Cơ sở kỹ thuật y sinh bài giảng điện tử

Tổng quan lướt qua các lĩnh vực chính của ngành: cơ học sinh học, vật liệu sinh học, thiết bị y sinh, công nghệ phục hồi chức năng, cảm biến sinh học, công nghệ sinh học và công nghệ mô…

Bài giảng môn học

Giảng viên phụ trách: TS Huỳnh Quang Linh

Thời lượng: 45 tiết (2 TC 2-1-4)

• Tóm tắt nội dung môn học

• Tài liệu tham khảo

• Đề cương môn học

Fundamentals of Biomedical Engineering

Môn học cung cấp cho sinh viên sự giới thiêu mang tính khái quát của ngành kỹ thuật vật lý y sinh, vai trò và

lĩnh vực hoạt động của người kỹ sư vật lý y sinh

Tổng quan lướt qua các lĩnh vực chính của ngành: cơ

học sinh học, vật liệu sinh học, thiết bị y sinh, công

nghệ phục hồi chức năng, cảm biến sinh học, công

nghệ sinh học và công nghệ mô…, trong đó giới thiệu

các vấn đề cơ bản nhất của từng lĩnh vực nhắm cung

cấp cho học viên cái nhìn chung nhất để có thể học tập một cách hiệu quả khi đi sâu vào từng môn chuyên

ngành riêng biệt.

Tài liệu chính:

John Enderle J., Blanchard S., Bronzino J.:

Introduction to Biomedical Biomedical Engineering, Academic Press, Inc., San Diego,

California, 2000.

Tài liệu tham khảo thêm (làm seminars):

[1] Joseph D Bronzino et al.: Biomedical engineering

Đề cương môn học được xây dựng theo mục lục nội dung tài liệu Introduction to Biomedical Engineering (2000) của

J.Enderle Tuy nhiên do nội dung của l nh vực kỹ thuật y sinh rất rộng, trong thời lượng cho phép bài giảng trên lớp chỉ

chọn một số chương cơ bản mang tính nhập môn, một số

chương liên quan đến những l nh vực mà SV không có những môn chuyên ngành tìm hiểu sâu hơn

Những chương sẽ được học sâu hơn chỉ giới thiệu lướt qua; một số chủ đề có tính thời sự được đưa vào danh sách

các đề tài seminars mà SV sẽ chọn và thực hiện theo dạng

tiểu luận.

Trên cơ sở đó, bài giảng PowerPoint chỉ trình bày chi tiết các chương được chọn giảng trên lớp.

Yêu cầu:

- Phân công đọc và tìm hiểu về nội dung vấn đề, họp nhóm để

tổng hợp các nội dung chính, trình bày bằng Powerpoint hoặc

HTML các nội dung chính (kèm với hình ảnh minh họa) để có thể trình bày trên lớp.

- Khuyến khích tìm thêm tài liệu trên Internet để minh hoạ.

Tài liệu tham khảo thêm (làm seminars):

[1] Joseph D Bronzino et al.: Biomedical engineering

fundamentals , CRC Press, 2006.

[2] Yadin David et al : Clinical engineering , CRC Press, 2006 [3] Joseph D Bronzino et al.: Medical devices and systems ,

CRC Press, 2006.

Danh sách đề tài seminars

Digital Biomedical Signal Acquisition and

3 24

[1] Ch.22

Membrane models - Action potential

3 21

[1] Ch.16

The Fast Eye Movement Control System

2 10

[1] Ch.12

Neural Networks for Physiological Control

3 19

[1] Ch.11

Respiratory Models and Control

3 19

[1] Ch.10

Cardiovascular Models and Control

2 14

[1] Ch.9

Compartmental Models of Physiologic Systems

Số thành viên nhóm

Số trang Tài liệu

Nội dung chủ đề

3 19

[3] Ch.82-83

Beneficence, Nonmaleficence, and Medical

Technology - Beneficence, Nonmaleficence, and

3 19

[3] Ch.40

Hospital Information Systems: Their Function and

State

2 9

Applications of Virtual Instruments in Health Care

Virtual Instrumentation: Applications in

Biomedical Engineering

2 12

[2] Ch.6

A Standards Primer for Clinical Engineers

3 15

[2] Ch.3

Risk Factors, Safety, and Management of Medical

Equipment

2 10

[2] Ch.2

Management and Assessment of Medical

Technology

2 10

[2] Ch.1

Clinical Engineering: Evolution of a Discipline

2 13

[1] Ch.57

Mechanics of Blood Vessels

Số thành viên nhóm

Số trang Tài liệu

Nội dung chủ đề

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 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

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

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

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

n Chuyển động học

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

Yếu tố nguy hiểm

n Là yếu tố góp phần vào việc gia tăng khả năng của tổn

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

Thuật ngữ tư thế giải phẫu

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 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 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 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

Da - cơ quan rộng lớn nhất của cơ thể

• Cơ bản về cấu trúc giải phẫu và chức năng của tế bào

• Mô tả các hệ cơ quan chính của cơ thể

• Mô t ả về chức năng tự điều chỉnh cân bằng của cơ thể

Tế bào tổng hợp các phân tử khác nhau

Tế bào tổng hợp các phân tử khác nhau

- Hình thức đa dạng nhất của các phân tử

- Môi trường điều phối các phản ứng trao đổi chất

- Các thành phần cấu trúc

- Các kênh vận chuyển

Cấu trúc tế bào

n Tất cả các tế bào được bao xung quanh bởi một

màng nguyên sinh

n Giữa phần màng nguyên sinh và nhân là tế bào

chất mà có thể chứa hay không chứa những cấu

trúc khác

Hình 2.4 Các tế bào của động vật được bao quanh bởi một

màng nguyên sinh Gồm màng, nhân chứa DNA DNA Phần tế

bào chất bao phía ngoài nhân chứa một số các cơ quan có

Màng nguyên sinh

- Cung cấp cấu trúc và sức bền cơ học

- Giúp di chuyển

- Điều khiển dung tích và các hoạt động bằng

cách điều hòa sự vận động của các chất hóa học

vào trong và ra ngoài tế bào

Màng nguyên sinh – Cấu trúc

Màng nguyên sinh

n Sự di chuyển của các phân tử qua màng

- Oxy, cacbon dioxit và nước di chuyển qua

màng một cách dễ dàng

- Các phân tử lớn và các ion phải di chuyển qua các kênh protein

chuyển của các phân tử từ vùng

có mật độ tương đối thấp sang

vùng có mật độ tương đối cao

- Sự cân bằng khuếch tán

n Sự di chuyển của các phân tử qua màng

- Vận chuyển tích cực

- Được sử dụng để vận chuyền các phân tử nhỏ

ngược chiều với gradient mật độ

- Đòi hỏi năng lượng (thường là ATP)

- Các tế bào thường có lượng Na+ ở phía bên ngoài

gấp 10 lần phía bên trong tế bào

- Các tế bào thường có lượng K+ bên trong tế bào

gấp 25 lần bên ngoài tế bào

- Các sự chênh lệch này làm cho ATP điều khiển các

quá trình vận chuyển, và dẫn đến tích điện

- Tế bào của loài động vật có vú tồn tại ở trạng thái

ổn định hơn là ở trạng thái cân bằng do các cơ chế

vận chuyển tích cực, đặc biệt đối với Na+

- Điện thế tồn tại trên màng nguyên sinh

ngoài, và sau đó di chuyển vào trong hay ra

ngoài tế bào một cách tương ứng

Endocytosis và Exocytosis

Hình 2.8 Các vật chất quá lớn mà di chuyển qua các protein

Các cơ quan tế bào

Hình 2.9 các cơ quan dưới mức tế bào Mạng lưới nội chất (a), bộ Golgi (b),

và các túi (b) tạo nên hệ thống màng trong tế bào Các tuần hoàn nhỏ trên

Các vi cơ quan có màng bao

- Quá trình đòi hỏi oxy, và csản phẩm phụ của

quá trình này đó là cacbonic

- Một trong một vài cơ quan tế bào có chứa DNA DNA của chính nó

Ty lạp thể

Lưới nội chất

Các vi cơ quan không có màng bao

n Các nhân, ribosome, trung thể, vi nhung mao,

tiêm mao, chiêm mao

n Các tiểu quản, sợi trung và sợi nhỏ của mạng sợi

và ống protein trong tế bào chất

n Các tiểu quản, sợi trung và sợi nhỏ giúp tạo hình

dáng cho tế bào và cả sự chuyển động của tế bào

Các tiểu quản

Các sợi cơ

n Các sợi cơ được tìm thấy trong hầu hết các tế bào

n Được cấu tạo từ các sợi actin (một loại chất đạm

trong cơ bắp) và myosin (protein có nhiều nhất

trong các sợi nguyên cơ)

DNA và sự thể hiện gien

n DNA được tìm thấy trong hầu hết các nhân của

các ty lạp thể của các tế bào chứa đựng nhân tố

di truyền (các tế bào với nhân có màng bao)

n DNA DNA chứa đựng thông tin di truyền từ cả bố mẹ

(thông tin trong các ty lạp thể là từ mẹ)

n DNA được bao phủ bởi các nucleosome (các cuộn

protein) và được cấu trúc thành các cặp nhiễm

sắc thể

Hình 2.3 (a) DNA bao gồm hai chuỗi nucleotide được xếp thành cặp

theo các hướng ngược nhau và tạo thành một cấu trúc xoắn kép (b) Các cặp thymine với adenine (T - A) và cytosine với guanine (C – G)

do những liên kết hydro giữa các base của nucleotide.

DNA và sự thể hiện gien

n Nhiễm sắc thể của con người

- 22 cặp nhiễm sắc thể định hình

- 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính

+ XX cho nữ + XY cho nam