步向智能化、网络化方向发展。目前，常用的监护仪有：多导生理监护仪（血压、血氧、心电、心率、阻抗呼吸、体温），24小时动态监护仪（心电、脑电），手术监护设备，母婴监护仪，胎儿监护仪，睡眠监护仪等。应用方式有：床旁监护，中央监护，远程监护，动态监护，家庭监护等。
4、整体优化的TMS方案
TMS（Total Medical Solutions）方案，是围绕一个医疗目标，将分散、独立工作的相关设备，优化组合构成一个仪器系统。目的在于把需要的诊断、治疗技术进行整合，构架成一个完整体系，以获得最佳医疗效果。例如目前已有的心脏病学科TMS方案：它包括12导心电图机、运动负荷测试系统、动态心电诊断系统、CCU中央监护系统，由中央心电管理系统进行统一管理；并包括有由肺功能测定仪、动态血压诊断系统、脉氧仪以及除颤起搏监护仪构成的日常检测、救护仪器系统。从而能对一个心脏病人进行全面诊治。
5、医学信息系统（现代医学工程与IT技术相结合的产物）
（1）PACS-DICOM-IHE
* PACS(Picture Archiving and Communication System)数字图象归档与通信系统，是一个建立在计算机、网络、信息等技术基础上的管理医学图象的综合系统。
* DICOM3.0 ( Digital Imaging and Communication in Medicine,3.0) 是为解决不同厂商生产的医学影象设备能上网互连而推出的医学数字图象通信标准，由美国放射学会ACR和国家电子厂商协会NEMA于1993年制订。DICOM3.0不仅解决了PACS的标准化问题，也为与医院的管理信息系统HIS/RIS系统互连提供了共同的接口标准，目前已成为国际公认的设备互连和系统互连的标准。
* IHE(Integrating the Healthcare Enterprise)集成医疗机构，目的在于对医院各种医疗设备和系统进行集成，实现信息资源整合和综合利用。 DICOM只规定了设备和系统间信息交换的内容和协议， IHE则要解决医学信息系统集成的技术框架问题，并对设备与系统的集成作出具体、明确的规定。
（2）远程医疗
远程医疗主要解决跨地区的医学信息资源最佳整合与利用，以及边远地区的诊疗问题。能使医生实时、在线的对异地病人进行会诊、监护、咨询、指导治疗，可在自己的计算机上直接对异地病人资料进行采集、查阅、编辑，并可以通过计算机，与二位以上的同行对同一记录资料进行讨论研究，作出判断，提出医疗指导性建议。
三 21世纪医疗器械发展的展望
1、十年医疗器械发展的预测
今后的医疗器械将继续在医学诊断、手术、监护、康复等方面获得更大发展，总趋势是向：器械智能化、简易化；保健转向家庭；生物、物理、工程设计领域交叉融合；提高临床诊断精确性方向发展。美国FDA专家预测未来十年以下6个方面将有较大发展：包括计算机辅助诊断、智能器械、生物传感器、机器人、网络等在内的计算机相关技术；分子医学；家庭与自我保健；微创方法；器械/药物结合的产品；人工器官移植/辅助装置及组织工程组件等。
（1） 机器人外科与微系统技术：
机器人外科是指外科医生应用机器人去完成某些精确的外科任务，而非用机器人取代外科医生。
1） 手术规划导航与辅助操作：
①规划导航：是以计算机图形学方法为手段，以X-CT、MRI、DSA等医学影象为基础，构造病体内部的三维结构。其作用表现为：
*勾画病灶轮廓，确立手术了解路径；
*在三维图象上作仿真操作；
*手术过程中观察器械在人体组织中的位置，获取器械周边组织信息。
②辅助手术操作：将手术方案的技术参数，从规划导航系统传送给机器人控制器进行手术操作。
2） 微系统技术：是微电子、计算机技术和精密机械相结合的高新技术。主要用于微创诊断和治疗。
微型机器人实际是可以进入人体或植入组织的微型诊断探头和微型治疗执行器。可望在很难进行手术的部位，如心脏、血管、脊椎等完成有效的手术。目前在内窥镜诊疗中已获成功，进展较快。
目前的研究课题主要集中在：神经外科、矫形外科、脊椎外科、修复外科、显微外科和相应的微系统设备研制上。
（2）纳米材料与纳米医学
1) 纳米材料 ： 是晶粒<100nm的单晶体或多晶体材料。所有纳米材料都具有三个结构上的特点：纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米量级；具有大量的界面或自由表面；各纳米单元之间存在或多或少的相互作用。 纳米材料结构上的特殊性带来了一些独特的效应，使性能发生巨大变化，表现出许多优越的性能和全新的功能。其独特的效应包括：小尺寸效应；表面与界面效应；量子尺寸效应和宏观隧道效应等。纳米材料包括有：纳米无机材料、纳米聚合物材料、纳米金属材料、纳米半导体材料、纳米复合材料等。 纳米材料已在许多领域展现出广阔的应用情景。在生物医学领域可应用于生物材料、人工器官、介入性治疗、药物载体、血液净化、生物大分子分离等方面。
2) 纳米医学：是指制造和利用纳米结构与纳米级装置，在分子水平上诊断、防病、治病的技术 。纳米医学目前在能适时准确释放药物的智能药物、相当于超小型纳米泵的人工红细胞、纳米颗粒药物、能捕获病毒的纳米陷阱以及利用化学能作机械功的分子马达等方面有了一些初步进展。
总的来说，纳米技术目前尚处研究阶段，离实际应用还有较大距离，但前景远大。
（3） 生物芯片
1）分子电子器件：80年代初美国海军实验室Carter等一批科学家，试图把有机功能分子或生物活性分子进行组装，构建成微功能单元，实现信息的获取、储存、处理和传输功能，研制仿生信息处理系统和生物计算机，从而产生?quot;分子电子学"研究方向。目前的进展是分子开关、分子储存器、分子导线、分子神经元等分子器件，以及基于DNA 或蛋白质等分子计算的实验模型已获得阶段成果。
2）微型多参数生物传感器：是在一微小基片的表面固定大量的分子识别探针（或构建微分析单元和系统），实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其他生物组织，准确、快速、大信息量的筛选或检测。
3）基因芯片：是一种最重要的分子芯片，实际它是DNA微阵列芯片，它集成了大量密集排列的基因探针，通过与被检测的核酸序列，互补匹配，进行序列测量。
（4） 组织工程组件
*组织工程学：旨在应用生命科学和工程学原理，研制能够修复和改善，损伤或缺失组织功能的人造组织或器官。组织工程又可称之为人体再造工程，设想"医院犹如一个人体配件工厂，可为病人更换功能衰竭或缺失的组织、器官"。
*基本原理和方法：将体外培养和扩增的正常组织细胞接种到生物相容性良好的可降解支架材料上形成复合体，植入到机体组织、器官病损部位，移植细胞在支架材料降解吸收过程中，形成具有形态和功能的全新组织或器官，达到修复创伤和重建功能的目的。研究核心是：建立细胞和生物材料构成的有三维空间结构的复合体。
*目前进展：国外，骨骼、软骨、血管、皮肤、乳房、神经组织等进入体内实验阶段。人工膀胱、肝脏、胰岛、肾脏等器官的再造研究已获得明显进展，并开始研制人工心脏。国内，人工肌腱、软骨、骨、皮肤、角膜等已有成果。
*干细胞工程的新进展为组织工程提供了一个新的重要发展前景。
2、生命科学的发展以及生物医学工程与生物技术的结合
纳米技术的产生和发展，使当代物理学与工程学的研究开始伸入到纳米量级，而分子生物学的发展则使生物学的研究由细胞层次全面进入了分子层次，大大的推动了生命科学的发展进程。生命科学的两大工程学科--生物技术和生物医学工程，有了更大的发展和更多的交叉：分子生物学在生物医学工程和医学临床应用中的地位和作用日益增大，医用纳米技术在生物技术中也开始获得应用。例如基因检测技术在癌症早期诊断方面已发挥了初步作用；皮肤干细胞治疗烧伤、血液干细胞治疗白血病则已取得显效；将纳米级膜用于阻挡生物排异现象的研究已有初步进展等。
生命科学两大热点基因工程和干细胞工程取得的惊人成就，对人类发展的未来走向和科学进步将产生深远影响，并对生命科学的两大工程学科--生物技术和生物医学工程的未来发展有直接的影响，。
2000年6月26日各国科学家公布了人类基因组工作草图，2001年2月12日中、美、日、德、法、英等六国科学家和美国塞莱拉公司联合公布了人类基因组图谱及初步分析结果，首次揭示了人类基因组的细节和面貌，把生命科学的研究进一步推向纵深。与此同时开始了更艰巨的"后基因组计划"研究，重点转向确定基因结构与功能的关系以及基因技术的应用上，医疗保健领域的应用是其最主要的目标之一，基因诊断、基因疗法、基因药物的开发将对未来医学和生物医学工程的发展产生重大影响。
1998年以来干细胞的研究取得很大进展，干细胞是一种具有全能和多能分化潜能的特种细胞。2001年11月25日美国Advanced Cell Technology公司宣布：他们已成功的克隆出能供医用的人体胚胎。它是采用体细胞克隆技术，用人的体细胞克隆出早期胚胎，在实验室发育几天，然后阻止它继续发育，从中提取胚胎干细胞。由于这种胚胎干细胞，有可能在体外培育出与提供细胞的病人遗传特征完全相同的细胞、组织、或器官，用于治疗白血病、帕金森氏症、心脏病以及损坏器官的修复和置换等，而不会受到排异反应和器官来源的限制。也就是说，可利用基因克隆和干细胞技术实现"再生医学"和组织工程的目标。显然它对未来医学和生物医学工程发展的影响也将是巨大的。
当然，基因工程和干细胞技术的主要成果真正用于医疗，目前还有许多工作要做，还有大量基础性的科学问题需要解决，它对生物医学工程的未来会产生怎样的影响，也尚难作出全面估测，但前景将是非常好的。 |
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