臨床工程

生物醫學工程學是從20世紀50年代開始，隨著電子學、材料學、工程力學、信息科學和電子計算機等多種學科的進步並廣泛套用於醫學和生物學領域而形成和迅速發展起來的。生物醫學工程學已經成為醫學和生物學現代化的重要條件。

基本介紹

• 中文名：臨床工程
• 全名：生物醫學工程學
• 發展時間：20世紀50年代
• 歸屬：醫學和生物學

工程介紹

生物醫學工程學研究導致了如X射線計算機斷層掃描（XCT）、磁共振成像(MRI)、超聲成像、病人監護和生化分析等大量新型臨床診斷與監護技術、設備的出現和普及；種類繁多的雷射和電磁治療設備提供了新的治療和外科手術的手段，並推動了家庭保健的開展；人工心臟起搏器和人工心臟瓣膜正在挽救和維持著世界數百萬心臟病患者的生命；人工腎等血液淨化技術維持著數十萬腎功能衰竭病人的正常生活；人工晶體、人工關節和功能性假體等已廣泛用於傷殘人的康復和功能輔助；生物力學的研究加深了對嚴重危害人類健康的動脈血管硬化和血栓形成機理的認識，為心、腦血管疾病的防治和人工心臟瓣膜、人工血管等人工器官的設計提供了依據；計算機和信息技術在醫學和臨床上的擴大套用，正在從根本上改變著醫院的面貌。我國科學家還將現代工程方法與中醫相結合，進行了中醫四診客觀化、中醫專家系統和中醫經絡的初步研究，為中國傳統醫學的新發展注入了活力。現代醫學的進步是和生物醫學工程學的發展分不開的。

同時，生物醫學工程學是醫療保健性產業的重要基礎和動力，醫療器械和醫藥工業同生物醫學工程學的研究與套用有著最直接的聯繫，它所帶動的產業在國民經濟中占有重要地位，例如，美國每年生物醫學工程學帶動的產業就達數百億美元。各國在生物醫學工程研究方面的投入，隨著生活水平的提高而逐年增加。這門學科面臨著眾多的新課題，許多成果又有著極好的產業化前景，因此生物醫學工程學被稱為朝陽學科。

DR體檢車

本次展示了2種車型：12米車和6米車。12米車為綜合體檢車，車上設定7個檢查項目，有X線檢查、B超、婦科、身高/體重、聽力、視力/眼底、生化檢驗；6米車是單純國產數位化X線體檢車，對現場觀眾開放實時檢查。檢查的同時可以把採集的圖像通過寬頻或ADSL傳送到遠程會診中心，由專家進行診斷後將結果發回。

腦控電話

本項互動演示了如何通過腦電波，撥出一個電話號碼。參展觀眾提供一個自己的手機號，操作者通過注視一個虛擬鍵盤上的數字，不需要任何肢體動作，就可以用思維撥響觀眾的這個手機。

清華大學生物醫學工程系的這項研究在國際學術界被稱為“腦－機接口（Brain-Computer Interface）”。此項技術通過實時記錄的人腦的腦電波，在一定程度上解讀人的簡單思維，並將其翻譯成控制命令，來實現對計算機、家用電器、機器人等設備的控制。這項研究最初的想法是幫助那些喪失了運動能力但大腦功能正常的殘疾人，讓他們通過這樣的系統用自己的思維直接操控輪椅、假肢，甚至使用計算機。

雙眼競爭

本項互動演示了基於PC機的雙眼競爭測試平台利用“雙眼競爭”這一正常的視生理現象來評價大腦信息處理的速度。此次演示活動中，測試結果有效地反映了不同年齡段受試者在競爭速率上的差異。

雙眼競爭是給觀察者雙眼呈現不同圖像，觀察者看到兩個輸入圖像交替出現的現象。其測試系統的主要功能是記錄實驗過程中雙眼交替占優的過程，對交替占優的時間段給出分布圖，並通過計算競爭速率等參數對雙眼競爭情況給出評價。雙眼競爭的評測參數可以反映受試者意識狀態或老年痴呆患者痴呆程度；並可作為診斷和評價雙相性精神障礙（俗稱躁鬱症）等疾病病情的輔助手段。雙眼競爭中知覺體驗的交替速率可能反映了人的清醒程度。

中國完成首例轉人類基因動物器官移植手術

中國首例轉人類基因動物器官移植手術昨日武漢同濟醫院成功完成。

在該醫院實驗室里，一隻剛剛完成心臟移植手術的獼猴活蹦亂跳，它的體內跳動的是中國第一顆攜帶人類基因的豬心臟。心電檢查顯示，一切正常。

研究人員稱，這將可能給人類帶來福音。據了解，器官供體缺乏一直是困擾器官移植界的世界性難題。動物器官移植人體後往往發生排斥作用，若將人體基因轉移到動物體內再進行移植，則可能大大減輕這種排斥。

世界上首例轉基因技術的移植成功於四年前。武漢同濟醫院等單位自一九九六年即開始了此項研究，先後完成了轉基因的構建、移植等一系列難題。

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我國人工器官領域新進展

發布時間：07-11-15

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隨著植入醫學與替代醫學的發展作為替代和部分替代人體病損器官、器件和組織以及輔助器官功能的人工器官，已經成為二十世紀醫學進展的標誌性成就之一。近年來，臨床對其需求量迅速增長。美國食品與藥品管理局預測未來十年生物醫學工程產業39項新產品中，涉及人體器官、器件和組織替代的人工器官產品幾乎占50%。目前已有超過50個品種的人工器官產品用於臨床。從天靈蓋到腳趾骨、從人體的內臟到皮膚、從血液到五官，除了腦及部分內分泌器官外，幾乎都有了替代的人工器官，其產值約占全球生物醫學工程產業的15%。由於源於人體的同種移植來源有限，同時器官移植尚需解決免疫問題，以至於即使象美國這樣的已開發國家，還利用世界資源，也僅有不足20%器官、器件和組織缺損的患者得到及時治療。因此，人工器官包括近年發展起來的組織工程產品是未來發展的必然趨勢。經過近五十年的努力，我國人工器官領域取得了長足的進步，除大腦外，對人體各系統器官都在進行人工器官的研究，國際上最新的人工器官產品在我國都有臨床套用，一大批擁有自己自主智慧財產權的人工器官產品實現了產業化並在臨床推廣套用。

輔助裝置研究

目前終末期心衰患者的最有效治療手段仍然是心臟—自然或人工心臟移植。由於存在供體缺乏、供體保存、免疫排異和社會倫理認識等方面的問題，自然心臟移植很難滿足臨床需要，發展人工心臟輔助裝置（Artificial Heart Assistant Device,AHAD)已成為解決這些問題的主要方法。

自93年始，首都醫科大學附屬安貞醫院課題組藺嫦燕等以國際90年代才逐漸開展的電動植入式AHAD為研究起點，先後系統地研製了植入離心式、磁耦合軸流式、螺旋式和機電一體式AHAD。在研製過程中，採用相同直徑但葉片數不同的葉輪設計解決了左、右心同時輔助的要求。螺旋式葉片的構思成型對降低血液破壞起到明顯效果。陶瓷軸承的套用在延長血泵的使用壽命方面起到非常重要的作用。

體外試驗結果顯示：機電一體式AHAD的動力學輸出完全可以滿足心臟輔助需求，同時軸流式心臟輔助裝置在壓力變化較大範圍內能保持較穩定的流量輸出，且它具有更好的散熱性能更適合做輔助用心臟輔助裝置。在體動物試驗結果證明：這種AHAD的平均輔助流量>3L/min滿足了心衰動物的輔助需求。實驗動物的動力學輸出實驗數據顯示：它對心衰動物有明顯的輔助功能。心肌耗氧數據證實、它還能通過減少自然心臟做功使衰竭心臟逐漸恢復。心肌組織光鏡、電鏡檢查結果也證實了它對心臟功能的輔助功能。系統的血液相容性研究發現：由於螺旋式AHAD具有特殊的葉片形狀和較小的血液接觸面積，經最佳化設計的流場對血液的破壞較其他類血泵明顯減輕。實驗還發現螺旋式AHAD的泵殼與螺旋葉輪之間垂直距離的大小對紅血球破壞有較大影響。該研究組還採用納米碳複合材料塗覆技術降低了血泵表面血小板的吸附和溶血。這個研究組正為發展具有我國特色、擁有自主智慧財產權的AHAD，特別在開發短、中期使用的AHAD方面取得了突破性進展。

血液淨化技術

我國的人工腎及血液淨化技術起步於20世紀50年代，1957年天津市泌尿外科研究所馬騰驤教授在國內首先將人工腎透析治療用於臨床，開創了我國人工腎臨床治療急性腎功能衰竭的先河。經過50年的努力。根據2001年中華腎臟病學會公布的我國透析與腎移植登記報告，我國已有血液透析機4967台，維持性血液透析病人41755人。近年來透析設備與透析人數每年以11%的速度遞增。我國自製的血液透析、血液濾過機，水處理系統以及各種膜材料的血液透析器、濾過器、血漿分離器、灌流器相繼問世。已形成了，年銷售超過億元的產業群體。

近年來我國在血液淨化與維持性血液透析治療的臨床研究工作方面取得了顯著的成績。1983年南開大學與天津醫科大學河東醫院等單位將DNA抗原與四氮唑藍共價結合固定在碳化樹脂上，研製了吸附抗DNA抗體和DNA免疫複合物的免疫吸附柱。1996年第一軍醫大學南方醫院腎臟病研究所張訓教授、候凡凡教授成功地將腫瘤壞死因子－α（TNF-α）單克隆抗體固定在5M生物凝膠載體上製成特異性免疫吸附柱。給紐西蘭兔注射致死量LPS後1小時進行免疫吸附，結果6小時的存活率對照組為31.8%，治療組為70.0%。他們還研究了連續性腎臟替代CRRT技術搶救複雜性急性腎衰竭的基本理論和臨床套用，使APACHEII積分>29的危重病人存活率達25%（國際水平為22%～26%）。將AN69膜透析器連線在心臟手術體外循環的血液迴路上吸附由體外循環產生的細胞因子，結果明顯改善了體外循環術後全身炎症反應，減輕肺、腎損害。他們對透析相關性澱粉樣變的發病原因提出“原位修飾”學說，發表於Kidney Int,已被載入8部國際經典教科書。發現、克隆、表達了人關節滑膜細胞晚期糖基化終產物（AGE）受體，闡明了澱粉樣物質所致的受體途徑，發表於影響因子最高的國際腎臟病雜誌（J. Am. Soc. Nephrol),獲國際腎臟病學會2001年度“最佳論文一等獎”。

上述成績表明，我國在血液淨化設備的研製和提高長期透析病人生存率以及血液淨化新技術套用等方面，已接近和達到國際先進水平。

人工肝技術

肝臟功能極為複雜，各種物質（糖、蛋白、脂肪等）的代謝，某些酶的產生與滅活，凝血因子的產生和解毒都離不開肝臟，完全替代肝臟功能難度較大。自1950年以來世界各國科學家對人工肝輔助裝置系統（Artifical Liver Surpport System ALSS）做了很多努力。這種裝置，清除各種有害物質，補充必需物質，改善內環境，暫時替代衰竭肝臟的部分功能，

為肝細胞再生及肝功能恢復創造條件，或等待機會進行肝移植。

ALSS分為非生物型、生物型、混合型三型。非生物型人工肝方法是目前在臨床廣泛使用並證明是確實有效的方法，包括血漿置換（PE）、血液灌流（BP）、血液濾過（BF）、血液透析（BD）、連續性血液透析濾過（CHDF）、分子吸附再循環系統（MARS）、血漿濾過透析（PDF）、血漿特異性膽紅素吸附（PBA）等等。可根據病情選用上述方法單用或聯合套用。肝衰竭伴有肝性腦病時，可選用PE聯合BP；伴有腎功能衰竭時，選用CHDF聯合PE或PDF；伴有高膽紅素血症時，選用PBA聯合PDF；伴有水電解質紊亂時，選用CHDF聯合PE或MARS。有時可以同時給予三種以上方法聯合套用。生物型人工肝：指用人工培養的肝細胞為基礎所構建的體外生物反應裝置。混合型人工肝：指將生物反應器與血液透析濾過、血漿置換、血液灌流等偏重於解毒作用的裝置結合起來，建立體外循環。生物型與混合型人工肝不僅具有解毒功能，而且還具備部分合成和代謝功能，臨床套用尚在探索階段。

浙江大學醫學院附屬第一醫院衛生部傳染病重點實驗室李蘭娟教授1986年開始研究人工肝，最早套用血液濾過合併灌流技術治療3例急性、亞急性重型肝炎患者，2例存活，在1995年《臨床肝膽病雜誌》上報導了他們的臨床體會。之後採用ALSS技術，即將血漿置換、血液灌流、血漿吸附、血液濾過等各種方法根據臨床需要選擇單用或組合套用，建立了一套較完整的人工肝支持系統，包括套用含活性炭的灌流器、膜型血漿成分分離器、特異性膽紅素吸附器，根據病情選用多種方法的聯合組合。探討和明確了該治療的適應症、禁忌症，合理使用肝素、魚精蛋白量及控制出入量平衡，調節壓力、速度、溫度等，解決了重型肝炎人工肝支持系統治療中易出血、低血壓等難題，到目前為止，共治療重型肝炎患者500餘例，治癒好轉率達46.8%，取得了良好的臨床療效，成果榮獲1998年國家科技進步二等獎，2001年中國高校科技推廣二等獎。十·五期間在國家863計畫支持下開展了混合型人工肝的實驗研究，建立了國內第1株永生型肝細胞系，製備了新的無紡布生物反應器，用這種ALSS對急性肝衰動物模型進行實驗治療取得了顯著的療效。相關的研究報告在美國人工器官雜誌發表。國內還有北京佑安醫院段宗平教授等單位在人工肝的研究與臨床方面都取得了顯著的成績，我們ALSS研究得到國際上的關注。

眼內人工晶體

白內障是首位的致盲疾患，世界範圍的主要眼病，全球約有白內障患者2000萬。我國約有500萬白內障患者。白內障摘除聯合人工晶體植入術是目前最好的白內障治療方案。復明率幾乎100%，其中60%以上患者的視力可達到0.8以上。全球約有500萬患者進行了人工晶體的植入。據2004年統計我國每年植入人工晶體的數量已超過50萬例。目前已有聚甲基丙烯酸甲酯、矽凝膠以及甲基丙烯酸羥乙酯等多種材料製成的人工晶體上市，臨床套用。人工晶體已成為最重要的眼科植入器材。

我國人工晶體的生產也已初具規模。人工晶體的研究蓬勃開展。天津醫科大學著名的眼科專家袁佳琴教授與人工器官生物材料專家顧漢卿教授長期合作、共同攻關從1989年開始進行人工晶體的研究，先後研製了氟—肝素表面修飾人工晶體，鈦表面修飾人工晶體和類金剛石表面修飾人工晶體。這類晶體具有優異的生物相容性與光學特性。長達一年的兔眼和獼猴眼內植入結果表明此類人工晶體不僅植入早期可減少感染、藍視等併發症的發生。後期還能延緩和減少後發障的發生。他們指導的有關表面修飾人工晶體的博士生論文被評為全國百篇優秀博士生論文。在國家十五攻關項目的支持下，已實現了產業化。他們現在正在研究開發表面修飾軟性人工晶體和注射型人工晶體等新產品。為進一步提高人工晶體植入患者生活質量和減少植入併發症的發生而辛勤努力工作。

關節設計套用

人工關節置換術被認為是二十世紀最為成功的外科治療技術之一，使大量嚴重關節病變患者獲得重建關節結構與功能、緩解疼痛的機會。目前全世界每年進行的人工關節置換術超過100萬例，其中90%以上可獲良好效果。

目前國內每年進行關節置換手術的例數約占需要施行這種手術患者的5～10%，需要手術而難以取得治療機會的主要原因，包括經濟條件限制和缺乏合適的人工關節等。目前臨床套用的假體型號有限，常出現假體與骨骼“不合身”的問題。對於這個難題，通常採用“削足適覆”來解決，即通過較多的骨骼切割來提高關節與骨骼的匹配程度，但這種方法增加了手術的難度和風險，而且仍有一些嚴重畸形或破壞的病例無法使用普通規格的人工關節。目前，唯一的辦法是根據病人的個體需要“量體裁衣”，進行人工關節定製設計與製作，但這又使假體的成本和價格明顯增加。進口的定製型假體不僅訂製時間長，而且品種有限，其價格遠遠超過了我國大部分患者的承受能力。

上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科的戴克戎院士與上海交大機械工程學院王成燾教授合作，在國內率先套用“優先區定製”、“快速原型”、“敏捷製造”等新概念和新技術開展了計算機輔助（CAD/CAM）定製型人工關節的設計和製作。創建了國人骨骼資料庫，大大縮短了生產周期、降低了患者的經濟負擔，目前僅需3～7天即可完成個體化人工關節的設計和製作，品種已覆蓋了身體各大關節和骨盆，費用也遠低於國外同類產品。適用的病例包括骨腫瘤保肢治療、人工關節翻修、嚴重的骨關節先天或後天畸形等。7年來已在全國十餘個省市套用數百例，重建了各個部位的關節和骨骼功能，取得良好效果。目前已實現產業化生產，促進了計算機輔助定製型人工關節的臨床推廣套用，造福廣大患者。

進入二十一世紀以來我國人工器官研究與進展方興未艾、蓬勃發展，國家已將器官組織工程以及器官替代材料列為國家重點發展產業，在國家支持下，本領域的發展會取得更好矚目的新成就。