一.生物醫(yī)學工程的定義

生物醫(yī)學工程(Bio毗dieazEngineering)學是一門年輕的新學科，從技術角度肴，生物醫(yī)學工程技術其形成與發(fā)展的模式墓本上可歸納為:通過工程技術手段把物理、化學以及技術科學中新的技術、原理、方法應用于研制醫(yī)療裝!、滿足臨床診治的需要，隨著科學技術進步、新的物理、化學方法和工程技術不斷被應用于醫(yī)學，醫(yī)用產(chǎn)品越來越多.在工程學(含電子技術、計算機技術、信.息技術、材料科學)突飛猛進地發(fā)展的同時，生命科學也在迅猛發(fā)展，近年來迅速興起的生物技術對給生物醫(yī)學以極大的推動，將產(chǎn)生分子醫(yī)學.因此我們對理工學科與生命科學交叉結合而產(chǎn)生的生物醫(yī)學工程學必須有新的認識.美國學者指出，新的生物醫(yī)學工程定義是:“生物工程學結合物理學、化學或數(shù)學和工程學原理，從事生物學、醫(yī)學、行為學或衛(wèi)生學的研究;提出基本概念，產(chǎn)生從分子水平到器官水平的知識，誘發(fā)創(chuàng)新的生物學制品、材料、加工方法、植入物、器械和信息學方法，用于疾病預防、診斷和治療，病人康復，改菩衛(wèi)生狀況等目的”.因此，我們必須考慮到科學技術的進步給生物醫(yī)學工程學帶來的影響:不僅是工程學與生命科學、醫(yī)學的交叉結合，也包括所有其他學科和生命科學、醫(yī)學的交叉結合;不僅是工程技術的相應理論方法與生物醫(yī)學中人體結構功能的交叉結合，而且要考慮工程技術的相應理論方法與生物技術的交叉結合.因此，我們引用根據(jù)美國國立衛(wèi)生研究院有關名詞命名專家組最近對生物醫(yī)學工程學的定義:焦生物醫(yī)學工程學是結合物理學、化學、數(shù)學和計算機科學與工程學厚理，從事生物學、醫(yī)學、行為學或衛(wèi)生學的研究;提出墓本概念，產(chǎn)生從分子水平到導官水平的知識，開發(fā)創(chuàng)新的生物學制品、材料、加工方法、植入物、導械和信，’.學方法，用于疾病預防、診斷和治療，病人康復，改善衛(wèi)生狀況等目的.”

二.生物醫(yī)學工程學科類型

生物醫(yī)學工程學是理、工學科和生物醫(yī)學相結合而發(fā)展起來的交叉邊緣學科，涉及的領域十分廣泛，與其他諸如材料、信息、電子技術、計算機科學關系密切，并在不斷發(fā)展之中.根據(jù)學科具體內容可以分為:因為生物醫(yī)學工程學科具有其他學科所沒有的特點，我國僅設一級學科不設二級學科.

1.信息技術型生物醫(yī)學工程(InformationTeehno一osyBiomediealEngsneering:IT一明E.)其知識體系的組成特點是以電子技術、計算機技術、信.息處理技術的知識為主線，以生物醫(yī)學方面相應的領域為交叉、結合對象，對其中的問題進行研究.

2.材料技術型生物醫(yī)學x程伽aterialTeehnologyBiomedicalEngineering:盯一翎E)其知識體系包含材料科學、生物技術、力學、化學、生物化學、信息和計算機技術、醫(yī)學和生命科學的墓本知識，主要研究對象是生物材料和人工器官，包含新近發(fā)展起來的組織工程.

生物醫(yī)學工程(BiomedicalEngineering,BME)是一門生物、醫(yī)學和工程多學

科交叉的邊緣科學，它是用現(xiàn)代科學技術的理論和方法，研究新材料、新技術、新

儀器設備，用于防病、治病、保護人民健康，提高醫(yī)學水平的一門新興學科。

生物醫(yī)學工程在國際上做為一個學科出現(xiàn)，始于20世紀50年代，特別是隨著宇

航技術的進步、人類實現(xiàn)了登月計劃以來，生物醫(yī)學工程有了快速的發(fā)展。在我

國，生物醫(yī)學工程做為一個專門學科起步于20世紀70年代，中國醫(yī)學科學院、中

生物醫(yī)學工程是綜合應用生命科學與工程科學的原理和方法，從工程學角度在分子、細胞、組織、器官乃至整個人體系統(tǒng)多層次認識人體的結構、功能和其他生命現(xiàn)象，研究用于防病、治病、人體功能輔助及衛(wèi)生保健的人工材料、制品、裝置和系統(tǒng)技術的總稱。生物醫(yī)學工程是當今生命科學與信息、材料、精密機械等學科交叉與高度綜合的產(chǎn)物，是將其它學科研究成果應用于臨床，將生命體與診斷、醫(yī)療、康復等裝置視為一個系統(tǒng)，并充分考慮其相互作用的一類知識高度密集的技術領域。生物醫(yī)學工程的發(fā)展不僅促進了醫(yī)學的現(xiàn)代化，而且形成了一個新的高技術產(chǎn)業(yè)領域——生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)，并與制藥業(yè)構成了現(xiàn)代醫(yī)療體系的兩大產(chǎn)業(yè)支柱。生物醫(yī)學工程的產(chǎn)業(yè)范圍包括：生物醫(yī)學材料制品、（生物）人工器官、醫(yī)學影像和診斷設備、醫(yī)學電子儀器和監(jiān)護裝置、現(xiàn)代醫(yī)學治療設備、醫(yī)學信息技術、康復工程技術和裝置、組織工程等。

隨著經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，人類改善生活和生存質量的要求不斷提高。為實現(xiàn)我國全面進入小康社會的戰(zhàn)略目標，生物醫(yī)學工程產(chǎn)品作為一類特殊商品，不僅是保證人民健康、提高民族素質、改善生活質量的重要保障，同時在國民經(jīng)濟發(fā)展中也占據(jù)著十分重要的地位。面對加入WT0后日趨激烈的國際競爭，盡快培育、壯大我國生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)，使其成為國民經(jīng)濟新的增長點，是我國高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要任務，也是我國新世紀經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要目標。為促進生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家計委決定組織實施生物醫(yī)學工程高技術產(chǎn)業(yè)化專項(以下簡稱專項)。

一、專項的工作思路與原則

發(fā)展生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)，必須以滿足我國衛(wèi)生保健事業(yè)發(fā)展需求為目的，以機制創(chuàng)新和技術創(chuàng)新為基礎，把握好技術發(fā)展方向，突出產(chǎn)業(yè)發(fā)展要素的合理配置，促進規(guī)模產(chǎn)業(yè)和大型企業(yè)的形成與發(fā)展，加快新型生物醫(yī)學工程產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，大幅度提高整體創(chuàng)新水平和競爭力。

(一)促進人才、技術、資本的有機結合，形成有利于我國生物醫(yī)學工程長遠發(fā)展的內在機制，擇優(yōu)支持、扶優(yōu)扶強，促進具有較強市場競爭能力的企業(yè)和企業(yè)集團的形成和快速發(fā)展。

(二)加速有重大需求和技術基礎的新型生物醫(yī)學工程產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程，特別是技術含量高、產(chǎn)品性能—價格比和療效—成本比優(yōu)良，有利于降低醫(yī)療費用、能滿足大多數(shù)人醫(yī)療保健服務需要的重要生物醫(yī)學工程產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。

生物醫(yī)學工程在國際上做為一個學科出現(xiàn)，始于20世紀50年代，特別是隨著宇航技術的進步、人類實現(xiàn)了登月計劃以來，生物醫(yī)學工程有了快速的發(fā)展。在我國，生物醫(yī)學工程做為一個專門學科起步于20世紀70年代，中國醫(yī)學科學院、中國協(xié)和醫(yī)科大學原院校長、我國著名的醫(yī)學家黃家駟院士是我國生物醫(yī)學工程學科最早的倡導者。1977年中國協(xié)和醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程專業(yè)的創(chuàng)建、1980年中國生物醫(yī)學工程學會的成立，有力地推進了我國生物醫(yī)學工程的發(fā)展。目前，我國許多高?？蒲袉挝痪O有生物醫(yī)學工程機構，從事著生物醫(yī)學的科研教學工作，在我國生物醫(yī)學工程科學事業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

顯微鏡的發(fā)明“解剖”一詞由希臘語“Anatomia”轉譯而來，其意思是用刀剖割，肉眼觀察研究人體結構。17世紀LeeWenhock發(fā)明了光學顯微鏡，推動了解剖學向微觀層次發(fā)展，使人們不但可以了解人體大體解剖的變化，而且可以進一步觀察研究其細胞形態(tài)結構的變化。隨著光學顯微鏡的出現(xiàn)，醫(yī)學領域相繼誕生了細胞學、組織學、細胞病理學，從而將醫(yī)學研究提高到細胞形態(tài)學水平。

普通光學顯微鏡的分辨能力只能達到微米(μm)級水平，難以分辨病毒及細胞的超微細結構、核結構、DNA等大分子結構。而20世紀60年代出現(xiàn)的電子顯微鏡，使人們能觀察到納米(nm)級的微小個體，研究細胞的超微結構。光學顯微鏡和電子顯微鏡的發(fā)明都是醫(yī)學工程研究的成果，它們對推動醫(yī)學的發(fā)展起了重要作用。

影像學診斷飛躍進步影像學診斷是20世紀醫(yī)學診斷最重要發(fā)展最快的領域之一。50年代X光透視和攝片是臨床最常用的影像學診斷方法，而今天由于X線CT技術的出現(xiàn)和應用，使影像學診斷水平發(fā)生了飛躍，從而極大地提高了臨床診斷水平。即計算機體斷層攝影(computedtomographyCT),即是利用計算機技術處理人體組織器官的切面顯像。X線CT片提供給醫(yī)生的信息量，遠遠大于普通X線照片觀察所得的信息。目前，螺旋CT(spiralCT或helicaletCT)已經(jīng)問世，能快速掃描和重建圖像，在臨床應用中取代了多數(shù)傳統(tǒng)的CT，提高了診斷準確率［1］。醫(yī)學工程研究利用生物組織中氫、磷等原子的核磁共振(nuclearmagneticresonance)原理。研制成功了核磁共振計算機斷層成像系統(tǒng)(MRI)，它不僅可分辨病理解剖結構形態(tài)的變化，還能做到早期識別組織生化功能變化的信息，顯示某些疾病在早期價段的改變，有利于臨床早期診斷。可以認為MRI工程的進步，促進了醫(yī)學診斷學向功能與形態(tài)相結合的方向發(fā)展，向超快速成像、準實時動態(tài)MRI、MRA、FMRI、MRS發(fā)展。根據(jù)核醫(yī)學示蹤，利用正電子發(fā)射核素(18F，11C，13N)的原理，創(chuàng)造的正電子發(fā)射體層攝影(PET)，是目前最先進的影像診斷技術。美國新聞媒體把PET列為十大醫(yī)學生物技術的榜首。PET問世不過30年歷史，但它已顯示出對腫瘤學、心臟病學、神經(jīng)病學、器官移植，新藥開發(fā)等研究領域的重要價值［2］。影像學診斷水平的不斷提高，與20世紀生物醫(yī)學工程技術的發(fā)展密切相關。

介入醫(yī)學問世介入醫(yī)學是一種微創(chuàng)傷的診療技術。Dotter和Judkin(1964年)是最早使用介入技術治療疾病的創(chuàng)始人，他們用導管對下肢動脈阻塞性病變進行擴張治療取得成功。1967年Margulis首先使用過介入放射學(InterventionalRadiology)，這是醫(yī)學文獻出現(xiàn)“介入”一詞的最早記載。1977年Gruenzing成功地進行了首例冠狀動脈球囊擴張術獲得成功以后，介入性診療技術由于其創(chuàng)傷小、患者痛苦少，安全有效而倍受臨床歡迎。20世紀80年代隨著生物醫(yī)學工程的發(fā)展，高精度計算機化影像診查儀器、數(shù)字減影血管造影(DSA)、射頻消融技術以及高分子(high-polymer)新材料制成的介入技術用的各種導管相繼問世，使介入性診療技術發(fā)生了飛速進步，臨床應用范圍不斷擴大，從心血管、腦血管、非血管管腔器官到某些惡性腫瘤等都具有使用介入診療的適應證，并使診療效果明顯提高，患者可減免許多大手術之苦。有人把介入診療技術視為與藥物診療、手術診療并列的臨床三大診療技術之一，也有人把介入診療技術稱之為20世紀發(fā)展起來的臨床醫(yī)學新領域--介入醫(yī)學［3，4］。

人工器官的應用當人體器官因病傷已不能用常規(guī)方法救治時，現(xiàn)代臨床醫(yī)療技術有可能使用一種人工制造的裝置來替代病損器官或補償其生理功能，人們稱這種裝置為人工器官(artificialorgan)。如20世紀50年代以前，風濕性心臟瓣膜病的治療，除了應用抗風濕藥物、強心藥物對癥治療外，對病損的瓣膜很難修復改善，不少患者因心功能衰竭死亡。而今天可以應用人工心肺機體外循環(huán)技術，在心臟停跳狀態(tài)下切開心臟，進行更換人工瓣膜或進行房、室間隔缺損的修補，使心臟瓣膜病、先天性心臟病患者恢復健康。心外科之所以能達到今天這樣的水平，主要是由于人工心肺機的問世和使用了人工心臟瓣膜、人工血管等新材料、新技術的結果［5］。

1生物醫(yī)學信號及其傳統(tǒng)的處理方法[1]

生物醫(yī)學信號處理是國內外近年來迅速發(fā)展的一個數(shù)字信號處理領域。在生物醫(yī)學研究中有各種各樣待提取和處理的信號。有由生理過程自發(fā)產(chǎn)生的主動信號,諸如心電(ECG)、腦電(EEG)、肌電(EMG)、眼電(EOG)、胃電(EGG)等電生理信號和體溫、血壓、脈搏、呼吸等非電生理信號,它們是對人體進行診斷、監(jiān)護和醫(yī)療的重要依據(jù)。還有由外界施加與人體,用以進行探測的被動信號,如超聲波、同位素、X射線等。這時,關于生理狀態(tài)的信息將通過被動信號的某些參數(shù)來攜帶。例如,用超聲波對人體進行探查時(不論回聲法或多普勒法),待測信息將通過回波信號的幅度、頻率或相位來表現(xiàn)。由于生命機理的復雜性,使生物系統(tǒng)[1]變得復雜。

因此,如何從這些信號中提取所需信息既是一個困難而且重要的課題,又是一個研究生命科學的有力工具。傳統(tǒng)生物醫(yī)學信號信息處理方法都是以傅立葉分析理論為基礎的,傅立葉分析理論的應用幾乎遍及所有的科學技術領域?；诟盗⑷~變換的信號處理技術得到廣泛應用并取得了大量科研成果和社會經(jīng)濟效益,因此無論怎樣強調傅立葉分析理論的重要性都不過分。然而事物總是一分為二的,科技工作者早已發(fā)現(xiàn)傅立葉分析理論的缺陷和不足之處。為了更好地說明問題,我們簡單地回顧一下傅立葉分析理論的基本概念。公式(1)傅立葉變換。F(ω)=∫∞-∞(t)e-jωtdt(t)=12π∫∞-∞F(ω)ejωtdt(1)傅立葉變換在信號頻譜分析方面以及與譜分析相關聯(lián)的信號檢測、濾波、數(shù)據(jù)壓縮等諸多信號處理領域起著似乎不可替代的作用。然而隨著科技的發(fā)展,傅立葉變換的弱點和缺陷越來越明顯。從(1)式不難看出,傅立葉變換的積分區(qū)間是從負無窮到正無窮,也就是說F(ω)所表示的是信號的總體譜,如果希望得到信號在某一段時間范圍內的頻譜含量,從(1)式是無法得到的。

1943年,J.Gabor提出用加窗口的方法來克服傅立葉變換的這一缺陷稱為Gabor變換如(2)式所示:F(ω,τ)=∫∞-∞(t)g(t-τ)e-jωtdt(2)其中g(•)是一窗口函數(shù),用來提取以τ為中心的信號的某一時間段進行傅立葉分析,該方法隨后發(fā)展成為短時傅立葉變換理論(ShotTimeFourierTransform,簡稱STFT)。在一定程度上,Gabor變換能克服傳統(tǒng)傅立葉分析的一些弱點,但沒有根本地解決問題。因為窗口g(•)的寬度在處理過程中是固定不變的,這對于分析不同頻率的瞬態(tài)信號而言是不利的。因為對低頻瞬態(tài)信號而言,窗口寬度較之高頻瞬態(tài)信號要寬。也就是說窗口寬度要隨頻率而改變。窗口形狀、大小不隨頻率而變是Gabor變換的一個嚴重的缺點。此外,在數(shù)值計算時,必須將連續(xù)依賴于參數(shù)的變換離散化。熟知,將Fourier變換離散化后即得按正交函數(shù)展開的Fourier級數(shù),這在理論上或數(shù)值計算中都是非常重要的。但是,對Gabor變換可以證明怎樣離散化,均不可能使它成為一組正交基。由于Gabor變換的種種較嚴重的缺陷,使得它未能得到廣泛的應用與進一步發(fā)展。

2小波變換———一個新的信息處理工具[2—4]

2•1小波變換的定義