本教材為普通高等院校十四五規(guī)劃生物醫(yī)學工程專業(yè)特色教材。 本教材共分為10章，內(nèi)容包括生物醫(yī)學工程簡介、生物信息學概論、生物醫(yī)學傳感器、面向系統(tǒng)生物醫(yī)學的下一代測量技術、生物大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析與深度學習、生物材料與組織工程、醫(yī)學超聲與超聲斷層成像、三維超聲成像與應用、正電子發(fā)射斷層成像和質(zhì)譜成像方法。 本教材可作為生物醫(yī)學工程概論課程的配套教材，也可作為生物醫(yī)學工程等相關專業(yè)的本科生、研究生的教科書。
本書是一部引導讀者了解并進入生物醫(yī)學工程學和生物信息學的教科書。主要內(nèi)容分成六章：章從生物醫(yī)學工程學定義、主要內(nèi)容與范疇等方面作概述性介紹。第二章重點介紹生物醫(yī)學工程學在形成和發(fā)展歷程中為生物醫(yī)學和社會進步作出的貢獻，同時簡述了生物醫(yī)學工程學的各個分支，突出了生物醫(yī)學工程學在醫(yī)學發(fā)展中的重要地位與作用。第三章從學科角度討論了生物醫(yī)學工程學這一大跨度交叉的學科類型與其在高校發(fā)展的概況。第四、五章從應用生物醫(yī)學工程學領域的角度對醫(yī)院應用生物醫(yī)學工程學科成果而派生的臨床醫(yī)學工程學和軍事、航天航空與航海等特種生物醫(yī)學工程學的內(nèi)容進行了介紹。第六章對部分生物醫(yī)學工程前沿的內(nèi)容進行了概括性討論。 本書不僅是生物醫(yī)學工程和生物信息專業(yè)學生的引導性教材，可作為生物醫(yī)學工程和生物信息專業(yè)研究生、教師、科研人員的參考，也可作為醫(yī)學基礎與臨床專業(yè)和其他理工學科師生及科研人員向生物醫(yī)學工程擴展的入門參考書。
華中科技大學生物醫(yī)學工程學科是國家一級重點學科，我國*早建立的生物醫(yī)學工程學科之一，在2017年教育部組織的全國學科評估中被評為A 學科。該學科目前包括生物醫(yī)學工程、生物信息學（以前稱為生物信息技術）與生物制藥三個本科專業(yè)。近年來，按照教育部相關要求，各個高校都在積極推進按學院、按大類進行招生的改革試點。因此，自2018年以來，華中科技大學生物醫(yī)學工程專業(yè)和生物信息學專業(yè)均按照同一大類-生物醫(yī)學工程進行招生，并且在制定專業(yè)培養(yǎng)方案時打通了前兩年的通識課程，為今后兩個專業(yè)的完全融合與*終合并奠定了基礎。為此，在2018年的本科生培養(yǎng)方案中，華中科技大學生物醫(yī)學工程專業(yè)的本科生必修課程-生物醫(yī)學工程概論（始于2009年）和生物信息學專業(yè)的本科生必修課程-生物信息學概論（始于2013年）進行了融合與合并，形成了生物醫(yī)學工程大類新的概論課程-生物醫(yī)學工程與信息技術概論。 生物醫(yī)學工程是運用工程學的理論與方法解決生物、醫(yī)學等應用中所碰到的工程技術問題，尤其是研究和提供生物、醫(yī)學等研究所需要的技術方法與手段，包括醫(yī)療器械等。她是醫(yī)工、醫(yī)理相互交叉的學科，具有廣闊的應用前景和巨大的發(fā)展空間。然而，長期以來，人們對于生物醫(yī)學工程的主要研究對象、研究領域缺乏足夠全面的認識和了解，是目前制約生物醫(yī)學工程學科發(fā)展的因素之一。因此，開設生物醫(yī)學工程概論課程的目的就是希望通過對于生物醫(yī)學工程的定義、生物醫(yī)學工程主要領域的介紹，特別是從事生物醫(yī)學工程學科領域?qū)W術帶頭人的講授，提高學生對于生物醫(yī)學工程專業(yè)的認識與了解，激發(fā)從事生物醫(yī)學工程研究，為改變我國醫(yī)療器械等生物醫(yī)藥行業(yè)的落后面貌而獻身的學習熱情。 目前，我國出版的生物醫(yī)學工程概論方面的教材很少。2010年，西安交通大學出版社出版了一本名為《生物醫(yī)學工程概論》的圖書，作者是邁克爾·M·多馬克。該書作為一本翻譯的英文參考書，可以直接作為生物技術、生物醫(yī)學工程等專業(yè)本科生、研究生的教科書。但是，該書側重于定量闡述分子、細胞與組織器官的行為，以及研究這些行為的技術方法與原理等，不僅不適合于給1年級的新生作為概論的教材，而且與我校生物醫(yī)學工程專業(yè)后續(xù)的《生物化學與分子生物學》、《細胞生物學》等課程產(chǎn)生交叉與重疊。本教材以華中科技大學多年來承擔《生物醫(yī)學工程概論》、《生物信息學概論》課程講授的教師的課件和教材為基礎編寫而成，由丁明躍主編，參編人員包括劉筆鋒、趙元弟、寧康、劉欣、薛宇、肖鵬、尉遲明、馬軍、陳威等。希望為今后選修《生物醫(yī)學工程與信息技術概論》的學生提供與課程配套的教材，并為從事生物醫(yī)學工程等相關專業(yè)的本科生、研究生提供可供參考的教科書。 由于編寫過程較為倉促，加之水平的限制，可能書中難免存在不足指出，敬請讀者批評指正。
丁明躍，男，博士，華中科技大學生物醫(yī)學工程系主任、教授，博士生導師，圖像信息處理與智能控制教育部重點實驗室副主任，華中科技大學-迪正雅合醫(yī)學影像聯(lián)合實驗室主任，兼任IEEE高級會員，SPIE會員，中國生物醫(yī)學工程學會高級會員，《電子學報》《宇航學報》編委，中國醫(yī)療器械技術創(chuàng)新聯(lián)盟專家委員會委員，湖北省生物醫(yī)學工程學會生物醫(yī)學儀器專業(yè)委員會副主任委員，中國生物醫(yī)藥生物技術協(xié)會生物醫(yī)學信息分會常務委員。承擔完成國家自然科學基金，國家高技術863，國家教委跨世紀優(yōu)秀人才基金，教委博士點專項基金，國防科工委基金，航天基金以及加拿大研究項目等四十余項，其中目前承擔與本項目相關的課題八項。已編輯出版英文論文集、中英文專著(章節(jié))八部，在國內(nèi)外權威期刊以及國際會議上發(fā)表論文300余篇。
章 生物醫(yī)學工程簡介 1
1.1什么是生物醫(yī)學工程？ 1
1.2為什么要開設生物醫(yī)學工程概論課程？ 3
1.3國際生物醫(yī)學工程發(fā)展概況 8
1.4國內(nèi)生物醫(yī)學工程發(fā)展現(xiàn)狀 9
1.5 我國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 10
1.6生物醫(yī)學工程領域主要研究方向 14
1.6.1醫(yī)學影像 14
1.6.2 生物材料及其制品 18
1.6.3 組織工程 20
1.6.4 生物力學 23
1.6.5 生理信號無創(chuàng)檢測數(shù)字化機體(個體化)功能狀態(tài)動態(tài)連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng) 24
1.7 生物醫(yī)學工程未來的主要發(fā)展領域 26
1.7.1 生物阻抗成像 27
1.7.2 激光生物醫(yī)學 30
1.7.3 生物傳感器 32
1.7.4 微電機系統(tǒng)-微米、納米技術 36
1.7.5 介入診療技術 39
1.7.6 醫(yī)用機器人技術 41
1.7.7 醫(yī)學人工智能技術 47
1.8 本章小結 55
思考題 55
參考文獻 56
第二章 生物信息學概論 58
2.1 生物信息學的定義 58
2.2 生物信息學的發(fā)展歷程 61
2.3 中國生物信息學發(fā)展的歷程 67
2.4 生物信息學的研究內(nèi)容及一般研究方法 70
2.5 如何成為生物信息學家？ 73
2.6 生物信息學的發(fā)展現(xiàn)狀、前景和挑戰(zhàn) 76
思考題 80
參考文獻 81
第三章 生物醫(yī)學傳感器 84
3.1 簡介 84
3.1.1 傳感器分類 85
3.1.2 傳感器的封裝 86
3.1.3 傳感器特性 86
3.2 生物電位測量 96
3.2.1 電解質(zhì)/金屬電極界面 97
3.2.2 心電電極 98
3.2.3 肌電電極 99
3.2.4 腦電電極 99
3.2.5 微電極 100
3.3 物理指標測量 101
3.3.1 位移傳感器 101
3.3.2 氣流傳感器 109
3.3.3 溫度檢測 109
3.4 血液氣體傳感器 113
3.4.1 氧氣測量 113
3.4.2 pH電極 117
3.4.3 二氧化碳傳感器 118
3.5 生物傳感器 118
3.5.1 電化學葡萄糖傳感器 119
3.5.2 電化學乳酸傳感器 122
3.6 光學傳感器 122
3.6.1 光纖 122
3.6.2 光纖pO2傳感器 123
3.6.3 光纖pH傳感器 124
3.6.4 光纖pCO2傳感器 125
3.6.5光纖壓力傳感器 125
3.6.6光纖溫度傳感器 126
3.6.7光纖免疫熒光傳感器 126
3.7 本章小結 127
思考題： 127
參考文獻： 128
第四章 面向系統(tǒng)生物醫(yī)學的下一代測量技術 129
4.1背景 129
4.2系統(tǒng)生物學與系統(tǒng)生物醫(yī)學 129
4.3下一代測量技術 129
4.4 組學分析技術 129
4.5 展望 129
第五章 生物大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析與深度學習 130
5.1生物統(tǒng)計學基礎 130
5.2傳統(tǒng)生物統(tǒng)計學及其應用 131
5.2.1生物統(tǒng)計量的計算和表征及其應用 131
5.2.2生物數(shù)據(jù)的中常見的幾種分布及其應用 132
5.2.3生物數(shù)據(jù)的分組和比較及其應用 136
5.2.4針對生物數(shù)據(jù)的假設檢驗及其應用 136
5.2.5 假設檢驗 136
5.3生物大數(shù)據(jù)與概率統(tǒng)計模型 138
5.3.1 Hidden Markov Model (HMM)及其應用 139
5.3.2 進化樹的概率模型 142
5.3.3 Motif finding中的概率模型 145
5.3.4 基因表達數(shù)據(jù)分析 147
5.3.5 基因網(wǎng)絡推斷與分析 148
5.3.6 Dimension reduction及其應用 149
5.4 面向生物大數(shù)據(jù)挖掘的深度學習 151
5.4.1 深度學習方法的類型 152
5.4.2 深度學習 153
5.4.3 深度學習應用于生物大數(shù)據(jù)分析 155
5.5本章小結 157
思考題 157
參考文獻 159
第六章 生物材料與組織工程 161
6.1基本概念 161
6.1.1生物材料及其衍生醫(yī)療器械產(chǎn)品 161
6.1.2組織工程的出現(xiàn)及其發(fā)展 164
6.2 典型生物材料產(chǎn)品 165
6.2.1 心血管類 165
6.2.2 骨科及外科 167
6.2.3 齒科 170
6.2.4 眼科 171
6.2.5 其他 171
6.3 如何研發(fā)生物材料產(chǎn)品 172
6.3.1從實驗室到臨床應用的路徑 172
6.3.2生物材料產(chǎn)品的倫理學問題 174
6.4 新型生物材料及相關技術 174
6.4.1 3D生物打印 174
6.4.2 介入治療與生物材料 175
6.4.3 組織工程與再生醫(yī)學 175
思考題 177
參考文獻 177
第七章 醫(yī)學超聲與超聲斷層成像 178
7.1醫(yī)學超聲成像 178
7.1.1醫(yī)學超聲簡介 178
7.1.2現(xiàn)代超聲成像技術 179
7.2 超聲斷層成像現(xiàn)狀 179
7.2.1什么是超聲斷層成像 179
7.2.2國際發(fā)展現(xiàn)狀 181
7.2.3國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 185
7.3超聲斷層成像重建方法 187
7.3.1反射成像 187
7.3.2聲速、衰減成像 189
參考文獻 191
第八章 三維超聲成像與應用 194
8.1 什么是三維超聲？ 194
8.1.1 二維超聲存在的問題 194
8.1.2 什么是三維超聲成像技術？ 194
8.2 三維超聲的發(fā)展歷史 195
8.3 三維超聲成像技術的分類 196
8.3.1 基于機械掃描的三維超聲成像 196
8.3.2 自由臂三維超聲成像 201
8.3.3 基于三維探頭的三維超聲成像 204
8.4 三維超聲重建誤差分析 219
8.4.1 平行掃描重建誤差分析 220
8.4.2 偏轉掃描重建誤差分析 222
8.5 三維超聲圖像顯示 223
8.5.1 面繪制 224
8.5.2 多平面顯示 224
8.5.3 體繪制（volume rendering） 226
8.5.4 立體顯示（stereo view） 228
8.6 三維超聲的臨床應用 229
8.6.1 胎兒缺陷檢測 229
8.6.2 心血管疾病的診斷與治療 230
8.6.3 前列腺近放射治療（prostate brachytherapy） 232
8.6.4 頸動脈粥樣硬化分析91 238
8.6.5 基于三維超聲穿刺活檢術 242
8.7 本章小結 243
思考題 244
參考文獻 245
第九章 正電子發(fā)射斷層成像 255
9.1 基本概念 255
9.1.1 PET成像及應用意義 255
9.1.2 PET成像中的信息轉化 255
9.2 PET成像關鍵環(huán)節(jié) 257
9.2.1 正電子到伽馬光子 257
9.2.2 伽馬光子到可見光 259
9.2.3 可見光到電 262
9.2.4 模擬到數(shù)字 263
9.2.5 數(shù)據(jù)到圖像 265
9.3 全數(shù)字PET介紹 268
9.3.1 MVT采樣方法 268
9.3.2 全數(shù)字PET探測器 268
9.3.3 全數(shù)字PET系統(tǒng) 269
第十章 質(zhì)譜成像方法 271
10.1引言 271
10.2質(zhì)譜成像的原理和方法 271
10.2.1 MADLI-MS質(zhì)譜成像 272
10.2.2 SIMS質(zhì)譜成像 275
10.2.3 DESI質(zhì)譜成像 275
10.2.4 三種質(zhì)譜成像方法比較 276
10.3 質(zhì)譜成像技術的應用 277
10.3.1 MALDI質(zhì)譜成像技術應用 277
10.3.2 SIMS在生物組織成像應用 282
10.3.3 DESI質(zhì)譜成像應用研究 283
10.4 前景與展望 284
參考文獻 285
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