生物医学工程与信息技术概论

华中科技大学生物医学工程学科是国家一级重点学科，我国*早建立的生物医学工程学科之一，在2017年组织的全国学科评估中被评为A 学科。该学科目前包括生物医学工程、生物信息学（以前称为生物信息技术）与生物制药三个本科专业。近年来，按照相关要求，各个高校都在积极推进按学院、按大类进行招生的改革试点。因此，自2018年以来，华中科技大学生物医学工程专业和生物信息学专业均按照同一大类-生物医学工程进行招生，并且在制定专业培养方案时打通了前两年的通识课程，为今后两个专业的完全融合与*终合并奠定了基础。为此，在2018年的本科生培养方案中，华中科技大学生物医学工程专业的本科生必修课程-生物医学工程概论（始于2009年）和生物信息学专业的本科生必修课程-生物信息学概论（始于2013年）进行了融合与合并，形成了生物医学工程大类新的概论课程-生物医学工程与信息技术概论。 生物医学工程是运用工程学的理论与方法解决生物、医学等应用中所碰到的工程技术问题，尤其是研究和提供生物、医学等研究所需要的技术方法与手段，包括医疗器械等。她是医工、医理相互交叉的学科，具有广阔的应用前景和巨大的发展空间。然而，长期以来，人们对于生物医学工程的主要研究对象、研究领域缺乏足够全面的认识和了解，是目前制约生物医学工程学科发展的因素之一。因此，开设生物医学工程概论课程的目的就是希望通过对于生物医学工程的定义、生物医学工程主要领域的介绍，特别是从事生物医学工程学科领域学术带头人的讲授，提高学生对于生物医学工程专业的认识与了解，激发从事生物医学工程研究，为改变我国医疗器械等生物医药行业的落后面貌而献身的学习热情。 目前，我国出版的生物医学工程概论方面的教材很少。2010年，西安交通大学出版社出版了一本名为《生物医学工程概论》的图书，作者是迈克尔·M·多马克。该书作为一本翻译的英文参考书，可以直接作为生物技术、生物医学工程等专业本科生、研究生的教科书。但是，该书侧重于定量阐述分子、细胞与组织器官的行为，以及研究这些行为的技术方法与原理等，不仅不适合于给1年级的新生作为概论的教材，而且与我校生物医学工程专业后续的《生物化学与分子生物学》、《细胞生物学》等课程产生交叉与重叠。本教材以华中科技大学多年来承担《生物医学工程概论》、《生物信息学概论》课程讲授的教师的课件和教材为基础编写而成，由丁明跃主编，参编人员包括刘笔锋、赵元弟、宁康、刘欣、薛宇、肖鹏、尉迟明、马军、陈威等。希望为今后选修《生物医学工程与信息技术概论》的学生提供与课程配套的教材，并为从事生物医学工程等相关专业的本科生、研究生提供可供参考的教科书。 由于编写过程较为仓促，加之水平的限制，可能书中难免存在不足指出，敬请读者批评指正。

本教材为普通高等院校“十四五”规划生物医学工程专业特色教材。 本教材共分为10章，内容包括生物医学工程简介、生物信息学概论、生物医学传感器、面向系统生物医学的下一代测量技术、生物大数据的统计分析与深度学习、生物材料与组织工程、医学超声与超声断层成像、三维超声成像与应用、正电子发射断层成像和质谱成像方法。 本教材可作为“生物医学工程概论”课程的配套教材，也可作为生物医学工程等相关专业的本科生、研究生的教科书。

丁明跃，男，博士，华中科技大学生物医学工程系主任、教授，博士生导师，图像信息处理与智能控制重点实验室副主任，华中科技大学-迪正雅合医学影像联合实验室主任，兼任IEEE高级会员，SPIE会员，中国生物医学工程学会高级会员，《电子学报》《宇航学报》编委，中国医疗器械技术创新联盟专家委员会委员，湖北省生物医学工程学会生物医学仪器专业委员会副主任委员，中国生物医药生物技术协会生物医学信息分会常务委员。承担完成国家自然科学基金，国家高技术863，国家*跨世纪优秀人才基金，*博士点专项基金，国防科工委基金，航天基金以及加拿大研究项目等四十余项，其中目前承担与本项目相关的课题八项。已编辑出版英文论文集、中英文专著(章节)八部，在国内外权威期刊以及国际会议上发表论文300余篇。

本书不仅是生物医学工程和生物信息专业难得的一部好教材，而且对于生物学、医学和其他工程专业的学生也是一本很有价值的参考书。此外，它对于致力于生物医学工程技术工作和管理工作的从业人员也是一本值得常备的工具书。

章 生物医学工程简介 1

1.1什么是生物医学工程？ 1

1.2为什么要开设生物医学工程概论课程？ 3

1.3国际生物医学工程发展概况 8

1.4国内生物医学工程发展现状 9

1.5 我国医疗器械产业发展现状 10

1.6生物医学工程领域主要研究方向 14

1.6.1医学影像 14

1.6.2 生物材料及其制品 18

1.6.3 组织工程 20

1.6.4 生物力学 23

1.6.5 生理信号无创检测——数字化机体(个体化)功能状态动态连续监测系统 24

1.7 生物医学工程未来的主要发展领域 26

1.7.1 生物阻抗成像 27

1.7.2 激光生物医学 30

1.7.3 生物传感器 32

1.7.4 微电机系统-微米、纳米技术 36

1.7.5 介入诊疗技术 39

1.7.6 医用机器人技术 41

1.7.7 医学人工智能技术 47

1.8 本章小结 55

思考题 55

参考文献 56

第二章 生物信息学概论 58

2.1 生物信息学的定义 58

2.2 生物信息学的发展历程 61

2.3 中国生物信息学发展的历程 67

2.4 生物信息学的研究内容及一般研究方法 70

2.5 如何成为生物信息学家？ 73

2.6 生物信息学的发展现状、前景和挑战 76

思考题 80

参考文献 81

第三章 生物医学传感器 84

3.1 简介 84

3.1.1 传感器分类 85

3.1.2 传感器的封装 86

3.1.3 传感器特性 86

3.2 生物电位测量 96

3.2.1 电解质/金属电极界面 97

3.2.2 心电电极 98

3.2.3 肌电电极 99

3.2.4 脑电电极 99

3.2.5 微电极 100

3.3 物理指标测量 101

3.3.1 位移传感器 101

3.3.2 气流传感器 109

3.3.3 温度检测 109

3.4 血液气体传感器 113

3.4.1 氧气测量 113

3.4.2 pH电极 117

3.4.3 二氧化碳传感器 118

3.5 生物传感器 118

3.5.1 电化学葡萄糖传感器 119

3.5.2 电化学乳酸传感器 122

3.6 光学传感器 122

3.6.1 光纤 122

3.6.2 光纤pO2传感器 123

3.6.3 光纤pH传感器 124

3.6.4 光纤pCO2传感器 125

3.6.5光纤压力传感器 125

3.6.6光纤温度传感器 126

3.6.7光纤免疫荧光传感器 126

3.7 本章小结 127

思考题： 127

参考文献： 128

第四章 面向系统生物医学的下一代测量技术 129

4.1背景 129

4.2系统生物学与系统生物医学 129

4.3下一代测量技术 129

4.4 组学分析技术 129

4.5 展望 129

第五章 生物大数据的统计分析与深度学习 130

5.1生物统计学基础 130

5.2传统生物统计学及其应用 131

5.2.1生物统计量的计算和表征及其应用 131

5.2.2生物数据的中常见的几种分布及其应用 132

5.2.3生物数据的分组和比较及其应用 136

5.2.4针对生物数据的假设检验及其应用 136

5.2.5 假设检验 136

5.3生物大数据与概率统计模型 138

5.3.1 Hidden Markov Model (HMM)及其应用 139

5.3.2 进化树的概率模型 142

5.3.3 Motif finding中的概率模型 145

5.3.4 基因表达数据分析 147

5.3.5 基因网络推断与分析 148

5.3.6 Dimension reduction及其应用 149

5.4 面向生物大数据挖掘的深度学习 151

5.4.1 深度学习方法的类型 152

5.4.2 深度学习 153

5.4.3 深度学习应用于生物大数据分析 155

5.5本章小结 157

思考题 157

参考文献 159

第六章 生物材料与组织工程 161

6.1基本概念 161

6.1.1生物材料及其衍生医疗器械产品 161

6.1.2组织工程的出现及其发展 164

6.2 典型生物材料产品 165

6.2.1 心血管类 165

6.2.2 骨科及外科 167

6.2.3 齿科 170

6.2.4 眼科 171

6.2.5 其他 171

6.3 如何研发生物材料产品 172

6.3.1从实验室到临床应用的路径 172

6.3.2生物材料产品的伦理学问题 174

6.4 新型生物材料及相关技术 174

6.4.1 3D生物打印 174

6.4.2 介入治疗与生物材料 175

6.4.3 组织工程与再生医学 175

思考题 177

参考文献 177

第七章 医学超声与超声断层成像 178

7.1医学超声成像 178

7.1.1医学超声简介 178

7.1.2现代超声成像技术 179

7.2 超声断层成像现状 179

7.2.1什么是超声断层成像 179

7.2.2国际发展现状 181

7.2.3国内发展现状 185

7.3超声断层成像重建方法 187

7.3.1反射成像 187

7.3.2声速、衰减成像 189

参考文献 191

第八章 三维超声成像与应用 194

8.1 什么是三维超声？ 194

8.1.1 二维超声存在的问题 194

8.1.2 什么是三维超声成像技术？ 194

8.2 三维超声的发展历史 195

8.3 三维超声成像技术的分类 196

8.3.1 基于机械扫描的三维超声成像 196

8.3.2 自由臂三维超声成像 201

8.3.3 基于三维探头的三维超声成像 204

8.4 三维超声重建误差分析 219

8.4.1 平行扫描重建误差分析 220

8.4.2 偏转扫描重建误差分析 222

8.5 三维超声图像显示 223

8.5.1 面绘制 224

8.5.2 多平面显示 224

8.5.3 体绘制（volume rendering） 226

8.5.4 立体显示（stereo view） 228

8.6 三维超声的临床应用 229

8.6.1 胎儿缺陷检测 229

8.6.2 心血管疾病的诊断与治疗 230

8.6.3 前列腺近放射治疗（prostate brachytherapy） 232

8.6.4 颈动脉粥样硬化分析91 238

8.6.5 基于三维超声穿刺活检术 242

8.7 本章小结 243

思考题 244

参考文献 245

第九章 正电子发射断层成像 255

9.1 基本概念 255

9.1.1 PET成像及应用意义 255

9.1.2 PET成像中的信息转化 255

9.2 PET成像关键环节 257

9.2.1 正电子到伽马光子 257

9.2.2 伽马光子到可见光 259

9.2.3 可见光到电 262

9.2.4 模拟到数字 263

9.2.5 数据到图像 265

9.3 全数字PET介绍 268

9.3.1 MVT采样方法 268

9.3.2 全数字PET探测器 268

9.3.3 全数字PET系统 269

第十章 质谱成像方法 271

10.1引言 271

10.2质谱成像的原理和方法 271

10.2.1 MADLI-MS质谱成像 272

10.2.2 SIMS质谱成像 275

10.2.3 DESI质谱成像 275

10.2.4 三种质谱成像方法比较 276

10.3 质谱成像技术的应用 277

10.3.1 MALDI质谱成像技术应用 277

10.3.2 SIMS在生物组织成像应用 282

10.3.3 DESI质谱成像应用研究 283

10.4 前景与展望 284

参考文献 285