生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域精選(九篇)

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第1篇：生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域范文

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學工程；嵌入式系統(tǒng)；教學方法

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）33-0112-02

Abstract： This article takes the Bio-medical Engineering of AHUCM Specialty as an example to summarize the problems occurred in the course of Embedded System Course.It condensed out a teaching method which combines the selection of teaching materials and professional construction，combines the selection of theory course and training objectives， combines the training of practical ability and school running characteristics and builds a new evaluation system. It will improve the teaching and practice of Embedded System Course in Bio-medical Engineering in order to meet the needs of the society.

Key words： Bio-medical Engineering；Embedded System；Teaching method

生物醫(yī)學工程（Bio-medical Engineering，BME）是綜合運用多門學科的理論和技術(shù)，研究和解決人類健康、疾病預(yù)防、診斷和治療等的新技術(shù)、新方法，是一門多學科交叉和滲透性強的新興學科，也是一門結(jié)合其他學科和技術(shù)快速發(fā)展的學科，本身具有高度的前沿性和先進性，高新技術(shù)的突飛猛進，要求我們不斷調(diào)整課程設(shè)置以適應(yīng)社會的需求和時代的發(fā)展。隨著嵌入式系統(tǒng)在各個領(lǐng)域表現(xiàn)出強勁的生命力，并且越來越多的應(yīng)用到醫(yī)療器械中，在本校開設(shè)的生物醫(yī)學工程專業(yè)（醫(yī)療器械方向）本科生教學中增加嵌入式系統(tǒng)的教學內(nèi)容已勢在必行[1]。

根據(jù)IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設(shè)備運行的裝置”。目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)[2]。雖然側(cè)重點不同，以上兩種定義卻均體現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)是可以涵蓋機械等附屬裝置的軟硬件綜合體。鑒于醫(yī)療器械自身的特點，嵌入式系統(tǒng)不僅能夠在安全性、實時性、控制精度、數(shù)據(jù)處理能力以及與醫(yī)院管理系統(tǒng)匹配性等方面增強其性能，并使醫(yī)療器械呈現(xiàn)便攜式和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢。

綜上所述，如何開展我校生物醫(yī)學工程專業(yè)的《嵌入式系統(tǒng)原理及設(shè)計》課程的教學工作，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標和我校辦學特色，值得我們探索和研究。經(jīng)過兩年的教學實踐，我們發(fā)現(xiàn)教學過程中存在的若干問題，并總結(jié)了一些經(jīng)驗。

1 教材選擇與專業(yè)建設(shè)相結(jié)合

因為嵌入式技術(shù)很強的行業(yè)相關(guān)性，高校應(yīng)考慮基于理論且面向應(yīng)用的教材，教學不會與實踐脫節(jié)。但由于新技術(shù)日新月異，導(dǎo)致很難找到一套普遍適用的系列教材。同時，嵌入式系統(tǒng)兼具軟硬件方面的知識與應(yīng)用，各類教材的側(cè)重點不同。例如，以軟件開發(fā)為主，包括應(yīng)用軟件和驅(qū)動程序開發(fā)，放棄硬件設(shè)計內(nèi)容，并且在多種處理器、操作系統(tǒng)中選擇主流、有發(fā)展前景的ARM微處理器和嵌入式Linux作為主要授課內(nèi)容，可選擇林曉飛等編寫的《基于ARM嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)與實例教程》；周立功等編寫的《ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程》是目前嵌入式系統(tǒng)課程最為成功的教材之一，其配套資源非常全面，但其教學內(nèi)容偏重硬件，擴展內(nèi)容和工程案例較少，適合工程人員查閱。生物醫(yī)學工程既有側(cè)重于電子專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，又有側(cè)重于計算機專業(yè)的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)，對于開展專業(yè)建設(shè)，提升專業(yè)內(nèi)涵，穩(wěn)定學生的專業(yè)思想，有很好的示范引導(dǎo)用?；谝陨希窘萄惺沂紫却_定以市場主流的嵌入式微處理器ARM9作為教學內(nèi)容，采用高等院校規(guī)劃教材，北京航空航天大學出版社出版的《ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)教程》，并結(jié)合實驗指導(dǎo)書、開發(fā)板使用手冊、應(yīng)用程序開發(fā)手冊、系統(tǒng)移植手冊等內(nèi)容，使嵌入式技術(shù)被更多學生掌握，也保證了硬件和軟件知識的完整性。為之后開展的醫(yī)療器械類專業(yè)課，建立了良好開端。

2 理論課程選擇與培養(yǎng)目標相結(jié)合

目前，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用到醫(yī)療器械各個領(lǐng)域。CT、核磁共振等大型成像設(shè)備，彩超、經(jīng)顱多普勒等超聲設(shè)備，心電、腦電等電子設(shè)備，全自動生化分析、免疫測試系統(tǒng)等檢測設(shè)備，呼吸機、麻醉機等監(jiān)護設(shè)備均需要嵌入式系統(tǒng)的支持[3]。我校生物醫(yī)學專業(yè)主要偏重醫(yī)療器械方向，培養(yǎng)學生成為能從事醫(yī)學電子儀器、醫(yī)療器械開發(fā)設(shè)計和研制、醫(yī)療器械質(zhì)量檢測和技術(shù)監(jiān)督管理等工作。那么提高相關(guān)專業(yè)課與實際應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)性，讓學生清楚地認識到嵌入式系統(tǒng)是如何應(yīng)用到醫(yī)療器械領(lǐng)域的，是我們?nèi)握n老師應(yīng)該做到的。

所以，本人在教學過程中，穿插列舉嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療器械中的應(yīng)用實例，不但使學生更容易理解相關(guān)理論知識，將兩者有機結(jié)合，而且為接下來開展的醫(yī)療器械方面專業(yè)課打下一定基礎(chǔ)。例如，基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的便攜式電子血壓計不僅能夠有效縮小血壓計的體積，還能夠?qū)崿F(xiàn)“傻瓜式”血壓測量，所返回的測量結(jié)果也更加準確。電子血壓計由氣袖、氣泵、傳感器、嵌入式控制器以及顯示器等部件組成。在使用其進行血壓測量時控制模塊主要是與氣泵傳感器相配合實現(xiàn)控制氣壓，采集、記錄、顯示參數(shù)的功能。依照血壓測量原理，控制器分別記錄血壓測量過程中的收縮壓和舒張壓即完成了一次血壓測量；基于嵌入式系統(tǒng)的多參數(shù)監(jiān)護儀可以將傳感器采集到的人體生理信號轉(zhuǎn)換為可被嵌入式系統(tǒng)識別的數(shù)字信號，然后該數(shù)字信號經(jīng)過濾波、放大、量化等預(yù)處理后即可被傳輸?shù)教幚砟K進行處理和分析。分析時，若信號超出人體正常參數(shù)范圍則系統(tǒng)將該信號所對應(yīng)的參數(shù)標注為非正常，向相關(guān)醫(yī)護人員進行報警，同時將出現(xiàn)異常的各項數(shù)據(jù)存儲在存儲模塊中，以便于后續(xù)分析和診斷[4]。

3 實踐操作能力的培養(yǎng)與專業(yè)辦學特色的結(jié)合

國家科技部印發(fā)的《醫(yī)療器械科技產(chǎn)業(yè)“十二五”專項規(guī)劃》提出，要緊密圍繞疾病預(yù)防、臨床診療、健康促進的需要，重點開發(fā)新型中醫(yī)診療等醫(yī)療器械產(chǎn)品和系統(tǒng)等新型醫(yī)療器械產(chǎn)品。未來的幾十年，隨著醫(yī)療水平的逐步提高，醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)將進入高速發(fā)展的時代，我校應(yīng)迎合國家和社會的需求，將高精尖的現(xiàn)代信息技術(shù)與自身具備的豐厚的中醫(yī)理論知識等專業(yè)優(yōu)勢相結(jié)合，改進現(xiàn)有的并開發(fā)新型的中醫(yī)診斷儀器[5]。在開展實驗教學的過程中，可以根據(jù)學生具備的不同軟硬件基礎(chǔ)，也就是對先導(dǎo)課程（高級語言程序設(shè)計、微機原理與接口技術(shù)、單片機原理等課程）的掌握程度進行分組，基礎(chǔ)較差的學生主要進行基礎(chǔ)驗證型實驗，基礎(chǔ)稍好的學生進行設(shè)計綜合型實驗，而基礎(chǔ)較好并且對嵌入式系統(tǒng)興趣濃厚的學生可以進行研究創(chuàng)新型實驗，實現(xiàn)分層次教學。劃分后，各個層次的學生均能對如何學習這門課做出自我定位，從而產(chǎn)生興趣，反響良好。設(shè)計綜合型實驗和研究創(chuàng)新型實驗需與具體項目結(jié)合、與相關(guān)競賽結(jié)合、與中醫(yī)診療設(shè)備的發(fā)展方向結(jié)合，充分體現(xiàn)出本專業(yè)的辦學特色使學生深刻了解本專業(yè)的優(yōu)勢特色和發(fā)展前景，并清楚地認識到其身上肩負的使命，有助于增強學生的專業(yè)認可度，調(diào)動其學習積極性。

同時，課堂教學不能與具體實踐脫節(jié)，醫(yī)療器械技術(shù)和設(shè)備發(fā)展很快，相關(guān)實驗設(shè)備又價格昂貴。我校的附屬醫(yī)院可以為本專業(yè)的學生提供現(xiàn)場觀摩學習的機會，其中各個科室配備的各類功能型號的醫(yī)療器械讓學生們可以看得到、摸得到、學得到，在現(xiàn)場體會嵌入式系統(tǒng)是如何成為醫(yī)療器械整體結(jié)構(gòu)中不可或缺的功能模塊，發(fā)揮其特有的作用，使學生有更直觀的感受。

4 構(gòu)建“形成性+終結(jié)性”評價體系

與傳統(tǒng)的終結(jié)性評價不同的是，本嵌入式系統(tǒng)課程的考核采用“形成性+終結(jié)性”的評價方式。包括分別占總成績50%和30%的理論考核和實驗考核，此外，平時考核占20%。這種考核方式改變了傳統(tǒng)的一役定生死的考核方式，逐步建立“平時表現(xiàn)、理論掌握、動手操作”三者并重的考核模式。平時表現(xiàn)包括課堂考勤、提問、課后作業(yè)、答疑等，其目的是培養(yǎng)學生學習的主觀能動性。理論掌握的考核主要通過期末考試的形式，其目的是督促學生增強學習的自覺性，建立正確的學習方法和學習態(tài)度。動手操作的考核主要是以學生做實驗時的表現(xiàn)和實驗的完成情況來評估的，制定一套可行的、量化的標準考核方法，定性定量的肯定學生的實際操作能力，可以有效提高其積極性和主動性。經(jīng)過改良后的考核方式更加側(cè)重于評估學生的自主學習能力，建立其主體意識，對于改善學習效果起到了立竿見影的作用。

5 結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)是一門多學科交叉、涵蓋內(nèi)容廣泛、軟硬件兼有、產(chǎn)業(yè)前沿性較強、對實際應(yīng)用能力要求較高的課程，不同類型的院校的不同專業(yè)，開展本課程的側(cè)重點也不盡相同。所以，開展嵌入式系統(tǒng)課程的本科教學，要想達到理想的效果，需要任課老師下一番苦功?？偨Y(jié)來看，本專業(yè)是中醫(yī)類院校、醫(yī)藥信息工程學院中的生物醫(yī)學工程專業(yè)，偏重醫(yī)療器械方向，培養(yǎng)既有醫(yī)學基礎(chǔ)又有工科背景的專業(yè)型人才是我們的辦學特色，所以，在嵌入式系統(tǒng)課程中，加入中醫(yī)理論和醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)方面的知識內(nèi)容對于開展教學會有很大幫助。同時，在選擇教材、設(shè)置課程內(nèi)容、實驗實踐教學和建立評估體系等方面，也需要任課老師因地制宜，量體裁衣。

我國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)是一個創(chuàng)新能力不斷增強、市場需求十分旺盛的朝陽產(chǎn)業(yè)。與此同時，也要看到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不足，提高技術(shù)創(chuàng)新能力、加強研發(fā)的產(chǎn)、學、研結(jié)合，已經(jīng)成為當務(wù)之急。建國幾十年來形成的良好基礎(chǔ)，人民群眾保健康復(fù)對醫(yī)療器械的剛性需求，醫(yī)療器械相關(guān)學科技術(shù)人才的長期儲備，國家對醫(yī)療器械技術(shù)創(chuàng)新的大力扶持，都是促進醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的保障和動力。我們作為開展生物醫(yī)學工程專業(yè)的院校和任課老師，應(yīng)清楚認識到自己身上的責任與重擔，迎著大好的形勢，在探索中教學，在教學中成長，緊跟科學前沿，同時腳踏實地，總結(jié)經(jīng)驗，吸取教訓，為產(chǎn)業(yè)輸送人才，為國家的醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)安全有序的發(fā)展做出自己的貢獻。

參考文獻：

[1] 鄧軍民，等.生物醫(yī)學工程專業(yè)本科教育課程設(shè)置探討[J].首都醫(yī)科大學學報，2007：166-168.

[2] 黃智偉，等.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)教程[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2013：1.

[3] 袁寶蕓，等.嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中外醫(yī)療，2011（22）：182.

第2篇：生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域范文

由此可以看出，《信號與系統(tǒng)》這門專業(yè)基礎(chǔ)課在BME本科教育的過程中起著舉足輕重的作用。同時，《信號與系統(tǒng)》要求學生具備一定的數(shù)學基礎(chǔ)和電路分析基礎(chǔ)。因此，我們在制定教學計劃時，應(yīng)該針對不同基礎(chǔ)的學生制定不同層次水平的教學計劃，以課堂教學與實踐并重，以由淺入深、由粗到細、重點突出為原則，建立在實踐中發(fā)現(xiàn)問題，在課堂中探討問題，再回到實踐中解決問題的教學模式，以利于學生更好地掌握課程的知識要點，為他們今后的工作和研究打下良好的基礎(chǔ)。

把握課程思想，創(chuàng)新教學方法

《信號與系統(tǒng)》既承接了先修課《電路分析》等課程，又為《數(shù)字信號處理》、《醫(yī)學圖像處理》等后續(xù)課程奠定了基礎(chǔ)。主要討論連續(xù)時間信號與系統(tǒng)，研究確定性信號經(jīng)線性、時不變系統(tǒng)傳輸與處理的基本理論。此課程由《電路分析》中的微觀電路過渡到宏觀系統(tǒng)，以系統(tǒng)的觀點來研究信號處理過程及結(jié)果。因此，如何創(chuàng)新教學方法，以培養(yǎng)學生的整體系統(tǒng)思維方法，讓學生理解課程理論知識在實際中的應(yīng)用，提高學生的學習興趣，成為我們的課程重點。我校堅實的醫(yī)學、生物學研究基礎(chǔ)，為BME專業(yè)的本科生提供了大量的研究問題與數(shù)據(jù)。2011年，我校BME系與美國通用電氣公司（GeneralElectricCompany，簡稱GE）建立聯(lián)合培養(yǎng)基地，加強BME專業(yè)理論及技術(shù)交流。

我們通過邀請醫(yī)學、生物學和GE公司的相關(guān)專家針對醫(yī)學信號問題、顯微鏡下的生物圖像問題以及CT、MRI等設(shè)備的圖像處理系統(tǒng)問題做報告，讓學生了解《信號與系統(tǒng)》的應(yīng)用領(lǐng)域，以及在此領(lǐng)域中可以解決哪些具體問題、如何解決這些問題，讓他們帶著問題去學習。在講授課程的過程中，教師除了講解一些重要基礎(chǔ)理論之外，還要強調(diào)課堂互動，以某一信號的處理為例，激發(fā)學生們的小組討論熱情，在無形之中培養(yǎng)他們的動腦解決問題的能力和動口表達交際的能力。除了課堂授課之外，我們也需要重視課下交流，鼓勵同學們針對自己感興趣的問題提出一些想法，也可以通過電子郵件、群討論、博客、論壇等形式增強交流溝通，讓課堂學習與實踐應(yīng)用相結(jié)合，促進同學們對此門課程學習的積極性和主動性。

豐富教學手段，重視專業(yè)術(shù)語

《信號與系統(tǒng)》課程的突出特點是數(shù)學公式多，利用數(shù)學工具解決生物醫(yī)學問題。如何把枯燥的理論學習和公式推導(dǎo)轉(zhuǎn)化成易于理解的形象思維過程是我們需要探索的方向。我們根據(jù)課程特點，重視課件制作，適當?shù)乩寐曇?、動畫等手段，增加課件的生動性。另外，可以結(jié)合教學軟件的應(yīng)用，實時演示一些計算過程或理論，如信號的相乘、相加、分解等，加深同學們對課堂內(nèi)容的理解。為了更好地發(fā)展BME這一新興學科，積極應(yīng)對經(jīng)濟全球化、教育國際化挑戰(zhàn)，培養(yǎng)適應(yīng)地方經(jīng)濟發(fā)展和社會進步要求和具有國際合作意識、國際交流與競爭能力的復(fù)合型、外向型人才，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，我們需要盡快轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學思想和育人理念，融會中西方先進文化和科學成果。因此，在《信號與系統(tǒng)》的教學過程中，有意識地讓學生掌握一些信號處理方面的英文專業(yè)術(shù)語，為他們今后的學習、研究和工作打下一個良好的基礎(chǔ)，是十分必要的。一方面，教師可以在課件制作上下功夫，將教材中出現(xiàn)的與BME相關(guān)的專業(yè)名詞以圖像加文字的方式加以顯示，有利于學生對專業(yè)詞匯的理解和記憶。另一方面，由于本課程的課時限制，課堂上只能分配少量的時間來學習英文專業(yè)術(shù)語，教師可以鼓勵學生在課外閱讀英文原版教材AlanVOppenheim的《signals&systems》（第二版），并結(jié)合麻省理工學院《信號與系統(tǒng)》公開課，邊學習邊思考，培養(yǎng)學生的思維方式，也可以鼓勵學生閱讀外文文獻或心電圖機、B超等醫(yī)療儀器說明書的形式來進一步學習，使學生初步具備檢索、閱讀國外專業(yè)書籍和文獻的能力，拓寬BME本科生的學習視野，為將來先進醫(yī)療儀器的研發(fā)儲備知識。

挖掘應(yīng)用實例，強調(diào)實踐教學

《信號與系統(tǒng)》教學離不開醫(yī)療儀器實驗室。我校各大附屬醫(yī)院擁有先進的醫(yī)療設(shè)備，為BME專業(yè)的學生提供了得天獨厚的資源優(yōu)勢。通過“看”各種醫(yī)療儀器如何采集人體信號，經(jīng)過哪些變換之后顯示在電腦屏幕上，來了解信號的產(chǎn)生過程，以及信號在各個系統(tǒng)中的處理過程。通過“聽”醫(yī)生對各種醫(yī)療儀器原理、使用方法及需要改善的功能等問題的介紹，了解信號處理領(lǐng)域亟待解決的問題，并在學習課程的過程中，分析問題、解決問題，提高科學研究的素質(zhì)和開拓創(chuàng)新的意識。通過動手“做”各種小儀器，如便攜式生理信號檢測儀等，將課堂所學的理論知識與實踐應(yīng)用相結(jié)合，提高自主解決問題的能力。在進行此類設(shè)計性、綜合性實驗時，一方面可以鞏固《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》等課程中的硬件設(shè)計知識，另一方面可以學習Matlab和Labview等仿真軟件，以此構(gòu)筑軟硬結(jié)合的實驗教學模式，與實際應(yīng)用緊密聯(lián)系，在夯實學生的理論知識的同時，增強他們的實踐技能和創(chuàng)新能力。

結(jié)束語

第3篇：生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域范文

關(guān)鍵詞：醫(yī)學工程；醫(yī)院管理；器材管理與維修

1醫(yī)學工程科的現(xiàn)狀

1.1醫(yī)療器械的種類和數(shù)量增多

各醫(yī)院年度設(shè)備采購經(jīng)費逐年遞增說明了這一點，例如國內(nèi)某醫(yī)院從1987年設(shè)備采購經(jīng)費僅600萬元左右，到2007年則高達6000多萬元。

1.2醫(yī)療器械的復(fù)雜性增加

表現(xiàn)為材料、生產(chǎn)工藝、維護和維修復(fù)雜；評估選型和采購決策困難；計量和質(zhì)控要求嚴格，否則，醫(yī)療質(zhì)量難以保障。

1.3學術(shù)和管理界已高度重視該學科

2002年11月科學出版社出版了由姜遠海主編的《21世紀高等醫(yī)學院校教材-臨床醫(yī)學工程技術(shù)》一書；2007年1月人民衛(wèi)生出版社出版了由楊虎主編的《臨床醫(yī)學工程教程》一書；同年，中國醫(yī)學考試網(wǎng)公布了《2007年臨床醫(yī)學工程技術(shù)專業(yè)考試大綱》［內(nèi)容包括：(1)基礎(chǔ)知識（醫(yī)學基礎(chǔ)知識、自然科學基礎(chǔ)知識）；(2)相關(guān)專業(yè)知識（管理基礎(chǔ)知識、專業(yè)英語和計算機基礎(chǔ)）；(3)專業(yè)實踐能力；(4)專業(yè)知識（醫(yī)療設(shè)備知識和醫(yī)療設(shè)備管理）］。

2臨床醫(yī)學工程學主要內(nèi)容

2.1臨床醫(yī)學工程學基礎(chǔ)內(nèi)容

2.1.1臨床需求與論證

臨床需求主要包括購新、維修及醫(yī)療器械的改造升級等，不論那一種需求，都有必要對其學術(shù)效益、社會效益及經(jīng)濟效益進行全面的論證，其中學術(shù)效益是根本。就學科建設(shè)而言，可以把學術(shù)效益看作春天播種的種子，實際上也就是能否解決特定學科建設(shè)及其醫(yī)療、教學和科研的問題，同時兼顧醫(yī)院整體發(fā)展的問題；經(jīng)過夏天的辛勤勞動，到了秋天你才能收獲經(jīng)濟和社會效益這兩個果實。

2.1.2選型與評估

主要是一定要保證所采購醫(yī)療器械的技術(shù)先進性、可靠性和可維修性，為此對計劃購置的廠商的醫(yī)療器械產(chǎn)品要進行縱橫兩個方向的評價；同時，對醫(yī)療器械的安全防護、節(jié)能性和配套性等問題也應(yīng)當高度重視。

2007年10月國家衛(wèi)生部辦公廳就城市醫(yī)療機構(gòu)衛(wèi)生裝備評估選型推薦了第二批32品目362種規(guī)格型號的醫(yī)療器械產(chǎn)品，在選型與評價時可供參考。

2.1.3采購計劃

醫(yī)療器械購置計劃應(yīng)當有長遠規(guī)劃、中期計劃和年度計劃。制定醫(yī)療器械購置計劃應(yīng)當堅持經(jīng)濟性原則、有效性原則和先進性原則；其程序應(yīng)當包括：（1）使用部門提出申請；（2）收集產(chǎn)品信息初步匯總；（3）分析研究產(chǎn)品信息確定方案；（4）擬定方案提出預(yù)算；（5）綜合平衡確定計劃。

2.1.4產(chǎn)品標準

醫(yī)療器械產(chǎn)品標準是一個完整的體系，包括有國家標準（GB)、行業(yè)標準(YY)和產(chǎn)品注冊標準（有國產(chǎn)、進口兩種）；國際上一些非營利專業(yè)組織的相關(guān)標準具有重要的指導(dǎo)意義，而歐盟和美國標準也往往具有較大的參考意義。

2.1.5集中招標采購

可參考《招投標法》等相關(guān)法律法規(guī)以及各級管理部門的相關(guān)規(guī)定。

2.1.6安裝、調(diào)試與驗收

（1)安裝與調(diào)試：主要內(nèi)容一是使用環(huán)境的技術(shù)要求；二是安裝調(diào)試的程序（驗收合格后進行；參加安裝調(diào)試的人員要做好安裝調(diào)試的各項準備工作；對大型設(shè)備安裝調(diào)試、使用和維修人員進行技術(shù)培訓；調(diào)試時要按照說明書進行；調(diào)試過程中操作人員要多操作，多熟悉，盡快安排“考機”；安裝調(diào)試完成，儀器能夠正常運轉(zhuǎn)，應(yīng)予簽收；醫(yī)療設(shè)備的保修）。（2)驗收：一是驗收前的準備工作：包括：驗收資料的準備；驗收人員和部門的準備；制定驗收方案；建立驗收記錄和驗收報表；做好輔助設(shè)備的準備；驗收工具的準備；對于進口醫(yī)療設(shè)備需申請商品檢驗；對于進口計量設(shè)備需申請計量檢定。二是驗收的程序：包括：開箱；清點；查驗外形；檢查機內(nèi)組件；重點檢查精密易碎部件；在驗收過程中，所有與合同要求不符的情況都應(yīng)當做好有關(guān)記錄并拍照、錄像以備索賠。

2.1.7維護與維修

（1）維護：一般指周期性地對特定的醫(yī)療設(shè)備進行的預(yù)防性維護（PreventiveMaintenance，PM)，這一系列周期性的科學維護工作主要包括：①操作性能測試及調(diào)整；②電氣安全測試；③外觀、控制部件及內(nèi)部清潔、、更換易耗元件。（2）維修一般可分成下面三種情況：①保修：新機帶的，或新機過保后買的，過保后買的則可能采購成本非常高，且服務(wù)情況也無標準可言；②自修：一般大型設(shè)備較難，主要由圖紙、密碼和備件供應(yīng)所引起；③第三方維修：目前，醫(yī)療器械維修的社會化問題已被提上了議事日程，雖成本較低但風險較大。

2.1.8報廢

要確定標準的技術(shù)鑒定程序和分級審批程序。

2.1.9信息和檔案管理

（1）按國家《醫(yī)療器械分類目錄》進行信息的收集和歸檔；（2）將醫(yī)療器械分為：醫(yī)療設(shè)備、手術(shù)器械、醫(yī)用耗材、體外試劑、病房用具和醫(yī)療工程，在此基礎(chǔ)上進行分類建檔、管理，管理原則是按I、II和III類進行，以確保醫(yī)療質(zhì)量。

2.1.10計量

加強醫(yī)學計量監(jiān)督管理是衛(wèi)生法規(guī)建設(shè)的主要內(nèi)容，也是提高醫(yī)療水平、促進醫(yī)學技術(shù)發(fā)展的必要手段。醫(yī)院應(yīng)將計量工作納入年度工作計劃，加強法律、法規(guī)等文件的宣傳教育，增強法制觀念，對于計量檢定不合格的設(shè)備應(yīng)嚴禁使用，強制檢定器具損壞修復(fù)后必須進行計量檢定。對于設(shè)備陳舊老化、超過使用年限，經(jīng)計量檢定不合格的設(shè)備應(yīng)進行報廢處理；對超過使用年限，但計量技術(shù)指標仍然合格的設(shè)備應(yīng)縮短計量檢定周期，確保使用設(shè)備的良好運行。

2.1.11不良事件監(jiān)測與報告

醫(yī)療設(shè)備不良事件是指獲準上市的、合格的醫(yī)療設(shè)備在正常使用情況下發(fā)生的導(dǎo)致或可能導(dǎo)致人體傷害的任何與醫(yī)療設(shè)備預(yù)期效果無關(guān)的有害事件。傷害事件分一般傷害與嚴重傷害。嚴重傷害的含義是指下列情況之一：（1）危及生命；（2）導(dǎo)致機體功能的永久性傷害或機體結(jié)構(gòu)永久性損傷；（3）必須采取醫(yī)療措施才能避免的永久性傷害或損傷。

2.2臨床醫(yī)學工程學要求

前面簡述了臨床醫(yī)學工程學的基本內(nèi)容，隨著醫(yī)院的發(fā)展，對該學科提出了更高的要求，主要包括以下幾方面：（1）醫(yī)療器械質(zhì)量安全控制的基本原則是：標準是基礎(chǔ)，計量技術(shù)是手段，醫(yī)療器械的質(zhì)量安全是目的。內(nèi)容包括：①例行強檢；②驗收檢測（新設(shè)備）；③狀態(tài)檢測（日常工作之一）；④穩(wěn)定性檢測（日常工作之二）；⑤維修后檢測（日常工作之三）。(2)充分發(fā)揮醫(yī)療器械的現(xiàn)有功能的基本原則是：用技術(shù)和管理手段保障設(shè)備正常和有效運行。(3)積極改進醫(yī)療器械的現(xiàn)有功能的基本原則是：應(yīng)用新技術(shù)新方法優(yōu)化現(xiàn)有性能。(4)積極開發(fā)醫(yī)療器械的新功能的基本原則是：應(yīng)用新技術(shù)新方法拓展其新的應(yīng)用領(lǐng)域。(5)醫(yī)療器械的臨床試驗。

上述要求，往往受人員水平、硬件條件和管理水平的影響，有一定難度，但通過努力在一定程度上是能夠達到的。

2.3臨床醫(yī)學工程學高級階段內(nèi)容

為滿足醫(yī)院醫(yī)療、教學和科研的需要，對臨床醫(yī)學工程學科提出了更高的要求，也即設(shè)計或開發(fā)新設(shè)備、新器械和新耗材。是該學科的努力方向。

第4篇：生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域范文

摘    要：現(xiàn)代生活水平的提升，離不開科學技術(shù)的支持，不僅可以滿足日常生活需求，還對醫(yī)療行業(yè)提出較多要求?？萍寄軌蛴行еС指餍袠I(yè)領(lǐng)域進步發(fā)展，能夠促進醫(yī)學技術(shù)、電子技術(shù)的雙發(fā)展。在當前發(fā)展中，醫(yī)學技術(shù)能夠結(jié)合電子技術(shù)，不斷提升現(xiàn)代化、智能化水平，還能夠優(yōu)化完善醫(yī)學精密儀器。醫(yī)學技術(shù)、電子技術(shù)屬于獨立學科，然而兩種技術(shù)具備相互輔助、支持關(guān)系。因此，應(yīng)用電子醫(yī)用設(shè)備，能夠促進醫(yī)學事業(yè)的發(fā)展，同時提供發(fā)展源動力。此外，科學技術(shù)能夠有效支持醫(yī)療事業(yè)發(fā)展，融合電子技術(shù)精密設(shè)備，有助于加強醫(yī)療效果，全面滿足日常需求。電子技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用到醫(yī)院精密醫(yī)療設(shè)備中，能夠提升醫(yī)療事業(yè)發(fā)展水平，且技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)勢非常顯著，具備廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：電子技術(shù) 醫(yī)院 精密醫(yī)療設(shè)備 應(yīng)用實踐隨著經(jīng)濟與科技的快速發(fā)展，相應(yīng)促進了我國醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展[1]。電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學儀器領(lǐng)域，標志著醫(yī)院精密醫(yī)療設(shè)備的現(xiàn)代化發(fā)展，是醫(yī)學事業(yè)發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)。醫(yī)療機構(gòu)應(yīng)當高度關(guān)注醫(yī)學儀器工作，制定科學的管理機制與制度，不斷提升安全管理力度，以此發(fā)揮出電子技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用價值，同時可以保障患者疾病治療與康復(fù)。本文主要圍繞電子技術(shù)在醫(yī)院精密儀器中的應(yīng)用展開討論，具體如下。

電子醫(yī)學概述電子醫(yī)學是新型學科，屬于電子技術(shù)、醫(yī)學技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，因此具備綜合性特點，不能單獨存在，涉及電子技術(shù)、醫(yī)學技術(shù)、工業(yè)科學技術(shù)等，能夠代表著醫(yī)學領(lǐng)域的多學科、跨領(lǐng)域發(fā)展。在20世紀50年代，電子醫(yī)學成為獨立研究學科。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)學儀器使用精細劃分為分子，能夠全面提升醫(yī)學精密儀器的精細度。電子醫(yī)學的發(fā)展前景廣闊，有助于提升醫(yī)學水平，縮短患者治療時間。

電子技術(shù)對醫(yī)學行業(yè)發(fā)展作用及重要性電子學屬于復(fù)合型學科，是在計算機技術(shù)上發(fā)展起來的，涉及材料學、數(shù)學、生物化學、物理等知識。電子技術(shù)發(fā)展，屬于電子學科的延伸，遵循科學化原理，優(yōu)化設(shè)計電路模型，能夠為社會生產(chǎn)與生活提供便利。在電子技術(shù)發(fā)展中，逐漸衍生出電子醫(yī)學，成為現(xiàn)代生物醫(yī)學工程的重要內(nèi)容，是生物醫(yī)學工程的分支。比如信息處理、大數(shù)據(jù)、計算機、電磁波射線與信號傳輸?shù)?，均屬于核心技術(shù)。利用操作設(shè)備，能夠?qū)ι锷鼱顟B(tài)進行分析，實現(xiàn)量化檢測效果，全面掌握生物機體結(jié)構(gòu)，連惡化生理功能、疾病進展，制作科學的治療方案。盡管電子醫(yī)療在國內(nèi)的發(fā)展起步晚，然而經(jīng)過長期開發(fā)與研究，獲得了顯著成果。如，精密注射泵儀器，聯(lián)合了電子技術(shù)與醫(yī)學技術(shù)，組成包括支架、絲桿、驅(qū)動器等，螺母與絲桿具備移動特性，因此被稱為絲桿泵，只需將藥液盛放在注射器內(nèi)，以此確保液體傳輸?shù)母呔扰c平穩(wěn)性。電子醫(yī)學的跨界性與復(fù)合型特點顯著，屬于科技的現(xiàn)代化標志。在20世紀50年代，電子醫(yī)學劃分到獨立學科，可以有效作用于精密醫(yī)療設(shè)備，聯(lián)合大數(shù)據(jù)技術(shù)張中，可以實現(xiàn)在線交互、數(shù)字信號傳感、醫(yī)療傳感等內(nèi)容。比如，可穿戴式醫(yī)療設(shè)備，可以借助效率性與精確度優(yōu)勢，在線監(jiān)控患者身體狀態(tài)，集中上傳生理信息，以此支持慢性疾病。

電子技術(shù)在醫(yī)院精密設(shè)備中的應(yīng)用類型電子技術(shù)在醫(yī)療精密儀器中的應(yīng)用，主要基于電子學原理，通過多類型電子元器件，實行優(yōu)化設(shè)計與制造，確保設(shè)備滿足醫(yī)療檢查功能與治療功能。在醫(yī)院精密設(shè)備中，開始廣泛應(yīng)用電子技術(shù)，全面提升醫(yī)療檢測水平、治療效果。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的科學化發(fā)展，獲得了顯著的應(yīng)用成果。電子技術(shù)具備便于攜帶、能耗低等優(yōu)勢，因此不再受到傳統(tǒng)醫(yī)用領(lǐng)域的技術(shù)限制。在現(xiàn)代醫(yī)療事業(yè)中，不僅針對疾病人員，也開始注重疾病前期預(yù)防、體檢保健等領(lǐng)域，人們開始高度重視醫(yī)療保健領(lǐng)域。除過精密電子檢查儀器外，電子技術(shù)也可以應(yīng)用到高精密儀器中，全面提升醫(yī)院檢測儀器的準確度，進一步加強醫(yī)療技術(shù)水平，給予患者支持與幫助，降低漏診率與誤診率[2]。所以電子技術(shù)在醫(yī)院精密設(shè)備中的應(yīng)用如下。傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用：基于宏觀角度分析，電子傳感技術(shù)屬于新型電子科技，所以必須應(yīng)用技術(shù)制造傳感器。通過電子傳感器，能夠?qū)Ρ粶y物質(zhì)的物理性能進行分析，同時通過專業(yè)系統(tǒng)，對物質(zhì)物理性質(zhì)進行分析，同時實行數(shù)字化轉(zhuǎn)變，提供可識別信息數(shù)據(jù)。通過信息數(shù)據(jù)，能夠幫助使用人員作出科學判斷，同時將數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)，使用計算機分析和處理數(shù)據(jù)信息。上述內(nèi)容均為檢測儀器的功能優(yōu)勢，既發(fā)揮出電子技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，還涉及生物、物理、醫(yī)學與化學學科，屬于新型高科技產(chǎn)物。通過此種儀器，能夠詳細分析儀器輸出信息數(shù)據(jù)，判斷檢查對象的身體狀態(tài)。由于技術(shù)采用生物芯片方式，可以采集不同生物機體樣本，開展化學排查、細胞檢測等。芯片技術(shù)多采用硅類半導(dǎo)體材料[3]，同時包含非金屬材料，比如塑料和玻璃，能夠廣泛應(yīng)用到醫(yī)學領(lǐng)域。無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用：在醫(yī)學精密儀器中，開始注重無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用，應(yīng)用優(yōu)勢顯著。比如，技術(shù)操作距離近，成本低廉，且能源消耗量少，因此為多項結(jié)合、雙向的電子技術(shù)。一般來說，技術(shù)多應(yīng)用到傳播速率高、近距離、低耗儀器中，距離增加、儀器復(fù)雜度、功效消耗之間，均具備正比。基于現(xiàn)狀分析可知，無線通信技術(shù)具備較強實用性，且醫(yī)療環(huán)境內(nèi)的無線通信技術(shù)可以應(yīng)用到臨床護理中，為醫(yī)生、護士、患者提供交流溝通渠道，及時掌握和了解患者疾病進展、健康狀態(tài)，提升治療效果[4]。在便攜式醫(yī)療儀器中的應(yīng)用：隨著醫(yī)療儀器的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了較多家庭便攜式儀器，能夠滿足醫(yī)院與群眾需求。通過該醫(yī)療儀器，可以借助電子技術(shù)，利用藍牙、無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息傳遞，確?；颊吣軌螂S身攜帶醫(yī)療儀器。便攜式儀器的制造成本低廉，且價格適中，動作操作性非常強?；颊呤褂帽銛y式儀器，無需住院觀察，就可以使醫(yī)生實時監(jiān)測病情，且儀器精確度非常高，可以確保信息傳輸?shù)臏蚀_性。在數(shù)據(jù)監(jiān)測、患者病情遠程控制中，可以應(yīng)用電子技術(shù)，在檢查患者身體時，電子儀器設(shè)備的精度也非常高，可以保證檢查與病情記錄的全面性，制定有效的治療方案，確保疾病治療的針對性[5]。數(shù)字信號處理：在家庭式護理精密設(shè)備中，最常見的就是可穿戴式醫(yī)療設(shè)備，該類設(shè)備可以集合智能化信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)中斷內(nèi)容，通過數(shù)字信號處理技術(shù)，可以獲得相關(guān)目標信息。比如，患者將儀器佩戴在身上，通過生物感應(yīng)器可以感應(yīng)心電信號，通過過濾處理之后，可以凸顯出特征性數(shù)字信號。根據(jù)心電濾波計算公式，可以對心電參數(shù)進行判斷，掌握心電信號是否處于異常狀態(tài)，可以將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?。家庭醫(yī)療設(shè)備可以實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信號處理等功能，且體積小，成本低廉，患者無需到醫(yī)院治療監(jiān)護，就能夠確保醫(yī)生掌握病情，精確度非常高，全面提升醫(yī)護決策的有效性[6-7]。注重遠程病情監(jiān)控：隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，精密醫(yī)療設(shè)備被應(yīng)用到各行業(yè)領(lǐng)域，涉及病情遠程監(jiān)控、生物監(jiān)測、放射治療等。針對慢性疾病患者，電子技術(shù)能夠遠程監(jiān)控病情，利用網(wǎng)絡(luò)傳感、數(shù)字藍牙，就能夠掌握身體狀態(tài)，同時監(jiān)測病情進展，全面提升信息傳輸準確性，患者無需長時間住院治療或觀察。

電子技術(shù)在醫(yī)院精密設(shè)備中的應(yīng)用展望在醫(yī)院精密設(shè)備中，電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，包含病患遠程監(jiān)控、放射檢測、人體檢測等。電子技術(shù)被應(yīng)用到前言醫(yī)療檢測、診斷治療設(shè)備中。比如，利用電子技術(shù)，能夠提升X線儀器的運行效率、清晰度、分辨率，全面顯示患者病變位置。電子技術(shù)還可以應(yīng)用到超聲檢查、核磁共振、電子內(nèi)鏡中，通過對比度灰階模式，能夠降低患者在醫(yī)學檢查的損傷。在未來發(fā)展中，為了全面發(fā)揮出電子技術(shù)在醫(yī)院精密儀器中的應(yīng)用效果，還應(yīng)當注重建立庫房管理制度，業(yè)務(wù)人員利用電子系統(tǒng)，可以隨時查看設(shè)備參數(shù)，確保工作流程數(shù)據(jù)的依據(jù)性。通過電子信息系統(tǒng)，可以詳細記錄設(shè)備出入庫賬目，維護醫(yī)療活動運行的有序性。通過電子信息系統(tǒng)管理，能夠及時掌握設(shè)備需求與運行狀態(tài)，提升設(shè)備運行有序化，減少費用支出。綜上所述，電子技術(shù)在醫(yī)院設(shè)備中的應(yīng)用效果顯著，對于現(xiàn)代醫(yī)療發(fā)展，不僅是機遇，更是挑戰(zhàn)，所以醫(yī)療機構(gòu)管理人員必須充分發(fā)揮出電子技術(shù)的作用，將其科學應(yīng)用到精密儀器管理中，以此提升醫(yī)療高精密儀器的診斷治療作用，為患者提供高精準的檢查體驗，優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)，從根本上促進現(xiàn)代醫(yī)療工作的發(fā)展。參考文獻[1]潘哲.設(shè)備器械圖片管理對精密手術(shù)儀器管理質(zhì)量的影響[J].中國醫(yī)療器械信息,2020,26(15):161-163.[2]為醫(yī)療設(shè)備精密制造提供最優(yōu)設(shè)計加工方案[J].現(xiàn)代制造,2020,25(1):58.[3]羊月祺.基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備運行環(huán)境與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京:東南大學,2019.[4]史元靖.關(guān)于精密醫(yī)療器械設(shè)備維修與保養(yǎng)的必要性分析[J].全科口腔醫(yī)學電子雜志,2019,6(8):26.[5]黃時航.應(yīng)用PDCA循環(huán)原理提高醫(yī)療設(shè)備管理和維護能力[J].設(shè)備管理與維修,2019,10(4):5-6.[6]黃家富.精密醫(yī)療器械設(shè)備維修與保養(yǎng)的必要性探究[J].中國醫(yī)療器械信息,2019,25(2):175-176.[7]趙欣然.精密醫(yī)療器械設(shè)備維修與保養(yǎng)的必要性探究[J].黑龍江科技信息,2017,28(7):100.

第5篇：生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域范文

關(guān)鍵詞：基本概況及簡要發(fā)展 ，常用方法， 實際應(yīng)用 ，未來發(fā)展

Abstract: the digital image processing is to point to will image signal converted into digital signals and use the computer to the treatment of the process. Image processing first appeared in the 1950 s, when the electronic computer has developed to a certain level, people began to use computers to graphics processing and image information. Digital image processing as a subject about formed in the early 1960 s. The purpose of the early image processing is to improve the quality of the image, it with artificial object, to improve the visual result of the person for the purpose. The image processing, the input is the image quality is low, the output is to improve the quality of the images, common image processing method has image enhancement, recovery, coding, compression, etc. Nowadays, digital image processing is and the various aspects of society closely linked, inseparable. Let us know the digital image processing technology.

Keywords: basic situation and brief development, commonly used method, the practical application, the future development

中圖分類號：TU74文獻標識碼：A 文章編號：

一、數(shù)字圖像處理的基本概況及簡要發(fā)展

數(shù)字圖像處理，即Digital Image Processing，是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受三個因素的影響：一是計算機的發(fā)展；二是數(shù)學的發(fā)展（特別是離散數(shù)學理論的創(chuàng)立和完善）；三是廣泛的農(nóng)牧業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、軍事、工業(yè)和醫(yī)學等方面的應(yīng)用需求的增長。20世紀20年代，圖像處理首次應(yīng)用于改善倫敦和紐約之間海底電纜發(fā)送的圖片質(zhì)量。到20世紀50年代，數(shù)字計算機發(fā)展到一定的水平后，數(shù)字圖像處理才真正引起人們的興趣。1964年美國噴氣推進實驗室用計算機對“徘徊者七號”太空船發(fā)回的大批月球照片進行處理，收到明顯的效果。20世紀60年代末，數(shù)字圖像處理具備了比較完整的體系,形成了一門新興的學科。20世紀70年代，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，理論和方法進一步完善，應(yīng)用范圍更加廣泛。在這一時期，圖像處理主要和模式識別及圖像理解系統(tǒng)的研究相聯(lián)系，如文字識別、醫(yī)學圖像處理、遙感圖像的處理等。20世紀70年代后期到現(xiàn)在，各個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shù)字圖像處理提出越來越高的要求，促進了這門學科向更高級的方向發(fā)展。特別是在景物理解和計算機視覺（即機器視覺）方面，圖像處理已由二維處理發(fā)展到三維理解或解釋。近年來，隨著計算機和其它各有關(guān)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，例如在圖像表現(xiàn)、科學計算可視化、多媒體計算技術(shù)等方面的發(fā)展，數(shù)字圖像處理已從一個專門的研究領(lǐng)域變成了科學研究和人機界面中的一種普遍應(yīng)用的工具。圖像處理工具箱提供一套全方位的參照標準算法和圖形工具，用于進行圖像處理、分析、可視化和算法開發(fā)?？捎闷鋵τ性雸D像或退化圖像進行去噪或還原、增強圖像以獲得更高清晰度、提取特征、分析形狀和紋理以及對兩個圖像進行匹配。工具箱中大部分函數(shù)均以開放式MATLAB語言編寫。這意味著可以檢查算法、修改源代碼和創(chuàng)建自定義函數(shù)。圖像處理工具箱在生物測定學、遙感、監(jiān)控、基因表達、顯微鏡技術(shù)、半導(dǎo)體測試、圖像傳感器設(shè)計、顏色科學及材料科學等領(lǐng)域為工程師和科學家提供支持。它也促進了圖像處理技術(shù)的教學。

二、數(shù)字圖像處理常用方法1、圖像變換：由于圖像陣列很大，直接在空間域中進行處理，涉及計算量很大。因此，往往采用各種圖像變換的方法，如傅立葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處理技術(shù)，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，不僅可減少計算量，而且可獲得更有效的處理（如傅立葉變換可在頻域中進行數(shù)字濾波處理）。目前新興研究的小波變換在時域和頻域中都具有良好的局部化特性，它在圖像處理中也有著廣泛而有效的應(yīng)用。2、圖像編碼壓縮：圖像編碼壓縮技術(shù)可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量（即比特數(shù)），以便節(jié)省圖像傳輸、處理時間和減少所占用的存儲器容量。壓縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進行。編碼是壓縮技術(shù)中最重要的方法，它在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早且比較成熟的技術(shù)。3、圖像增強和復(fù)原：圖像增強和復(fù)原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高圖像的清晰度等。圖像增強不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖像中所感興趣的部分。如強化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓清晰，細節(jié)明顯；如強化低頻分量可減少圖像中噪聲影響。圖像復(fù)原要求對圖像降質(zhì)的原因有一定的了解，一般講應(yīng)根據(jù)降質(zhì)過程建立“降質(zhì)模型”，再采用某種濾波方法，恢復(fù)或重建原來的圖像。4、圖像分割：圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來，其有意義的特征有圖像中的邊緣、區(qū)域等，這是進一步進行圖像識別、分析和理解的基礎(chǔ)。雖然目前已研究出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。因此，對圖像分割的研究還在不斷深入之中，是目前圖像處理中研究的熱點之一。5、圖像描述：圖像描述是圖像識別和理解的必要前提。作為最簡單的二值圖像可采用其幾何特性描述物體的特性，一般圖像的描述方法采用二維形狀描述，它有邊界描述和區(qū)域描述兩類方法。對于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描述。隨著圖像處理研究的深入發(fā)展，已經(jīng)開始進行三維物體描述的研究，提出了體積描述、表面描述、廣義圓柱體描述等方法。

圖像分類（識別）：圖像分類（識別）屬于模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是圖像經(jīng)過某些預(yù)處理（增強、復(fù)原、壓縮）后，進行圖像分割和特征提取，從而進行判決分類。圖像分類常采用經(jīng)典的模式識別方法，有統(tǒng)計模式分類和句法（結(jié)構(gòu)）模式分類，近年來新發(fā)展起來的模糊模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式分類在圖像識別中也越來越受到重視。

三、數(shù)字圖像處理在生活中的實際應(yīng)用

圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著人類活動范圍的不斷擴大，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之不斷擴大。

1、航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)在航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用，除了上面介紹的JPL對月球、火星照片的處理之外，另一方面的應(yīng)用是在飛機遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)中。許多國家每天派出很多偵察飛機對地球上有興趣的地區(qū)進行大量的空中攝影。對由此得來的照片進行處理分析，以前需要雇用幾千人，而現(xiàn)在改用配備有高級計算機的圖像處理系統(tǒng)來判讀分析，既節(jié)省人力，又加快了速度，還可以從照片中提取人工所不能發(fā)現(xiàn)的大量有用情報。這些圖像無論是在成像、存儲、傳輸過程中，還是在判讀分析中，都必須采用很多數(shù)字圖像處理方法?，F(xiàn)在世界各國都在利用陸地衛(wèi)星所獲取的圖像進行資源調(diào)查（如森林調(diào)查、海洋泥沙和漁業(yè)調(diào)查、水資源調(diào)查等），災(zāi)害檢測（如病蟲害檢測、水火檢測、環(huán)境污染檢測等），資源勘察（如石油勘查、礦產(chǎn)量探測、大型工程地理位置勘探分析等），農(nóng)業(yè)規(guī)劃（如土壤營養(yǎng)、水份和農(nóng)作物生長、產(chǎn)量的估算等），城市規(guī)劃（如地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水源及環(huán)境分析等）。我國也陸續(xù)開展了以上諸方面的一些實際應(yīng)用，并獲得了良好的效果。在氣象預(yù)報和對太空其它星球研究方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)也發(fā)揮了相當大的作用。

2、生物醫(yī)學工程方面的應(yīng)用數(shù)字圖像處理在生物醫(yī)學工程方面的應(yīng)用十分廣泛，而且很有成效。除了上面介紹的CT技術(shù)之外，還有一類是對醫(yī)用顯微圖像的處理分析，如紅細胞、白細胞分類，染色體分析，癌細胞識別等。此外，在X光肺部圖像增晰、超聲波圖像處理、心電圖分析、立體定向放射治療等醫(yī)學診斷方面都廣泛地應(yīng)用圖像處理技術(shù)。

3、通信工程方面的應(yīng)用當前通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的多媒體通信。具體地講是將電話、電視和計算機以三網(wǎng)合一的方式在數(shù)字通信網(wǎng)上傳輸。其中以圖像通信最為復(fù)雜和困難，因圖像的數(shù)據(jù)量十分巨大，如傳送彩色電視信號的速率達100Mbit/s以上。要將這樣高速率的數(shù)據(jù)實時傳送出去，必須采用編碼技術(shù)來壓縮信息的比特量。在一定意義上講，編碼壓縮是這些技術(shù)成敗的關(guān)鍵。除了已應(yīng)用較廣泛的熵編碼、DPCM編碼、變換編碼外，目前國內(nèi)外正在大力開發(fā)研究新的編碼方法，如分行編碼、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)編碼、小波變換圖像壓縮編碼等。

4、工業(yè)和工程方面的應(yīng)用在工業(yè)和工程領(lǐng)域中圖像處理技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，如自動裝配線中檢測零件的質(zhì)量、并對零件進行分類，印刷電路板疵病檢查，彈性力學照片的應(yīng)力分析，流體力學圖片的阻力和升力分析，郵政信件的自動分揀，在一些有毒、放射性環(huán)境內(nèi)識別工件及物體的形狀和排列狀態(tài)，先進的設(shè)計和制造技術(shù)中采用工業(yè)視覺等等。其中值得一提的是研制具備視覺、聽覺和觸覺功能的智能機器人，將會給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來新的激勵，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中的噴漆、焊接、裝配中得到有效的利用。

5、軍事公安方面的應(yīng)用在軍事方面圖像處理和識別主要用于導(dǎo)彈的精確末制導(dǎo)，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲和顯示的軍事自動化指揮系統(tǒng)，飛機、坦克和軍艦?zāi)M訓練系統(tǒng)等；公安業(yè)務(wù)圖片的判讀分析，指紋識別，人臉鑒別，不完整圖片的復(fù)原，以及交通監(jiān)控、事故分析等。目前已投入運行的高速公路不停車自動收費系統(tǒng)中的車輛和車牌的自動識別都是圖像處理技術(shù)成功應(yīng)用的例子。

6、文化藝術(shù)方面的應(yīng)用目前這類應(yīng)用有電視畫面的數(shù)字編輯，動畫的制作，電子圖像游戲，紡織工藝品設(shè)計，服裝設(shè)計與制作，發(fā)型設(shè)計，文物資料照片的復(fù)制和修復(fù)，運動員動作分析和評分等等，現(xiàn)在已逐漸形成一門新的藝術(shù)--計算機美術(shù)。

7、機器人視覺:機器視覺作為智能機器人的重要感覺器官,主要進行三維景物理解和識別,是目前處于研究之中的開放課題。機器視覺主要用于軍事偵察、危險環(huán)境的自主機器人,郵政、醫(yī)院和家庭服務(wù)的智能機器人,裝配線工件識別、定位,太空機器人的自動操作等。

8、視頻和多媒體系統(tǒng):目前,電視制作系統(tǒng)廣泛使用的圖像處理、變換、合成,多媒體系統(tǒng)中靜止圖像和動態(tài)圖像的采集、壓縮、處理、存貯和傳輸?shù)取?/p>

9、科學可視化:圖像處理和圖形學緊密結(jié)合,形成了科學研究各個領(lǐng)域新型的研究工具。

10、電子商務(wù):在當前呼聲甚高的電子商務(wù)中,圖像處理技術(shù)也大有可為,如身份認證、產(chǎn)品防偽、水印技術(shù)等。

四、數(shù)字圖像處理未來發(fā)展

自20世紀60年代第三代數(shù)字計算機問世以后，數(shù)字圖像處理技術(shù)出現(xiàn)了空前的發(fā)展，在該領(lǐng)域中需要進一步研究的問題主要有如下五個方面：1、在進一步提高精度的同時著重解決處理速度問題；

2、加強軟件研究，開發(fā)新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其他學科的技術(shù)和研究成果，創(chuàng)造新的處理方法；

3、加強邊緣學科的研究工作，促進圖像處理技術(shù)的發(fā)展；

4、加強理論研究，逐步形成處理科學自身的理論體系；

5、時刻注意圖像處理領(lǐng)域的標準化問題。

五、直方圖規(guī)定化原理和算法

在直方圖規(guī)定化的過程中, 正確地選擇規(guī)定化的函數(shù)有可能獲得比直方圖均衡化更好的效果, 一般分為三個步驟:

（1）如同均衡化方法中，對原始圖的直方圖進行灰度均衡化：

………………………………………（1）

（2）規(guī)定需要的直方圖，并計算能使規(guī)定的直方圖均衡化的變換：

…………………………………………（2）

（3）將第1個步驟得到的變換反轉(zhuǎn)過來，即將原始直方圖對應(yīng)映射到規(guī)定的直方圖，也就是將所有的對應(yīng)到去。因為在映射過程中有取整誤差的影響, 所以采用什么樣的映射規(guī)則在離散空間中很重要。常用的兩種方法為單映射規(guī)則( single mapping law, SML) 和組映射規(guī)則(group mapping law,GML)。

單映射規(guī)則( single mapping law, SML) : 是從小到大依次找到能使式（3）最小的k和l,

………………………………………………（3）

然后將對應(yīng)到去, 由于這里每個是分別對應(yīng)過的, 故這種方法簡單直觀, 但有時會有較大的取整誤。

組映射規(guī)則(group mapping law, GML): 設(shè)有一個整數(shù)函數(shù)，, 滿足: , 確定使式（4）達到最小的。

………………………………………………（4）

這時, 如果, 則將其從到的都對應(yīng)到去;如果, 則將其從 到都對應(yīng)到去[5]。

我們采用MATLAB進行仿真運算，具體實現(xiàn)的MATLAB算法的流程圖為：

圖1SML算法流程圖圖2GML算法流程圖

六、 仿真效果對比

設(shè)有一幅64×64，8比特灰度圖像，其直方圖見圖3所示，圖4為希望變換得到的規(guī)定直方圖。我們采用MATLAB進行仿真，按照單映射（SML）和組映射(GML)規(guī)則分別進行計算，可以得到在這兩種映射規(guī)則下的直方圖分布，仿真運算結(jié)果見圖5圖6所示。

圖3 原始直方圖 圖4 規(guī)定直方圖

圖5 SML規(guī)定化后的直方圖 圖6 GML規(guī)定化后的直方圖

七、 結(jié)論

對比圖5和圖6表明，本文實現(xiàn)的GML算法可以改進在以往的直方圖規(guī)定化算法中出現(xiàn)的規(guī)定化后的圖像的灰度級不能與規(guī)定直方圖的灰度級相似的問題。同時我們可以看出，SML映射規(guī)則是一種有偏的映射規(guī)則，因為一些對應(yīng)灰度級被有偏的映射到接近計算開始的灰度級，而GML映射規(guī)則是統(tǒng)計無偏的。

量化的比較可借助映射產(chǎn)生的誤差來進行，這個誤差可用對應(yīng)映射間數(shù)值的差值（取絕對值）的和來表示，和的數(shù)值越小，映射效果越好。以圖5圖6 的數(shù)據(jù)為例，對單映射來說，這個和為：；而對組映射來說，這個和為：。組映射所產(chǎn)生的誤差小于單映射所產(chǎn)生的誤差。

八、 參考文獻

[1] 岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理（MATLAB版）.北京：電子工業(yè)出版社.2004：58-64

[2] 章毓晉. 圖像工程(上冊) : 圖像處理[M]. 北京: 清華大學出版社,2006.90-97

[3] Zhang Y J.1992.Improving the accuracy of direct histogram specification. IEEE Electronics Letters,28(3):213-214

第6篇：生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域范文

【關(guān)鍵詞】親水性凝膠；醫(yī)用貼劑；臨床治療；應(yīng)用領(lǐng)域

親水性凝膠貼劑（巴布劑）是一種科技含量較高、使用方便的新型外用貼敷劑，屬于經(jīng)皮給藥系統(tǒng)，是以水溶性高分子材料為主要基質(zhì)，加入藥物，涂布于無紡布上制成的外用制劑。70年代首先在日本出現(xiàn)，20世紀80年代引入我國，并開展了其在外科疾病中的應(yīng)用[1]。

傳統(tǒng)的醫(yī)用敷料主要包括海綿、紗布等，與傳統(tǒng)的敷料相比，水凝膠貼劑能促進傷口更好地愈合、 減輕患者的疼痛， 改善創(chuàng)面的微環(huán)境、 抑制細菌的生長。并特別適用于常見的體表創(chuàng)傷，如擦傷、 劃傷、 褥瘡等各種皮膚損傷。改變了紗布易與皮膚傷口組織粘連，換藥時常常破壞新生的上皮和肉芽組織，引起出血，不但不利于傷口的愈合，而且使病人疼痛難忍的缺點。

1. 親水性凝膠醫(yī)用貼劑的制備要點

1.1 親水性凝膠醫(yī)用貼劑基質(zhì)材料

水凝膠貼劑的制備基材，通常采用高分子材料，而這些高分子基材又可以分為天然高分子材料、合成高分子材料和天然―合成復(fù)合高分子材料[2]。

其中，天然高分子材料包括透明質(zhì)膠，海藻酸鹽，殼聚糖，膠原蛋白，明膠，纖維素，葡聚糖，甲殼素，瓊脂糖等；合成高分子材料主要包括聚丙烯酸（PAA），聚乙二醇（PVA），聚乙烯醇（PEG），聚乙烯吡咯烷酮（PVP），聚己內(nèi)酯（PCL），聚甲基丙烯酸羥乙酯（PHGMA），聚乳酸（PLA），聚氨酯（PU）等；天然―合成復(fù)合高分子材料主要包括殼聚糖―聚乙二醇，殼聚糖―聚乙烯吡咯烷酮，膠原蛋白，聚丙烯酸等。每一種高分子材料都有其自身的優(yōu)點和缺點，在實際應(yīng)用中，可針對不同的治療要求進行選擇。

1.2 親水性凝膠醫(yī)用貼劑的制備方法

貼劑的制備一般分為兩個步驟， 基質(zhì)的制備和含藥骨架貼片的制備[3]。

1.2.1 基質(zhì)材料的制備方法

1.2.1.1 化學交聯(lián)的方法

化學交聯(lián)法是制備水凝膠最為常用的方法，是指在化學交聯(lián)劑的作用下，通過共價鍵將高聚物鏈結(jié)合而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，加熱不溶不熔，也稱為永久性水凝膠。孫鶯等介紹了一種新型羥化聚天冬氨酸-乙基纖維素PASP―EC互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備過程，所制備水凝膠具有較明顯的藥物緩釋效果[4]。

1.2.1.2 物理交聯(lián)的方法

物理交聯(lián)的水凝膠是通過分子纏繞、離子鍵、氫鍵及疏水作用等物理方法進行交聯(lián)，形成的水凝膠也稱為可逆水凝膠。物理交聯(lián)目前報導(dǎo)中使用最多的是“反復(fù)冷凍解凍法”和“凍結(jié)部分脫水法”[5]。制備過程不需要交聯(lián)劑，生產(chǎn)出來的膠體具有低毒（甚至無毒）、易生物降解的優(yōu)點，特別適用于生物醫(yī)學、藥學等領(lǐng)域。關(guān)靜等以聚乙烯醇（PVA）水溶液為原料，用物理交聯(lián)方法制備的水凝膠燒傷敷料具有使創(chuàng)面處于濕性環(huán)境，有明顯鎮(zhèn)痛作用，降低組織代謝，減輕創(chuàng)面水腫程度的作用[6]。

1.2.1.3 輻射交聯(lián)的方法

輻射交聯(lián)是指通過電子束照射、―光子照射，使鏈狀高分子聚合物交聯(lián)，形成水凝膠的過程。具有反應(yīng)過程中不需要添加引發(fā)劑、交聯(lián)劑，產(chǎn)物純度高，操作較方便，容易控制聚合物基材的形狀和結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。用輻射交聯(lián)法生產(chǎn)出來的水凝膠較適合運用于醫(yī)學材料領(lǐng)域。但由于輻射制膠法對設(shè)備要求很高，需要電子直線加速器或60Co治療機，因此使其廣泛運用受到了限制。饒志高采用輻射交聯(lián)的方法，制備了一種水凝膠膜，該水凝膠膜透明度好、氣泡少，溶脹度較高，并具有十分理想的抗張強度，可為臨床不同類型的傷口提供性能適宜的新型水凝膠傷口敷料[7]。Keys[8]和Branca[9]等分別通過伽馬射線和高能電子束輻照條件下制備了適用于蛋白質(zhì)輸送的星形 PEG 水凝膠。并分別證明所制備水凝膠具有較好的吸液性和溶脹性。

1.3 水凝膠含藥骨架貼劑的制備工藝

凝膠含藥骨架貼劑的制備主要是在優(yōu)選處方后， 按處方量和先后順序加入主藥和輔料，以一定的攪拌速度和溫度使其充分溶解，混合均勻。反應(yīng)結(jié)束取出，超聲脫泡，在一定的溫度用模具鋪成薄片，膜厚由膠漿加入量控制。干燥，控制一定的溫度和時間在烘箱中干燥至表面固化有彈性，取出冷至室溫，脫模，疊合保護膜，切割，即制得具有一定大小和含藥量的貼劑[3]。李偉澤等采用設(shè)備滿負荷規(guī)模生產(chǎn)中藥水凝膠巴布劑，研究物料加入順序、物料混合時間、靜置條件（溫度、濕度、時間）對于膏體涂布切割的難易程度和巴布劑的質(zhì)量如凝膠強度、柔軟性、黏性、殘留、冷流與無紡布滲析等的影響規(guī)律，并通過3個不同的中藥復(fù)方提取物進行驗證[10]。田孝才等以生物相容性良好的親水性高分子材料作為水凝膠的骨架材料，制備新型目標藥物水凝膠貼劑，然后以親水性高分子材料、填充劑、保濕劑、交聯(lián)劑和交聯(lián)調(diào)節(jié)劑等含量作為試驗因素，以剝離強度和黏著力作為考核指標，采用均勻設(shè)計試驗法優(yōu)選制備目標藥物水凝膠貼劑的最優(yōu)方案[11]。雷宇將甲巰咪唑制成水凝膠貼劑能避免首過效應(yīng)，降低毒副作用，且相比于市售軟膏劑有減少給藥次數(shù)、給藥方便等優(yōu)點[12]。

2.親水性凝膠貼劑的醫(yī)療應(yīng)用

水凝膠類似于生命組織材料，表面粘附蛋白質(zhì)及細胞能力很弱，在與血液、體液及人體組織相接觸時表現(xiàn)出良好的生物相容性，它既不影響生命體的代謝過程，代謝產(chǎn)物又可以通過水凝膠排出。水凝膠比其它任何合成生物材料都接近活體組織，它在性質(zhì)上類似于細胞外基質(zhì)部分，吸水后可減少對周圍組織的摩擦和機械作用，顯著改善材料的生物學性能[13]。因此，是一類具有較大開發(fā)潛力的醫(yī)用材料。

2.1 創(chuàng)面敷料

傷口感染是術(shù)后傷口愈合過程中最嚴重的干擾因素。當傷口發(fā)生感染時，全身使用抗生素并不能取得很好的療效， 而傷口換藥所用敷料的選擇對控制局部感染具有重要作用。水凝膠的優(yōu)點是可吸收滲液形成凝膠，且吸收滲液后的凝膠不會沾粘傷口，可加速上皮細胞生長，加速新微血管增生；隔絕細菌侵犯，抑制細菌繁殖。Hajek M 等用藻酸鈣纖維制成 Sor balgon 水凝膠，該敷料與傷口滲液接觸后形成光滑的凝膠體，可有效清創(chuàng)且使傷口表面的細胞殘屑、細菌、微生物等被包裹、鎖定在凝膠體中，而且在藻酸鈣與傷口滲液中的鈉離子結(jié)合形成凝膠的同時將鈣離子釋放，傷口表面鈣離子的大量集結(jié)可加速創(chuàng)面止血，促進創(chuàng)面愈合[14]。范小莉等研究了銀離子聯(lián)合水凝膠敷料，并證明銀離子聯(lián)合水凝膠敷料具有較好的控制傷口感染、促進傷口的生長及促進傷口愈合的作用[15]。

2.2 防粘連材料

在外科手術(shù)后，易發(fā)生組織粘連，這既是外科領(lǐng)域常見的臨床現(xiàn)象，也是患者在愈合過程中必須經(jīng)歷的過程。 粘連是結(jié)締組織纖維帶與相鄰的組織或器官結(jié)合在一起而形成的異常結(jié)構(gòu)。如果粘連現(xiàn)象在腹腔、盆腔骨骼等手術(shù)中出現(xiàn)，就會引起嚴重的并發(fā)癥，如腹部、盆腔等均可引起粘連性腸梗阻，甲狀腺手術(shù)后引起喉返神經(jīng)損傷以及因盆腔組織粘連而導(dǎo)致的女性不育癥[16]。為防止粘連，過去常用黏稠的高分子水溶液、聚硅烷片、聚四氟乙烯片、羊膜、再生膠原膜、氧化纖維素布等，但這些材料會引起血栓，殘留材料易引起組織損傷，過早被體內(nèi)吸收，不夠柔軟，且對目標部位的固定困難等。近年來，為了解決上述材料所存在的問題，有眾多研究者開始使用水凝膠基材作為原料，制備貼劑類防粘連材料。天津大學高春娟開發(fā)了一種在殼聚糖中引入天然蛋白質(zhì)大分子（MIJ） 以提高殼聚糖的降解速度，同時還在復(fù)合膜中加入生物相容性大分子（JEC），以提高復(fù)合膜的親水性，改善膜材料的表面性能的殼聚糖復(fù)合膜材料。所制備殼聚糖復(fù)合膜材料具有優(yōu)良的防粘連效果[17]。

2.3 藥物緩釋方面的運用

藥物緩釋是一種控制藥物釋放速度和定向釋放的技術(shù)。水凝膠常常被應(yīng)用于該領(lǐng)域當中，主要是利用物理包埋固定化技術(shù)，將酶、藥物等與聚合物單體的水溶液在室溫下進行聚合和交聯(lián)。水凝膠包埋藥物之后，通過口服或植入的方式進入基體，藥物在自身擴散和水凝膠降解的雙重作用下，可以長期而緩慢地以所需劑量釋放出來，長效的發(fā)揮作用。從而大大提高了藥物的利用率，減少了藥物對身體其它部位的毒副作用。目前對于水凝膠在藥物釋放方面的研究已經(jīng)成為醫(yī)藥界的一大熱點，成功研制了大量產(chǎn)品。岳凌等研制一種能加速傷口愈合的水凝膠藥物緩釋膜，應(yīng)用冷凍―解凍法，將硫酸慶大霉素引入PVA/PEO的水凝膠中，并且證明摻加藥物的水凝膠膜在6 h內(nèi)藥物快速釋放達高峰，累計釋放率為 59.57%[18]。張彥對新型聚乳酸一聚乙二醇水凝膠胸腺五朧藥物緩釋進行了研究，將水溶性的五肽一胸腺五肽，通過直接混合的方法包裹在水凝膠之中，未曾引入任何的有機溶劑或其它雜質(zhì)，很好的保護了藥物的藥理學性能[19]。

3.結(jié)束語

水凝膠貼劑作為一種新型的外用醫(yī)用貼劑，具有良好的臨床療效和市場前景，但目前該產(chǎn)品的生產(chǎn)尚未形成一定的規(guī)模。要實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的可控性，就需要透徹了解產(chǎn)品中各組分所起的作用以及相互影響的程度。因此，除了對水凝膠貼劑的基質(zhì)輔料、基質(zhì)處方、制備工藝、質(zhì)量和質(zhì)量評價標準等進行研究外，還需要進一步了解基質(zhì)交聯(lián)機制和藥物釋放機制。

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第7篇：生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域范文

[關(guān)鍵詞]數(shù)字信號處理；優(yōu)勢；實現(xiàn)方法

中圖分類號：TB559 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）44-0154-01

數(shù)字信號處理是一門涉及許多學科而又廣泛運用于許多領(lǐng)域的新興學科，它是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計算的方法對信號進行采集、變換、綜合、估值與識別等加工處理，借以達到提取信息和便于應(yīng)用的目的。數(shù)字信號處理一經(jīng)問世，便吸引了很多學科的研究者，并把它應(yīng)用于自己的研究領(lǐng)域?？梢哉f，數(shù)字信號處理是應(yīng)用最快、成效最為顯著的新學科之一。在數(shù)字通信、雷達、遙感遙測、聲納、語音合成、圖象處理、測量與控制、生物醫(yī)學工程、振動工程等眾多領(lǐng)域都獲得了極其廣泛的應(yīng)用，它有效地推動了眾多工程技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)改造和發(fā)展。而且隨著科學技術(shù)的發(fā)展，其研究范圍和應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地發(fā)展和擴大。

一、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

數(shù)字信號處理之所以發(fā)展得這樣快，應(yīng)用得這么廣，是與它的突出優(yōu)點分不開的。歸納起來，它有以下四個方面的優(yōu)點：

1）精度高。模擬系統(tǒng)的精度主要取決于元器件的精度，一般模擬器件的精度達到10-3已很不容易。而數(shù)字系統(tǒng)的精度主要取決于字長，16位的字長可達10-4以上。

2）靈活性大。模擬信號裝置一旦參數(shù)選定就不易改變，但是數(shù)字系統(tǒng)則不然，它的系數(shù)可調(diào)，甚至還可以具有可編程和自適應(yīng)的能力。

3）可靠性高。由于數(shù)字系統(tǒng)只有“0”、“1”兩個電平，使其受溫度、環(huán)境以及噪聲等的影響比模擬系統(tǒng)小。

4）時分復(fù)用。利用一套裝置同時處理幾個通道的信號。

二、數(shù)字信號處理系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方法

數(shù)字信號處理的工作方式通常是：數(shù)據(jù)采集―>數(shù)據(jù)存儲―>信號處理―>輸出處理結(jié)果。隨著數(shù)字信號處理理論的發(fā)展，其所要求的運算量越來越大，并且在雷達、電子對抗、通信、圖像處理等領(lǐng)域，人們對信號處理的實時性要求也越來越高。這就要求在信號處理過程中，減少數(shù)據(jù)存儲的次數(shù)，縮短信號處理的時間，因此高速的、實時的數(shù)字信號處理技術(shù)成為發(fā)展的必然。人們運用各種方法使數(shù)字信號處理理論算法能夠?qū)崿F(xiàn)高速的、實時的處理。目前，數(shù)字信號處理的實現(xiàn)大體有以下幾種方法。

1） 在通用的 PC 上用軟件實現(xiàn)

近來迅速發(fā)展的 Matlab，就幾乎可以實現(xiàn)所有的數(shù)字信號處理的仿真。Matlab 下的程序可以通過轉(zhuǎn)換成 C 語言，并通過DSP 的 C 編譯器直接在 DSP 硬件上運行。但是這種方法速度太慢，不能用于高速實時系統(tǒng)。

2）用通用的單片機來實現(xiàn)

單片機的接口性能比較好，容易實現(xiàn)人機接口。但是由于單片機大多采用馮?諾依曼結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)尋址和程序?qū)ぶ凡荒芡瑫r進行，運算速度比較慢，尤其是乘法運算。這種實現(xiàn)方式一般用于計算量不是很大的場合，如數(shù)字控制等。

3）利用專用 DSP 芯片實現(xiàn)

現(xiàn)在國際上已推出不少專門用于 FFT、FIR濾波、卷積等專用的芯片。如美國 TKW 公司 1990 年推出的超快單片 FFT 處理芯片 TMC2350，可以在 514us 內(nèi)完成基 2 時間抽取法的 1024 點復(fù)數(shù) FFT 運算。這種實現(xiàn)方式一般用于對速度要求很高的場合，但由于其功能專用，因此實現(xiàn)方法不靈活。

4）利用可編程的 DSP 芯片來實現(xiàn)

DSP 芯片采用超哈佛結(jié)構(gòu)，有多條獨立的程序和數(shù)據(jù)總線，內(nèi)部有硬件乘法器、累加器等，使用流水線結(jié)構(gòu)，具有良好的并行特性，并且有專門設(shè)計的適于數(shù)字信號處理的指令系統(tǒng)，DSP 芯片具有更適于數(shù)字信號處理的優(yōu)點。

5）利用 FPGA 等可編程邏輯器件實現(xiàn)

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。通過對邏輯器件的編程，利用硬件實現(xiàn)特定的數(shù)字信號處理算法。這種實現(xiàn)方法具有通用性的特點，并且可以實現(xiàn)算法的并行運算。由于 FPGA 基于邏輯門陣列的特殊硬件結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA 還適于實現(xiàn)高速數(shù)字電路，例如高速的存儲器接口。因此 FPGA 可以作為獨立的數(shù)字信號處理器，也可以作為通用 DSP 芯片的協(xié)處理器。

6）DSP+FPGA 的實現(xiàn)方式

數(shù)字信號處理廣泛應(yīng)用于各種科學和技術(shù)領(lǐng)域中，在如今的數(shù)字信號處理中越來越重要的作用。隨著信息技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計算機的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)取得了快速的發(fā)展。尤其是專用數(shù)字信號處理器 DSP 和大規(guī)?？删幊唐骷?FPGA 的發(fā)展更是促進了數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計的快速發(fā)展。

在高速數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，低層的信號預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大，對處理速度的要求高，但運算結(jié)構(gòu)相對比較簡單，適于用FPGA進行硬件實現(xiàn)，這樣能同時兼顧速度及靈活性。高層處理算法的特點是所處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適于用運算速度高、尋址方式靈活、通信機制強大的DSP芯片來實現(xiàn)。隨著大規(guī)模可編程器件的發(fā)展，采用 DSP+FPGA結(jié)構(gòu)的信號處理系統(tǒng)顯示出了優(yōu)越性，正逐步得到重視。DSP+FPGA最大的特點是結(jié)構(gòu)靈活，有較強的通用性，適于模塊化設(shè)計，從而能夠提高算法效率；同時其開發(fā)周期較短，系統(tǒng)易于維護和擴展，適合于高速數(shù)字信號處理。

隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡(luò)化、移動化方向發(fā)展，其對電路的要求越來越高，因此，傳統(tǒng)的單一功能的集成電路設(shè)計技術(shù)已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。這時候數(shù)字信號處理系統(tǒng)憑借其強大的功能優(yōu)勢，逐漸占據(jù)電子市場。

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第8篇：生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域范文

【關(guān)鍵詞】　智能水凝膠　分類　理論機理　應(yīng)用

水凝膠是由高分子的三維網(wǎng)絡(luò)與水組成的多元體系，是自然界中普遍存在的一種物質(zhì)形態(tài)，生物機體的許多部分(如人體的肌肉、血管、眼球等器官) 都是由水凝膠構(gòu)成的。它是一些高聚物或共聚物吸收大量水分，溶脹交聯(lián)而成的半固體。水凝膠的性質(zhì)不僅與聚合單體和交聯(lián)劑的性質(zhì)以及聚合工藝條件有關(guān)，而且還取決于溶脹時的條件。根據(jù)水凝膠對外界刺激的應(yīng)答情況，可分為兩類：一類是傳統(tǒng)的水凝膠，這類水凝膠對環(huán)境的變化不特別敏感。另一類是環(huán)境敏感的水凝膠，這類水凝膠在相當廣的程度上對環(huán)境所引起的刺激有不同程度的應(yīng)答，具有智能性。智能水凝膠對外界微小的物理化學刺激，如溫度、電場、磁場、光、pH、離子強度、壓力等能夠感知并在響應(yīng)過程中有顯著的溶脹行為或響應(yīng)性。由于水凝膠的這種智能性，使其在藥物控釋載體、組織工程、活性酶的固定、調(diào)光材料方面具有良好的應(yīng)用前景，另外，在化學轉(zhuǎn)換器、記憶元件開關(guān)、傳感器、人造肌肉、化學存儲器、分子分離體系等方面也開始表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。近年來對它的研究和開發(fā)工作異?；钴S，成為當今研究的熱點。

1　智能水凝膠的分類

根據(jù)對外界刺激的響應(yīng)情況，智能型水凝膠分為：溫度敏感型水凝膠、pH敏感型水凝膠、光敏感型水凝膠、電場敏感型水凝膠、壓力敏感型水凝膠、生物分子敏感型水凝膠等。

1.1 溫度敏感型水凝膠

溫度敏感型水凝膠對環(huán)境的溫度變化能產(chǎn)生響應(yīng)，即當周圍環(huán)境溫度發(fā)生變化時，凝膠自身的性質(zhì)也隨之改變。目前研究較多的是隨溫度變化而發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變的水凝膠，可分為高溫收縮和低溫收縮型兩類。還有一種是無體積變化而具有溫致變色的溫度敏感水凝膠。

這種熱敏特性的機理是凝膠體系中存在著一定的疏水和親水基團，它們和水在分子內(nèi)和分子間會產(chǎn)生相互作用。當T < LCST時， 凝膠溶于水， 凝膠與水之間主要是酞胺基團與水分子之間氫鍵的作用，此時由于氫鍵及范德華力的作用，大分子鏈周圍的水分子將形成一種由氫鍵連接的、高度有序化的溶劑殼層。隨溫度上升，凝膠與水相互作用參數(shù)改變，其分子內(nèi)及大分子間的疏水作用加強，形成疏水層，氫鍵被破壞，大分子鏈周圍的溶劑殼層被破壞，在某一臨界溫度(LCST)水分子從凝膠中排出，凝膠產(chǎn)生相變，從而表現(xiàn)出溫敏性。此時高分子由疏松的線團結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密的膠粒狀結(jié)構(gòu)，發(fā)生了coil - globule 轉(zhuǎn)變。這種相變是在很窄的溫度范圍內(nèi)發(fā)生的，發(fā)生相變的溫度稱為最低臨界轉(zhuǎn)變溫度（LCST），高于這個溫度時溶脹的水凝膠發(fā)生收縮，而低于這個溫度則再度溶脹。

聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠的溫度敏感性相轉(zhuǎn)變是由于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的親水性/疏水性平衡受外界條件變化的影響而引起的，是分子鏈構(gòu)象變化的表現(xiàn)。然而，PNIPAM水凝膠存在的一些缺陷也極大的影響了其實際應(yīng)用。存在的缺陷主要有兩點：第一，響應(yīng)速率慢，第二，機械強度差。因此近十幾年來，這一領(lǐng)域的研究主要集中在PNIPAM水凝膠響應(yīng)速率和機械強度的改善上。提高PNIPAM水凝膠的響應(yīng)速率目前主要有三種方法：1縮小凝膠的體積尺寸，可制成微膠囊，制成納米微粒網(wǎng)絡(luò)。2合成具有孔結(jié)構(gòu)的凝膠。3在凝膠基體中引入接枝鏈。而提高PNIPAM水凝膠機械強度的方法有：1引入機械強度高的物質(zhì)作支架。2形成互相貫穿聚合網(wǎng)絡(luò)(IPN)。3與疏水性單體共聚。

自1984年有文獻報道聚N-異丙酰胺具溫敏性以來，聚N-異丙酰胺及其衍生物已廣泛用于藥物釋放研究。聚N-異丙酰胺中加入疏水性的甲基丙烯酸丁酯可增強凝膠機械強度，縮短對溫度變化響應(yīng)的時間。用聚N-異丙酰胺水凝膠包載藥物的滴眼劑治療青光眼，降壓時間比普通制劑持久6倍。將包裹5-氟尿嘧啶的聚N-異丙酰胺水凝膠置透析袋中，釋藥受凝膠和透析膜雙重控制，溫度升高釋藥加快。

抗癌藥置溫敏水凝膠中，用抗體、糖作靶向基團運至靶區(qū)，并在外部施加物理刺激，可提高載體穩(wěn)定性和靶向效果。溫敏單體與磁性微球共聚，在外加磁場作用下具快速、簡便的磁分離特性，可用于蛋白、多肽控釋系統(tǒng)。對注射殼聚糖-β-甘油磷酸水凝膠及加入脂質(zhì)體后的釋藥研究，后者在體溫下快速膠凝。研究鹽酸維拉帕米和硝苯地平在聚丙烯酰胺-瓜爾膠凝膠微球中的釋藥。泊洛沙姆可作為蛋白釋藥載體制備植入劑、納米微球，用物理交聯(lián)制備嵌段共聚水凝膠包埋大分子，透明質(zhì)酸-泊洛沙姆凝膠用于人生長激素的控制釋放。

近十年來，以PNIPAM為代表的溫度敏感型水凝膠在理論和應(yīng)用上均引起了人們越來越大的興趣。其在應(yīng)用領(lǐng)域的研究有待于進一步的開發(fā)。隨著有關(guān)研究的深入，相信人們在不久的將來會在這一領(lǐng)域取得更大的成就。

1.2 pH敏感型水凝膠

具有pH敏感型的水凝膠是通過線形聚合物之間交聯(lián)或互穿網(wǎng)絡(luò)而形成體型大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中含有可離子化的酸性或堿性基團(羧基、磺酸基或氨基) ，隨著介質(zhì)pH值、離子強度改變，這些基團會發(fā)生電離，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大分子鏈段間氫鍵的解離，產(chǎn)生不連續(xù)的溶脹體積變化。在一定離子強度下，凝膠內(nèi)外離子濃度差最大時對應(yīng)的平衡溶脹度為極大值。這種凝膠溶脹對離子強度的關(guān)系，可以解釋為在低離子強度下，因抗衡離子難以從溶液進人凝膠，所以可電離基團的電離度較小，隨離子強度的提高電離度增大，凝膠溶脹加大，最后凝膠離子化達到最大，這時離子強度增加時，會減少凝膠內(nèi)與溶液間的離子滲透壓，而導(dǎo)致凝膠溶脹減少。根據(jù)敏感性基團的不同可分為陰離子、陽離子和兩性離子三種類型。

pH敏感水凝膠中含酸、堿性基團，溶脹、收縮、滲透壓隨pH、離子強度變化，可實現(xiàn)靶向釋藥。凝膠膨脹度和pH響應(yīng)性可用中性共聚單體如甲基丙烯酸酯、順丁烯二酸酐等調(diào)節(jié)。聚陽離子水凝膠在中性pH膨脹小、釋藥少，可用于胃部釋藥及防止味覺差的藥物在口腔等中性環(huán)境釋放。用甲基丙烯酸甲酯和N，N-二甲氨甲基丙烯酸乙酯共聚水凝膠包載咖啡因，在中性環(huán)境不釋藥，pH3-5呈零級釋藥。一般聚酸類水凝膠在酸性下不解離，膨脹小、釋藥少，可設(shè)計治療消化性潰瘍藥按pH調(diào)節(jié)釋藥速度。pH敏感水凝膠作為多肽、蛋白載體，保護藥物在胃、小腸不被降解，在結(jié)腸被微菌群產(chǎn)生的酶如偶氮還原酶、糖酐酶等降解釋藥。聚丙烯酸分子上大量的羧基具親水性，聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸與偶氮芳香交聯(lián)的水凝膠在胃內(nèi)膨脹很小，幾乎不釋藥，在小腸內(nèi)羧基電離，膨脹度增大，但偶氮鍵不斷裂，結(jié)腸內(nèi)被偶氮還原酶降解釋藥。降解動力學受凝膠交聯(lián)度影響，膨脹動力學受聚合物組成影響。

pH敏感的多糖凝膠，如藻酸鹽、環(huán)糊精、殼聚糖等作為釋藥載體很有潛力。聚多糖類水凝膠由于良好的生物相容性和降解性，在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用倍受關(guān)注。殼聚糖-聚氧乙烯凝膠在酸性更具膨脹性，可用于抗生素如阿莫西林、甲硝噠唑等定位釋藥治療胃部幽門螺旋菌。Zhang Yongjun 等利用相反電荷聚電解質(zhì)之間的靜電作用，通過層層組裝制備殼聚糖水凝膠微囊。以二氧化硅 (SiO2) 微粒為核，先在核上依次包裹PAA 和殼聚糖膜，形成多層的PAA-殼聚糖外殼，再選擇性的交聯(lián)殼聚糖，最后將PAA 和SiO2核逐一除去，得到了殼聚糖水凝膠微囊。形成的殼聚糖微囊具有pH敏感性，殼聚糖的交聯(lián)提高了殼層的穩(wěn)定性，微囊壁的交聯(lián)密度對水凝膠pH敏感程度有重要的影響。

1.3 溫度和PH雙重敏感型水凝膠

由于環(huán)境的復(fù)雜性，近年來人們對具有多重敏感性水凝膠的研究越來越感興趣，這方面的研究主要集中在對溫度和PH雙重敏感的水凝膠上。

將pH敏感單體和溫度敏感單體通過接枝、嵌段共聚引入某些酸、堿基團或采用互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可合成溫度、pH雙重敏感水凝膠，各聚合物鏈有獨立的敏感性。利用聚丙烯酸的電離性與聚乙烯醇的彈性可制備雙重敏感水凝膠。如將N-異丙酰胺、N-氨基丙基甲基丙烯酰胺分別與N，N’-亞甲基二丙烯酰胺交聯(lián)合成了雙重敏感水凝膠，研究其在不同離子強度、pH中二磺酸奈的釋放，發(fā)現(xiàn)酸性中氨基與二磺酸奈鍵合強，釋藥少，釋藥加快。所形成的水凝膠在pH值為7.4下，溫度為37℃時發(fā)生相變，胰島素在其中的釋放發(fā)生明顯變化。另外，黃月文等合成了兼具溫度及值敏感性的聚N-異丙基丙烯酞胺-共-丙烯酸水凝膠，并在此水凝膠中包埋抗結(jié)腸癌藥物阿司匹林。研究表明，在PH=7.4的介質(zhì)中，37℃時阿司匹林在水凝膠膜中的釋放比25℃時快，而在37℃、PH=7.4的介質(zhì)中，阿司匹林的釋放比PH為1.0的快得多，因此可將阿司匹林大部分定向到腸中釋放。

1.4 光敏感型水凝膠

目前，這類水凝膠的合成主要是在溫度或pH敏感型水凝膠中引入對光敏感的基團。導(dǎo)致光敏水凝膠的響應(yīng)機理有三種：一種是特殊感光分子，當有光照射時，這類水凝膠將光能轉(zhuǎn)化成熱能，使材料局部溫度升高，當凝膠內(nèi)部溫度達到熱敏材料的相變溫度時，發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。例如，將吸光產(chǎn)熱分子葉綠素與溫敏水凝膠PNIPA 以共價鍵結(jié)合，當用紫外線照射時，該凝膠出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。另一種是利用光敏分子遇光分解產(chǎn)生的離子來改變凝膠內(nèi)外的離子濃度差，造成凝膠滲透壓突變，促使凝膠發(fā)生溶脹，從而實現(xiàn)響應(yīng)性。第3種響應(yīng)機理是水凝膠材料中引人了發(fā)色基團，由于光照，這些發(fā)色團的理化性質(zhì)（如偶極矩和幾何結(jié)構(gòu)）發(fā)生變化，導(dǎo)致具有發(fā)色團的聚合物鏈的構(gòu)型的變化，從而導(dǎo)致聚合物性能發(fā)生改變。光異構(gòu)化反應(yīng)包括偶氮基團等的反式—順式異構(gòu)、無色三苯基甲烷衍生物的解離等。這些發(fā)色基團可位于聚合物骨架，又可作為側(cè)基，甚至可作為交聯(lián)劑。如含對光敏感的無色三苯基甲烷氰基的PNIPA水凝膠，當無紫外線時，水凝膠在30℃出現(xiàn)連續(xù)的體積相變，當有紫外線時，由于氰基的光解離，溫度升至32. 6 ℃時凝膠的體積突變。

偶氮苯及其衍生物分子是一類典型的光致異構(gòu)的分子，含偶氮苯光色基團的聚合物可用于光電子器件、記錄存儲介質(zhì)和全息照相等領(lǐng)域，可發(fā)展成為具有廣泛用途的一類新穎的先進功能材料。陳莉等通過自由基共聚合方法，將側(cè)鏈含偶氮苯基的丙烯酰胺基偶氮苯單體(AAAB)與丙烯酸(AA)共聚合成了一種新型功能高分子P(AA - co - AAAB)，使聚合物結(jié)構(gòu)內(nèi)在具備偶氮生色團的同時也具有親水性的羧基，這就使得此種高分子具有pH 和光雙重響應(yīng)性能，從而將光響應(yīng)與pH響應(yīng)很好地融為一體，拓寬了其可能的應(yīng)用范圍。

1.5 電敏感型水凝膠

電敏感型水凝膠一般由聚電解質(zhì)高分子構(gòu)成，它在直流電場作用下可發(fā)生形變。其響應(yīng)機理是溶液中自由離子在電場下的定向移動造成凝膠內(nèi)外離子濃度和凝膠內(nèi)部pH的不均勻，從而引起滲透壓和聚電解質(zhì)電離狀態(tài)的變化。絕大多數(shù)電場敏感型凝膠是電致收縮型，網(wǎng)絡(luò)上帶正電荷的凝膠水分從陽極放出，否則從陰極放出。研究表明：凝膠的溶脹性能和電響應(yīng)性能受凝膠的單體配比，溶液的離子強度和所施加的電場強度等因素的影響。這里存在一個臨界壓力，低于臨界壓力凝膠膨脹，高于臨界壓力則凝膠收縮。例如聚丙烯酸/聚乙烯基磺酸共聚物水凝膠(PAAC/PVSA)，在電場中，由于電壓引發(fā)離子運動，水凝膠的體積發(fā)生明顯的變化，可用于生物傳感器。

為了解決以往電敏水凝膠只能在酸性或堿性條件下發(fā)揮作用，需要較高的電壓和響應(yīng)時間慢等缺點，Elizabeth A. 等將具有導(dǎo)電性的聚吡咯/碳黑復(fù)合材料加入到丙烯酸/丙烯酰胺水凝膠內(nèi)，其能在低電壓 (1V)、中性溶液中快速 (5s) 做出響應(yīng)。通過改變丙烯酸的含量、導(dǎo)電性、共混材料濃度和電場強度來調(diào)節(jié)對電刺激的響應(yīng)。這種新型電敏凝膠材料有望用于生物微電子機械系統(tǒng)。

1.6 壓力敏感型水凝膠

水凝膠的壓力敏感性最早是由Marchetti 通過理論計算提出來的，其計算結(jié)果表明，凝膠在低壓下出現(xiàn)塌陷，在高壓下出現(xiàn)膨脹。

最近鐘興等人研究了壓力對聚N-正丙基丙烯酰胺（PNIPA）、聚N，N-二乙基丙烯酰胺（PNDEA）及PNIPAAM這3種凝膠溶脹性的影響，認為3種凝膠之所以表現(xiàn)出明顯的壓敏性，首先是因為它們具有溫敏性，另外還因為其相轉(zhuǎn)變溫度隨壓力而有所升高。所以，當溫度不變時，如果常壓下處于收縮狀態(tài)的凝膠因為壓力的增加而使其所處溫度低于相轉(zhuǎn)變溫度的話，凝膠將發(fā)生大幅度的溶脹。

此外，趙春順等以羥丙基甲基纖維素(HPMC)和羧甲基纖維素鋪(CMCNa)為骨架材料，以非諾洛芬(FC)為模型藥物，研究了FC親水凝膠骨架片釋藥機制的影響因素，發(fā)現(xiàn)壓力對釋藥機制影響較大。當處方中含有20%淀粉時，F(xiàn)C骨架片釋藥受壓力影響更為明顯，釋藥速率隨壓力增加而減小。

1.7 生物分子敏感型水凝膠

生物分子敏感型水凝膠能對特定的生物分子 (如葡萄糖、酶和DNA分子等) 產(chǎn)生響應(yīng)。

例如甲基丙烯酰胺水凝膠是一種用四肽 (CYKC) 作為交聯(lián)劑所得到的對α-胰凝乳蛋白酶敏感的含有縮氨酸序列的水凝膠。當其遇到α-胰凝乳蛋白酶時，水凝膠上連接的縮氨酸序列發(fā)生分離，引起水凝膠從不溶的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)向可溶的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。這項研究有望作為生物傳感器用于蛋白酶-縮氨酸識別系統(tǒng)。

目前此類水凝膠主要用于自動調(diào)控胰島素釋放系統(tǒng)，研究較多的是葡萄糖敏感水凝膠。這種水凝膠實質(zhì)為pH或溫度敏感型材料，但可以通過感知由生化反應(yīng)造成溶液組分的變化，從而產(chǎn)生如體積相變這樣的響應(yīng)。Joseph Kost等用羥乙基甲基丙烯酸酯(HEMA) 、NDMAEM、TEGDMA 和葡萄糖氧化酶在冷凍狀態(tài)下，輻射交聯(lián)共聚合形成凝膠，此凝膠浸入葡萄糖溶液后，可將葡萄糖氧化為葡萄糖酸，使pH下降，從而導(dǎo)致叔氨基質(zhì)子化而使凝膠溶脹，且溶脹體積隨葡萄糖溶液濃度的增大而增大。

1.8 其他智能水凝膠

如抗原應(yīng)答式水凝膠，凝血酶誘導(dǎo)應(yīng)答式水凝膠，印跡水凝膠等，都具有很好的特異性，具有誘人的醫(yī)藥學前景。

2　智能水凝膠的理論和機理

2.1 基本作用力

早期，學者們提出水凝膠體系的3種基本作用力，它們是橡膠彈力、聚合物間親和力和氫離子間壓力。作用在凝膠上的總壓力就是這3種作用力的合力，被稱為凝膠的滲透壓，它決定著凝膠是趨于吸收液體還是排斥液體。

后來經(jīng)過進一步的深入研究，人們又把誘導(dǎo)水凝膠體系發(fā)生相轉(zhuǎn)變的分子間相互作用更準確地歸納為4類：疏水作用、范德華力、氫鍵、離子間作用力。

2.2 動力學研究

學者kato等對大孔隙水凝膠動力學的研究表明，N-異丙基丙烯酰胺在NaCl溶液中的去膨脹過程由兩個因素控制：一個是氯離子間的斥力，另一個是鹽析效應(yīng)。

Hirose等對N-異丙基丙烯酰胺與丙烯酸共聚物水凝膠的體積相轉(zhuǎn)變動力學行為進行了細致的研究，并提出去溶脹過程由3個階段構(gòu)成：1均勻收縮階段，水凝膠的尺寸按指數(shù)規(guī)律減小。2平臺階段，柱狀水凝膠的兩端開始收縮而中間部分仍處于膨脹狀態(tài)。3崩坍階段，此時水凝膠的中間部分亦隨時間而線性收縮。實驗表明，對于帶有少量電荷的水凝膠能較好的符合上述過程。

2.3 水凝膠的敏感性機理

Tanaka等通過測定聚合物鏈的持續(xù)長度b與有效半徑a之比（即代表聚合物鏈剛性的度量）及敏感性之間的關(guān)系，提出了半經(jīng)驗參數(shù)s作為有無敏感性的判據(jù)：s=（ba）（2f+1），式中f代表單位有效鏈上可離子化基團的數(shù)目。他們認為s>290時水凝膠會發(fā)生敏感性相轉(zhuǎn)變，而當s

吳奇等通過研究微凝膠與表面活性劑的相互作用，提出了與疏水作用不同的新的溶脹和收縮機理，并認為近年來觀察到的大塊凝膠的所謂非連續(xù)體積變化并不是源于理論上所預(yù)測的非連續(xù)體積相轉(zhuǎn)變，而是由于內(nèi)部不均勻收縮導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力同剪切模量之間的相互作用引起的。

3　智能水凝膠的應(yīng)用

水凝膠具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在水中能夠吸收大量的水分溶脹，并在溶脹后繼續(xù)保持其原有結(jié)構(gòu)而不被溶解。水凝膠類似于生命組織材料，表面粘附蛋白質(zhì)及細胞能力很弱，在與血液、體液及人體組織相接觸時，表現(xiàn)出良好的生物相容性，它既不影響生命體的代謝過程，代謝產(chǎn)物又可以通過水凝膠排出，比其它任何合成生物材料都接近活體組織，在性質(zhì)上類似于細胞外基質(zhì)部分，吸水后可減少對周圍組織的摩擦和機械作用，顯著改善材料的生物學性能。因此，水凝膠在生物醫(yī)藥、組織工程等方面得到了廣泛應(yīng)用，如可作為組織填充劑、藥物緩釋劑、酶的包埋、蛋白質(zhì)電泳、接觸眼鏡、人工血漿、人造皮膚、組織工程支架材料等。

3.1 分子器件

利用智能凝膠在外界刺激下的變形、膨脹、收縮時產(chǎn)生的機械能，可以實現(xiàn)化學能和機械能的直接轉(zhuǎn)換，從而開發(fā)以凝膠為主體的化學閥、驅(qū)動器、傳感器、藥物控釋系統(tǒng)、分子分離系統(tǒng)等微機械產(chǎn)品。用凝膠制作微機械元件，由于凝膠柔軟有彈性，且其彈性模量可通過交聯(lián)密度調(diào)節(jié)，可使微機械元件的尺寸進一步減小，并能保持足夠的驅(qū)動力。同時，由于凝膠尺寸的減小，縮短了控制凝膠收縮與膨脹的擴散距離，大大提高了凝膠的響應(yīng)速率。近來國外一些科學家正在探討利用凝膠受環(huán)境變化而變化的特性來研制凝膠微機械元件，并已取得了一些重要成果，引起了人們的高度重視，但國內(nèi)尚未見報道。

3.2 調(diào)光材料

利用智能型大分子和大分子水凝膠的環(huán)境敏感行為可以設(shè)計制作調(diào)光材料。它是一種溫度敏感材料，當陽光照射到凝膠時，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。水凝膠系統(tǒng)的調(diào)光性賦予了其“開關(guān)”溫度TS ，在TS以下凝膠網(wǎng)絡(luò)透明，而當溫度升至TS以上則形成散光的微粒。MIT的Suzuki和Tanaka設(shè)計了一種對光敏感的PNIPPAM 凝膠。他們在凝膠中引入光敏成分葉綠素。光照時，葉綠素吸收光能使其微環(huán)境溫度升高，凝膠收縮，反之，凝膠溶脹。測得直徑為5Lm 的凝膠響應(yīng)時間約為5min。

3.3 生物醫(yī)學

醫(yī)用高分子材料指的是在醫(yī)學上使用的高分子材料，是一門介于現(xiàn)代醫(yī)學和高分子科學之間的新興學科。它涉及到物理學、化學、生物化學、病理學、醫(yī)學、輸血學等多種邊緣學科，是生物材料的重要組成部分。目前，醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用已遍及整個醫(yī)學領(lǐng)域，如血液接觸的高分子材料、組織工程用高分子材料、藥用高分子材料、醫(yī)藥包裝用高分子材料、眼科用高分子材料、醫(yī)用粘合劑和縫合線、醫(yī)療器械用高分子材料等等。

3.3.1 藥物傳輸控制系統(tǒng)

智能水凝膠具有傳遞藥物分子的孔道，對生理環(huán)境敏感，特別適合作為不溶于水的藥物和易被胃腸酶分解的蛋白類藥物的載體。作為這些藥物載體的水凝膠需有良好的生物相容性和生物降解性，在體內(nèi)酶或胃內(nèi)低PH環(huán)境中能夠保護藥物不被降解。研究較多的是溫敏水凝膠和PH敏感水凝膠。

3.3.1.1 黏膜給藥

黏膜給藥包括眼部黏膜、鼻黏膜、陰道黏膜等部位給藥。黏膜途徑給藥的pH敏感型原位凝膠研究得較多、也較為深入。

用流變學方法研究殼聚糖硫醇在體外的原位膠凝性質(zhì)。pH5.5條件下，殼聚糖硫醇中巰基數(shù)量明顯減少，表明已形成二硫鍵。所形成凝膠彈性的增強程度與聚合物中巰基的總量顯著相關(guān)，巰基數(shù)量越多，彈性系數(shù)G越大。殼聚糖硫醇化衍生物在5-6.8的PH范圍內(nèi)原位凝膠，可以用于眼部、鼻腔和陰道的黏膜給藥系統(tǒng)。

3.3.1.2 口服給藥

胃腸道PH呈遞增趨勢，胃液PH為1-3，十二指腸PH為4-5，其余腸段PH為6-8。對于在胃內(nèi)不穩(wěn)定的藥物，利用胃腸道PH的變化來開發(fā)腸道釋放的劑型尤為重要。

用二縮三乙二醇雙甲基丙烯酸酯 (TEGDMA) 交聯(lián)制得pH 敏感的聚甲基丙烯酸 (PMAA) 水凝膠作為膨脹層，聚羥乙基丙烯酸甲酯 (PHEMA) 作為非膨脹層，將這兩種骨架層交聯(lián)得到一種具有雙層結(jié)構(gòu)并可自折疊的水凝膠微型裝置。再將具有生物粘附性的藥物粘附到非膨脹層的一面用于藥物傳輸。當這種微型裝置進入體內(nèi)，pH敏感的PMAA層接觸到體液后迅速膨脹，而PHEMA層無反應(yīng)。由于膨脹層和非膨脹層的區(qū)別，這個自折疊的裝置發(fā)生彎曲，從而延長了在靶部位的停留時間，增強了生物粘附性。另外，非膨脹的PHEMA層可以作為擴散屏障，給藥物提供了更好的保護和減少藥物在腸道中的損失。

聚乙烯醇與丙烯酸或甲基丙烯酸可形成共聚物，其凝膠具有PH敏感性溶脹行為。載有胰島素的凝膠在人工腸液（PH6.8）中釋放藥物，而在人工胃液（PH1.2）中不釋放藥物。到達小腸之前，載藥凝膠在胃酸環(huán)境中對藥物胰島素具有保護作用。凝膠在大鼠體內(nèi)的釋藥行為表明胰島素口服給藥對控制葡萄糖水平有效。

3.3.1.3注射給藥

將某些pH敏感型凝膠注射于機體組織后，在PH約7.4的體液環(huán)境中膠凝，形成藥物貯庫，緩慢持久釋放藥物。

在生物相容性共溶劑系統(tǒng)中制備聚甲基丙烯酸（PMA）和聚乙二醇（PEG）的水不溶性共聚物（IPC）的溶液，IPC溶液在生理PH條件下可轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。共溶劑N-甲基吡咯烷酮/乙醇/水的最佳比例為1:1:2，IPC的濃度宜在30%-60%（W/V）。研究表明，該體系可承載、保護大分子藥物如蛋白質(zhì)和低聚核苷酸，并控制其緩慢釋放。

3.3.1.4 葡萄糖響應(yīng)的胰島素釋藥系統(tǒng)

根據(jù)智能水凝膠對葡萄糖響應(yīng)設(shè)計胰島素自調(diào)式釋藥系統(tǒng)一直是研究熱點。正常人體胰島素的釋放受機體反饋機制調(diào)節(jié)，維持血糖水平正常范圍，糖尿病患者注射胰島素有時會引起低血糖危急生命，目前研究較多的胰島素智能給藥系統(tǒng)主要包括：(1)載有葡萄糖氧化酶的智能水凝膠。(2)載有葡萄糖氧化酶的接枝多孔膜。(3)競爭結(jié)合型胰島素釋藥系統(tǒng)。設(shè)計這一釋藥系統(tǒng)的最大挑戰(zhàn)在于載體對葡萄糖有高度敏感性和自動開關(guān)能力，在特定時間定量釋藥。目前采用的水凝膠仍有不足，如響應(yīng)較慢，或是響應(yīng)后很難較快回到初始狀態(tài)，重現(xiàn)性有待改進。

3.3.2 組織工程支架材料

水凝膠應(yīng)用于組織工程支架要求具有生物相容性、生物降解性、高含水量和細胞膜粘附性等。高度膨脹的三維環(huán)境含有大量的水，類似于生物組織環(huán)境，可以促進細胞增殖和細胞活動。

醫(yī)用聚丙烯酰胺水凝膠作為組織充填材料已廣泛用于人體各部位，它是一類具有親水基團，能被水溶脹但不溶于水的聚合物。水凝膠中的水可使溶于其中的低分子量物質(zhì)從其間滲透擴散，具有膜的特性，類似于含大量水分的人體組織，具有較好的生物相溶性。而且聚丙烯酰胺水凝膠為大分子物質(zhì)，不吸收、不脫落、不碎裂，在彌散的環(huán)境下能很好保持水分，有較好的粘度、彈性和柔軟度，適合人體組織結(jié)構(gòu)。

3.3.3 人工玻璃體

PVP 水凝膠是第一個用作病變的玻璃體替代物的合成高聚物。作為一種優(yōu)異的病變玻璃體替代物，PVP水凝膠具有良好的生物相溶性和生物物理光學特性，其網(wǎng)狀支架對眼球內(nèi)的新陳代謝成分具有良好的通透性。另外，PVP水凝膠具有粘彈性，表現(xiàn)出良好的內(nèi)填充作用，可以封閉裂孔，展平視網(wǎng)膜。

3.3.4 人工軟骨

PVA 水凝膠的高含水性及其特殊的表面結(jié)構(gòu)與天然軟骨組織非常相似，具有良好的生物相容性和摩擦學特性，同時該水凝膠具有類似于天然軟骨的多微孔組織，內(nèi)含大量的水，是一種可滲透材料，其彈性模量和人關(guān)節(jié)軟骨相近，有望成為理想的人工軟骨材料。

3.3.5 醫(yī)用敷料

敷料的主要類型有兩種：干型，如紗布；濕型，如水凝膠。水凝膠的優(yōu)點是可吸收滲液形成凝膠，且吸收滲液后的凝膠不會沾粘傷口；可加速上皮細胞生長，加速新微血管增生；隔絕細菌侵犯，抑制細菌繁殖。目前用水凝膠作創(chuàng)面敷料在美國、日本及歐洲一些國家已經(jīng)商品化，但在國內(nèi)尚屬空白。

用藻酸鈣纖維制成的水凝膠，與傷口滲液接觸后形成光滑的凝膠體，可有效清創(chuàng)且使傷口表面的細胞殘屑、細菌、微生物等被包裹、鎖定在凝膠體中，而且在藻酸鈣與傷口滲液中的鈉離子結(jié)合形成凝膠的同時將鈣離子釋放，傷口表面鈣離子的大量集結(jié)可加速創(chuàng)面止血，促進創(chuàng)面愈合。

當羧甲基纖維素鈉微粒與創(chuàng)面滲出物作用時，劇烈膨脹形成一種不與創(chuàng)面粘連的凝膠，該凝膠具有較強的滲液吸收能力和良好的蒸發(fā)性能，并能快速溶解焦痂，清除腐敗組織。

3.3.6 角膜接觸鏡材料

角膜接觸鏡俗稱隱形眼鏡，是一種兼具視力矯正、美容、眼睛防護和醫(yī)療作用的產(chǎn)品。使用α-甲基丙烯酸β-羥乙酯聚合物( PHEMA) 作為制造角膜接觸鏡的材料。用這種PHEMA 材料制造的水凝膠角膜接觸鏡配戴舒適度比較高，但含水量不高，氧氣通過性能不好，不能長時間配戴。采用親水性能更高的PVP共聚物水凝膠，作為制造角膜接觸鏡的材料，可解決上述問題。

3.3.7 組織培養(yǎng)

利用PNIPAM水凝膠的溫敏性可將它接枝于固體表面，通過調(diào)節(jié)溫度改變固體表面的親水性。在培養(yǎng)皿內(nèi)壁接枝PNIPAM，用此培養(yǎng)皿接枝培養(yǎng)細胞，成活率較傳統(tǒng)的酶洗脫法高得多。

3.3.8 在分析和醫(yī)學診斷方面的應(yīng)用

根據(jù)水凝膠的環(huán)境敏感性，可將它與生物傳感器物理元件相連，然后將生物分子固定在水凝膠表面或內(nèi)部，便可得到生物傳感器，用于診斷疾病及做日常監(jiān)測。例如，利用水凝膠固定抗原，可用于免疫檢測。

3.3.9 血紅蛋白氧氣載體

血紅蛋白 (Hb) 作為血液代用品，具有高效載氧功能，但天然無基質(zhì)Hb溶液不能直接作為紅細胞代用品。目前血紅蛋白氧氣載體 (HBOC) 主要分為化學修飾Hb、基因重組Hb和包囊Hb。用脂質(zhì)體包封Hb，易導(dǎo)致Hb變性，Hb微膠囊存在快速釋放的缺陷，另外，這些微膠囊沒有紅細胞那樣柔軟的外壁，也不能在網(wǎng)狀內(nèi)皮組織系統(tǒng)中快速流動。用納米水凝膠微粒包封Hb，具有機械性能穩(wěn)定，裝填能力高，膨脹收縮可控，質(zhì)地柔軟和在網(wǎng)狀內(nèi)皮組織系統(tǒng)中流動快等優(yōu)點。

Jaqunda N. Patton 等報道了通過光引發(fā)聚合得到溫敏性PNIPAAM水凝膠納米粒包封牛血紅蛋白 (BHb) 作為氧氣載體，生理溫度變化可引起PNIPAAM水凝膠納米粒膨脹和收縮，對zeta電位、氧氣親和力和協(xié)同性都有影響。當溫度從40℃降至29℃時，納米粒水凝膠膨脹，減少了氧氣傳輸時的阻力。AndreF. Palmer 等將BHb與pH敏感的PAAM交聯(lián)合成HBOC。這種pH敏感的HBOC可以靶向的將高效載氧的血紅蛋白運輸?shù)接捎谏韕H值下降而引發(fā)低氧狀態(tài)的組織。

3.3.10 水凝膠微透鏡

智能水凝膠微透鏡是一種新型的蛋白質(zhì)檢驗方法。聚-異丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸(PNIPAM-co-AAC)微凝膠與生物素偶聯(lián)制成動態(tài)可調(diào)式生物素化凝膠微透鏡。這種可調(diào)式凝膠微透鏡是通過靜電作用吸附在氨丙基三甲氧基硅烷化的玻璃基片上制得。研究者將生物素化的凝膠微透鏡與未生物素化的凝膠微透鏡相對比，發(fā)現(xiàn)特定的蛋白質(zhì)溶液能引起生物素化的凝膠微透鏡平衡膨脹體積變化和折射率的改變，而未生物素化的凝膠微透鏡則對其不敏感。另外，這些凝膠微透鏡在受到外界刺激時 (如溫度、pH和光子流量)，其光學性質(zhì)會發(fā)生相應(yīng)的變化。

3.3.11 用于活性酶的固定

酶的固定化技術(shù)的發(fā)展給酶制劑的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。與自由酶相比，固定化酶的最顯著的優(yōu)點是在保證酶一定活力的前提下，具有貯存穩(wěn)定性高、分離回收容易、可多次重復(fù)使用、操作連續(xù)及可控、工藝簡便等一系列優(yōu)點。溫度敏感性水凝膠由于其在臨界溫度附近溶脹度顯著變化的特點，使其已成為固定化酶的一種理想包埋載體。

4　展望

智能型水凝膠在許多應(yīng)用方面具有很大的潛能，如pH敏感和溫度敏感水凝膠可用于靶向藥物的控制釋放，對特定分子(如葡萄糖、抗原等)響應(yīng)的水凝膠，既可用于生物傳感器也可用于藥物釋放體系，光敏感型、壓力敏感型及電敏感型水凝膠也有用于藥物釋放和生物分離的潛力。

雖然從理論上來說實現(xiàn)這些應(yīng)用是可行的，但實際應(yīng)用還要求對水凝膠的性能進行很大的改進。所有這些刺激響應(yīng)型水凝膠的最顯著的缺點是它們的響應(yīng)速度太慢，因此制備快速響應(yīng)性水凝膠是智能型水凝膠研究領(lǐng)域的一個重要課題。實現(xiàn)這一目標的最簡單的方法是制備較薄和較小的水凝膠，但這種水凝膠往往沒有足夠的機械強度以滿足實際應(yīng)用。另外用于藥物載體的智能型水凝膠還要求有生物相容性和體內(nèi)降解性等，選用更理想的材料設(shè)計體積小、響應(yīng)快、能依據(jù)人體生理環(huán)境調(diào)節(jié)的水凝膠仍是目前面臨的一大挑戰(zhàn)。凝膠在體內(nèi)的代謝過程比較復(fù)雜，新材料的釋藥性、安全性需全面考察，凝膠與細胞黏連、蛋白吸附、生物排異等諸多問題亟待解決。

總之，研究開發(fā)具有優(yōu)異性能的智能型水凝膠是一個富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，如果能及時總結(jié)已有的成果并將其應(yīng)用于未來的研究中，將低毒性、良好的生物相容性和生物降解性、優(yōu)良的機械性能和環(huán)境敏感性這幾點完美結(jié)合起來，制備出新型、綠色的智能水凝膠是我們努力的研究方向。

參 考 文 獻

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第9篇：生物醫(yī)學工程應(yīng)用領(lǐng)域范文

早在1954年,美國的錢家其已將計算機應(yīng)用于放射治療,計算劑量分布和制定治療計劃;1959年,美國的Ledley等首次將數(shù)學模型引入臨床醫(yī)學,提出了可將布爾代數(shù)和Bayes定理作為計算機診斷的數(shù)學模型,并以此診斷了一組肺癌病例,開創(chuàng)了計算機輔助診斷的先例;1966年,Ledley首次提出“計算機輔助診斷”(computeraideddiagnosis,CAD),形成了計量醫(yī)學;1976年,美國斯坦福大學的Short-liffe等研制成功了著名的用于鑒別細菌感染及治療的醫(yī)學專家系統(tǒng)MYCIN,建立了一整套專家系統(tǒng)的開發(fā)理論;1982年,美國匹茲堡大學的Miller等發(fā)表了著名的Internist-I內(nèi)科計算機輔助診斷系統(tǒng),其知識庫中包含了572種疾病,約4500種癥狀;1991年美國哈佛醫(yī)學院Barnett等開發(fā)的“解釋”軟件,包含有2200種疾病和5000種癥狀。

2醫(yī)學專家系統(tǒng)的組成

專家系統(tǒng)是基于知識的系統(tǒng)(Knowledge-BesedSystem)。一個完整的醫(yī)學專家系統(tǒng)應(yīng)由知識庫(Knowledge-Base)、數(shù)據(jù)庫(DataBase)、推理機(InferenceEngine)、知識獲取模塊(Knowledge-AcpuisitionModule)和解釋接口(Explana-toryInterface)組成。知識庫中存放系統(tǒng)求解問題所需求的知識,數(shù)據(jù)庫用來存儲初始證據(jù)和推理過程中得到的各種中間信息,推理機是一組程序,用來控制和協(xié)調(diào)整個系統(tǒng),它通過輸入的數(shù)據(jù),利用知識庫的原有知識按一定的推理策略解決所提出的問題。知識獲取模塊就是學習模塊,它為修改和擴充知識庫存的原有知識提供相應(yīng)的手段。解釋接口是用戶與專家系統(tǒng)交互的環(huán)節(jié),負責對推理給出必要的解釋,便于用戶了解推理過程,為用戶向系統(tǒng)學習和所作所為系統(tǒng)提供方便,具有解釋功能是專家系統(tǒng)區(qū)別于其它計算機程序的標志。目前,已有一些知識表示型的醫(yī)療診斷專家系統(tǒng)。

3醫(yī)學專家系統(tǒng)的設(shè)計

建立醫(yī)學專家系統(tǒng)要求將專家的知識轉(zhuǎn)換為機器處理。在系統(tǒng)分析工作中,要求完全嶄新的基于知識的設(shè)計方法,使得計算機從數(shù)據(jù)處理過渡到知識處理,從計算和存儲數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為推理和提供知識。原型系統(tǒng)方法是醫(yī)學專家系統(tǒng)實現(xiàn)的重要開發(fā)方法,其早期階段的目標是迅速發(fā)展最終系統(tǒng)的模型,獲得所有任務(wù)的初步方案,后繼階段進行測試和擴充,增加更多細節(jié),如此逐步發(fā)展和求精,直到逼近最終系統(tǒng),滿足用戶要求。原型系統(tǒng)方法的優(yōu)點是:增進用戶與開發(fā)人員的溝通;用戶在系統(tǒng)開發(fā)過程中起主導(dǎo)作用;辨認動態(tài)的用戶需求;啟迪衍生式的用戶需求;縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)風險。由于專家系統(tǒng)分析層面難度大,技術(shù)層面難度相對較小,因此,原型系統(tǒng)方法是最為適宜的開發(fā)方法。原型設(shè)計階段的目標是解決領(lǐng)域知識的形式化問題,定義事實、關(guān)系和專家的推理策略,建立原型模型。原型系統(tǒng)的設(shè)計分為以下三個階段。

3.1識別和定義系統(tǒng)的概念模型本階段的主要任務(wù)是知識獲取,識別系統(tǒng)的主要任務(wù),識別和獲取有關(guān)的重要概念及其關(guān)系,定義概念模型。這些概念和關(guān)系對確定知識庫的結(jié)構(gòu)是很有用的。任務(wù)領(lǐng)域中的概念必須按照問題求解行為的具體例子抽象。專家的思考模式必須包含所有基本元素,并且能被修改和擴充。本階段除了采訪專家獲取知識之外,大量信息可以從已存的書籍、資料等重要文獻中獲取。

3.2概念設(shè)計在建立概念模型之后,就可開始概念設(shè)計,選擇合適的知識工程工具(如知識表示),正式地表示問題和解法。主要工作包括設(shè)計適合于專家智能活動的可執(zhí)行的知識表示模式、推理機制和用戶接口。知識工程師應(yīng)盡快設(shè)計和建立一個原型系統(tǒng),以便提供開始的側(cè)重點。

3.2.1知識表示模式設(shè)計所謂知識表示模式設(shè)計就是根據(jù)醫(yī)學領(lǐng)域中知識類型及特征,選擇合適的知識表示方法,描述知識模型。一般來說,系統(tǒng)控制知識和專家的決策知識表示為產(chǎn)生式規(guī)則;如果對象各要素間的關(guān)系可通過邏輯運算去體現(xiàn),可采用謂詞邏輯表示法;對于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)結(jié)象可使用框架或語義網(wǎng)方法,如專業(yè)概念知識。為了有效地表示各種知識,系統(tǒng)可以綜合使用多種知識表示方法。設(shè)計的結(jié)果是應(yīng)用知識表示工具描述的知識模型。

3.2.2推理機設(shè)計常用的推理方法有正向推理、逆向推理和雙向推理三種,這三種推理方法又可分為精確推理和不精確推理。推理機設(shè)計包括根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域選擇推理方法,設(shè)計自動推理算法結(jié)構(gòu),以及其它控制結(jié)構(gòu)和各部分之間的通訊機制。它涉及知識的選擇和應(yīng)用問題。例如,專家系統(tǒng)最成功的實例之一,是1976年美國斯坦福大學肖特列夫(Shortliff)開發(fā)的醫(yī)學專家系統(tǒng)MYCIN,這個系統(tǒng)后來被知識工程師視為“專家系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范”。MYCIN主要用于協(xié)助醫(yī)生診斷腦膜炎一類的細菌感染疾病。在MYCIN知識庫里,大約存放著450條判別規(guī)則和1000條關(guān)于細菌感染方面的醫(yī)學知識。它一邊與用戶進行對話,一邊進行推理診斷。它的推理規(guī)則稱為“產(chǎn)生式規(guī)則”,類似于:“IF(打噴嚏)OR(鼻塞)OR(咳嗽),THEN(有感冒癥狀)”這種醫(yī)生診斷疾病的經(jīng)驗總結(jié),最后顯示出它“考慮”的可能性最高的病因,并以給出用藥的建議而結(jié)束。概念設(shè)計中提供豐富的概念。各種概念隱含了程序設(shè)計方法及知識的表示形式。概念方法可以輔助知識工程師認清對象之間的關(guān)系,以使概念化專家決策處理中所使用的各種對象及屬性。在概念設(shè)計中,要避免使用傳統(tǒng)系統(tǒng)經(jīng)驗,例如基于個別實例或部分關(guān)系,企圖畫出一個決策處理的與/或樹,這將導(dǎo)致失敗。概念設(shè)計方法將知識工程師從“過分分析的陷阱”中解放出來,以便有效地設(shè)計原型系統(tǒng)。

3.3詳細設(shè)計概念設(shè)計建立了系統(tǒng)的主架,詳細設(shè)計階段的目標是發(fā)展詳細的信息處理模型,識別和獲取與模型有關(guān)的微知識,例如概念、對象/實體的詳細描述。主要的工作包括:識別邏輯命題、書寫一些描述和過程的代偽代碼,副出語義網(wǎng)絡(luò)圖;將與/或樹轉(zhuǎn)換為自然語言規(guī)則;畫出直接表示圖或模型;識別和命名表示的框架及槽;識別和命名數(shù)據(jù)庫的款目等。詳細設(shè)計應(yīng)規(guī)定語法和語言的特殊限制,但不應(yīng)開始實際編碼,也就是說詳細設(shè)計應(yīng)獨立于任何程序設(shè)計語言。自然語言規(guī)則提供詳細的編碼描述規(guī)格。應(yīng)用自然語言表達規(guī)則,使所有設(shè)計者能容易地明白知識表示結(jié)構(gòu),便于參加編碼和檢測。

4醫(yī)學專家系統(tǒng)的實現(xiàn)方法實現(xiàn)原型系統(tǒng)階段的主要任務(wù)是選擇合適的開發(fā)工具,完成原型系統(tǒng)的程序設(shè)計,即編碼、測試和修改。

4.1系統(tǒng)開發(fā)工具的選擇為選擇合適工具,需要考慮如下問題。

4.1.1開發(fā)工具的通用性工具系統(tǒng)通用性越強,則在用其構(gòu)造一個具體的專家系統(tǒng)時,知識工程師的編程任務(wù)越復(fù)雜,對知識工程師研制系統(tǒng)的能力及編程水平要求越高。例如ISP、OPS5,PROLOG等工具都是通用性較強的工具系統(tǒng)。使用通用性工具設(shè)計的系統(tǒng),其使用范圍較廣,便于移植和推廣。另一方面,工具系統(tǒng)的通用性越強,一般說來其領(lǐng)域針對性也越差。對于某些專業(yè)領(lǐng)域,某一個通用性工具所生成的專家系統(tǒng)的效率往往很低。因此,在選擇開發(fā)工具時,必須在通用性與方便性,通用性與具體專業(yè)領(lǐng)域的針對性之間進行反復(fù)的權(quán)衡。

4.1.2開發(fā)工具的特性與專業(yè)領(lǐng)域特性的匹配程序

4.1.2.1與專業(yè)領(lǐng)域的問題特性的比較著重比較搜索空間的大小、數(shù)據(jù)的形式、問題的結(jié)構(gòu)等。

4.1.2.2與求解問題的方法特性的比較例如搜索類型,知識表示法、不確定性的處理方法、控制結(jié)構(gòu)形式等的比較。

4.1.2.3專家系統(tǒng)學習能力的強弱、知識庫維護能力、知識獲取能力、人機接口的友善程度、系統(tǒng)的擴展性與協(xié)作適應(yīng)性等。目前大多數(shù)專家系統(tǒng)選用人工智能語言,如PROLOG,LISP。PROLOG的數(shù)據(jù)庫能力較強。它們提供許多適于人工智能處理的功能。選用該類語言,系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計知識庫和人機接口。缺點是使用存儲空間多、速度慢,因此,可部分使用C語言作為輔助工具。面向較窄專業(yè)領(lǐng)域的專家系統(tǒng),多選用專家系統(tǒng)工具,可以迅速產(chǎn)生原型系統(tǒng),由于醫(yī)學專家系統(tǒng)的專業(yè)領(lǐng)域一般較窄,故大多采用專家系統(tǒng)工具。專家系統(tǒng)工具已與強有力的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相連接,可用性越來越強,它們成為建造專家系統(tǒng)的合適工具。若系統(tǒng)設(shè)計對于存儲空間和速度要求較高,并且知識工程師人力較充足時,也可選用一般的程序設(shè)計語言,尤其是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言,中VC、VB、JAVA等。在選擇開發(fā)工具過程中,知識工程師起主要作用,并應(yīng)與領(lǐng)域?qū)＜颐芮袇f(xié)商,全面考慮硬件、軟件、領(lǐng)域問題和上述原則,選出恰當?shù)墓ぞ呦到y(tǒng)。

4.2編碼編碼是應(yīng)用選擇的工具語言記錄事件和知識。它將詳細設(shè)計階段產(chǎn)生的知識結(jié)構(gòu)、推理規(guī)則、控制策略及其它部件的形式描述轉(zhuǎn)換為工具語言形式。主要的工作是轉(zhuǎn)換自然語言推理規(guī)則,構(gòu)造知識庫;轉(zhuǎn)換推理算法為推理程序。盡管此項工作與非智能語言的編碼沒有區(qū)別,而這里一般使用的語言是LISP,PROLOG或?qū)＜蚁到y(tǒng)工具語言。在編碼中,知識工程師常發(fā)現(xiàn)詳細設(shè)計中的問題,因此,詳細設(shè)計和編碼常是緊密相關(guān)的循環(huán)處理。編碼中發(fā)現(xiàn)的問題也可能引起大范圍的反復(fù)處理,例如,可能需要完全重新設(shè)計知識表示。

4.3測試與修改測試階段的主要任務(wù)是評價原型系統(tǒng)及其實現(xiàn)形式是否符合設(shè)計者、專家及用戶的要求,應(yīng)用各種各樣的實例,檢測知識庫和推理結(jié)構(gòu)中的弱點,修改原型。

4.3.1檢測推理檢測推理就是檢查無效的推理。主要工作是檢測機制細節(jié),如接口和內(nèi)部流程。知識工程師構(gòu)造人工模擬實例檢測系統(tǒng)的詳細部分,當系統(tǒng)違背設(shè)計得意愿,則發(fā)現(xiàn)錯誤。糾正無效推理中的錯誤,需要重新編碼。產(chǎn)生無效推理的原因是程序員錯誤地轉(zhuǎn)換知識。

4.3.2檢測知識在知識系統(tǒng)中,正確的編碼并不意味著知識正確。這種處理努力探測無效的和模糊不清的知識。除了人工實例,專家和知識工程師還可用真實實例檢測,讓系統(tǒng)作合適的決策,并可保留這些檢測實例以備后用。無效知識的發(fā)生,是由于專家沒有正確地描述事實或沒有完全理解事實。當系統(tǒng)違背專家的意愿時,可發(fā)現(xiàn)這類錯誤。模糊知識的發(fā)生是由于專家不能識別所有的蘊含關(guān)系,如組合條件太多。當系統(tǒng)選擇不同的解法(而專家要求相同解法)時,可發(fā)現(xiàn)這類錯誤。例如重復(fù)執(zhí)行概念識別,以便發(fā)現(xiàn)錯誤的知識;重復(fù)執(zhí)行概念設(shè)計來重新評估知識表示的選擇,這兩種處理又引起重復(fù)執(zhí)行詳細設(shè)計。當知識是完整一致的,僅要求重復(fù)執(zhí)行詳細設(shè)計和編碼。若在檢測推理機制中,專家發(fā)現(xiàn)了檢測子問題的新條件,則重復(fù)執(zhí)行問題定義、概念識別、概念與詳細設(shè)計及編碼。因而專家可用發(fā)現(xiàn)的新條件精煉已存知識表示。當專家對早期的知識檢測不滿意,將知識加入知識庫時,發(fā)現(xiàn)一些錯誤,則他重新執(zhí)行是識別和定義概念,處理和發(fā)現(xiàn)新概念。為此,概念設(shè)計、詳細設(shè)計、編碼和檢測推理均需要新執(zhí)行,調(diào)整由定義新概念所引起的變化。

4.4證實原型系統(tǒng)當專家和知識工程師相信推理和知識是正確的,則執(zhí)行本處理。這種處理用執(zhí)行大量的真實例檢測隱含錯誤。知識工程師可將原型放入檢查區(qū)域,工作一段時間,這種檢測可能發(fā)現(xiàn)較少的小錯誤。證實也可發(fā)現(xiàn)專家和知識工程師的偏見。專家和系統(tǒng)的交互中可能存在盲目的缺點。因此,應(yīng)邀請其他多位專家指導(dǎo)證實處理。他們的新觀點可能會發(fā)現(xiàn)新問題。最后的證實工作是并行執(zhí)行系統(tǒng)檢測和人工檢測(人工檢查活動不與系統(tǒng)交互)。然后按要求逐個比較結(jié)果,并做客觀地記錄。這些檢測將提供大量的寶貴意見。

4.5系統(tǒng)的發(fā)展與維護檢測工作完成后,原型可被進一步修改和擴充,發(fā)展成為實用系統(tǒng)。維護的目標是評價和擴展系統(tǒng),改進系統(tǒng)執(zhí)行。由于在發(fā)展中迅速設(shè)計原型,可以避免和減少維護工作。如果系統(tǒng)中使用的規(guī)則和過程以常規(guī)變化為條件,則需要專家和管理者周期地檢查系統(tǒng)的執(zhí)行。一個知識系統(tǒng)模式化人類在特定領(lǐng)域中的專知,而專家和知識都不是靜止不變的,因此系統(tǒng)中的知識庫和推理模式必須繼續(xù)檢測和發(fā)展。這包括收集關(guān)于系統(tǒng)執(zhí)行的知識、缺陷及定義的變化。主要方法是利用機器學習技術(shù)維護、擴展知識庫,以改進系統(tǒng)執(zhí)行。這種設(shè)計方法適用于所有的知識系統(tǒng),對于復(fù)雜的綜合型系統(tǒng),還要考慮與其它分系統(tǒng)的通訊與協(xié)作。

5總結(jié)與展望

縱觀國內(nèi)外醫(yī)學專家系統(tǒng)的發(fā)展,可從以下3個方面進行總結(jié)。

5.1人工智能、專家系統(tǒng)理論70年代,多用概率統(tǒng)計法,即所謂的數(shù)字計算法,從疾病—臨床資料(癥狀、體征理化檢查)的發(fā)生頻率與疾病概率之間的明確統(tǒng)計學分析,得出最相似的診斷。此方法現(xiàn)已趨于淘汰。80年代后,則多用人工智能的方法,即以疾病的數(shù)值表敘與專家的推理相結(jié)合導(dǎo)致的一種決策方法。兩種方法都要通過一定的數(shù)學模型來實現(xiàn),常見的數(shù)學模型有Bayes公式,模糊數(shù)學及加權(quán)求和—閾值浮動(至80年代中期,國內(nèi)2/3的系統(tǒng)采用了這3種數(shù)學模型,但這3種數(shù)學模型的應(yīng)用,有一定局限性)。還有的研究是關(guān)于診斷系統(tǒng)的通用開發(fā)平臺等方法學方面的,使醫(yī)學診斷專家系統(tǒng)在解釋方法學、評價標準、知識庫建立以及因果定量推理等方面成為研究熱點。關(guān)于醫(yī)學診斷中推理的復(fù)雜性,有人提出,病人可能有相互關(guān)聯(lián)的多種疾病,而表現(xiàn)出的癥狀并不確定與某一類疾病有關(guān),一個癥狀是否會出現(xiàn)也不確定,因而復(fù)雜程度不同的推理,可以精密程度不同的模型中進行。此外,由于人類疾病的適時性,有必要在沒有明確的診斷結(jié)論時給出有關(guān)診療建議。同時,用來監(jiān)測、存儲和顯示大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)與推理有機的結(jié)合起來。啟發(fā)式分類也是人工智能方法中的一種,即從一組輸入數(shù)據(jù)中提取特征,并進行分類,根據(jù)分類特征在一組已知的診斷類型中選擇。模糊邏輯原理尤其適合于醫(yī)學應(yīng)用,因為醫(yī)學決策所需的許多信息都是不確定的。適于人工智能、專家系統(tǒng)應(yīng)用的計算機語言,在早期有LISP和PROLOG,但到現(xiàn)在,尚無更新的、合適的語言出現(xiàn)。

5.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)學專家系統(tǒng)中的應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是最近幾年發(fā)展起來的一項新技術(shù),是模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)中神經(jīng)元的一種數(shù)學處理方法。由于它的并行處理方式、自學習能力、記憶能力、預(yù)測事件發(fā)展能力,因而可以起到專家系統(tǒng)的作用。特別在分類、診斷以及基于分類的智能控制和優(yōu)化求解方面,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)比傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)(指上述用概率統(tǒng)計法,數(shù)學模型建立的專家系統(tǒng))有更優(yōu)越的性能。故人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代表著當前最先進的人工智能技術(shù),但此項技術(shù)尚不成熟。如只適用于解決規(guī)模較小的問題,其性能受訓練數(shù)據(jù)集的限制,以及無法解釋推理過程和得出結(jié)論的依據(jù)等。