Tổng quan

• Kỹ thuật Y sinh Biomedical Engineering là một lĩnh vực công nghệ liên ngành ứng dụng các nguyên lý và phương pháp kỹ thuật vật lý, cơ khí, điện tử, hóa học, công nghệ thông tin trong l

Chương 1

Mục tiêu:

• Định nghĩa Kỹ thuật Y sinh

• Giới thiệu về kỹ sư sinh học và kỹ sư y sinh

• Sơ lược về l ch sử phát triển ngành Kỹ thuật y sinh

• Một số định nghĩa, khái niệm ban đầu

• Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering) là một lĩnh vực

công nghệ liên ngành ứng dụng các nguyên lý và phương pháp kỹ thuật (vật lý, cơ khí, điện tử, hóa học, công nghệ thông tin) trong lĩnh vực y sinh học, đặc biệt trong y khoa Trong xu hướng phát triển hiện nay, lĩnh vực này không còn hiểu theo nghĩa hẹp là chỉ có thiết bị phục vụ chẩn đoán và điều trị, mà còn bao gồm các lĩnh vực về vật liệu sinh học, trí tuệ nhân tạo trong ứng dụng y sinh, quy trình

kỹ thuật hỗ trợ chẩn đoán điều trị …

• Với tác động phát triển của cơ điện tử, công nghệ vật liệu

và công nghệ thông tin trong những thập kỷ cuối thế kỷ

20, ngành Vật lý kỹ thuật Y sinh đã đạt được những thành tựu rực rỡ trên thế giới Đó cũng là nền tảng cho sự phát triển hệ thống đào tạo và nghiên cứu của chuyên ngành này ở hầu hết các nước có trình độ khoa học công nghệ tiên tiến, đặc biệt ở Mỹ, Canada, Nhật, Đức,

• Ở Việt nam, đi đôi với việc nền kinh tế đang phát triển và mức sống người dân được nâng cao, hệ thống y tế ngày càng được hiện đại hóa Chính điều đó xác định sự cần thiết phải đào tạo kịp thời một lớp các kỹ sư Vật lý kỹ thuật

Y sinh để hỗ trợ đội ngũ cán bộ y tế nhằm có thể chủ động thực hiện triệt để sự hiện đại hóa ngành y tế nói chung.

Các ngành khoa học về đời sống, y học, thú y

Kỹ sư sinh học

Những lĩnh vực kỹ thuật truyền thống

Kỹ sư sinh học (Bioengineer)

Một thuật ngữ bao trùm, thường hay đi kèm với kỹ thuật sinh học (biotech) hay công nghệ gen (genetic engineering)

Đôi khi nó được dùng như một thuật ngữ mặc định hơn là mang ý nghĩa đặc biệt (Y sinh học, cơ sinh học, điện sinh

Kỹ sư y sinh

Y học

Kỹ sư y sinh

Những lĩnh vực kỹ thuật truyền thống

Kỹ sư y sinh (Biomedical engineer)

Ứng dụng điện học, hóa học quang học, cơ học, và những

nguyên lý kỹ thuật khác để hiểu, chỉnh sửa hoặc điều khiển các hệ thống về sinh vật học

Phải có hiểu biết tốt các nền tảng về kỹ thuật cũng như giải

phẫu học, sinh lý học và y học

Các công cụ và hoạt động

của kỹ sư y sinh

n Mô hình hóa, mô phỏng, phân tích hệ thống

n Dò tìm, đo đạc, mô hình hóa các tín hiệu sinh lý

n Xử lý tín hiệu phục vụ cho chẩn đoán

n Sự phát triển của các qui trình điều trị, phục hồi và các

thiết bị

n Phát triển các thiết bị cho sự thay thế hoặc mở rộng các

chức năng của cơ thể

n Phân tích bằng máy t y t ính dữ liệu riêng của bệnh nhân để

đưa ra quyết định lâm sàng

n Ảnh y học

n Tạo ra các sản phẩm sinh học mới

Các nhiệm vụ của kỹ sư y sinh

n Nghiên cứu những vật liệu mới cho các cơ quan, mô, vật

cấy ghép… nhân tạo

n Phát triển các công cụ chẩn đoán mới

n Phát triển các mô hình tính về các chức năng và hệ thống

sinh lý

n Thiết kế các hệ thống ảnh, cảm biến, cơ quan, vật cấy ghép, công cụ

n Thiết kế các hệ thống điều khiển

n Nghiên cứu các chức năng thông thường và khác thường để phát triển các phương pháp điều trị mới

Phân loại kỹ sư y sinh

n Kỹ sư lâm sàng - người giải quyết vấn đề

n Kỹ sư chuyển giao công nghệ – doanh nhân công nghệ

n Kỹ sư nghiên cứu – người thiết kế, chế tạo thiết bị, ph , ph át

kiến những vấn đề mới trong kỹ thuật y sinh

Vai trò của kỹ sư y sinh

n Khi y học trở nên được tính nhiệm hơn trong kỹ thuật thì

nhu cầu về kỹ sư y sinh gia tăng

n Các bác sĩ (và các chuyên gia về y học) hiểu và diễn đạt vấn

đề theo một cách riêng, còn các kỹ sư được đào tạo theo

truyền thống lại hiểu và diễn đạt theo một cách khác nữa

Kỹ sư y sinh chính là cầu nối và thường đóng vai trò như

một người trung gian.

Mốc thời gian của các tiến bộ về

n 1714: hệ thống độ chia Fahrenheit được đề xuất dựa trên nhiệt độ

của con người

n 1733: Sự đo lường áp suất máu đầu tiên

n 1816: Ống nghe y học được phát minh

n 1818: Sự truyền máu thành công đầu tiên

n 1851: Kính soi đáy mắt được phát minh

n 1853: Ống tiêm dưới da được phát minh

n 1860: Máy đo huyết áp được phát minh

n 1870: Kỹ thuật phẩu thuật vô trùng phát triển

n 1895: Tia X được phát minh

n 1899: Asp 1899: Asp irin được giới thiệu sử dụng

n 1903: Máy ghi điện tim (ECG) được phát minh

n 1906: Cấy ghép giác mạc ở người đầu tiên

n 1921: Insulin - điều trị cho bệnh tiểu đường

n 1924: Điện não đồ (EEG)

n 1928: Penicillin được khám phá

n 1929: Phổi nhân tạo kim loại cho các bệnh nhân bại liệt

Mốc thời gian của các tiến bộ về

n 1931: Sự phát minh ra kính hiển vi điện tử

n 1937: Ngân h 1937: Ngân h àng máu đầu tiên

n 1944: Phẫu thuật mở tim

n 1953: Khám phá cấu trúc của DNA

n 1953: Máy tim-phổi thành công

n 1954: Cấy ghép thận đầu tiên

n 1957: Quét siêu âm cho phụ nữ mang thai

n 1964: Phẫu thuật đầu tiên sử dụng laser

n 1967: CT được phát triển

n 1967: Cấy ghép tin người đầu tiên

n 1973: Dòng vô tính DNA được phát minh – khai sinh của công nghệ gien

n 1974: Bằng sáng chế được cấp cho MRI

n 1981: Việc sử dụng da nhân tạo đầu tiên để trị phỏng độ ba

n 1982: Việc cấy tim nhân tạo Jarvik đầu tiên

n 1995: Bằng sáng chế cho sự thay thế máu duy nhất

Các tiến bộ về kỹ thuật trong y học

n Hiện nay chúng ta cấy ghép thận, gan, tim, phổi,

lá lách, ruột, mạch máu, giác mạc,…

n Chúng ta có thận nhân tạo (thẩm tách ), gan

(thẩm tách gan), tim (có khả năng cấy ghép

hoàn toàn )

n Về mặt di truyền học chúng ta có thể sản xuất

nhân tạo một số các hợp chất sinh học và mô

Các định nghĩa về kỹ thuật

n Cơ học – ngành khoa học nghiên cứu về các vật

thể chuyển động hay không chuyển động

Sinh lý học

n Ngành học về nghiên cứu các chức năng của các cấu trúc

giải phẫu

n Ngành học về các cấu trúc bên trong và bên ngoài cơ thể

và các mối quan hệ sinh lý của chúng

Nhân động học (Kinesiology)

n Sự nghiên cứu về chuyển động của con người

n Sự nghiên cứu về tỉ lệ mắc phải, sự phân bố và khống chế

một căn bệnh hay tổn thương trong một lượng người nào

đó

- Thống kê mô tả - mô tả tần số và sự phân bố

- Thống kê phân tích - nổ lực để xác định các mối quan

hệ nhân quả của tổn thương

Yếu tố nguy hiểm

thương hay một căn bệnh

- Công việc

- Lối hoạt động

- Tuổi tác, giới tính, l ch sử của các tổn thương trước đó

- Các hoạt động giải trí theo đuổi

- Các điều kiện về môi trường

Hình 2.1 Góc nhìn thẳng phía trước của một cơ thể nam ở tư thế giải phẫu (b)

n Phần trên - superior (thuộc sọ, trong đầu), phần

dưới – inferior (phần đuôi )

n Phía trước - anterior (thuộc bụng, trán), phía sau

- posterior (thuộc lưng)

n Bề ngoài (superficial), bên trong, sâu (deep)

n Chính giữa - medial, ở bên - lateral

n Đầu gần - proximal, ngoại biên - distal

n Lòng bàn tay (bàn chân) - palmar, lưng - dorsal

n Cùng bên - ipsilateral, đối bên - contralateral

Một vài thông số đáng kinh ngạc

n Một cơ thể con người trung bình chứa đủ

- Sắt để làm nên một thanh sắt dài 3 inch

- Lưu huỳnh để giết chết tất cả bọ chét của một con chó bình thường

- Cacbon để làm ra 900 cây viết chì

- Kali để đốt cháy một cây đại bác đồ chơi

- Chất béo để tạo ra 7 thanh xà phòng

- Photpho để làm 2.200 đầu diêm

- Nước đổ đầy một thùng với dung tích 10 gallon

n Một người trung bình tạo ra 25.000 quart nước bọt trong

toàn bộ thời gian sống, đủ để đổ đầy hai hồ bơi

Các tế bào

n 15 triệu tế bào máu bị phá hủy trong cơ thể con người mỗi giây

n Ngoại trừ tế bào não, 50 triệu tế bào trong cơ thể của bạn

sẽ chết và được thay thế bởi các tế bào khác tất cả chỉ

trong thời gian mà bạn đọc câu này.

n Bạn được sinh ra với 300 mảnh xưong

Hệ thống xương của người trưởng thành thường:

n Gồm có 206 mảnh xương

n Có hơn 200 khớp

n Chiếm 12 đến 15% toàn bộ khối lượng cơ thể

n Xương đùi của con người còn khỏe hơn là bê tông

n Hệ thống cơ của người trưởng thành thường:

n Có khoảng 640 cơ xương

n Chiếm 36 đến 45% toàn bộ khối lượng của cơ thể

n Cần sự tương tác của 72 hệ cơ để tạo ra tiếng nói của con

người

n Hệ cơ mạnh nhất của cơ thể là ở lưỡi

n Các cơ hàm có thể tạo ra một lực khoảng 200 pound để

n Trong một giờ quả tim làm việc cật lực đến nỗi có thể tạo ra

đủ năng lượng để nâng khối lượng một tấn lên độ cao 3 foot

từ mặt đất

n Trong khoảng thời gian 24 giờ, một người bình thường sẽ

thở 23.040 lần

n Một người trưởng thành khỏe mạnh sẽ hít vào khoảng 3,3 đến 4,9 lít không khí ở một lần thở bình thường, nhưng vào lúc nghỉ ngơi thì chỉ khoảng 5% thể tích này được sử dụng.

n Não của một người bình thường có khoảng 100 tỉ tế bào

thần kinh

n Có khoảng gần 45 dặm các dây thần kinh ở da của chúng ta

n Có khoảng 3 triệu dặm các sợi thần kinh axon trong não

người

n Các xung điện được dẫn truyền trong các sợ thần kinh với

vận tốc đến 248 dặm một giờ

n Bộ não người đạt đến khối lượng lớn nhất của nó khoảng 3

pound ở tuổi 20, nhưng bắt đầu mất mát các tế bào não với

n Mắt của chúng ta thường vẫn giữ nguyên kích thước như lúc mới sinh ra, nhưng mũi và lổ tai thì không ngừng phát triển

n Một người bình thường nháy mắt 6.205.000 lần mỗi năm

n Khi bạn tập trung vào mỗi từ ngữ trong câu này, mắt của

bạn đu đưa qua lại 100 lần mỗi giây

n Mắt có thể:

n Phân biệt khoảng 8 triệu sự thay đổi về màu sắc

n Phân biệt khoảng 500 mức độ khác nhau của màu xám

n Các nhà khoa học đã nhận dạng được 500 chức năng của

gan

n Bề mặt trung bình của ruột người khoảng 200 mét vuông

n Nếu được đưa ra ngoài cơ thể thì ruột non có thể kéo dài

khoảng 22 foot

n Trong 2,54 centimét vuông của da có:

- 100 tuyến mồ hôi

- 3 triệu tế bào

- 20 foot mạch máu

n Bề mặt da người khoảng 2,323 m2

n Con người lột da và tái phát triển các tế tào da bên ngoài

khoảng 27 ngày một lần - gần như có 1000 làn da mới trong đời

n Da đầu của một người trung bình có tới 100.000 sợi tóc