Biomedical Engineering and Design Handbook, Volume 2 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:McGraw-Hill Professional

作者:Myer Kutz

出品人:

页数:816

译者:

出版时间:2009-7-1

价格:GBP 109.99

装帧:Hardcover

isbn号码:9780071498395

丛书系列:Biomedical Engineering & Design Handbook

图书标签:

• Biomedical Engineering
• Medical Devices
• Design
• Healthcare Technology
• Bioengineering
• Engineering Design
• Biomaterials
• Biomechanics
• Rehabilitation Engineering
• Medical Imaging

生物医学工程与设计手册：第二卷 引言 随着科学技术的飞速发展，生物医学工程领域正以前所未有的速度向前迈进。从精确的基因编辑到智能化的医疗器械，再到革命性的再生医学，这一跨学科领域不断挑战着我们对生命和健康的理解，并为改善人类福祉开辟了新的道路。作为一本专注于该领域的权威参考书籍，《生物医学工程与设计手册》第二卷，旨在深入探讨这一充满活力的领域中更具前瞻性和创新性的主题。本书汇集了该领域内顶尖的科学家、工程师和临床医生的专业知识，为读者提供了一个全面、深入且实用的知识宝库，覆盖了从基础理论到前沿应用的广泛内容。 生物医学信号处理与分析 本卷的第一个核心部分聚焦于生物医学信号的处理与分析，这是理解和解读生命体信息的基石。从电生理信号（如脑电图EEG、心电图ECG、肌电图EMG）到生物力学信号（如步态分析），再到医学影像信号（如MRI、CT、超声），理解这些信号的获取、预处理、特征提取和模式识别至关重要。本书将详细介绍各种先进的信号处理技术，包括但不限于： 时域分析技术： 均值、方差、峰值检测、过零率等，用于描述信号的基本统计特性。 频域分析技术： 傅里叶变换、小波变换、功率谱密度分析等，用于揭示信号的频率成分和能量分布，对于识别病理生理过程中的周期性或瞬时变化至关重要。 时频域分析技术： 希尔伯特-黄变换（HHT）、短时傅里叶变换（STFT）等，能够同时捕捉信号的时间和频率信息，特别适用于分析非平稳信号，如心脏搏动的变化。 非线性分析技术： 分形分析、混沌理论、熵计算等，用于探索生物信号中隐藏的复杂性和动态特性，为诊断和预后提供新的视角。 机器学习与深度学习在信号分析中的应用： 卷积神经网络（CNN）、循环神经网络（RNN）、长短期记忆网络（LSTM）等，如何利用这些强大的工具来自动识别、分类和预测与疾病相关的生物信号模式，实现更精准的诊断和预警。 噪声消除与伪影去除技术： 滤波算法（如Butterworth、Chebyshev、Kalman滤波器）、独立成分分析（ICA）、主成分分析（PCA）等，如何有效地从嘈杂的生物信号中提取有用的信息，提高信号质量。 本书将通过丰富的案例研究和算法实例，帮助读者理解这些技术在实际应用中的优势和局限性，并鼓励读者探索新的分析方法，以应对日益复杂的生物医学数据挑战。 医学影像技术与生物力学 医学影像作为现代医学诊断的“眼睛”，其发展日新月异。本卷深入探讨了当前主流的医学影像技术，并展望了未来的发展趋势。内容涵盖： 先进的成像原理与技术： 磁共振成像（MRI）： 从梯度回波、自旋回波到扩散张量成像（DTI）和功能性MRI（fMRI），介绍不同序列的成像原理、应用范围以及图像伪影的产生与克服。 计算机断层扫描（CT）： 多层螺旋CT、能谱CT（dual-energy CT）的技术特点、辐射剂量优化策略以及在三维重建和功能成像中的应用。 超声成像： 谐波超声、造影超声、三维/四维超声，以及它们在临床诊断中的作用。 核医学成像： PET、SPECT成像原理、示踪剂选择、图像重建算法及其在肿瘤、神经系统和心血管疾病诊断中的应用。 光学成像技术： 光学相干断层扫描（OCT）、多光子显微镜等，在微观层面观察生物组织结构和功能的潜力。 图像重建与后处理： 详细阐述从原始数据到可用图像的复杂过程，包括滤波反投影、迭代重建算法，以及图像分割、配准、增强和量化分析等技术。 定量影像学： 如何从医学影像中提取定量信息，例如肿瘤体积、病灶生长速率、脑血流灌注等，为疾病的评估和治疗监测提供客观依据。 与此同时，生物力学作为研究生命体及其组成部分机械行为的学科，在本卷中也占据重要地位。我们将探讨： 生物材料力学： 骨骼、软骨、肌腱、血管等生物组织的力学性能，以及它们与损伤、退行性疾病的关系。 生物流体力学： 血液循环、呼吸系统、淋巴系统等的流体动力学特性，以及在疾病诊断和治疗中的应用，如血栓形成、动脉瘤的力学分析。 细胞力学： 细胞受到的机械力如何影响其行为、增殖和分化，以及在组织工程和药物传递中的意义。 步态与运动分析： 利用运动捕捉系统、力平台等技术，分析人体的运动模式，用于康复、运动损伤预防和假肢设计。 有限元分析（FEA）在生物力学中的应用： 如何利用FEA模拟生物组织的应力分布、形变以及损伤机制，为手术规划、植入物设计提供支持。 组织工程与再生医学 组织工程与再生医学是生物医学工程中最具革命性的领域之一，旨在修复、替换或再生受损或丢失的组织和器官。本卷将深入探讨这一领域的最新进展： 生物支架材料： 天然材料： 胶原蛋白、透明质酸、壳聚糖、纤连蛋白等，及其在构建生物活性支架中的应用。 合成聚合物： PCL、PLA、PLGA、PEG等，及其可调控的降解速率和力学性能。 陶瓷与金属： 羟基磷灰石、钛合金等，在骨组织工程和种植体中的应用。 生物打印技术： 3D打印技术（如熔融沉积成型、喷墨打印、激光辅助打印）在构建复杂三维细胞支架中的作用，以及生物墨水的选择与优化。 细胞来源与培养： 干细胞技术： 成体干细胞（如骨髓间充质干细胞MSC）、诱导多能干细胞（iPSC）和胚胎干细胞（ESC）在组织再生中的潜力。 细胞培养基与生长因子： 如何设计最优化的培养环境，促进细胞的增殖、分化和功能维持。 细胞共培养与体外建模： 利用不同细胞类型共培养构建更接近体内环境的体外模型，用于疾病研究和药物筛选。 组织再生策略： 体外诱导分化： 如何将干细胞诱导分化为特定类型的细胞（如成骨细胞、软骨细胞、神经元），以用于组织修复。 体内细胞募集与分化： 设计具有信号传导功能的支架，引导体内自身细胞迁移、增殖和分化，实现组织再生。 器官芯片（Organ-on-a-chip）： 利用微流控技术模拟人体器官的生理功能，用于药物测试、疾病建模和毒理学研究。 临床应用与挑战： 骨组织工程、软骨修复、皮肤再生、血管化、神经再生、心脏再生等领域的最新临床试验成果，以及面临的生物相容性、免疫排斥、血管化不足、成本效益等挑战。 生物传感器与微纳技术在生物医学中的应用 生物传感器是能够将生物信息转化为可测量信号的装置，而微纳技术则为生物传感器的微型化、高灵敏度和高通量化提供了可能。本卷将深入探讨： 生物传感器的基本原理： 识别元件： 抗体、核酸、酶、肽、细胞等，用于特异性识别目标分析物。 信号转导机制： 电化学、光学（荧光、比色）、压电、热学等，将生物识别事件转化为可检测的信号。 传感器的分类： 按识别元件（酶传感器、免疫传感器、核酸传感器）、按转导机制（电化学传感器、光学传感器）等进行分类。 先进的生物传感器技术： 表面等离子体共振（SPR）传感器： 无需标记即可实现高灵敏度、实时监测生物分子相互作用。 微流控芯片实验室（Lab-on-a-chip）： 将复杂的实验室流程集成到微型芯片上，实现快速、便携、低成本的生物分析。 纳米材料在生物传感器中的应用： 金纳米颗粒、量子点、碳纳米管、石墨烯等，如何提高传感器的灵敏度、选择性和响应速度。 DNA纳米技术与适配体（Aptamer）的应用： 设计高度特异性的核酸分子作为识别元件。 微纳技术在疾病诊断中的应用： 即时诊断（Point-of-Care Testing, POCT）： 开发可用于床边或家庭的快速、便捷的诊断设备，如血糖仪、妊娠试纸、传染病快速检测试剂。 液体活检： 检测血液、尿液、唾液等体液中的生物标志物（如循环肿瘤DNA, ctDNA，外泌体），用于癌症早期筛查、诊断和监测。 单细胞分析： 利用微纳技术实现对单个细胞的基因组、转录组、蛋白质组和代谢组分析，深入理解细胞异质性。 微纳机器人与药物递送： 探索微纳机器人用于靶向药物递送、微创手术、体内诊断等前沿应用。 生物医学工程的伦理、法规与未来展望 任何一门快速发展的技术都伴随着深刻的伦理和社会影响。本卷的最后一部分将关注生物医学工程领域的伦理、法规以及未来的发展趋势： 生物医学研究与临床应用的伦理考量： 知情同意与患者隐私： 如何在涉及基因信息、医疗数据等敏感信息时，确保患者的知情权和隐私保护。 基因编辑的伦理争议： CRISPR-Cas9等技术在生殖系基因编辑、增强人类能力等方面的潜在伦理风险。 人工智能在医疗中的伦理问题： 算法的偏见、责任划分、人类医生的角色转变等。 公平可及性： 如何确保先进的生物医学技术能够惠及所有人群，避免加剧医疗不平等。 生物医学工程的法规框架： 医疗器械的审批与监管： FDA、EMA等监管机构在确保医疗器械安全性和有效性方面的作用。 临床试验的规范： 遵循ICH-GCP等国际标准，保障受试者权益和研究数据的可靠性。 生物制品与药品监管： 基因疗法、细胞疗法、生物制剂等的监管挑战。 生物医学工程的未来趋势： 人工智能与大数据在精准医学中的融合： 利用海量数据和AI算法，实现个体化的疾病预防、诊断和治疗。 个性化与可穿戴医疗设备： 智能手表、健康监测器等，实现对个体健康状况的持续监测和管理。 脑机接口（BCI）的发展： 如何利用BCI帮助残疾人士恢复运动能力、改善沟通方式，以及在神经科学研究中的应用。 合成生物学与仿生学： 将工程原理应用于生物系统，设计具有新功能的生物器件和系统。 跨学科合作的深化： 生物医学工程师与医生、生物学家、化学家、计算机科学家等的紧密合作，将是推动领域发展的关键。 结论 《生物医学工程与设计手册：第二卷》不仅仅是一本知识的汇编，更是一次对生命科学前沿探索的深度巡礼。本书通过对生物医学信号处理、医学影像、生物力学、组织工程、再生医学、生物传感器、微纳技术等多个关键领域的详细阐述，展现了生物医学工程如何以前所未有的方式重塑医疗健康的面貌。我们希望本书能够激发读者对这一领域更深入的思考和探索，为未来的科学研究、技术创新和临床实践提供宝贵的启示和坚实的基础。无论是对资深的研究人员、工程师，还是对有志于投身生物医学工程领域的学生，本书都将是一份不可或缺的参考。

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