Биомедицинская инженерия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Это старая версия этой страницы, сохранённая Lepestokk (обсуждение | вклад) в 10:33, 15 февраля 2023 (→Нейроинженерия). Она может серьёзно отличаться от текущей версии.
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пример симбиоза технических и медицинских наук: ультразвуковое исследование мочевого пузыря (чёрная тень в виде бабочки на экране — мочевой пузырь)
Имплантаты (например, в случае эндопротезирования тазобедренного сустава) тщательно подгоняются и крепятся

Биомедици́нская инженери́я (англ. biomedical engineering) — одно из направлений науки и техники, изучающее и развивающее применение инженерных принципов и концепций в сфере медицины и биологии для создания искусственных органов, для компенсации недостаточности физиологических функций (биомедицинская инженерия) до создания генетически модифицированных организмов, в том числе, культурных растений и сельскохозяйственных животных (генетическая инженерия), а также молекулярного моделирования и синтеза химических соединений с заранее заданными свойствами (белковая инженерия, инженерная энзимология)[1]. Инженерия в области медицины сочетает в себе проектирование и навыки решения проблем техники, а также медицинских и биологических наук для продвижения здравоохранительного лечения, в том числе диагностики, мониторинга и терапии на основе фундаментальных принципов молекулярной и клеточной биологии[2].

Биомедицинская инженерия только недавно появилась в качестве самостоятельной области исследования, по сравнению со многими другими инженерными областями. Такое продвижение обобщает  новые переходы от тех междисциплинарных специализаций среди уже установленных областей, в настоящее время рассматривается область как самостоятельная. Данное направление науки и техники призвано сократить разрыв между инженерной наукой (техникой) и медициной с целью повышения качества оказания медицинской помощи, в том числе диагностики, мониторинга и лечения заболеваний[3]. Кроме того, в немедицинских аспектах биомедицинская инженерия тесно переплетается с биотехнологией.

Самые выдающиеся биомедицинские технические разработки включают в себя: разработку биологически совместимых протезов, различные диагностические и лечебные медицинские устройства. Начиная от клинического оборудования, микро-имплантаты, аппараты визуализации, такие как магнитно-резонансная томография ЭЭГ, рост регенеративной ткани, фармацевтические препараты и терапевтические биопрепараты.

Нейроинженерия

Нейроинженерия. Направление техники в области нервной системы (также известное как нейроинженерия, нейрохирургия) является дисциплиной, которая использует технические методы, чтобы разобраться, восстановить, заменить или усилить работу нервной системы. Инженеры в области нейрохирургии должны быть исключительно квалифицированы, чтобы решить проблемы проектирования на границе жизни нервной ткани и неживых конструкций.

Нейроинженерия опирается на области вычислительной нейробиологии[4], экспериментальной неврологии[5], клинической неврологии, электротехники[6] и охватывает элементы робототехники[7], кибернетики[8], компьютерной инженерии[9], материаловедения[10] и нанотехнологий[11].

В список основных целей в этой области входит восстановление и расширение функций человека посредством прямого взаимодействия между нервной системой и искусственными устройствами.

Многие современные исследования направлены на понимание кодирования и обработки информации в сенсорной и двигательной системах, количественной оценки того как эта обработка изменяется в патологическом состоянии, и как ею можно манипулировать с помощью искусственных устройств, включая интерфейсы мозг-компьютер[12] и нейропротезирование[13].

Другие исследования больше концентрируются на экспериментах, включая использование нейронных имплантатов связанных с внешними устройствами.

Поскольку нейроинженерия является относительно новой областью, информация и исследования связанные с ней довольно ограничены. Первые журналы специально посвященные нейроинженерии - The Journal of Neural Engineering и The Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation вышли в 2004 году. Международные конференции по нейроинженерии проводились IEEE с 2003 года, с 29 апреля по 2 мая 2009 года в Анталии, Турция 4-я конференция по нейроинженерии, 5-я Международная конференция IEEE EMBS по нейроинженерии в апреле/мае 2011 года в Канкуне, Мексика, и 6-я конференция в Сан-Диего, Калифорния, в ноябре 2013 года. 7-я конференция состоялась в апреле 2015 года в Монпелье. Восьмая конференция прошла в мае 2017 года в Шанхае. [2]

Фундаментальные основы нейроинженерии включают взаимосвязь нейронов[14], нейронных сетей и функций нервной системы с поддающимися количественной оценке моделями, помогающими в разработке устройств, которые могли бы интерпретировать и контролировать сигналы и производить целенаправленные ответы.

Сообщения которые тело использует для мыслей, чувств и движений передаются нервными импульсами через ткани мозга и к остальным частям тела. Нейроны являются основной функциональной единицей нервной системы и представляют собой узкоспециализированные клетки, способные передавать эти сигналы. Нейроны обладают особыми электрохимическими свойствами, которые позволяют им обрабатывать информацию и затем передавать эту информацию другим клеткам. Нейронная активность зависит от потенциала нервной мембраны и изменений, которые происходят вдоль и поперек нее. Постоянное напряжение, известное как мембранный потенциал[15], обычно поддерживается определенными концентрациями специфических ионов через нейронные мембраны. Нарушения или изменения в этом напряжении создают дисбаланс или поляризацию через мембрану. Деполяризация[16] мембраны после перехода порогового потенциала [3] генерирует потенциал действия, который является основным источником передачи сигнала известного как нейротрансмиссия[17]. Потенциал действия[18] приводит к каскаду ионного потока вниз через аксональную мембрану, создавая эффективную цепь скачков напряжения, «электрический сигнал», который может передавать дальнейшие электрические изменения в другие ячейки. Сигналы могут генерироваться электрическими, химическими, магнитными, оптическими и другими формами стимулов, которые влияют на поток зарядов и уровни напряжения на нервных мембранах.

Фармацевтическая инженерия

Фармацевтическая промышленность является междисциплинарной наукой, которая включает технику, работающую с лекарствами,  поставку новых препаратов, фармацевтические технологии, блок операций химического машиностроения и фармацевтического анализа. Это может быть принято за часть фармации благодаря своему упору на использование технологии на химических добавках и лекарствах в обеспечении лучшего медикаментозного лечения. Международное общество по технической фармации является международным союзом, который подтверждает на данный момент быстро развивающейся междисциплинарной наукой.

Биомедицинская оптика

Биомедицинская оптика относится к взаимодействию биологической ткани и света и к тому, как это можно использовать для распознавания, визуализации и лечения. [19]

Тканевая инженерия

Тканевая инженерия, как генная инженерия, является одним из основных сегментов биотехнологии, которая значительно переплетается с биомедицинской инженерией.

Одной из целей тканевой инженерии является создание искусственных органов (из биологического материала) для пациентов, нуждающихся в пересадке органов. В настоящее время инженеры-биомедики изучают методы создания таких органов. С этой целью исследователи вырастили твердые кости челюсти и ттрахеи из стволовых клеток человека. Несколько искусственных мочевых пузырей были выращены в лабораториях и успешно пересажены пациентам. Биоискусственные органы, в которых используются как синтетические, так и биологические компоненты, также являются приоритетной областью исследований, например, вспомогательные устройства для печени, в которых клетки печени используются в конструкции искусственного биореактора.

Генная инженерия

Генная инженерия- совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами, модификация, склейка генов и введения их в другие организмы.

В отличие от традиционной селекции, косвенный метод генетической манипуляции, генная инженерия использует современные инструменты, такие как молекулярное клонирование и трансформация, напрямую изменяющие структуру и характеристики генов-мишеней. Генная инженерии нашла успех в многочисленных ветвях биоинженерии. Примерами могут быть улучшение технологий растениеводства (не медицинского применения, но биологических инженерных систем), производство синтетического инсулина для человека путём использования модифицированных бактерий, производство новых видов подопытных мышей для дальнейших исследований.

Медицинское оборудование

Медицинская техника - это чрезвычайно широкая категория, по существу, охватывающая все продукты здравоохранения, с помощью которых достигают намеченных результатов в совокупности с лекарственными химическими веществами (например, фармацевтические препараты) или биологическими (например, вакцины). Медицинские устройства используются для диагностики, профилактики или лечения различных заболеваний.

Перечень некоторых медицинских приборов и устройств:  кардиостимуляторы, дефибрилляторы, инфузионные насосы, ИВЛ, искусственные органы, имплантаты, протезы, корректирующие линзы, глазные протезы, лицевые и зубные имплантаты.

Без специальных медицинских приборов было бы трудно достичь воздействия лекарственных препаратов на организм человека, а также и внедрения лекарственных химических веществ внутрь организма. В то время как лекарственные средства с помощью медицинских устройств воздействуют гораздо эффективнее на живой организм с помощью различных физических, механических или тепловых эффектов.

Стереолитография является практическим примером медицинского моделирования и используется для создания физических объектов. Для моделирования органов и человеческого организма, возникающие инженерные методы также используются в настоящее время в области исследований и разработки новых устройств для инновационной терапии,[20] лечения [21] мониторинга пациента,[22] мониторинга комплексных сложных заболеваний.

Медицинские приборы регулируются и классифицированы (в США) следующим образом:

Класс I - устройства представляют минимальный вред пациенту и проще по конструкции, чем устройства класса II или класса III. Устройства этой категории включают в себя: эластичные бинты, смотровые перчатки и приборы для оториноларингологии, ручные хирургические инструменты и другие аналогичные приборы общего пользования

Устройства Класса II применяются специальные элементы управления в дополнение к устройствам класса I. Специальные элементы управления могут включать в себя специальные требования к маркировке, обязательные стандарты производительности и наблюдение. Устройства этого класса, как правило включают рентгеновские аппараты, питание инвалидных колясок, инфузионные насосы и хирургические простыни.

Устройства класса III обычно требуют одобрение импорта и экспорта или пред биржевое уведомление, научный отзыв, чтобы гарантировать безопасность устройства и его эффективность, в дополнение к общим элементам управления Класса I. Примеры класса включают в себя сердечные клапаны, замены бедренных и коленных суставов, имплантаты различных типов, силиконовый гель для грудных имплантатов, имплантированные стимуляторы мозжечка , имплантируемые генераторы импульсов и внутрикостные имплантаты (внутри кости).

Медицинская визуализация

Визуализация изображений является важной частью медицинских устройств. Эта область имеет дело с врачами, позволяя им прямо или косвенно посмотреть на вещи невидимые в обычном состоянии (из-за их размера или местонахождения). Это может включать использование ультразвука, магнетизм, УФ, радиизлучение, и другие средства.

МРТ является примером применения диагностической визуализации в биомедицинской инженерии.

Технология по применению визуализации очень часто является необходимой медицинской диагностикой. Как правило, наиболее сложная техника находится в больнице в том числе: рентгеноскопия, магнитно-резонансной томографии (МРТ), позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), проекция рентгеновского излучения, таких как рентген-лучи и компьютерная томография, ультразвуковые аппараты, оптическая микроскопия, электронная микроскопия.

Реабилитационная инженерия

Реабилитационная инженерия - это систематическое применение инженерных наук для проектирования, разработки, адаптации, тестирования, оценки, применения и распространения технологических решений проблем, с которыми сталкиваются люди с ограниченными возможностями. Функциональные области, решаемые с помощью реабилитационной инженерии, могут включать мобильность, коммуникацию, слух, зрение и когнитивные способности, а также деятельность, связанную с трудоустройством, независимой жизнью, образованием и интеграцией в сообщество.

В то время как некоторые инженеры-реабилитологи имеют степень магистра в области инженерии реабилитации, обычно являющейся специализацией биомедицинской инженерии, большинство инженеров-реабилитологов имеют степень бакалавра или магистра в области биомедицинской инженерии, машиностроения или электротехники. Португальский университет предоставляет степень бакалавра и степень магистра в области "реабилитационной инженерии и доступности".[23] Квалификация, чтобы стать инженером по реабилитации в Великобритании, возможна через университетский курс бакалавриата с отличием, такой как Институт дизайна и технологий здравоохранения, Университет Ковентри.

Процесс реабилитации людей с ограниченными возможностями часто влечет за собой разработку вспомогательных устройств - искусственных органов тканей, предназначенных для содействия включению их пользователей в основное русло жизни общества, торговли и отдыха.

Имплантаты

Имплантат является своего рода медицинским устройством, которое заменяет и действует в качестве недостающей биологической структуры. Поверхность имплантатов, которая контактируют с телом может быть выполнена из биомедицинского материала, такого как титан, силикона в зависимости от того, для чего она будет функционировать. В некоторых случаях имплантаты содержат электрические устройства, например электрокардиостимулятор. Некоторые имплантаты биоактивные, такие как подкожные устройства, которые доставляют лекарственные средства, в форме имплантируемых таблеток.

Бионика

Искусственная замена органов является одной из вещей, которую может сделать бионика. По сути, бионика это прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формы живого в природе и их промышленные аналоги. Проще говоря, это соединение биологии и техники.

Бионика может применяться для решения некоторых технических проблем. Биомедицинская инженерия является фундаментом нужных для замены различных частей человеческого тела. В больницах очень много пациентов, у которых сильные повреждения из-за травм или болезней. Биомедицинские инженеры работают рука об руку с врачами, чтобы построить эти искусственные части тела.

См. также

Примечания

  1. ↑ Ширинский, Владимир Павлович. Словарь нанотерминов: Биоинженерия. Merriam-Webster Online Dictionary, 2009.. Дата обращения: 3 апреля 2015. Архивировано 4 сентября 2012 года.
  2. ↑ Сборник задач по инженерной биологии. — Москва: Исследовательское сообщество, 2016. — 54 с. — doi:10.2139/ssrn.2898429.
  3. ↑ John Denis Enderle; Joseph D. Bronzino. Introduction to Biomedical Engineering (англ.). — Academic Press, 2012. — P. 16—. — ISBN 978-0-12-374979-6.  (англ.)
  4. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%8B%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BD%D0%B5%D0%B9%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F
  5. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B2%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F
  6. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0
  7. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0
  8. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B8%D0%B1%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
  9. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B8%D0%BD%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%8F
  10. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
  11. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F
  12. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D1%80%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80%D1%84%D0%B5%D0%B9%D1%81
  13. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D1%80%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5
  14. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D1%80%D0%BE%D0%BD
  15. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D0%BC%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB
  16. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B5%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F
  17. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D0%B9%D1%80%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%81%D1%81%D0%B8%D1%8F
  18. ↑ https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB_%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F
  19. ↑ Introduction to Biomedical Optics
  20. ↑ "Nano": The new nemesis of cancer Hede S, Huilgol N - J Can Res Ther. cancerjournal.net. Дата обращения: 14 декабря 2015. Архивировано 22 декабря 2015 года.
  21. ↑ [1] Архивная копия от 2 октября 2007 на Wayback Machine
  22. ↑ Adam SG Curtis, Matthew Dalby & Nikolaj GadegaardCurtis, Adam SG; Dalby, Matthew; Gadegaard, Nikolaj. Cell signaling arising from nanotopography: implications for nanomedical devices (англ.) // Nanomedicine : journal. — 2006. — Vol. 1, no. 1. — P. 67—72. — ISSN 1743-5889. — doi:10.2217/17435889.1.1.67.
  23. ↑ "Jaw bone created from stem cells". BBC News. 10 октября 2009. Архивировано 11 октября 2009. Дата обращения: 11 октября 2009. {{cite news}}: |archive-date= / |archive-url= несоответствие временной метки; предлагается 11 октября 2009 (справка)

Литература

Ссылки

Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Биомедицинская_инженерия&oldid=128526903