Биомедицинская инженерия

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис

Шаблон:Недостаточная атрибуция

Телемедицинская система, Федеральный центр Нейрогирургии в Тюмени, 2013
Гемодиализ, процесс очищения крови человека, чьи почки не работают нормально.

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[источник не указан 424 дня].

Нейроинженерия

Нейроинженерия - дисциплина в рамках биомедицинской инженерии, которая использует инженерные методы для понимания, восстановления, замены или улучшения нейронных систем. Нейроинженерия опирается на области вычислительной нейробиологии,экспериментальной неврологии, клинической неврологии, электротехники и охватывает элементы робототехники, кибернетики, компьютерной инженерии, материаловедения и нанотехнологий. 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 и нейропротезирование. Существуют нейропротезы для восстановления зрения, например, имплантаты сетчатки. Бионическая система зрения Gennaris, благодаря имплантированному устройству, обходит поврежденные зрительные нервы, позволяя передавать сигналы к зрительному центру мозга. 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.

Фундаментальные основы нейроинженерии включают взаимосвязь нейронов, 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.

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.

Один из первых ярких примеров искусственного синтетического лекарства был создан Полом Эрлихом. Эрлих обнаружил, что атоксил, содержащее мышьяк соединение, которое вредно для человека, очень эффективно убивает бледную трепонему, бактерии, вызывающие сифилис. Он выдвинул гипотезу, что если изменить структуру атоксила, потенциально можно было бы найти “волшебную пулю”, которая убивала бы паразитические бактерии, не оказывая никакого неблагоприятного воздействия на здоровье человека. Он разработал множество соединений, происходящих из химической структуры атоксила, и в конечном итоге определил одно соединение, которое было наиболее эффективным против сифилиса и при этом наименее вредным для человека, которое стало известно как Сальварсан. Сальварсан широко использовался для лечения сифилиса в течение нескольких лет после его открытия.

Биомедицинская оптика

Биомедицинская оптика относится к взаимодействию биологической ткани и света и к тому, как это можно использовать для распознавания, визуализации и лечения. [4]

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.

Биомеханика

Рибосома - это биологическая машина использующая динамику белков
Основная статья: Биомеханика

Биомеханика - это изучение структуры и функции механических аспектов биологических систем на любом уровне от целых организмов до органов , клеток и клеточных органелл [5] с использованием методов механики [6] .

Биоматериалы

Дополнительная информация: Биоматериалы

Биоматериал - это вещество, которое было сконструировано для взаимодействия с биологическими системами в медицинских целях, либо терапевтических (лечение, увеличение, восстановление или замена функции ткани организма), либо диагностических. Биоматериалам, как науке, около пятидесяти лет. Изучение биоматериалов называется наукой о биоматериалах или инженерией биоматериалов. За свою историю компания пережила устойчивый и уверенный рост, многие компании вкладывали большие суммы денег в разработку новых продуктов. Наука о биоматериалах охватывает элементы медицины, биологии , химия , тканевая инженерия и материаловедение.

Обратите внимание, что биоматериал отличается от биологического материала, такого как кость, который вырабатывается биологической системой. Кроме того, следует проявлять осторожность при определении биоматериала как биосовместимого, поскольку он зависит от конкретного применения. Биоматериал, который является биосовместимым или пригодным для одного применения, может не быть биосовместимым в другом.[7][8][9]

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.

Оксигенатор с насосами для поддерживания кровообращения в организме больного во время операции на открытом сердце с помощью АИК.

Больница и медицинское оборудование

Основные статьи: Медицинское оборудование ,медицинское оборудование и медицинские технологии. Это чрезвычайно широкая категория , в основном охватывающая все продукты здравоохранения, которые не достигают намеченных результатов за счет преимущественно химических (например, фармацевтические препараты) или биологических (например, вакцины) средств и не связаны с метаболизмом.

Медицинское изделие предназначено для использования в:

  • диагноз заболевания или других состояний
  • в лечении, смягчении, лечении или профилактике заболеваний.

Некоторые примеры включают кардиостимуляторы ,инфузионные насосы , аппарат искусственного кровообращения , аппараты для диализа , искусственные органы , имплантаты , искусственные конечности , корректирующие линзы , кохлеарные имплантаты , глазные протезы , лицевые протезы , соматопротезы и зубные имплантаты .

Стереолитография — это практический пример медицинского моделирования , используемого для создания физических объектов. Помимо моделирования органов и человеческого тела, новые инженерные методы в настоящее время также используются в исследованиях и разработке новых устройств для инновационных методов лечения,[10] , наблюдения за пациентами[11], сложных заболеваний[12] . Медицинские устройства регулируются и классифицируются (в США) следующим образом (см. также Регламент ):

  • Устройства класса I представляют минимальный потенциал для нанесения вреда пользователю и часто имеют более простую конструкцию, чем устройства класса II или класса III. Устройства в этой категории включают депрессоры для языка, подкладные судна, эластичные бинты, смотровые перчатки и ручные хирургические инструменты, а также другие аналогичные типы обычного оборудования.
  • Устройства класса II подлежат особому контролю в дополнение к общему контролю устройств класса I. Специальные средства контроля могут включать специальные требования к маркировке, обязательные стандарты эффективности и послепродажное наблюдение .Устройства этого класса, как правило, неинвазивны и включают в себя рентгеновские аппараты, PACS, инвалидные кресла с электроприводом, инфузионные насосы и хирургические простыни.
  • Устройства класса III обычно требуют предпродажного одобрения (PMA) или предпродажного уведомления (510k), научной экспертизы для обеспечения безопасности и эффективности устройства, в дополнение к общим мерам контроля класса I. Примеры включают замену сердечных клапанов, имплантаты тазобедренного и коленного суставов , грудные имплантаты, заполненные силиконовым гелем, имплантированные мозжечковые стимуляторы, имплантируемые кардиостимуляторы и внутрикостные имплантаты.

Медицинская визуализация

Основная статья: Медицинская визуализация

Медицинская/биомедицинская визуализация является основным сегментом медицинских устройств . Эта область касается предоставления клиницистам возможности прямо или косвенно «просматривать» вещи, невидимые на виду (например, из-за их размера и / или местоположения). Это может включать использование ультразвука, магнетизма, ультрафиолета, радиологии и других средств.

Технологии визуализации часто необходимы для медицинской диагностики и, как правило, представляют собой наиболее сложное оборудование, используемое в больнице, включая рентгеноскопию , магнитно-резонансную томографию(МРТ), ядерную медицину , сканирование ПЭТ-КТ , проекционную рентгенографию, такую ​​как Рентген и КТ , томография , УЗИ , оптическая микроскопия , электронная микроскопия .

Имплантаты

Имплантаты (например, в случае эндопротезирования тазобедренного сустава) тщательно подгоняются и крепятся

Имплантат — это своего рода медицинское устройство, предназначенное для замены и действия отсутствующей биологической структуры (по сравнению с трансплантатом, который указывает на пересаженную биомедицинскую ткань). Поверхность имплантатов, контактирующих с телом, может быть изготовлена ​​из биомедицинского материала, такого как титан, силикон или апатит, в зависимости от того, что является наиболее функциональным. В некоторых случаях имплантаты содержат электронику, например искусственные кардиостимуляторы и кохлеарные имплантаты. Некоторые имплантаты являются биоактивными, например устройства для подкожной доставки лекарств в виде имплантируемых пилюль или стентов с лекарственным покрытием .

Бионика

Дополнительная информация:Бионика в медицине

Замена частей тела искусственными — одно из многих применений бионики. Бионика, связанная со сложным и тщательным изучением свойств и функций систем человеческого тела, может применяться для решения некоторых инженерных задач. Тщательное изучение различных функций и процессов, происходящих в глазах, ушах и других органах, проложило путь к созданию усовершенствованных фотоаппаратов, телевидения, радиопередатчиков и приемников и многих других инструментов.

Биомедицинские датчики

В последние годы все большее внимание привлекают биомедицинские датчики, основанные на микроволновых технологиях. Различные датчики могут быть изготовлены для конкретных целей как при диагностике, так и при мониторинге болезненных состояний, например, микроволновые датчики могут использоваться в качестве дополнительного к рентгену метода для мониторинга травм нижних конечностей[13] . Датчик контролирует диэлектрические свойства и, таким образом, может замечать изменения в тканях (костях, мышцах, жире и т. д.) под кожей, поэтому при измерении в разное время в процессе заживления реакция датчика будет меняться по мере заживления травмы.

Клиническая инженерия

Основная статья: Клиническая инженерия

Схематическое изображение ЭКГ, пример широкого использования клинического медицинского оборудования (работает путем применения электронной техники в электрофизиологии и медицинской диагностике).

Клиническая инженерия я — это отрасль биомедицинской инженерии, занимающаяся фактическим внедрением медицинского оборудовани и технологий в больницах или других клинических условиях. Основные роли клинических инженеров включают обучение и контроль техников биомедицинского оборудования (BMET)., выбор технологических продуктов/услуг и материально-техническое управление их внедрением, работа с государственными регулирующими органами по вопросам инспекций/аудитов, а также работа в качестве технологических консультантов для другого персонала больницы (например, врачей, администраторов, ИТ-специалистов и т. д.). Клинические инженеры также консультируют и сотрудничают с производителями медицинских устройств в отношении перспективных улучшений конструкции на основе клинического опыта, а также отслеживают развитие современного уровня техники, чтобы соответствующим образом перенаправить схемы закупок.

Присущая им ориентация на практическое внедрение технологий, как правило, заставляла их больше ориентироваться на постепенноередизайн и реконфигурация на уровне, в отличие от революционных исследований и разработок или идей, которые будут приняты через много лет после клинического применения; тем не менее, предпринимаются растущие усилия по расширению этого временного горизонта, в котором клинические инженеры могут влиять на траекторию биомедицинских инноваций. В своих различных ролях они образуют «мост» между основными разработчиками и конечными пользователями, сочетая перспективы как близости к точке использования, так и обучения в области разработки продуктов и процессов. Отделы клинической инженерии иногда нанимают не только инженеров-биомедиков, но и промышленных/системных инженеров для помощи в исследовании/оптимизации операций, человеческом факторе, анализе затрат и т. д. Также см. раздел «Техника безопасности» .для обсуждения процедур, используемых для проектирования безопасных систем. Отдел клинической инженерии состоит из менеджера, супервайзера, инженера и техника. Один инженер на восемьдесят коек в больнице — это соотношение. Клинические инженеры также уполномочены проверять фармацевтические и связанные с ними магазины, чтобы контролировать отзыв FDA инвазивных предметов.

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

Пример симбиоза технических и медицинских наук: ультразвуковое исследование мочевого пузыря (чёрная тень в виде бабочки на экране — мочевой пузырь)

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".[14] 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.

Нормативные вопросы

В последние десятилетия вопросы регулирования постоянно увеличивались для реагирования на многие инциденты, вызванные устройствами для пациентов. Например, с 2008 по 2011 год в США было 119 отзывов FDA медицинских устройств, классифицированных как класс I. По данным Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), отзыв класса I связан с «ситуацией, в которой существует разумная вероятность того, что использование или воздействие продукта вызовет серьезные неблагоприятные последствия для здоровья или смерть».

В Российской Федерации проблематикой регулирования, надзора и контроля в сфере медицинских изделий занимается Росздравнадзор.

Независимо от законодательства конкретной страны, основные цели регулирования совпадают во всем мире.[15] Например, в правилах к медицинскому оборудованию устройство должно быть: безопасным, эффективным и пр. Некоторые вопросы регулируются системой стандартов, ГОСТ ИСО Международной организацией по стандартизации.

Продукт безопасен, если пациенты, пользователи и третьи лица не подвергаются неприемлемым рискам физических опасностей (смерть, травмы, ...) при его предполагаемом использовании. На устройствах должны быть введены защитные меры для снижения остаточных рисков на приемлемом уровне по сравнению с выгодой, получаемой от их использования.

Продукт эффективен, если он работает так, как указано производителем в предполагаемом использовании. Эффективность достигается путем клинической оценки, соответствия стандартам производительности или демонстрации существенной эквивалентности уже продаваемому устройству.

Прежние характеристики должны быть обеспечены для всех изготавливаемых изделий медицинского изделия. Это требует, чтобы система качества была создана для всех соответствующих предприятий и процессов, которые могут влиять на безопасность и эффективность на протяжении всего жизненного цикла медицинского изделия.

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. ↑ Introduction to Biomedical Optics
  5. ↑ R. McNeill (2005). "Mechanics of animal movement". Current Biology. 15 (16): R616–R619.
  6. ↑ Хатце, Герберт (1974). «Значение термина биомеханика». Журнал биомеханики . 7 (12): 189–190.
  7. ↑ Schmalz, G.; Arenholdt-Bindslev, D. (2008). "Chapter 1: Basic Aspects". Biocompatibility of Dental Materials. Берлин: Springer-Verlag. стр. 1-12. Архивировано с оригинала 9 декабря 2017 года. Проверено 29 февраля 2016 года.
  8. ↑ Vert, M.; Doi, Y.; Hellwich, K. H.; Hess, M.; Hodge, P.; Kubisa, P.; Rinaudo, M.; Schué, F. O. (2012). "Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012)". Pure and Applied Chemistry. 84 (2): 377.
  9. ↑ Song, Richard; Murphy, Maxwell; Li, Chenshuang; Ting, Kang; Soo, Chia; Zheng, Zhong (2018-09-24). Current development of biodegradable polymeric materials for biomedical applications.
  10. ↑ "Nano": The new nemesis of cancer Hede S, Huilgol N - J Can Res Ther. cancerjournal.net.
  11. ↑ Couvreur, Patrick (2006). «Nanotechnology: Intelligent Design to Treat Complex Disease». Pharmaceutical Research 23: 1417–1450(34). doi:10.1007/s11095-006-0284-8. PMID 16779701.
  12. ↑ (2006) «Cell signaling arising from nanotopography: implications for nanomedical devices». Nanomedicine 1 (1): 67–72. doi:10.2217/17435889.1.1.67. ISSN 1743-5889. PMID 17716210.
  13. ↑ (2018-02-21) «Split-Ring Resonator Sensor Penetration Depth Assessment Using In Vivo Microwave Reflectivity and Ultrasound Measurements for Lower Extremity Trauma Rehabilitation» (en). Sensors 18 (2): 636. doi:10.3390/s18020636. ISSN 1424-8220. PMID 29466312. Bibcode: 2018Senso..18..636S.
  14. ↑ Jaw bone created from stem cells, BBC News (10 октября 2009). Архивировано 11 октября 2009 года. Дата обращения 11 октября 2009.
  15. ↑ "Правила использования медицинского оборудования: глобальный обзор и руководящие принципы". Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ). 2003.

Литература

Ссылки

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Биомедицинская_инженерия&oldid=12785597