Біомедична інженерія () — галузь науки і техніки, яка поєднує інженерно-технічні та медико-біологічні знання, засоби і методи для створення, вдосконалення і дослідження природних і штучних біологічних об'єктів та систем, техніки, матеріалів і виробів медичного призначення, технологій і технічних систем діагностики, лікування, реабілітації і профілактики захворювань людини, а також програмного забезпечення та інформаційних технологій для вирішення прикладних і фундаментальних проблем біології і медицини.

Історія

Історія біомедичної інженерії сягає стародавніх цивілізацій. Єгиптяни відомі своїми знаннями про медицину та людське тіло, використовували шини та бинти для лікування травм, а хірургічний інстрементарій стародавніх греків містив багато інструментів ще до часів Гіппократа. Однак біомедична інженерія як визначена галузь виникла в кінці 19-го та на початку 20-го століть, коли інженерні принципи почали систематично застосовуватися до медичних та біологічних проблем. Наприклад, розробка стетоскопа Рене Лаеннеком у 1816 році стала одним з перших поєднань інженерних та медичних наук в новітній науці.У першій половині 20-го століття відбулися значні події, які заклали основу для становлення біомедичної інженерії як окремої галузі. Ключові події включають розробку електрокардіографа (ЕКГ) Віллемом Ейнтговеном у 1903 році, який використовував електричні технології для вимірювання серцевої діяльності. До середини 20-го століття було введено термін «біомедична інженерія», і в університетах почали з’являтися перші спеціалізовані кафедри, зокрема в університеті Дюка та університеті Джона Гопкінса.

Період після Другої світової війни призвів до значного прогресу в біомедичній інженерії завдяки появі комп’ютерів та інших цифрових технологій. Успіхи цієї епохи включають розробку апарата штучного кровообігу Джоном Гібоном та Миколою Амосовим для кардіохірургічних операцій на відкритому серці в 1950-х роках і створення першого штучного клапана серця в 1960-х роках. Розвиток сканерів комп’ютерної томографії (КТ) і магнітно-резонансної томографії (МРТ) у 1970-х роках став значним кроком у технологіях медичної візуалізації.

Наприкінці 20-го та на початку 21-го століть біомедична інженерія розгалужилася на такі спеціальні галузі, як біоінформатика, біомеханіка, тканинна інженерія та інші. Завершення проекту «Геном людини» що досліджував весь геном людини у 2003 році започаткувало нову еру персоналізованої медицини та біоінформатики, у якій величезні обсяги біологічних даних можна аналізувати для розробки індивідуальних стратегій лікування.

На початку 2020-х біомедична інженерія продовжує бути галуззю, що швидко розвивається, завдяки прогресу в таких сферах, як нанотехнології, дослідження стовбурових клітин і штучний інтелект. Такі інновації, як носимі технології та телемедицина, змінюють догляд за пацієнтами, тоді як нові розробки тканинної інженерії та регенеративної медицини обіцяють прорив у лікуванні хвороб, які колись вважалися невиліковними. Біомедична інженерія продовжує стимулювати інновації та досліджувати перспективні технології та їх застосування в охороні здоров’я та медицині.

Принципи та методи

Основні біологічні принципи Розуміння основних біологічних принципів є основою для біомедичних інженерів. Це включає розуміння клітинної структури, клітинних функцій і складних клітинних взаємодій, які складають основу життя. Такі теми, як структура та функція білка, ДНК та РНК (їх структури, ролі, реплікація, транскрипція та трансляція), клітинний метаболізм та клітинні сигнальні шляхи важливі для біомедичної інженерії, особливо в сферах клітинної, тканнинної, органної, нейро та інших біомедичних інженерій. Вони дають необхідне розуміння для ефективної взаємодії між інженерією та біологією.

Біомеханіка Біомеханіка — це застосування механічних принципів до біологічних систем. Це важливо для розуміння фізичної взаємодії між тілом людини та медичними пристроями, а також допомагає в розробці таких пристроїв. Біомеханіка також досліджує такі принципи, як статика та динаміка, механіка рідини, взаємозв’язок напруги та деформації в біологічних тканинах, механічна поведінка біологічних матеріалів, а також кінематика та кінетика руху тіла. Застосування цих принципів допомагає біомедичним інженерам розробляти кращі протези, хірургічні інструменти та інші медичні пристрої.

Біоматеріали Біоматеріали — це речовини, створені для взаємодії з біологічними системами з медичною метою. Теми в цьому розділі охоплюють типи біоматеріалів, включаючи метали, кераміку, полімери та композити, їхні фізичні та хімічні властивості, їх взаємодію з біологічними системами, а також їх поточне та потенційне майбутнє використання в різних медичних сферах застосувань. Знання в цій галузі є важливими для проектування медичних пристроїв, тканинної інженерії, систем доставки ліків та багатьох інших аспектів біомедичної інженерії.

Біомедичні матеріали — це матеріали, які виготовляються або обробляються, щоб бути придатними для використання як медичні пристрої (або їх компоненти), і які зазвичай призначені для тривалого контакту з біологічними матеріалами. Прикладами біомедичних матеріалів є протези, відновлені тканини та внутрішньовенні катетери.

Нанобіоматеріали — наноматеріали, що використовуються у біомедичній інженерії, зокрема, для лікування раку, для ортопедичних замін суглобів, для медичної діагностики, для виготовлення кісткових пластин, для загоєння ран, для регенерації нервів, для грудних імплантатів, у стоматологічних процедурах тощо.

Біологічна сумісність Одним із фундаментальних принципів біомедичної інженерії є біосумісність. Біосумісність відноситься до здатності матеріалу співпрацювати з відповідною реакцією господаря в конкретній ситуації. Ця концепція має вирішальне значення для успішного застосування медичних імплантатів, пристроїв або будь-якого матеріалу, призначеного для взаємодії з тілом. Теми включатимуть критерії біосумісності, токсичності, реакції організму на сторонні речовини та методи оцінки біосумісності. Глибоке розуміння цього принципу дозволяє інженерам створювати медичні пристрої та матеріали, придатні для тривалого використання в організмі людини.

Біологічні сигнали та сенсори Біологічні сигнали, такі як, наприклад, електричні імпульси, що генеруються серцем (ЕКГ), мозком (ЕЕГ) і м’язами (ЕМГ), є ключовими елементами багатьох діагностичних і терапевтичних застосувань. Вимірювання та запис біологічних сигналів за допомогою різних типів датчиків, а також їх подальший аналіз та інтерпретація є важливими для медичної діагностики, моніторингу, профілактики та лікування. Ці знання мають вирішальне значення для розробки пристроїв, які досліджують здоров’я пацієнтів, діагностують захворювання та направляють лікування.

Візуалізація

Технології біомедичної візуалізації, такі як КТ, МРТ, ультразвук та інші, зробили революцію в медицині, дозволивши неінвазивно візуалізувати внутрішні структури та процеси тіла. Біомедична інженерія досліджує фізику та принципи, що лежать в основі цих модальностей зображення, а також методи отримання, реконструкції, обробки та аналізу зображень. Розуміння цих принципів може допомогти в розробці та оптимізації нових технологій і протоколів візуалізації.

Медичний інструментарій Біомедична інженерія передбачає застосування електроніки та методів вимірювання для розробки пристроїв, які використовуються як для власне досліджень в біомедичній інженерії, так і проектуються прилади для діагностики та лікування захворювань в медицині. БІомедичниа інженерія включає в себе принципи теорії електричних ланцюгів, сенсорної технології та обробки сигналів у контексті проектування та використання медичних пристроїв, систем моніторингу пацієнтів та багато інших медичних технологій.

Тканинна інженерія Тканинна інженерія — це біомедична інженерна дисципліна, яка використовує комбінацію клітин, інженерії, матеріалознавства і відповідних біохімічних і фізико-хімічних факторів для відновлення, підтримки, покращення або заміни різних типів біологічних тканин та органів, і є, також, частиною регенеративної медицини. Генетична інженерія Генетична інженерія передбачає маніпуляції з ДНК організму для досягнення бажаних ознак. У контексті біомедичної інженерії методи генної інженерії використовуються для створення генетично модифікованих клітин або організмів для виробництва терапевтичних білків, генотерапії або вивчення захворювань, для створення нових біоматеріалів, а також для проектування та дослідження систем редагуваня геному для молекулярної медицини. Біомедична інженерія розглядає основні принципи та методи генної інженерії, включаючи клонування ДНК, ПЛР, синтетичну геноміку, методи редагування генів (такі як CRISPR-Cas9), трансгенні організми тощо.

Системна біологія та обчислювальна біологія Системна біологія — це вивчення систем біологічних компонентів, якими можуть бути молекули, клітини, організми або цілі види.

Обчислювальна біологія та біоінформатика використовують аналіз даних і теоретичні методи, математичне моделювання та методи обчислювального моделювання для вивчення біологічних, поведінкових і соціальних систем. Біомедична інженерія досліджує як ці принципи можна використовувати для аналізу складних біологічних систем і прогнозування їх поведінки, що є вирішальним для розуміння механізмів захворювання та розробки нових методів лікування.

Спеціалізації та напрямки

Біомеханіка

Біомеханіка — це розділ біомедичної інженерії, який застосовує принципи механіки для розуміння та відтворення біологічних систем і структур організму. Це міждисциплінарна галузь, яка поєднує концепції інженерії, фізики та біології для вивчення сил, які діють на людське тіло та в людському тілі. У контексті біомедичної інженерії до біомеханіки відносяться:

Статична та динамічна біомеханіка: ця галузь вивчає, як сили діють на тіло людини під час руху (динаміка) і в стані спокою (статика). Така біомеханіка передбачає застосування законів руху Ньютона для аналізу рухів тіла, м’язової активності та навантажень на суглоби, і широко використовується при розробці ортопедичних імплантатів, протезів та ортезів. Клітинна та молекулярна біомеханіка: ця область фокусується на механічній поведінці клітин і молекул. Це має значні наслідки для розуміння захворювань на клітинному та молекулярному рівнях та розробки цільових методів лікування, включно з доставкою ліків, що досліджує наномедицина. Біомеханіка тканин: у цій галузі досліджуються механічні властивості м’яких і твердих тканин, включаючи серце, кровоносні судини, хрящі, кістки та шкіру. Знання в цій галузі є вирішальними для розробки медичних пристроїв, тканинної інженерії та розуміння хвороб, пов’язаних із тканинами. Біомеханіка рідин (біофлюїдна механіка): Ця галузь вивчає поведінку біологічних рідин, таких як потік крові та повітря в організмі. Це має вирішальне значення для розуміння, профілактики, лікування та реабілітації при патологічних станах, пов’язаних із кровообігом і диханням, і є ключовим у розробці таких пристроїв, як серцеві насоси та апарат штучної вентиляції легень. Ортопедична біомеханіка: ця спеціалізація розглядає механіку кісток, суглобів і м’язів. Ортопедична біомеханіка відіграє важливу роль у розробці та оцінці ортопедичних пристроїв, таких як штучні суглоби, кісткові гвинти та пластини, а також у розумінні та лікуванні таких захворювань, як остеопороз і артрит.

Біоматеріали Біоматеріали — розробка та вдосконалення, природних, штучних і комбінованих речовин, які використовуються в медичних пристроях, або контактують і взаємодіють з живою тканиною як імплантати і не тільки. (Див. також Біополімери, Біосенсор, Наносенсор, Зелені нанотехнології, Біомолекулярна електроніка, ДНК-комп'ютер)