西南交通大学生物医学工程基础课件.ppt

*************************************生物医学仪器生物医学仪器是临床医疗和生物医学研究的重要工具，融合了电子学、机械工程、计算机科学等多学科知识。本课程系统介绍生物医学仪器的设计原理、结构组成和性能评价方法，帮助学生理解从信号采集到处理的全过程。课程详细讲解常用医疗设备的工作原理，如心电图机、超声诊断仪、血氧监测仪、呼吸机等，分析其信号处理流程、临床应用和技术发展趋势。此外，还将介绍医疗仪器的安全标准和质量控制体系，以及如何进行临床验证和评价。通过实验和案例分析，培养学生设计和评估医疗设备的基本能力。生物医学信号处理滤波技术滤波是去除生物信号中噪声的基本方法。低通滤波可去除高频噪声，高通滤波可消除基线漂移，带通滤波则保留特定频率范围的信号成分。自适应滤波能根据信号特性动态调整参数，在处理非平稳生物信号时表现优异。小波变换因其多分辨率分析能力，在处理含有瞬态特征的生物信号方面具有独特优势。时频分析生物信号通常是非平稳的，其频率特性随时间变化。短时傅里叶变换(STFT)通过滑动窗口进行局部频谱分析，但时间-频率分辨率固定。小波变换和希尔伯特-黄变换等现代方法提供了更灵活的时频分析能力，能更准确地捕捉生物信号的动态特征，如心律变异性和脑电图中的瞬态活动。特征提取方法特征提取旨在从复杂生物信号中提取有诊断价值的参数。时域特征包括峰值、间隔、波形形态等；频域特征则通过功率谱分析获得频率分布信息。非线性动力学分析如熵、分形维数和李雅普诺夫指数等，可揭示生物系统的复杂性。机器学习技术，特别是深度学习，能够自动学习信号特征，提高疾病诊断的准确性。医学机器人手术机器人手术机器人是医学机器人最成熟的应用领域，以达芬奇手术系统为代表。手术机器人系统通常由操作控制台、机械臂和成像系统组成，医生通过控制台远程操控机器人执行精细手术操作。手术机器人具有以下优势：超高精度：消除手抖动，实现亚毫米级精确操作三维立体视觉：提供放大的高清三维视野灵活度高：机械臂关节设计使操作更加灵活微创化：减小手术创伤，加速患者恢复目前手术机器人广泛应用于泌尿外科、心脏外科、妇科和神经外科等领域，智能辅助功能和远程手术是未来发展方向。康复机器人康复机器人旨在辅助患者完成康复训练，加速功能恢复。主要分为以下几类：外骨骼机器人：穿戴式装置，辅助或增强肢体运动末端执行器型：固定基座连接患者肢体远端平台型：如步态训练系统和平衡训练平台康复机器人的关键技术包括：人机交互：检测患者意图并提供适当辅助自适应控制：根据患者康复进展调整训练难度生物反馈：提供视觉、听觉等多种感官反馈脑卒中、脊髓损伤和骨科术后康复是主要应用场景，智能化和家用化是发展趋势。药物递送系统控释技术控释技术通过特殊的剂型设计，实现药物在体内按预定速率持续释放，维持血药浓度在有效范围内。常用方法包括骨架型、膜控型、渗透泵型等。新型材料如智能水凝胶、可降解聚合物等，能够实现更精确的释放控制。1靶向递送靶向递送系统可将药物选择性地输送到特定器官、组织或细胞，提高治疗效果并减少副作用。包括被动靶向(如EPR效应)和主动靶向(如抗体偶联)。肿瘤治疗是靶向递送最主要的应用领域。纳米递药系统纳米递药系统包括脂质体、聚合物纳米粒、蛋白质纳米粒等，具有提高药物溶解度、保护药物免受降解和增强细胞摄取等优势。表面修饰可进一步增强其靶向性和生物相容性。3智能递药系统智能递药系统能够响应体内环境变化(如pH、温度、酶浓度)或外部刺激(如光、磁场、超声)，实现按需释药。植入式微泵和智能贴片等装置结合传感器技术，可实现闭环控制和远程监控。4生物医学建模与仿真10^9细胞水平模拟单细胞模型中计算的离子通道数量级10^6组织仿真心脏组织模型中的细胞单元数量30-50%药物筛选计算模型可减少的动物实验比例24小时手术规划个性化血流动力学模型计算时间生物医学建模与仿真是利用数学和计算机方法模拟生物系统的结构和功能，为理解生理病理过程和预测治疗效果提供工具。本课程介绍从分子到器官各个尺度的建模方法和应用案例。在分子和细胞水平，课程讲解分子动力学模拟、细胞信号通路建模和代谢网络分析等方法；在组织和器官水平，介绍有限元分析、计算流体力学和多尺度建模等技术。特别强调个性化建模在精准医疗中的应用，如基于患者影像数据构建的心血管和骨骼系统模型，用于预测疾病发展和优化治疗方案。生物力学测试静态力学测试包括拉伸、压缩、弯曲和剪切等测试方法，用于评估材料的弹性模量、屈服强度、断裂强度等基本力学参数。测试时需精确控制位移速率或载荷速率，并根据样品特性选择合适