生物醫學技術全文(5篇)

【摘要】3D打印技術能夠進行個性化定制，給生物醫學領域帶來了新的技術突破。本文首先概述了3D打印技術，之后就其在生物醫學領域的應用和發展前景展開了論述。

【關鍵詞】3D打印技術；生物醫學領域；應用；發展

1引言

19世紀末就已經出現了3D打印思想，但真正將其付諸實踐是在20世紀80年代。經過30多年的發展，3D打印技術已經獲得了長足的進步，并以其獨特的制造模式改變著傳統的生產方式，且有望實現一體化、個性化、社會化、可視化的生產方式，為社會帶來新的經濟增長點。當前，3D打印技術已被廣泛地應用于制造業、生物醫學、航空航天等社會各領域，極大地推動了第三次科技革命的發展。3D打印技術就是通過精確控制將原本虛擬的模型轉變為現實的物品。如果將其應用至生物醫學領域，對組織再生工程、藥物傳輸、術前治療計劃確定等方面將會產生不可估量的影響。

23D打印技術概述

3D打印技術又被稱為3D快速成型技術、添加制造技術或者增材制造技術，主要是以物體的數字化信息為基礎，經由計算機控制，將數字模型打印為用粉末狀金屬或者塑料等材料層層堆疊的三維實體。目前，依據沉積方法和使用材料的不同，3D打印技術可分為以下幾類。一是分層實體成型，簡稱LOM。該技術主要采用紙、金屬箔、塑料薄膜等材料，并將這些材料依次切割、膠合，如此反復直至成型。其特點是原材料價格較低，制作成本低。二是熔融沉積成型，簡稱FDM。該技術主要使用塑料纖維或者金屬絲等熱塑性材料，并將原材料加熱至熔融狀態，之后將其擠壓于工作臺上，待其冷卻就會形成一層截面，如此重復操作直至三維物體成型。其特點是污染較小、操作簡便、材料可重復利用。三是立體光固化成型，簡稱SLA。該技術主要采用液態光敏樹脂材料，將特定波長和強度的激光聚焦至材料表面，使其按照一定順序固化成型。因此，該技術的缺點是要求原材料是光敏材料，造價較高，且維護成本不菲。其優點是速度較快，不需要切削工具和相關模具。四是選擇性激光燒結成型，簡稱SLS。該技術運用激光將固體粉末進行分層燒結，并逐層疊加直至成型。五是電子束自由成型制造，簡稱EBF3。該技術主要采用電子束來溶化金屬絲，最終制成零件。其主要優點為所需原材料較少且后續需要處理的事情較少。

33D打印技術在生物醫學領域的應用

摘要：作為本學科本科教育必修課程之一，生物醫學傳感技術這門課程對學生日后使用、改進及設計適用于生物醫學問題的傳感器及相關系統奠定了基礎。但由于該學科本身的特點和發展現狀，目前適用于生物醫學工程學科的生物醫學傳感技術教材不但數量較少，且均存在一定的局限性。本文基于目前生物醫學傳感技術發展的現狀和生物醫學工程本科生培養的需求，初步探討了關于面對生物醫學工程學科的生物醫學傳感技術教材改革的思路。

關鍵詞：生物醫學工程；生物醫學傳感技術；教材改革

一、前言

傳感器及相關技術在生物醫學工程領域有著廣泛的應用，與醫療相關的檢測分析（生理狀態常規檢測、心電圖及腦電圖等）、成像造影（顯微CT、核磁共振及紅外成像等）及慢性病監控和輔助治療（糖尿病、高血壓）中，生物醫學傳感技術都起到了至關重要的作用。隨著科學技術水平的飛速發展，不斷有新的高性能傳感器及技術被開發出來，這些器件和方法將為醫療事業提供突破性的機遇。因此掌握生物醫學傳感技術的相關知識對與生物醫學工程專業的本科生的就業和科研發展均有著積極的現實意義。由于該課程對于生物醫學工程學科的重要性，目前大部分院校的生物醫學工程專業都開設了相應的課程，但是目前出版的適用于生物醫學工程專業的生物醫學傳感技術教材種類較少，很多院校仍然選用了適合工科電類專業的一般性傳感器及技術教材進行教學。基于工科類專業的應用核心指導思想和生物醫學工程的學科特殊性，本文淺析了目前生物醫學傳感技術教材的優點和局限性，初步探討了關于面前生物醫學工程學科的生物醫學傳感技術教材改革的思路。

二、目前生物醫學傳感技術教材的優點和局限性

（一）目前生物醫學傳感技術教材的優點

由于經典傳感原件和技術大部分為電學原件或圍繞電學原件開發，其后續信號處理也依賴由電學原件構成的處理系統，目前生物醫學傳感技術所用教材的編纂者通常在電路設計，數字電路和模擬電路方面有較高的學術造詣，對于不同類型的電學傳感器（差動、電容及電感傳感器等）及其相關電路（直流/交流電橋等）的設計從原理到適用性及誤差分析均有完整的分析和論述，本科生掌握基本知識點后，結合模擬電路所學知識和實驗課的內容能有效將這些經典電學敏感元件運用到系統設計中。

1太赫茲波的特性

太赫茲波所處的“承前啟后”的獨特頻段使其具有很多獨特的性質，包括高透性、低能性、指紋譜性以及相干性。高透性是指太赫茲對許多介電材料和非極性物質具有良好的穿透性，可對不透明物體進行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術的有效互補;低能性，顧名思義是指太赫茲光子能量很低，只有4．1meV(毫電子伏特)，對人體級生物體十分安全;指紋譜性則是源于不同的分子對太赫茲的吸收及色散特性不同，形成特有的“指紋譜”，每一種物體都有其獨特的區別于其他物體的“指紋譜”;太赫茲是由相干電流驅動的偶極子振蕩或由相干的激光脈沖通過非線性光學差頻效應產生的，因此具有相干性，用于太赫茲成像技術，可獲得更高的空間分辨率及更深的景深等，目前太赫茲顯微成像的分辨率已達到幾十微米。

2太赫茲在生物醫學工程領域的應用

太赫茲的上述特性使其在生物醫學工程的各個方面有著誘人的應用前景。其應用主要有以下幾個方面:太赫茲生化檢測、太赫茲醫學成像診斷、太赫茲組織檢測、太赫茲治療以及太赫茲醫學通信。

2．1太赫茲生化檢測

利用太赫茲波對生物分子的靈敏度和特異性，將太赫茲技術用于研究生物分子的結構和功能信息，可在分子層面上為疾病的診斷和治療提供理論依據。太赫茲生化檢測主要是對化學及生物大分子的檢測，太赫茲波能夠用來研究如范德華力或者分子間氫鍵作用力等生物分子間相鄰分子的弱作用力。太赫茲波對脫氧核糖核酸(DeoxyribonucleicAcid，DNA)構形和構象的變化非常敏感，也可以通過太赫茲光譜進行基因分析或無標記探測。許多學者都開展了這方面的研究。Grant等于1978年研究了太赫茲與氨基酸溶液的相互作用，通過分析證實了這種作用是介于分子振動和轉動模式之間的一種作用。Kutteruf等用太赫茲光譜技術對固態短鏈肽序列進行了研究，研究表明在1～15THz光譜范圍內包含了體系的很多光譜和結構信息，如分子固相結構和與序列相關的分子信息等。Arora等采用太赫茲時域光譜技術，在水相中對通過聚合酶鏈式反應得到的DNA樣品進行了無標記定量檢測。Brucherseifer等通過時間分辨太赫茲技術證明了復數折射率取決于DNA的結合狀態。太赫茲生化檢測方面的研究尚處于起步階段，還有待加強，尤其是對不同生物大分子的太赫茲光譜特性建立相應的特征譜庫是一項龐大而艱辛的工作，需要生化領域的學者加強相關的研究工作。

2．2太赫茲醫學成像診斷

[摘要]該文重點依據生物醫學工程及影像技術學專業的專業特點以及目前國內外醫療行業的用人情況，對目前該院已有的針對以上兩學科專業的教學資源和培養方案進行總結和回顧，并對今后的培養模式進行展望。使該院學生能具備扎實的理論基礎，良好的實踐技能及優秀的社交能力，順應醫學領域不斷變化的形勢，并且在今后的工作學習中能全面發展，成為對社會、國家和人民作出貢獻的杰出人才。

[關鍵詞]生物醫學工程；影像技術學；教學體系；實踐教學

生物醫學工程專業是一門現代醫學和醫學工程技術相互結合的學科，主要在理工科院校開展，作為一所以醫學教育為主的高校，在生物醫學工程專業培養中，注意與醫學臨床實踐緊密結合，側重醫療器械實踐培養。該校生物工程專業前身為醫學影像學（工程方向），自1999年開辦至今，根據實際情況，不斷修正培養培養，重視理論與實踐相結合，不斷提高學生的實踐能力，以“工程素質高、實踐能力強”的應用型專業人才培養，為培養目標。

1該校發展歷程

牡丹江醫學院自1958年創立以來，目前已經擁有近60年的教學歷史，1997年6月,學院通過了原國家教委本科教學評價,成為全國首批本科教學評價合格院校。從最初的名不見經傳到現如今的發展壯大，牡丹江醫學院在學科建設、師資力量及科研投入上均下足了功夫。尤其重視實踐教學環節，在教學、科研、實習和就業方面均走在了同級別院校的前列。

2生物工程及影像技術的發展背景

生物醫學工程（BiomedicalEngineering，BME）是結合物理、化學、數學和計算機與工程學原理，從事生物學、醫學、行為學或衛生學的研究；提出基本概念，產生從分子水平到器官水平的知識，開發創新的生物學制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息學方法，用于疾病預防、診斷和治療，患者康復，改善衛生狀況等目的[1]。近幾年來，我國的醫療體制變革正處在快速時期，理工類科學技術在醫學領域，尤其是生物醫學中的應用范圍也越來越廣，因此對于具有較高專業素養和應用能力的人才需求就更加急迫。“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）是國家教育部貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的重點大力項目[2]，同時也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的一項重要措施，該政策旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務，對促進高等教育面向社會需求培養人才，全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導。醫學影像技術是醫學專業其中一門[3]。我國在2006年時出臺了改革政策，將醫學影像學專業區分為兩種學制不同的專業進行教育，此教育模式早在上世紀西方某些發達國家就已經出現，并取得了較好的教育結果。4年制醫學影像技術是專門從事影像技術與操作方面的工作的一類高精尖技術人才，在儀器操作及治療劑量控制方面的能力水平要明顯優于五年制的醫學影像學專業學生[4]。

1生物醫學工程專業課程設置及教學現狀

我校自2003年開辦生物醫學工程專業以來，根據醫科院校特點，以為醫療和醫學研究服務為目的，培養能將醫學與工程技術相結合，從事醫學影像、醫療電子儀器和計算機技術的研發、操作和管理工作，并且能夠開展生物醫學工程學科研究的人才[1]。該專業主要學習生命科學、電子技術、計算機技術及信息圖像傳輸、處理等有關的基礎理論知識以及醫學與工程技術相結合的科學知識，設置的主干課程有：“電路原理”“模擬電子技術”“數字電子技術”“微機原理”“生物醫學傳感器”“醫療儀器原理”“信號與系統”“數字信號處理”“生物醫學信號檢測與處理”“單片機原理與接口技術”等。另外憑借醫學院校的優勢還開設了一些醫學方面的基礎課，生理學、人體解剖等。為了提高教學質量，更好的達到教學效果，所開設的這些課程基本上都需要做實驗演示，以增強形象性效果和形象性驗證。實驗教學在大學教育中是必要手段。幾乎每門課的實驗教學都需要用到各種各樣的電子儀器，主要包括示波器、信號發生器等。在傳統教學中基本上都是使用相對獨立、功能固定的電子儀器，不能夠隨意更改它們的結構和功能。對于需要電子計算機之類的課程而言，一般都得配備幾十套教學儀器來供教學使用，這些儀器設備還需要不斷更新維護，教學成本比較高。另外，在醫學院校對于和醫學相關的專業課程很多實驗實際操作比較困難，效果不理想。中國的醫學教育資源本身很緊張，另外醫院的設備多是大型設備，體積龐大，價格昂貴，操作使用復雜，臨床使用要求高，一般院校很難滿足大型醫療設備的教學使用需要。因此，在醫學院校的教學中就出現很多問題，比如醫學實驗教學中的人體生理參數采集等演示效果不好，所以，傳統的醫療儀器教學只能偏重于理論講解，不夠生動，即使有個別實驗模具，其教學效果也不理想。在當前學校經費較少的情況下，如果大量增加常規儀器、儀表的配置，學校財力難以支付。這樣容易造成實驗教學效果不理想，對提高學生學習興趣，培養創新及實踐能力都有一定影響。隨著現代測試功能和計算機技術的密切結合，出現的虛擬儀器技術可以幫助我們克服一些硬件上不能解決的難題，彌補傳統儀器教學的不足。

2虛擬儀器在課程中的應用

2.1虛擬儀器簡介

虛擬儀器（VirtualInstrument，VI）是一種新興的儀器，一種功能意義上的儀器，在以通用計算機為主的硬件基礎上，由用戶自己設計定義虛擬的操作面板，測試功能由軟件來實現的一種計算機儀器系統[2]。其實質是以計算機為核心的儀器系統與電腦軟件技術的密切結合，將儀器裝入計算機。通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件融合，通過軟件編程來實現傳統儀器中的由硬件電路完成的功能，利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制端，利用計算機強大的軟件功能來管理儀器系統，完成對信號數據的運算、分析處理等，可以多種形式輸出結果，少量的硬件模塊則為虛擬儀器的正常運行提供信號I/O接口設備來完成不同要求的測試。虛擬儀器具有傳統儀器沒有的性能高、擴展性強、開發時間短、開發成本低等優點，具有很強的靈活開放性。不同領域的科學家和工程師都借助虛擬儀器來解決工作與課題中的實際問題。所以，虛擬儀器自誕生以來就在測量、航空航天、自動化、遠程教學和生物醫學等世界范圍的眾多領域內得到了廣泛應用[3]。LabVIEW是美國NI（NationalInstrument）公司推出的一種基于圖形化編程的軟件開發工具，將功能強大的圖形化設計平臺LabVIEW與相關硬件結合應用于教學上，能夠使傳統理論教學與實際有效結合，幫助學生完成從理論到實踐的學習。LabVIEW軟件平臺結合數據采集卡等相關硬件可以開發出示波器、信號發生器等常用的電子儀器，不僅可以代替傳統儀器且擺脫了傳統電子儀器功能單一、更換維護麻煩等缺點[4]。將基于LabVIEW的虛擬儀器應用在教學中極大提高了教學效率，已經逐漸成為一種新的手段。

2.2在醫療儀器教學中應用

“醫學儀器原理”是生物醫學工程專業的一門專業必修課。該課程涉及了醫學和電子學、計算機、信號處理、傳感器技術等方面的知識，是一門實踐性很強的科目。作為生物醫學工程專業的學生，要掌握常見的醫療儀器的基本結構、工作原理，而且還要具有一定的創新思想和科研水平，有開發和設計高水平的醫療電子儀器的素質[5]。因此做好實驗教學是學生提高學生實驗水平和綜合能力的關鍵。醫學儀器原理實驗主要將人體生理信號的檢測及處理分析作為教學內容，包括了人體血壓信號、心電、體溫、呼吸、脈搏等生理參數的測量。生物醫學信號由傳感器轉變成電信號，因為人體生理信號比較微弱要先經過信號的放大、濾波等預處理，再進入數據采集卡。信號通過數據采集卡采集到計算機上以后，利用LabVIEW的圖像化語言進行編程，實現對數據的各種分析，包括數值分析、頻譜分析等，再通過儀器軟面板把結果顯示在電腦上。我們以人體呼吸測量為例，這種設備一般只在醫院常見，用于教學中的儀器基本上沒有。因此講過理論原理后，學生不能夠真正透徹的明白，無法滿足教學上的需要。我們利用少量硬件設計結合LabVIEW軟件編程構建了一個人體呼吸測量系統，采用阻抗式呼吸測量原理，硬件電路主要涉及放大和濾波環節，限于篇幅就不詳細說明了。圖1為基于LabVIEW平臺搭建的呼吸測量面板圖，針對學生教學取得了很好的效果，同學們一致反映對呼吸測量的原理有了更透徹的認識，并且能學習新的軟件技術，擴展知識面。在LabVIEW環境下進行實驗教學只需要根據實際情況，比如是呼吸測量還是心電測量等，通過軟件編程及很少的硬件連接便可完成實驗任務，即節省了實驗成本，又利于實驗設備更新，讓教師和學生脫離了傳統教學儀器功能單一的框框，更重要的是可以充分提高學生積極性和發揮創造性，像搭積木一樣，根據不同的測試需要，在計算機上構建一個基于虛擬儀器技術的測試測量裝備，這樣做還能夠充分的節省高校技術資源[6]。