生物医学工程学正在源源不断地将其他学科的先进科研成果快速引入到生物医学领域，并转化为先进的医学研究手段，更为精准和有效的临床诊疗方法，以及更为呵护周到的康复技术，有力推动着现代生物医学的发展。
　　《生物医学工程学（第二版）》在生物医学工程学科的知识体系框架下，扼要讲解生物医学工程学科若干分支学科的基本概念，结合研究和应用实例介绍其医学应用原理，主要包括生物材料的分类与医学应用概述、生物材料的力学特性、生物材料的宿主反应、植入物与假体、人工器官、组织工程与再生医学、药物递送系统、生物医学传感和纳米生物医学检测、电子医学、力学生物学和生物医学光学、医学图像及分子影像、生物医学信息学、医学大数据与智慧医学等内容。

第1章 绪论
　　1.1 什么是生物医学工程
　　生物医学工程学是将工程技术应用于人类健康的科学。人类健康是全方位多面性的，因此，生物医学工程是集成了物理学、化学、数学和计算科学以及工程原理来研究生物、医学、行为以及健康的学科，是生命科学与信息、材料、精密机械等学科交叉与高度综合的产物。换言之，生物医学工程是综合应用生命科学与工程科学的原理和方法，从工程学角度在分子、细胞、组织、器官乃至整个人体系统多层次认识人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统技术的总称。生物医学工程学不仅是基础医学研究与临床医学应用中间的桥梁，也是医学研究的重要组成和综合实力的体现。
　　生物医学工程的兴起和发展历程是不断将其他学科的科研成果融合并引入到医学领域的过程。例如，随着临床上对治疗和监测技术需求的增加，电气工程和物理学的原理与技术被引入医学领域，基于先进的光、电、磁技术发展出一系列仪器设备(例如心电图、脑电图、血氧检测、磁共振成像、CT成像、电刺激技术等)；材料学和力学的发展为人工器官和植入材料提供了重要的物质和理论基础；新药的研发对化学、材料学、应用数学提出了更高的要求，而这些学科的发展又反过来加速了新药的研发；细胞和分子生物学的发展与生物材料和力学相结合，为实现体外构建活组织和器官，或原位引导缺损组织的再生和修复提供了强有力的技术支撑。
　　1.2 生物医学工程学对现代医学的推动作用
　　现代医学实际上开始于20世纪，在20世纪中期，基础科学(化学、物理、药学等)的进步对现代医学的发展产生了深远的影响，使健康医疗体系得到了飞跃式的发展。毋庸置疑，在过去的70年多年里，生物医学工程学科的兴起与快速发展在延长人类寿命和改善人类健康状况方面发挥了不可替代的重要作用。
　　工欲善其事，必先利其器。当人类通过新工具对自身的结构和功能获得更深入的了解后，就能够应用所获得的知识去创造和改进工具，修复和改善自身的功能。从这个角度来看，生物医学工程的发展历程就是连续和循环往复的发现与创造的过程。直至今日，生物医学工程仍然是保持着两个方面，一方面是分析和研究机体系统的运行规律，另一方面是发展新技术和新方法来研究和修复机体。
　　下面所列举的几个简要示例可大致勾勒出生物医学工程在以上两个方面的作用。
　　1903年，Willem Einthoven设计出**台心电图仪，能够检测心脏跳动中的电位变化，开启了心血管医学和电测量科技的新时代。X射线的发现和临床应用使医学开始面向检测和诊断。到了20世纪30年代，通过使用钡盐或各种各样的射线不透过材料，X射线几乎能使所有器官可视化。与此同时，制冷技术的出现使血库能够建立和完全发展起来。德林氏人工呼吸器在1927年制成，在1939年**次出色地完成了心肺搭桥。20世纪40年代，心导管插入术和血管造影术发展起来，用一个螺纹套管穿过手臂血管静脉插到心脏并注射不透X射线的染料，通过X射线造影实现了肺和心脏的血管瓣膜可视化，使精确诊断先天性和获得性心脏疾病成为可能，从此开启了一个新的心血管手术领域。
　　在21世纪的**个十年，机器人手术的发展使得现代手术有了更大的可能性。神经外科手术，包括周围神经和中心神经及血管手术，以及骨科手术中高难度区域的操作在新技术的帮助下有了显著的提高。20世纪50年代进入医学领域的电子显微镜为观察细胞的精细结构提供了强有力的手段；而利用正电子发射断层造影术(PET)来检测和监测肿瘤的发展，把医学带入了原子时代。第二次世界大战之后，为军事目的而发展的先进科技使现代医学受益匪浅。例如，为追踪敌军舰艇和飞机的电子科技，以及给飞行员提供关于高度、飞行速度以及其他一些类似信息的技术已广泛应用于医学，用于跟踪中枢神经系统的电生理行为或监控患者的心跳。第二次世界大战造成的伤残对康复工程和假肢产生了大量的需求。20世纪70年代以来，计算机断层扫描成像(CT)、磁共振成像(MRI)等新的医学成像科技的发展使医生能够对脑部的血流和氧消耗进行测量，从而研究神经元活跃区域。随着1954年人工肾的成功研发，“人工器官”的概念被接受并且逐渐进入主流医学，植入性假体如人工心脏瓣膜和人工血管也随之快速发展起来，人工心脏的研发也随之开始。近年来，纳米科技和人工智能等新兴学科的快速发展为医学领域带来了更加多样和前沿的新技术，极大地推动了现代医学的发展。
　　1.3 生物医学工程的主要分支学科
　　CRC出版社2015年出版的《生物医学工程：基础篇》第4版的目录列出了以下内容[1]，可以从中对生物医学工程的主要分支学科有大致的了解。
　　生物材料(biomaterials)
　　分子、细胞和组织工程(molecular， cell， and tissue engineering)
　　药物设计和递送系统(drug design and delivery system)
　　再生医学和细胞治疗(regenerative medicine and cell therapy)
　　个体化医疗、基因组和蛋白质组学(personalized medicine， genomics， and
　　proteomics)
　　仿生学(biomimics)
　　微纳米技术及生物微流控技术(micro and nanotechnology and bioMEMs)
　　植入假体和人工器官(prosthetic devices and artificial organs)
　　远程医疗和电子健康(telimedicine and e-health)
　　临床工程(clinical engineering)
　　医学和生物信息学(medical and bioinformatics)
　　生物技术(biotechnology)
　　医学和生物分析(medical and biological analysis)
　　医疗机器人(medical robotics)
　　医学和红外成像(medical and infrared imaging)
　　神经工程(neural engineering)
　　医学仪器和器件(biomedical instrumentation and devices)
　　生物信号与生物传感(biosignals and biosensors)
　　生物电子和生理系统仿真(bioelectric and physiologic systems modeling)
　　生物力学(biomechanics)
　　康复工程(rehabilitation engineering)
　　人体行为工程(human performance engineering)
　　这些分支学科构成了生机勃勃的生物医学工程“世界”，其蓬勃发展为现代医学提供着源源不断的新的治疗技术与方法。
　　1.4 生物医学工程的临床应用案例
　　生物医学工程与医学的融合已经为疾病的诊断和治疗带来了全新的方法和手段，为现代医学带来了革命性的变化。国际知名奖项之一拉斯克医学奖中生物医学工程相关的重要成就从一个侧面反映了生物医学工程对医学进步的巨大推动作用。以下举例说明。
　　1.电子显微镜(1960年)
　　现代电子显微镜使人看到了光学显微镜无法看到的物体，把人类的视觉范围扩大了几百倍，揭示了以前肉眼看不到和认为根本不存在的结构，极大地激发了人们解析生物材料精细结构的兴趣，证明了在以往不可见的尺度下存在着有序结构。柏林工业大学的Ernst Ruska博士和David Sarnoff研究中心(RCA实验室)的James Hillier博士因其对电子显微镜的设计、制造、发展和完善所作出的重大贡献获1960年拉斯克基础医学研究奖。
　　2.聚酯人工动脉血管(1963年)
　　贝尔大学医学院的Michael E.DeBakey博士获得了1963年的拉斯克临床医学研究奖。DeBakey博士被公认为现代心血管外科之父。他早期的成就之一是设计了一种对血液成分产生*小损伤的滚筒式泵，这项发明十年后被应用于人工心肺设备。DeBakey博士还开发了通过植入物来修复血管的方法，即使用由聚酯或其他合成高分子材料制成的人造血管，通过外科手术完成了身体许多部位的血管置换。作为一名医生，他的开创性贡献还包括**次成功地实现了用手术方法治疗主动脉不同部位的动脉瘤。DeBakey博士在科学研究的基础上，运用近乎大胆的外科手术为治疗甚至预防包括中风在内的血管疾病开辟了新的途径。人工血管技术挽救了大量的生命，并使患者的器官重新获得了正常功能。他的贡献激励了全世界的外科医生追求更高的标准和更大的成就。
　　3.细胞器电子显微术(1966年)
　　洛克菲勒大学的George E.Palade博士因其在细胞器电子显微术方面的突出成就获得了1966年拉斯克基础医学研究奖。Palade博士和他的同事自20世纪50年代初开始探索各种类型细胞的超微结构，并开发了一系列方法在分子水平上将细胞结构与其生物化学活性联系起来，在超微结构水平上整合了结构与功能的关系。Palade博士应用电子显微技术在分子水平上研究细胞过程的本质，其主要贡献包括开发了固定细胞的技术，*先描述并命名了线粒体的精细结构，展示了微粒体的组织和结构，并从中区分出核糖体及核糖体构成的胞浆颗粒，他还分析了毛细血管的复杂结构，包括肾小球及其他超微解剖结构。
　　4.体外循环手术用心肺机(1968年)
　　杰弗逊医学院的John H.Gibbon Jr.博士毕生致力于心脏和血管外科的改进，因其在体外循环手术用心肺机方面的贡献获1968年拉斯克临床医学研究奖。Gibbon博士在1935年通过动物实验*次证明了生命可以由体外的机器维持，该机器执行心脏和肺的所有功能，且不会对实验动物造成损害。经过18年漫长的工程试验和动物实验，Gibbon博士对初始设备做了进一步完善，1953年5月使用心肺机进行了世界上**次成功的体外循环手术，纠正了心室间隔膜的闭合缺陷。此后，心肺机在全世界获得了广泛应用，无数原本会因为以前无法治愈的心脏病而丧失能力或死亡的患者获得了更长的寿命。如果没有Gibbon博士的专注研究，就不可能进行心脏移植手术。Gibbon博士的故事表明，从一个研究项目中获得的新知识和新技术可以引发连锁反应，*终使疾病得以预防或有效治疗。
　　5.心脏除颤器和起搏器(1973年)
　　约翰？霍普金斯大学的William B.Kouwenhoven博士和哈佛大学医学院贝斯以色列医院的Paul M.Zoll因在心脏除颤器和起搏器方面的成就共同获得了1973年拉斯克临床医学研究奖。
　　Kouwenhoven博士在心脏病救护方面作出了三个里程碑式的贡献：证实了电击可以逆转心脏的心室颤动，开发了开胸和闭胸除颤器，发明了胸外心脏按压技术。Kouwenhoven博士对心血管生理学的兴趣始于1928年，当时他专注于电流对心脏影响的实验研究。1933年，他和同事一起证实了电击可以使颤动的心脏恢复正常跳动的原理。1958年，在从电气工程领域退休4年之后，他对自己*立开发的胸腔闭式除颤器进行了完善，并设计了一种简单的胸外心脏按压技术。Zoll博士在1952年*次证明，当人类心脏停止跳动时，可以通过外部施加的电刺激来诱导其恢复跳动。Zoll博士后来的研究表明，外部施加的交变电流反冲击在停止心室颤动方面也同样有效，而且还能纠正许多其他严重的、潜在致命的节律异常。此外，Zoll博士发展了心律连续监测的理论和技术，并*次将这种方法应用于临床。现在设备完善的医院都有的冠心病监护病房(CCU)就是在这一救生理念基础上发展起来的。Zoll博士发明的心脏起

目录
第二版前言
**版前言
第1章 绪论 1
1.1 什么是生物医学工程 1
1.2 生物医学工程学对现代医学的推动作用 1
1.3 生物医学工程的主要分支学科 2
1.4 生物医学工程的临床应用案例 3
1.5 生物医学工程教育 9
1.6 本书的框架结构和主要内容 9
参考文献 10
第2章 生物材料 11
2.1 生物材料的定义与演进 11
2.2 生物材料应用概述 12
2.3 生物材料的分类 15
2.4 各属性生物材料的特性 16
2.4.1 金属与合金类材料 16
2.4.2 高分子材料 17
2.4.3 陶瓷和碳素材料 18
2.4.4 复合材料 19
2.5 纳米生物材料 21
2.5.1 基础术语 21
2.5.2 为什么需要纳米生物材料 22
2.5.3 纳米颗粒的若干物理效应 23
2.5.4 纳米材料构建策略和常见种类 29
2.6 本章总结 30
参考文献 31
第3章 生物材料的力学特性 32
3.1 高分子材料的力学特性和重要指标 32
3.2 人体组织的力学性质 35
3.2.1 骨组织 36
3.2.2 软骨组织 37
3.2.3 骨骼肌 38
3.2.4 肌腱与韧带 39
3.2.5 血管 40
3.2.6 皮肤 42
3.3 生物组织与合成材料的力学性质对比 42
3.4 本章总结 44
参考文献 44
第4章 宿主对生物材料的反应 45
4.1 概述 45
4.2 血液与材料的相互作用 46
4.2.1 蛋白分子在材料表面的非特异性吸附 46
4.2.2 材料表面吸附的蛋白分子介导血液细胞的黏附和血栓形成 49
4.3 植入结缔组织的材料引发的宿主反应 52
4.3.1 概述 52
4.3.2 异物反应 53
4.3.3 组织植入物宿主反应的各个阶段 54
4.4 影响宿主反应的宿主自身因素 61
4.5 纳米生物材料的宿主反应(生物学特性) 62
4.5.1 蛋白质非特异性吸附与蛋白冠形成 62
4.5.2 跨越生物屏障与细胞内分布 63
4.5.3 纳米材料的共性异物反应——引起细胞内活性氧水平升高 64
4.5.4 纳米材料的类酶催化活性 66
4.6 生物相容性 68
4.6.1 定义 68
4.6.2 生物相容性的内涵 68
4.6.3 力学相容性与宿主反应的关系 69
4.6.4 生物相容性评价中的若干要点 71
4.6.5 纳米材料生物学效应评价/纳米毒理学 72
4.6.6 对生物材料和生物相容性的回顾和展望 75
4.7 本章总结 75
参考文献 76
第5章 植入性医疗器械 77
5.1 概述 77
5.2 以形状记忆材料为基础的管腔内支架 79
5.3 金属材料制作的植入式药物芯片 81
5.4 合成高分子材料制作的人工血管 83
5.4.1 概述 83
5.4.2 人工血管等血液接触性医疗器械的抗凝血和抗感染 85
5.5 神经引导导管 88
5.6 以聚丙烯酸酯类高分子材料为基础的眼科植入医疗器械 91
5.7 本章总结 91
参考文献 91
第6章 人工器官 93
6.1 定义和概述 93
6.2 人工肾 95
6.2.1 肾脏的功能 95
6.2.2 人工肾的基本构成和工作原理 97
6.2.3 人工肾的历史 99
6.2.4 透析膜材料及其研发进展 101
6.2.5 透析机的发展 105
6.2.6 血管通路的建立 105
6.2.7 对人工肾的总结与展望 106
6.3 体外循环支持系统 106
6.4 人工心脏和心室辅助循环装置 109
6.4.1 主动脉内气囊反搏技术 110
6.4.2 心室辅助循环装置 110
6.4.3 全人工心脏 111
6.5 本章总结 112
参考文献 113
第7章 组织工程与再生医学 114
7.1 基本概念 114
7.2 种子细胞 117
7.3 生物材料支架 119
7.4 生物材料支架的常用制备方法 121
7.4.1 高压静电纺丝法制备纳米纤维结构支架 121
7.4.2 水凝胶 125
7.5 生物反应器 127
7.5.1 机体内部的动态环境 127
7.5.2 动态培养条件的产生方法及其重要性 128
7.6 组织工程研究中多要素的综合应用举例 133
7.6.1 磁性纳米复合材料支架的运用 133
7.6.2 导电性复合材料支架的运用 136
7.6.3 全器官脱细胞支架 141
7.7 临床应用案例 143
7.8 本章总结 144
参考文献 144
第8章 药物递送系统 146
8.1 药物递送系统的基本概念 146
8.2 药物的体内过程与药物动力学 148
8.2.1 药物剂量与效应的关系 148
8.2.2 药物的体内过程 149
8.2.3 药物动力学的基本概念 149
8.3 药物递送系统的目的与作用 151
8.3.1 药物缓/控释概述 151
8.3.2 药物缓/控释的实现方式 153
8.3.3 增强药物的稳定性，延长代谢时间 160
8.3.4 改变药物亲疏水性及穿透生物屏障的能力 163
8.3.5 增强药物的靶向性 167
8.4 用于基因治疗的DDS 172
8.4.1 基因治疗技术及核酸药物 172
8.4.2 核酸药物的载体及其分类 174
8.4.3 阳离子型核酸载体及其转染机理 175
8.4.4 其他非病毒核酸载体 178
8.5 本章总结 179
参考文献 179
第9章 生物医学传感与检测 181
9.1 生物医学传感技术 181
9.1.1 生物医学传感器概述 181
9.1.2 各类传感器介绍 182
9.1.3 生物传感器的主要组成元件 185
9.2 生物医学信号 186
9.2.1 生物医学信号的种类 186
9.2.2 生物医学信号的特点 188
9.2.3 生物医学信号的检测原理 190
9.2.4 生物医学信号传感检测举例 192
9.2.5 生物医学传感器设计中需要考虑的因素 194
9.3 纳米生物传感技术 195
9.3.1 纳米生物传感技术的特点和优势 195
9.3.2 典型纳米生物传感检测系统 196
9.4 基于生物传感技术的生物医学检测系统与医学仪器 205
9.4.1 生物医学检测系统分类与特点 205
9.4.2 生物芯片系统及应用概述 207
9.4.3 微流控芯片 209
9.4.4 生物微机电系统 210
9.4.5 生物医学仪器简述 210
9.4.6 可穿戴设备 212
9.5 本章总结 213
参考文献 213
第10章 生物电子技术及电子医学 215
10.1 引言 215
10.2 生物电及电生理学基础 215
10.2.1 生物电现象 216
10.2.2 心电现象与心电图 217
10.2.3 脑电现象与脑电图 218
10.2.4 生物电现象的机理 219
10.2.5 细胞生物电测量技术 221
10.3 人体的电特性 222
10.3.1 生物组织的电特性 222
10.3.2 细胞膜的结构和电特性 223
10.3.3 生物组织的阻抗特性 224
10.3.4 人体的电阻抗特性 225
10.3.5 电阻抗测量的生物医学应用 226
10.4 电磁能/场的生物效应 228
10.4.1 电场对细胞的作用 228
10.4.2 电流对组织及生物体的效应 230
10.4.3 电磁场对生物分子的作用 231
10.5 电子医学 232
10.5.1 电刺激系统的基本构成 232
10.5.2 组织消融技术 233
10.5.3 心脏起搏及除颤 235
10.6 神经调节 237
10.6.1 侵入式神经调控技术 237
10.6.2 非侵入式神经调控技术 243
10.6.3 功能性电刺激 245
10.6.4 脑机接口概述 246
10.7 本章总结 248
参考文献 248
第11章 生物医学光学 251
11.1 生物医学光学简介 251
11.2 生物医学光学中的光源 251
11.3 光与组织的相互作用 253
11.3.1 组织的光吸收 254
11.3.2 组织的光散射 254
11.3.3 光与组织的相互作用的类型 255
11.4 生物组织的发光效应 257
11.5 生物医学光学应用 258
11.5.1 光学成像 258
11.5.2 光学治疗 260
11.5.3 光学操控 263
11.6 本章总结 265
参考文献 266
第12章 力学生物学 268
12.1 概述 268
12.2 力学生物学中的力学测量 270
12.3 机械力信号转导 272
12.4 发育以及生理活动中的力学生物学 276
12.5 力学生物学与疾病及其治疗应用 277
12.6 本章总结 281
参考文献 281
第13章 生物医学成像 284
13.1 概述 284
13.2 X射线和计算机断层扫描 285
13.2.1 传统的X射线成像 285
13.2.2 计算机断层扫描 286
13.3 磁共振成像 287
13.3.1 核磁共振现象 287
13.3.2 MRI仪器的基本原理 287
13.3.3 MRI的发展趋势 289
13.4 超声成像 290
13.4.1 超声图像的产生原理 290
13.4.2 多普勒超声成像 291
13.5 核医学 293
13.5.1 核医学成像的方法 293
13.5.2 核医学成像的临床应用 293
13.5.3 伽马相机的操作 295
13.6 医学影像在阿尔茨海默病中的应用 296
13.6.1 阿尔茨海默病及临床诊断现状 296
13.6.2 神经影像学在阿尔茨海默病临床诊断中的应用 297
参考文献 300
第14章 分子影像学基础与应用 301
14.1 分子影像学概念和发展简史 301
14.1.1 基本概念 301
14.1.2 发展简史 301
14.1.3 实现分子影像的基本要素 303
14.2 分子成像探针 304
14.2.1 分子成像探针的结构与组成 304
14.2.2 分子成像探针与靶标结合的生物学基础 306
14.2.3 分子成像探针的构建流程及主要方法 307
14.2.4 分子成像探针的体内成像基础 308
14.2.5 分子成像探针应具备的性能 311
14.3 增强成像信号 311
14.3.1 成像信号放大技术