Bài giảng môn cơ sở Kĩ thuật Y Sinh Đại học Bách khoa Hồ Chí Minh

Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Bài giảng môn học
CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH
Fundamentals of
Biomedical Engineering
Giảng viên phụ trách: TS. Huỳnh Quang Linh
Thời lượng: 45 tiết (2 TC 2-1-4)
• Tóm tắt nội dung mơn học
• Tài liệu tham khảo
• Đề cương mơn học
• Đề tài seminar
• Nội dung bài giảng
1


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Tóm tắt nội dung mơn học
Mơn 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, cơng
nghệ sinh học và cơng nghệ mơ…, 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.

2


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Tài liệu tham khảo
Tài liệu chính:
John Enderle J., Blanchard S., Bronzino J.:
Introduction to Biomedical Engineering,
Academic Press, Inc., San Diego,
California, 2000.

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.
3


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Đề cương môn học
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 lĩnh 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 mơn, một số
chương liên quan đến những lĩnh vực mà SV khơng có những

mơn chun 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.
4


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Đề cương môn học
Chương mục

Ghi chú

1. Tổng quan về Kỹ thuật Y sinh

Bài giảng

2. Cơ sở giải phẩu học và sinh lý học

Bài giảng

3. Cơ sở điện sinh học

Bài giảng

4. Cảm biến y sinh học

Bài giảng

5. Thiết bị y sinh học

Có mơn chun ngành

6. Xử lý tín hiệu sinh học

Có mơn chun ngành

7. Vật liệu sinh học

Bài giảng

8. Mơ phỏng các q trình sinh học

Seminar

9. Phân tích hệ thống ngăn

Seminar

10. Cơ sở cơ sinh học

Bài giảng

11. Các cơ chế cơ học tim mạch

Có mơn chun ngành

12. Thiết bị chẩn đốn hình ành y sinh

Có mơn chun ngành

13. Cơng nghệ sinh học

Seminar

14. Công nghệ mô

Bài giảng

15. Công nghệ hỗ trợ và phục hồi chức năng

Seminar

17. Kỹ thuật hỗ trợ lâm sàng và an toàn điện

Seminar

18. Các vấn đề đạo đức ngh ề nghi ệp

Seminar

5


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Đề tài seminars
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.
6


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Danh sách đề tài seminars
Tài liệu

Số trang

Số thành
viên nhóm

Compartmental Models of Physiologic Systems

[1] Ch.9

14

2

Cardiovascular Models and Control

[1] Ch.10

19

3

Respiratory Models and Control

[1] Ch.11

19

3

Neural Networks for Physiological Control

[1] Ch.12

10

2

The Fast Eye Movement Control System

[1] Ch.16

21

3

Membrane models - Action potential

[1] Ch.22

24

3

1 Biomedical Signals: Origin and Dynamic
Characteristics;
Frequency-Domain Analysis

[3] Ch.1

24

3

Digital Biomedical Signal Acquisition and
Processing

[3] Ch.2

25

3

History and Overview of Neural Engineering

[1] Ch.29

25

3

Rehabilitation Engineering, Science, and
Technology

[1] Ch.67

11

2

Joint Lubrication

[1] Ch.50

25

3

Nội dung chủ đề

7


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Danh sách đề tài seminars
Tài liệu

Số trang

Số thành
viên nhóm

Mechanics of Blood Vessels

[1] Ch.57

13

2

Clinical Engineering: Evolution of a Discipline

[2] Ch.1

10

2

Management and Assessment of Medical
Technology

[2] Ch.2

10

2

Risk Factors, Safety, and Management of Medical
Equipment

[2] Ch.3

15

3

A Standards Primer for Clinical Engineers

[2] Ch.6

12

2

Applications of Virtual Instruments in Health Care
Virtual Instrumentation: Applications in
Biomedical Engineering

[2] Ch.8
[2] Ch.32

10 +9

3

Medical Instruments and Devices Used in the
Home

[2] Ch.31

9

2

Hospital Information Systems: Their Function and
State

[3] Ch.40

19

3

[3] Ch.82-83

19

3

Nội dung chủ đề

Beneficence, Nonmaleficence, and Medical
Technology - Beneficence, Nonmaleficence, and
Medical Technology

8


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT Y SINH
Mục tiêu:
• Định nghĩa Kỹ thuật Y sinh
• Giới thiệu về kỹ sư sinh học và kỹ sư y sinh
• Sơ lược về lịch sử phát triển ngành Kỹ thuật y sinh
• Một số định nghĩa, khái niệm ban đầu


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Kỹ thuật Y sinh là gì?

• 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, cơng nghệ
thơng tin) trong lĩnh vực y sinh học, đặc biệt trong y khoa.
Trong xu hướng phát triển hiện nay, lĩnh vực này khơng

cịn hiểu theo nghĩa hẹp là chỉ có thiết bị phục vụ chẩn
đốn và điều trị, mà cịn 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 đốn 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 cơng nghệ
tiên tiến, đặc biệt ở Mỹ, Canada, Nhật, Đức,...
•
Ở Việt nam, đi đơi 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.
Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Kỹ sư sinh học
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 cơng nghệ gen (genetic engineering)
Đơi 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
học, …)

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

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

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Các công cụ và hoạt động
của kỹ sư y sinh
n

n
n
n
n
n
n
n

Mơ hình hóa, mơ phỏng, phân tích hệ thống
Dị tìm, đo đạc, mơ hình hóa các tín hiệu sinh lý
Xử lý tín hiệu phục vụ cho chẩn đốn
Sự phát triển của các qui trình điều trị, phục hồi và các
thiết bị
Phát triển các thiết bị cho sự thay thế hoặc mở rộng các
chức năng của cơ thể
Phân tích bằng máy tính dữ liệu riêng của bệnh nhân để
đưa ra quyết định lâm sàng
Ảnh y học
Tạo ra các sản phẩm sinh học mới

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Các nhiệm vụ của kỹ sư y sinh
n

n
n

n

n
n

Nghiên cứu những vật liệu mới cho các cơ quan, mô, vật
cấy ghép… nhân tạo
Phát triển các cơng cụ chẩn đốn mới
Phát triển các mơ hình tính về các chức năng và hệ thống
sinh lý
Thiết kế các hệ thống ảnh, cảm biến, cơ quan, vật cấy ghép,
công cụ
Thiết kế các hệ thống điều khiển
Nghiên cứu các chức năng thông thường và khác thường để
phát triển các phương pháp điều trị mới

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Phân loại kỹ sư y sinh
n
n
n

Kỹ sư lâm sàng - người giải quyết vấn đề
Kỹ sư chuyển giao công nghệ – doanh nhân công nghệ
Kỹ sư nghiên cứu – người thiết kế, chế tạo thiết bị, phát

kiến những vấn đề mới trong kỹ thuật y sinh

Vai trò của kỹ sư y sinh
n

n

Khi y học trở nên được tính nhiệm hơn trong kỹ thuật thì
nhu cầu về kỹ sư y sinh gia tăng
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 trị như
một người trung gian.
Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Mốc thời gian của các tiến bộ về
kỹ thuật trong y học
n
n
n
n
n
n
n
n
n

n
n
n
n
n
n
n

1714: hệ thống độ chia Fahrenheit được đề xuất dựa trên nhiệt độ
của con người
1733: Sự đo lường áp suất máu đầu tiên
1816: Ống nghe y học được phát minh
1818: Sự truyền máu thành công đầu tiên
1851: Kính soi đáy mắt được phát minh
1853: Ống tiêm dưới da được phát minh
1860: Máy đo huyết áp được phát minh
1870: Kỹ thuật phẩu thuật vô trùng phát triển
1895: Tia X được phát minh
1899: Aspirin được giới thiệu sử dụng
1903: Máy ghi điện tim (ECG) được phát minh
1906: Cấy ghép giác mạc ở người đầu tiên
1921: Insulin - điều trị cho bệnh tiểu đường
1924: Điện não đồ (EEG)
1928: Penicillin được khám phá
1929: Phổi nhân tạo kim loại cho các bệnh nhân bại liệt

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Mốc thời gian của các tiến bộ về
kỹ thuật trong y học
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n

1931:
1937:
1944:
1953:
1953:
1954:
1957:
1964:
1967:
1967:
1973:

gien
1974:
1981:
1982:
1995:

Sự phát minh ra kính hiển vi điện tử
Ngân hàng máu đầu tiên
Phẫu thuật mở tim
Khám phá cấu trúc của DNA
Máy tim-phổi thành công
Cấy ghép thận đầu tiên
Quét siêu âm cho phụ nữ mang thai
Phẫu thuật đầu tiên sử dụng laser
CT được phát triển
Cấy ghép tin người đầu tiên
Dịng vơ tính DNA được phát minh – khai sinh của công nghệ
Bằng sáng chế được cấp cho MRI
Việc sử dụng da nhân tạo đầu tiên để trị phỏng độ ba
Việc cấy tim nhân tạo Jarvik đầu tiên
Bằng sáng chế cho sự thay thế máu duy nhất

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Các tiến bộ về kỹ thuật trong y học
n

n

n

Hiện nay chúng ta cấy ghép thận, gan, tim, phổi,
lá lách, ruột, mạch máu, giác mạc,…
Chúng ta có thận nhân tạo (thẩm tách ), gan
(thẩm tách gan), tim (có khả năng cấy ghép
hoàn toàn )
Về mặt di truyền học chúng ta có thể sản xuất
nhân tạo một số các hợp chất sinh học và mô

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Các định nghĩa cơ bản
Các định nghĩa về kỹ thuật
n

n
n
n
n

Cơ học – ngành khoa học nghiên cứu về các vật
thể chuyển động hay không chuyển động
Tĩnh học
Chuyển động học

Động học
Động lực học
Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Giải phẫu học
Ngành học về các cấu trúc bên trong và bên ngoài cơ thể
và các mối quan hệ sinh lý của chúng

n

Sinh lý học

Ngành học về nghiên cứu các chức năng của các cấu trúc
giải phẫu

n

Nhân trắc học
n

Sự mơ tả về kích thước và khối lượng của
- Cơ thể
- Các phân đoạn của cơ thể
- Các thành phần của cơ thể

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh

Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Nhân động học (Kinesiology)
n

Sự nghiên cứu về chuyển động của con người

Dịch tể học
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

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

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, lịch sử của các tổn thương trước đó
- Các hoạt động giải trí theo đuổi
-

Các điều kiện về mơi trường

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Thuật ngữ tư thế giải phẫu

Hình 2.1. Góc nhìn thẳng phía trước của một cơ thể nam ở tư thế giải phẫu. (b)
Góc nhìn mặt bên của một cơ thể nữ. (c) Góc nhìn thẳng phía sau của một cơ thể
nam ở tư thế giải phẫu. Các hướng tương đối (đầu gần và ngoại biên, phần trên
hay dưới, chính giữa và ở bên) cũng được thể hiện

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Thuật ngữ mô tả phương hướng
n

n

n
n

n
n
n

Phần trên - superior (thuộc sọ, trong đầu), phần
dưới – inferior (phần đuôi )
Phía trước - anterior (thuộc bụng, trán), phía sau
- posterior (thuộc lưng)
Bề ngồi (superficial), bên trong, sâu (deep)
Chính giữa - medial, ở bên - lateral
Đầu gần - proximal, ngoại biên - distal
Lòng bàn tay (bàn chân) - palmar, lưng - dorsal
Cùng bên - ipsilateral, đối bên - contralateral

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh


Bài giảng CƠ SỞ KỸ THUẬT Y SINH – Ngành VẬT LÝ KỸ THUẬT - Khoa KHƯD – ĐHBK – ĐHQG TP.HCM 2006

Các mặt phẳng tham chiếu trong
giải phẫu
n

n

n

Mặt cắt đối xứng
dọc (sagittal) – chia
cơ thể ra thành hai

phần trái và phải
Mặt cắt dọc theo
trán (Frontal) – chia
cơ thể ra làm hai
phần trước và sau
Mặt cắt ngang
(transverse) – chia
cơ thể ra làm hai
phần trên và dưới
Hình 2.2. Cơ thể có thể được chia thành từng phần bởi các mặt
cắt đối xứng dọc, mặt cắt dọc trán và mặt cắt ngang. Mặt cắt
đối xứng dọc giữa đi qua đường chính giữa của cơ thể

Chương 1: Giới thiệu về kỹ thuật y sinh