¿Qué es la ingeniería biomédica?
La ingeniería biomédica es una disciplina de vanguardia emergente que integra las teorías y métodos de la ingeniería, la física, la biología y la medicina para estudiar los cambios de estado de los sistemas del cuerpo humano en todos los niveles y utilizar la tecnología de la ingeniería para controlarlos. cambios tiene como finalidad resolver problemas relevantes en medicina, proteger la salud humana y servir a la prevención, diagnóstico, tratamiento y rehabilitación de enfermedades.
La ingeniería biomédica utiliza principios y técnicas del campo de la ingeniería para resolver problemas biomédicos, principalmente médicos. La idea central es ver los organismos o cuerpos humanos y ciertas partes de ellos como un sistema desde la perspectiva de un ingeniero, y luego utilizar métodos de ingeniería para estudiarlos o transformarlos.
Como todos sabemos, la ingeniería se ha desarrollado en muchos campos. Cuando se combina la biomedicina con la ingeniería en diferentes campos, surgen diferentes ramas. Por ejemplo:
La combinación de biomedicina e ingeniería electrónica da lugar a la electrónica biomédica;
La combinación de biomedicina e ingeniería de software da origen a la bioinformática;
La La combinación de biomedicina y control de sistemas da lugar a la biología de sistemas;
La combinación de biomedicina e ingeniería mecánica, ingeniería termodinámica e incluso ingeniería civil da lugar a la biomecánica;
Biomedicina combinada con productos químicos surgió la ingeniería y la ingeniería de materiales, la ciencia de materiales biomédicos...
Nota: La combinación anterior es solo una división aproximada. A veces, la combinación de las ramas de biomedicina e ingeniería no es tan única ni tan clara. , espero que puedas rociar ~~
La siguiente es una pequeña expansión:
1) Ciencia de la electrónica biomédica (incluidas las imágenes biomédicas). Como se mencionó en la respuesta anterior de
@万鲁
, esta es una rama tradicional relativamente madura en el campo de la ingeniería biomédica. Hasta donde yo sé, la mayoría de las carreras nacionales de ingeniería biomédica se encuentran en esta rama (excepto la Universidad de Shandong, que parece centrarse en biomecánica...). Precisamente porque se ha desarrollado con relativa madurez y la ingeniería electrónica es una materia con muchas ramas, la combinación de biomedicina e ingeniería electrónica de diferentes ramas ha dado como resultado el surgimiento de diferentes... subramas. Por ejemplo:
La combinación de la biomedicina con el procesamiento electrónico de señales, el reconocimiento de patrones y el procesamiento de señales fotoeléctricas ha producido chips de control neuromotor, implantes cocleares y ojos artificiales... En realidad, esta rama puede entenderse como la combinación de lo que la gente ya ha hecho. Las tecnologías cada vez más familiares basadas en entornos de ingeniería como microcontroladores y circuitos integrados, como robots inteligentes y reconocimiento de huellas dactilares y pupilas, se han apropiado de un entorno más "biológico" o "del cuerpo humano".
La base central de esta parte es que "los organismos biológicos, especialmente el sistema nervioso humano, logra principalmente sus funciones fisiológicas a través de la generación y propagación de señales eléctricas (ignorando temporalmente vías químicas como los neurotransmisores), y su El mecanismo de codificación es básicamente consistente con el sistema de codificación 0/1 que ya hemos aplicado con madurez". El problema central que debe resolverse ahora es comprender el mecanismo de codificación de las señales eléctricas neuronales en el entorno del cuerpo humano y simular su mecanismo de codificación para detectar y controlar tanto como sea posible, a fin de lograr una conexión perfecta con lo real; sistema nervioso (al menos funcionalmente). Por ejemplo, el implante coclear, que actualmente es relativamente maduro en este campo, utiliza sistemas de control y análisis electrónicos artificiales para simular la conversión de señales sonoras (vibraciones mecánicas) en señales eléctricas por parte de la cóclea; también simula el método de codificación del nervio auditivo humano; para convertir los sonidos externos en El volumen y la posición de la fuente del sonido, los elementos de audio y del habla contenidos en el interior se codifican en señales eléctricas, luego estas señales eléctricas que contienen la información se envían al nervio auditivo y realizan un conjunto completo de funciones; Sin embargo, hasta ahora no ha codificado la información de audio lo suficientemente bien; es difícil obtener el timbre original y el tono preciso cuando se lleva un implante coclear. Por eso no puedo escuchar música aunque lleve un implante coclear. Pero en comparación con los ojos artificiales, que sólo pueden ver algunos puntos de luz de colores con límites borrosos, los implantes cocleares todavía están muy por delante. La limitación actual en este campo es que los humanos no comprenden completamente el mecanismo de codificación preciso de su propio sistema nervioso. Por tanto, desde mi punto de vista personal, esta parte se puede llamar directamente informática neuroelectrónica o ingeniería de la información neuroelectrónica.
La biomedicina se combina con ramas de la ingeniería electrónica o la ingeniería optoelectrónica que se centran en equipos de imágenes pero no se centran en el procesamiento de señales, o simplemente se combinan con la óptica física y la electricidad física para crear la rama de la bioimagen. Este campo se puede subdividir aún más según diferentes tecnologías de imagen: PET, CT, MRI, OCT (tomografía de coherencia óptica), US (ultrasonido), PAI (fotoacústica)...
Esta parte del La base central es que "los diferentes componentes de los tejidos biológicos, así como los diferentes estados (estado normal/estado patológico) de los mismos componentes, tendrán interacciones diferentes y predecibles con campos electromagnéticos externos, ondas sonoras, protones, fotones, etc., y Libera una señal detectable y distinguible”. El problema central que debe resolverse ahora es hacer coincidir más componentes diferentes de más tejidos biológicos, así como los diferentes estados de los mismos componentes y las más características de señal que liberan, de la manera más uno a uno posible. Por ejemplo, en condiciones normales y afásicas, ¿qué tipo de efectos diferentes tendrán el flujo sanguíneo y el contenido de oxígeno en la sangre de algunas áreas del tejido cerebral humano que son responsables de la función del lenguaje con el campo electromagnético externo de la resonancia magnética funcional, y qué tipo de ¿Diferentes señales producirán? Actualmente, no existen limitaciones particularmente unificadas o significativas en este campo, pero hay demasiados tipos y estados de componentes tisulares, hay demasiadas técnicas de imagen disponibles y las señales generadas también se pueden utilizar para analizar demasiada información diferente; diferentes algoritmos de análisis. Y la correspondencia entre esta información compleja y las posibles explicaciones fisiológicas y patológicas es demasiado complicada... La mayoría de los investigadores de ingeniería biomédica en este campo están trabajando en establecer una relación entre los estados fisiológicos y patológicos y la información contenida en las señales detectadas. . El problema de la correspondencia. Desarrollar nuevas tecnologías de imágenes y mejorar los equipos de imágenes es trabajo de ingenieros puros y tiene poco que ver con la ingeniería biomédica.
2) Bioinformática. No estoy muy familiarizado con esta rama. Vi a muchos expertos en Zhihu decir que el futuro y el salario en este campo son buenos, y dudo que mi comprensión anterior de la bioinformática fuera correcta. Mi comprensión de la bioinformática consiste en utilizar diferentes algoritmos de programación avanzados (como la minería de datos) para analizar algunas moléculas ricas en información en organismos vivos. Las moléculas ricas en información más típicas de los organismos vivos son el ADN y el ARN que transportan información genética y las proteínas que transportan información funcional (principalmente información sobre la función inmune). Por tanto, el análisis de cambios en las secuencias de bases del ADN y ARN y la información que contienen, así como el análisis de cambios en la estructura cuaternaria de las proteínas (supongo que es principalmente la secuencia de aminoácidos) y la información que contienen, debería ser el contenido principal de la bioinformática.
Para obtener más información, solicite a expertos en el campo de la bioinformática que agreguen correcciones.
3) Biología de sistemas. Aunque los organismos vivos se pueden dividir en varios sistemas diferentes desde diversas perspectivas, como la estructura y la función, el sistema de señalización realmente juega un papel en el control del sistema. El sistema de señalización también incluye el sistema de señalización nervioso, el sistema de señalización hormonal, el sistema de señalización inmunitaria, etc. Dado que el sistema de señales neuronales se compone principalmente de señales eléctricas y las características de codificación son básicamente consistentes con la codificación 0/1, el estudio se dejó en manos de los ingenieros electrónicos. El modo de acción básico del sistema de señalización hormonal y del sistema de señalización inmune es la reacción bioquímica, y el método de codificación no es una codificación 0/1, sino que se basa en una estructura molecular específica, por lo que el estudio se deja en manos de la ingeniería de control del sistema.
La base central de esta parte es que "el sistema de señalización bioquímica en el cuerpo humano controla las funciones corporales a través de reacciones bioquímicas; y las velocidades de reacción y las tasas de respuesta de estas reacciones bioquímicas varían con diferentes entornos. Cambios en las condiciones (temperatura, pH, actividad enzimática) son conocidos, por lo que los efectos resultantes pueden predecirse mediante análisis y cálculos de control del sistema". En la actualidad, la cuestión central en este campo es revelar más patrones de reacción y vías relacionadas de moléculas de señalización en diferentes condiciones ambientales. Pero personalmente creo que un defecto de la investigación en este campo es que sólo se puede extraer para estudiar una parte de todo el sistema de señales a la vez. Entonces, incluso si las reglas y efectos de esta parte se han estudiado a fondo, ¿cambiarán completamente sus reglas y efectos una vez que se vuelvan a colocar en todo el sistema? Y el nivel técnico actual no permite estudiar todo el gran sistema a la vez (incluidos datos experimentales, cálculos, tecnología de análisis, etc.).
Entonces, en esta etapa, solo podemos dividir todo el sistema de señalización del cuerpo humano en varios subsistemas, como el sistema de señalización de la apoptosis de las células Wnt; el sistema de señalización de la osteoporosis inducida por PTH, etc. Entonces se supone que se puede ignorar la interacción entre diferentes subsistemas. Esta suposición puede ser cierta muchas veces, pero personalmente no creo que sea cierta todo el tiempo.
Se puede decir que esta rama es la rama más "biológica" en el campo de la ingeniería biomédica. El establecimiento de un sistema de vía de reacción bioquímica (es decir, vía de transducción de señales bioquímicas) y la adquisición de datos de reacciones bioquímicas pueden considerarse categorías biológicas. Lo que hay que hacer en el campo de la ingeniería es básicamente utilizar MATLAB, C u otro software para construir un modelo matemático y luego ejecutarlo en una supercomputadora para obtener un resultado. Los resultados aún deben analizarse utilizando conocimientos y principios bioquímicos.
4) Biomecánica. Los principales objetos de investigación de la biomecánica son la tensión sobre sólidos y fluidos en el cuerpo humano, el campo electromagnético en el cuerpo y los efectos mecánicos que provoca, y la termodinámica en el cuerpo. Básicamente, se trata de observar los huesos, cartílagos, músculos, vasos sanguíneos, órganos internos (que participan en la mecánica de sólidos y la termodinámica) y la sangre (que participan en la mecánica de fluidos) en el cuerpo humano desde la perspectiva de un ingeniero mecánico o ingeniero civil.
La base central de esta rama es que "todos los efectos mecánicos, electromagnéticos y térmicos en los organismos vivos cumplen con las leyes y principios relevantes de la física clásica". El objetivo central de esta rama es establecer un modelo de elementos finitos más preciso para simular los efectos mecánicos, electromagnéticos y térmicos en el cuerpo. Dado que un cuerpo vivo no tiene un material uniforme y una estructura regular como una barra de acero o un ladrillo, el análisis de tensión y calor del cuerpo vivo debe basarse en el modelado de elementos finitos. Diferentes algoritmos y datos de modelado conducirán directamente a diferentes precisión y confiabilidad del modelo; por lo tanto, al profundizar la comprensión de las estructuras relevantes de los organismos y extraer más datos, se pueden mejorar los modelos correspondientes. Por ejemplo, para diseñar un corazón artificial, es necesario comprender el sistema de circulación sanguínea de una persona, especialmente la mecánica de los fluidos de la sangre en el corazón, la mecánica sólida de los vasos sanguíneos y el miocardio, y el control de las señales neuroeléctricas relacionadas (esto pertenece al campo de electrónica biomédica) Existen simulaciones muy precisas. Por ejemplo, para diseñar un stent cardiovascular, es necesario comprender la mecánica de los fluidos de la sangre cardiovascular de una persona, la mecánica sólida de la pared de los vasos sanguíneos y las respuestas fisiológicas de la pared de los vasos sanguíneos bajo diversas condiciones de estrés, así como también los sólidos. El estado de la pared de los vasos sanguíneos causado por estas reacciones se simula con gran precisión. Por ejemplo, para diseñar un plan de tratamiento para el glaucoma, es necesario simular con precisión los cambios patológicos en la presión intraocular (mecánica de fluidos y mecánica de sólidos) de pacientes con glaucoma...