Биомедицинская инженерия что это
БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ, разработка и применение технических устройств для биологических и медицинских исследований. Это область совместной работы технологов, биологов и врачей, направленной на приобретение фундаментальных знаний о физических характеристиках и функционировании биологических материалов. Полученные знания используются этими учеными для того, чтобы создавать устройства, делать операции и разрабатывать новые методики, способствующие улучшению здоровья и качества жизни людей.
В числе достижений биомедицинской инженерии, ставших возможными благодаря такому сотрудничеству, – диализные аппараты, предназначенные для замещения больных и плохо работающих почек; протезы тазобедренного и коленного суставов; материалы и технологии для операций на сердце и кровеносных сосудах; искусственное сердце.
ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Компьютерное моделирование в биомеханике.
Роль компьютерного моделирования в биомедицинской инженерии трудно переоценить. На основе количественных данных исследований программист создает модели биологических процессов и структур; соответствующие программы могут предсказать поведение биологической структуры, системы или организма в зависимости от внешних воздействий, лечения, развития болезни или старения.
Компьютерные модели способны приблизительно описать механику работы различных частей тела, например бедренной кости в области тазобедренного сустава, или же они могут описать, каким образом замена головки берцовой кости на искусственную повлияет на функционирование кости в целом. Можно использовать моделирование и для анализа возможных изменений в конструкции протеза, а также связанного с ними риска для больного. Однако важнее всего то, что компьютерное моделирование позволяет избежать проведения экспериментов на людях.
Биоматериалы и биомеханика ткани.
В отличие от специалистов по моделированию многие инженеры-биомедики имеют дело непосредственно с биологическими тканями – мышцами, связками, сухожилиями – и даже клеточными мембранами. Чаще всего их работа связана с измерением физических параметров (таких, как прочность, жесткость, упругость) или функциональных показателей (электрической активности, количеств выделяемого вещества, осмотического давления в клетках и т.п.). Подобные измерения важны не только для фундаментальной науки; они создают основу для практически важных разработок, одним из примеров которых служит искусственное сердце.
Биомеханика
изучает в основном механические свойства опорно-двигательного аппарата. Фундаментальные исследования в этой области послужили базой для разработки искусственных суставов, которые применяются для замены суставов, необратимо поврежденных в результате тяжелого артрита или артроза. Это изобретение, уже облегчившее страдания тысячам людей, может быть, самое впечатляющее достижение биомедицинской инженерии.
Имплантация (эндопротезирование).
В 1937 пригодными для имплантации были признаны три типа металлических материалов – нержавеющая сталь марки 316-L, хромо-кобальто-молибденовый сплав (виталлий) и титан. Эти материалы достаточно прочны, долговечны, устойчивы к коррозии и не вызывают серьезных воспалительных реакций в организме.
С их появлением в практику травматологии быстро вошли разнообразные фиксаторы (стержни, пластинки, винты и гвозди), предназначенные для закрепления костей в правильном положении до тех пор, пока не восстановится костная ткань. Большинство подобных фиксаторов было разработано в те годы, когда механика костей и мягких тканей была изучена слабо и отсутствовали данные о том, каким нагрузкам подвергается имплантат в организме. Современные фиксаторы для срастания переломов значительно эффективнее; возникающие в них напряжения и деформации рассчитываются заранее. Благодаря современным фиксирующим устройствам пожилой человек с переломом шейки бедра часто снова начинает ходить практически через неделю после травмы.
Несмотря на огромный успех в области эндопротезирования тазобедренного и коленного суставов, срок службы этих протезов ограничивался примерно 10 (максимум 20) годами. Это определялось двумя факторами: ослаблением креплений элементов протеза и недостатками метилметакрилатного костного цемента. Поиск более надежных способов фиксации дал свои результаты: появились металлические протезы как с пористой поверхностью, так и с покрытием из фосфата кальция в форме гидроксиапатита, который имитирует поверхность кости. Благодаря пористой структуре наружного слоя протеза кость врастает в поверхность протеза и стабилизирует его до конца жизни пациента. Покрытие металлического протеза гидроксиапатитом имитирует нормальную кость, что способствует более физиологичному и долговечному соединению протеза с костью.
Биоэлектрическая инженерия.
Различные ткани, в т.ч. костная ткань, генерируют электрические импульсы. Подобный пьезоэлектрический эффект играет важную роль в формировании костей взрослого человека. Кроме того, он влияет на скорость и прочность срастания костей.
Биоэлектрические явления все чаще пытаются использовать для более эффективного лечения переломов. Например, вблизи несрастающегося перелома имплантируют электроды и пропускают слабый электрический ток, который проходит через ткань в месте имплантации. Такой подход позволяет добиться правильного срастания даже в тех случаях, когда обычные способы лечения не приносят успеха.
См. также БИОЭЛЕКТРИЧЕСТВО.
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК
Рождение биомеханики.
В 1940-х годах шведский ортопед К.Хирш впервые начал применять специальные приборы и датчики для измерения физических характеристик опорно-двигательного аппарата человека. Работы Хирша и его учеников легли в основу биомеханики – одной из главных областей биомедицинской инженерии.
Результаты проведенных Хиршем экспериментов имели колоссальное значение. В частности, оказалось, что силы, действующие на бедренный сустав в поперечном направлении, примерно одинаковы независимо от того, поднимает ли человек ногу, чтобы перевернуться в постели, или ходит. Поэтому сегодня пожилым людям с переломом шейки бедра после установки фиксатора перелома (гвоздя) разрешены прогулки. А ведь совсем недавно они были обречены на длительный постельный режим, который часто приводил к пневмонии, тромбозу и другим осложнениям со смертельным исходом.
Полученные Хиршем данные позволили подобрать более прочные материалы для искусственных суставов, разработать элементы более долговечных протезов, а также специальные гвозди для бедренных фиксаторов, которые позволяют больному еще при срастании перелома шейки бедра полностью опираться на больную ногу. Кроме того, эти данные помогают врачу научить больного, как лучше пользоваться костылями или тростью.
Разработка приемной полости протеза.
После Второй мировой войны группа ученых из Калифорнии параллельно с Хиршем искала пути улучшения протезов для солдат, перенесших ампутацию ног. С помощью киносъемки и анализа движений ученые смогли предсказать, какие нагрузки и какое давление со стороны протеза может испытывать культя. Именно эти методы и помогли им в конце концов разработать улучшенную конструкцию приемной полости протеза, которая находится в постоянном контакте с культей. Новый тип протеза удобен и носится много часов подряд, не причиняя вреда коже.
Протезы тазобедренного и коленного суставов.
В 1963 английский врач Дж.Чарнли создал полный протез тазобедренного сустава и шейки бедра с чашеобразной приемной полостью в области таза и металлическим шаром и стержнем, заменяющими верхнюю часть бедренной кости. Однако трение между частями протеза препятствовало нормальной ходьбе. Чарнли определил, что для решения проблемы нужно выполнить два условия: элементы протеза должны прочно фиксироваться в костях больного, а трение между рабочими частями протеза должно быть очень мало. Он добился успеха, применив новый цементирующий материал – метилметакрилат, который и до сих пор используется как стандартный костный цемент. Чуть позже Ф.Ганстон, опираясь на работу Чарнли, сконструировал протез коленного сустава. В настоящее время протезы тазобедренного и коленного суставов служат по 10–15 лет.
Искусственное сердце.
Аппараты типа «искусственное сердце» уже вошли в медицинскую практику, хотя пока они еще не могут полностью заменить настоящее сердце. Для того чтобы искусственное сердце могло быть использовано в качестве постоянно работающего аппарата, оно должно: 1) иметь небольшие размеры; 2) обеспечивать достаточный выброс крови; 3) регулировать выброс в зависимости от нужд организма; 4) легко подвергаться стерилизации; 5) изготовляться из долговечных материалов; 6) прокачивать кровь без резких толчков, чтобы избежать разрушения эритроцитов (гемолиза). Пока ученые разработали лишь устройства, заменяющие две нижних камеры сердца (желудочки). При имплантации их соединяют с двумя верхними камерами (предсердиями), предварительно удалив заменяемые желудочки.
Первую имплантацию искусственного сердца человеку произвел в 1969 Д.Кули в США. Аппарат работал 64 ч, пока не было найдено человеческое сердце для пересадки. Долговременная имплантация искусственного сердца была впервые выполнена 2 декабря 1982 хирургами Медицинского центра при Университете Юты, США. Использовался аппарат Джарвик-7, названный так в честь его изобретателя Р.Джарвика. Этот аппарат был изготовлен из формованного полиуретана, укрепленного на алюминиевой рамке, причем в основании каждой камеры была растягивающаяся резиновая мембрана. Обе мембраны соединялись с внешним насосом двумя шлангами, проходящими через брюшную полость больного. Насос подавал сжатый воздух, под давлением которого резиновые мембраны выталкивали кровь через искусственные клапаны в кровеносную систему. Больной, которому была произведена имплантация, Барни Кларк, прожил 112 дней; за это время искусственное сердце совершило 13 млн. ударов. Вероятно, в будущем в искусственное сердце будет встраиваться электрический насос, питающийся от закрепленного на поясе аккумулятора.
См. также СЕРДЦЕ.
StudyInFocus
Высшее образование в Германии
News Articles
Возможно вы ищите.
Blog Posts
Будущее сегодня: профессия биоинженер
Слово «биоинженерия» звучит фантастически, как будто из фильма о биороботах; на самом деле, достижениями этой отрасли мы давно уже активно пользуемся.
К разработкам специалистов биоинженерии относятся:
История возникновения профессии биоинженер
Автором термина «биоинженерия» является британский ученый и диктор Хайнц Вульф. Термин появился в 1954 году и использовался для описания использования растений в строительстве. Со временем смысл этого слова изменился и сейчас обозначает использование инженерных методов для преобразования живых организмов.
Особенности профессии
Биоинженерия возникла на стыке таких дисциплин, как:
Чем занимаются биоинженеры
Биоинженерию следует отличать от генной инженерии, которая является лишь ее разделом. Генная инженерия занимается изменением ДНК организмов, в то время как биоинженерия — это комплексная дисциплина, направленная на использование междисциплинарных разработок в области инженерии, биологии и медицины для лечения болезней, укрепления здоровья и продления жизни.
Биоинженерия решает проблемы медицинского характера методами инженерии, поэтому в немедицинских аспектах похожа на биотехнологию.
Плюсы и минусы специальности
Преимущества профессии биоинженер:
Отрасли профессии биоинженерии
В биоинженерии немало направлений, например:
Круг обязанностей биоинженера
Основная задача специалистов — разработка передовых технологий в биологии и медицине для охраны здоровья и решения медицинских проблем. Деятельность биоинженера включает спектр задач от создания техническими средствами искусственных органов либо выращивания органов и тканей до разработки генно-модифицированных организмов.
В рамках этих задач биоинженеры занимаются:
Личные качества, необходимые специалисту
Биоинженерия — профессия наукоемкая, поэтому для работы в ней необходимо иметь высокий интеллект и способности к обучению.
Кроме того, биоинженеру пригодятся:
Биоинженерия относится к категориям «человек — техника» и «человек — природа».
Как стать биоинженером
Поскольку биоинженерия — передовая отрасль современной науки, лучше всего изучать ее в вузах, которые находятся в авангарде наук.
Вам также может быть интересно:
Немецкие вузы известны по всему миру своим качеством образования, новаторским подходом и богатой научно-технической базой. Для специальностей, требующих проведение научно-практических экспериментов, это идеальное место, поскольку в учебе большое внимание уделяется именно практической составляющей и самостоятельным проектам студентов. В ходе обязательной практики студенты зачастую оказываются в лабораториях известных компаний, и действительно талантливые и заинтересованные учащиеся могут еще до окончания вуза найти высокооплачиваемую и перспективную работу. Если же с работой не сложилось, в любом случае, останется опыт, которые пригодится в дальнейшем трудоустройстве.
Узкие специализации в области биоинженерии:
Как понять, сможет ли эта профессия стать делом вашей жизни? Консультация в области карьерного ориентирования поможет это выяснить.
Профессии в рамках науки биоинженерии:
Где работают биоинженеры
Квалифицированному биоинженеру несложно найти работу в НИИ, которые работают в сфере генетической или клеточной инженерии, молекулярной биологии, медицинской химии. Молодых специалистов могут приглашать зарубежные институты.
Доходы биоинженеров
Как бы ни был специалист влюблен в свою профессию, прежде всего она необходима, чтобы зарабатывать на жизнь.
К сожалению, в странах постсоветского пространства биоинженеры в денежном выражении ценятся не слишком высоко.
В России зарплаты специалистов в НИИ составляют порядка 400 долларов в месяц; в Москве в 1,5–2 раза больше.
В биотехнологических лабораториях зарплаты могут достигать 1500–3000 долларов.
На Украине биоинженеры зарабатывают 200–450 долларов в месяц, а в лабораториях, которые получают зарубежные гранты — 1000–1300 долларов.
Специалисты в области биотехнологий в Казахстане зарабатывают от 160 тысяч тенге.
В европейских странах зарплаты биотехнологов составляют, в среднем, 3 тысячи евро в месяц.
Перспективы и карьера
Сейчас биоинженерия востребована, в основном, в рамках фундаментальных исследований. В России на данный момент происходит пересмотр законодательства, регулирующего эту отрасль с целью ее развития.
Для специалиста-биоинженера всегда найдется работа в лабораториях научно-исследовательских институтов либо производств. Биоинженер может сделать карьеру в научной деятельности на родине либо за рубежом.
Если вы настроены на международную карьеру, лучше сразу получать образование за границей. В Германии это можно сделать бесплатно, поскольку немецкие вузы не взимают какой-либо платы, кроме семестрового взноса, ни с местных, ни с иностранных студентов. Узнайте, как выбрать немецкий вуз и поступить на учебу.
БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Полезное
Смотреть что такое «БИОМЕДИЦИНСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ» в других словарях:
Технология клеточная биомедицинская — Биомедицинская клеточная технология процесс получения клеточного продукта для восстановления структур и функций тканей и органов человека путем замещения клеток этих тканей и органов клетками, вводимыми извне, или путем активации собственных… … Официальная терминология
биоинженерия — Термин биоинженерия Термин на английском bioengineering Синонимы биомедицинская инженерия Аббревиатуры Связанные термины биодеградируемые полимеры, биомедицинские микроэлектромеханические системы, биомиметика, биомиметические наноматериалы,… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Биотехнология — Возможные способы применения массовой культуры водорослей Биотехнология дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических з … Википедия
Биоинженерия — или биомедицинская инженерия (англ. bioengineering) направление науки и техники, развивающее применение инженерных принципов в биологии и медицине[1]. Сфера деятельности биоинженерии простирается от создания искусственных органов с помощью… … Википедия
Университет Оулу — фин. Oulun yliopisto швед. Uleåborgs universitet … Википедия
Курский государственный технический университет — Координаты: 51°44′18.38″ с. ш. 36°08′53.91″ в. д. / 5 … Википедия
Юго-Западный государственный университет — Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго Западный государственный университет» … Википедия
Киборг — Часть цикла статей о Киборгах Киборгология Бионика / Биомимикрия Биомедицинская инженерия Нейрокомпьютерный интерфейс Кибернетика Распределенное познание Генетическая инженерия Человеческая экосистема Human enhancement Усиление интеллекта… … Википедия
СЕРДЦЕ — мощный мышечный орган, нагнетающий кровь через систему полостей (камер) и клапанов в распределительную сеть, называемую системой кровообращения. У человека сердце расположено вблизи центра грудной полости. Оно состоит в основном из прочной… … Энциклопедия Кольера
КЕРАМИКА ПРОМЫШЛЕННАЯ — изделия, получаемые путем спекания неорганических, неметаллических материалов и имеющие промышленное или техническое применение. Компонентами этих материалов обычно являются вещества с высокой температурой плавления или размягчения. Промышленную… … Энциклопедия Кольера
Доктор Мэзивэй, или как я ушел из энергетики и стал биомедицинским инженером
Люди пытаются идти по пути наименьшего сопротивления. А что же я?
На просторах интернета полно историй, когда кто-то бросил все, выучился на айтишника и нашел себя в этой профессии. Недавно на VC появился очередной пост с историями успеха https://vc.ru/hr/141013-kak-vostokoved-arhitektor-i-stomatolog-stali-aytishnikami и хэпи эндом. В комментах к нему я пообещал рассказать совсем иную историю.
Это история длиною в 10 лет. И она еще не закончена.
Вы все здесь — одинаково никчёмны. (Цельнометаллическая оболочка)
Когда человек перестает делать выбор, он перестает быть человеком. (Заводной апельсин)
— К воде — вот, к чему я веду. Вода. Вода — источник жизни. 7/10 поверхности Земли — вода. Ты знаешь, что ты на 70 % состоишь из воды? (Доктор Стрейнджлав, или как я перестал бояться и полюбил бомбу)
Ты сам себя пытаешь и будешь пытать до смерти, до сумасшествия. (Заводной апельсин)
Но все же я не смог усидеть на месте ровно. В июне 2012 года после недолгих переговоров с директором вновь создаваемого проектного бюро по электроэнергетике, я принял предложение и уехал в Москву. Еще с самого начала моей работы в Москве, директор подсказала, что может мне пойти учиться на MBA и, как ни странно, я залип на сайтах московских вузов, которые предлагали обучение по специальности биомедицинский инженер. В то же самое время я узнал, что моя alma mater тоже открыла такое направление как биотехнические системы и технологии/биомедицинская инженерия. Решение было принято: поступать на биомедицинскую инженерию в МГТУ им. Баумана на вечернее отделение. Все обучение должно было занять 2.5 года. Моя душа ликовала. Правда недолго. В декабре 2012 года, я рассорился с директором компании где я работал по причине того, что она хотела чтобы я работал 14×7, а я был не согласен с таким подходом. В итоге я уволился и передомной встал вопрос: что делать? Начинать учебу с января и искать работу или все же не рисковать и отложить учебу. Я выбрал начать учебу (благо небольшой запас денег у меня был чтобы платить за учебу и на проживание) и искать работу, которая сможет мне оплатить завершение учебы и проживание.
Если я хотел быстро выйти на свободу и стать хорошим мальчиком, мне надо было соглашаться на все, братцы мои. (Заводной апельсин)
Ни один сон не бывает просто сном. (С широко закрытыми глазами)
Приближался период написания дипломной работы и я хотел сделать не просто крутую работу, а работу по одному из перспективных направлений. Так как я уже читал обзорные статьи по различным направлениям, то я не стал ждать, а сам написал и напросился познакомиться к профессору Александру Каплану из МГУ. Но по причине отсутствия времени (я работал до вечера) и невозможностью договориться с администрацией Бауманки, пришлось отбросить эту идею. Счастье пришло внезапно. Одним зимним вечером я посетил научную выставку в Москве. Сама выставка оказалась провальной с точки зрения организации, но это для меня не было главным. На этой выставке я совершенно случайно подошел к PR представителю одного биомедицинского стартапа и разговорился с ней. Меня интересовала возможность пройти у них стажировку или вообще посмотреть как они работают. Мы обменялись контактами и мне сказали чтобы я написал на почту. Первое отправленное мной письмо ушло в никуда. Как ни странно, но на второе мое письмо мне ответили и сообщили, что готовы рассмотреть мою кандидатуру на позицию биомедицинского инженера. Я был вне себя от радости и уже через короткий промежуток времени начал работать в частной научной организации, которая занимается исследованиями в области тканевой инженерии и регенеративной медицине. Работы было много и она была интересная. Я часто задерживался на работе, выходил по выходным когда надо было. Летом 2015 года я закончил Бауманку по специальности Биомедицинская инженерия. Но счастье было не таким уж долгим. Чуть более чем через полтора года я уволился оттуда. Этому поспособствовали следующие факторы:
— Маленькая зар.плата на которую я не мог даже себе позволить починить плечо, которое травмировал двумя годами ранее (привычный вывих плеча);
— Отсутствие внятных целей по разработке, а также порой явная работа в первую очередь на создание хайпа;
— Отсутствие нормальной коммуникации, когда задачи и цели ставились пространно и порой были физически невыполнимы. При этом авторитарный метод управления исключал любую коммуникацию и постановку под сомнение исследовательских методов.
Но все же я очень сильно благодарен этой компании за тот опыт что я получил. Именно она заложила в меня основные научные интересы и определила дальнейший путь моего развития.
Рядовой Куча… Не разбивай к хуям моё любящее сердце, только не падай! (Цельнометаллическая оболочка)
Наученный предыдущим горьким опытом увольнения в никуда, я подошел к своему очередному увольнению более обстоятельно. Я заранее начал подыскивать новую работу. Конечно, я хотел уйти в биомедицинскую инженерию. Но оказалось, что в Москве по большей части не нужны инженеры, а нужны менеджеры по продаже мед.оборудования, сертификации и прочему. А если и нужны инженеры, то нужны уже с опытом 3-5 лет по определенным направлениям. А уж когда ты приходишь и они видят что у тебя первое образование электроэнергетика и серьезный опыт по ней, а не по новой специальности, то ты не укладываешься в их картину и HR-ам проще тебе отказать. Были вакансии по моей новой специальности куда меня готовы были взять: 40 тыс.рублей зарплата + либо ты носишься взмыленный по городу весь день, либо половина времени командировки. Я немного приуныл от таких перспектив. И вернулся в электроэнергетику в гос.монополию. Там я пробыл 2.5 года потихоньку унывая все дальше и дальше, но что-то во мне не давало мне взять и все бросить. Я успешно вылечил плечо воспользовавшись ДМС от компании и начал новый этап прокладки своего извилистого пути в биомедицинску инженерию.
— Я не могу сидеть и ждать, пока коммунистические идеи, коммунистическая доктрина, коммунистический переворот и международный коммунистический заговор загрязнят и высосут бесценные жидкости наших тел. (Доктор Стрейнджлав, или как я перестал бояться и полюбил бомбу)
Да, точно, я вылечился. (Заводной апельсин)
Этот абзац вместо послесловия. Заканчивается второй год как я начал свое обучение в NUS. Научный руководитель и новая страна приняли меня очень тепло и радушно. Мне очень сильно повезло с научным руководителем, который меня не ограничивает в моем стремлении развиваться по тому вектору по которому я хочу развиваться. За те два года, что я нахожусь в Сингапуре мои знания и навыки выросли колоссально. Я веду свои исследования по направлениям tissue engineering/regenerative medicine для которых использую такие инструменты как tissue spheroids/organoids, cardiac organoids, microfluidic devices, indiced pluripotent stem cells. То есть на границе между биологией и инженерией, между живым и неживым. Получив доступ к мировому научному сообществу и общаясь с различными учеными вокруг меня, я наконец-то смог сформировать свои научные интересы. Для этого мне, конечно, пришлось детально изучить молекулярную биологию, биологию развития и много смежных и перспективных дисциплин. И чем дальше я погружаюсь в познание живой природы, тем больше я понимаю на сколько она безгранична и удивительна, и что в ней найдется много удивительного и непознанного на многие поколения ученых вперед.