مروری کوتاه بر تاریخچه مهندسی پزشکی (biomedical engineering)

تاریخچه مهندسی پزشکی :

دیدگاه های وسیع در هزاران سال قبل ، موجب هموار ساختن مهندسی پزشکی شده است.
در سال دو هزار میلادی یک مومیایی با ۳ هزار سال قدمت در thebes توسط باستان شناسان کشف شد که یکی از اعضای بدن آن (انگشت شصت) از چوب ساخته شده بود که به جای انگشت پا متصل شده بود، طبق نظریتات این عضو مصنوعی قدیمی ترین عضو مصنوعی شناخته شده است.

پیرو جنگ جهانی دوم مجری کمییته حوزه های مختلف پزشکی و مهندسی و زیست را با یکدیگر ترکیب کردند و دانش فیزیک پزشکی در سال ۱۹۴۳ در آلمان پایه گذاری شد. دریک دیدگاه وسیع تلاش های هزاران سال پیش، مهندسی پزشکی را برای ما در این قرن هموار ساخته است.در سال ۲۰۰۰ میلادی باستان شناسان در آلمان یک مومیایی سه هزار ساله را درThebes کشف کردند که یک عضومصنوعی چوبی همانند یک انگشت چوبی در پایش بکار گرفته شده بود که ممکن است قدیمی ترین عضو مصنوعی شناخته شده باشد
یونانیان همچنین از یک نی تو خالی برای شنیدن و دیدن آنچه که در بدن انسان رخ میدهد استفاده می کردند.

در سال ۱۸۱۶ میلادی فیزیکدان فرانسوی Rene laennec با قرار دادن گوشش در نزدیکی قفسه ی سینه ی بیمار و با استفاده از یک روزنامه ی لوله شده به صداهای درون آن گوش داد. بوجود آمدن این ایده برای اختراع او ، امروزه به ساختن گوشی طبی رهنمون شده است.
هیچ موضوعی در تکنولوژی پزشکی پیشرفت نمی کند مگر آنکه تندرستی انسان را تامین کند. دستگاه های امروزه ی مهندسی پزشکی از تغییر دستگاههای موفق اولیه بوجود آمدند.
ابزارهایی مانند دندان های چوبی ، عصاهای زیر بغل ، و هر وسیله ی که در کیف سیاه پزشکان پنهان شده بود به ابزار های شگفت مدرن که شامل دستگاههای تنظبم کننده ی ضربان قلب ، ماشین های دیالیز و ابزارهای تشخیصی و تکنولوژی تصویربرداری در انواع مختلف (آنژ یو گرافی ،مامو گرافی ،رادیو لوژی ،…)و اعضای مصنوعی شامل ایمپلنت ها و…

انجمن ملی مهندسان تعداد مهندسین فعالی که در حوزه های مختلف از تکنولوژی سلامت مشغول به کار می باشند نزدیک ۳۲۰۰۰ نفر تخمین زده است.اعضای این انجمن می کوشند تا بنیان های مهندسی پزشکی را بر پایه پیشرفت هایی که ۲۰۰ سال پیش در الکتروفیزیولوژی بدست آمد قرار دهند.پایه گذاری الکتروفیزیولوژی با Dubois Reymond آغاز شد همزمان با او Hermann von با دیدگاهی نو بر این نظر عقیده داشت که بکار بستن قوانین مهندسی در فیزیولوژی بدن بسیاری از مشکلات موجود را برطرف می کند.او عضلات را بصورت مقاومت و عصب ها را رسانای جریان معرفی کرد.
در سال ۱۸۹۵ Wilhelm Roentgen لامپ اشعه ی کاتد را بصورت تصادفی کشف کرد.این دستگاه که شامل یک ورقه روکش دار از آلیاژهای مس نیکل و تنگستن به همراه باریم بود . Roentgen به طور قطع فهمید که این لامپ باید انواع اشعه های نافذ را ساطع کند. او این اشعه را X نامید چون تا آن زمان ناشناخته بود. حتی زمانی که لامپ و ورقه در اتاق های جداگانه بودند تابش اشعه وجود داشت .در مدت زمان کوتاهی او حدس زد که اگر او اشعه X را از بین دست عبور دهد و آن را روی یک صفحه ثبت کند استخوان های دست را بوضوح خواهد دید.در حقیقت اولین رادیو گرافی از بدن انسان دست چپ Mrs Roentgen بود. در دهه بعد اشعه ی X به یک ابزار تشخیصی وسیع تبدیل شد . از استخوان ها تصویر واضحی همانند بک شی سفید در یک صفحه با زمینه ی سیاه نمایش داده می شد . این تحقیق او بر روی بافت هایی که این اشعه می گذشت یک مسیر را برای آخرین محصولات مدرن تکنولوژی تصویر برداری پزشکی و حذف آسیب هایی که در جراحی رخ می داد ، باز کرد.

مهندسی پزشکی یک ترکیب بی مانند از علوم مهندسی وپزشکی است و علومی همچون بیو فیزیک و فیزیک پزشکی را در ابتدای این قرن بوجود آورد. در آغاز این سه رشته به صورت بالقوه غیر قابل تشخیص بودند. و هیچ برنامه ی سلسله واری وجود نداشت .
در زمان بین جنگ جهانی اول و دوم تعدادی از لابراتور ها تحقیق را روی بیو فیزیک و فیزیک پزشکی عهده دار شدند. اما تنها یک آزمایشگاه یک ایده ی منسجم را ارایه داد . در سال ۱۹۲۱ Oswalt در فرانکفورت آلمان موسسه ای را پایه گذاری کرد که موضوعات فیزیک را در پزشکی بررسی می نمود .اعضای این انجمن می کوشیدند تا تاثیر تشعشع را بر عناصر زیستی بیابند. موسسه ی Oswalt و دانشگاه فرانکفرت به سرعت رشته ی بیوفیزیک را تا مقطع دکترا راه اندازی کردند. دروس آنها شامل اثر اشعه ی X بر روی بافت و خا صیت الکتریکی بافت بود. اساتید دانشگاه و محققین و دستیاران و تکنسین شامل ۲۰ نفر بودند.
پیرو جنگ جهانی دوم مجری کمییته حوزه های مختلف پزشکی و مهندسی و زیست را با یکدیگر ترکیب کردند و دانس فیزیک پزشکی در سال ۱۹۴۳ در آلمان پایه گذاری شد.
۵ سال بعد اولین کنفرانس مهندسی در پزشکی و زیست در آمریکا برگزار شد که تحت حمایت انجمن مهندسی برق و الکترونیک در آمریکا بود.
در این نشست کوچک تقریبا ۲۰ صفحه به حاضرین جلسه که تعدادشان کمتر از ۱۰۰ نفر بود تقدیم شد موضوع مورد برسی پیرامون یونیزاسیون توسط اشعه و مفهوم آن بود.

در سال ۱۹۸۵ کنفرانس بر پایه ی استفاده از کامپیوتر در پزشکی و زیست بود . در سال ۱۹۶۱ جمعییتی نزدیک به ۳۰۰۰ نفر شرکت کردند.
در سال ۱۹۸۳ نخستین بیمار تحت عمل جراحی قلب مصنوعی قرار گرفت و ۱۹۲ روز زنده ماند.در سال ۱۹۸۸ تلمبه ی تنظیم کننده ی قلب ساخته شد .در سال ۱۹۹۳ اولین پای الکتریکی ساخته شد. پایی که با استفاده از سیستم بادی و کنترلهای ریزپردازنده، سرعت قدم زدن فرد را دریافته و محفظه های بادی خود را به نحوی تنظیم میکند که به طور طبیعی به جلو عقب حرکت کرده و مانع از لنگیدن فرد میشود.

مهندسی پزشکی در ایران :

اسم این رشته به خوبی انتخاب شده و ترکیبی صحیح از دو گروه ریاضی و تجربی است. مهندسی و پزشکی همکاری مطلوب و شایسته‌ای را در کمک به بیماران و پزشکان آغاز کرده‌اند و در این راه گام‌های مؤثری برداشته شده‌است که هر روزه بسیاری از خبرهای آن را در رسانه‌هایی شنیده‌اید با توجه به گسترش روزافزون سیستمهای مهندسی در حیطه بهداشتی و پزشکی، تربیت و وجود نیروی انسانی متخصص و متبحر که آشنا به وسایل و تجهیزات پزشکی امری ضروریست.

گرایش‌ها و جهت‌گیری‌های کاری رشته مهندسی پزشکی، واقعاً وسیع است و زمینه‌های مختلفی از الکترونیک و پردازش سیگنال و مباحث نرم‌افزاری گرفته تا طراحی، ساخت، راه‌اندازی، نصب و تعمیر دستگاهها و قطعات پزشکی یا اندام مصنوعی، همچنین مواد به کار رفته در این وسایل را شامل می‌شود. جدا از این توضیحات، زمینه‌های کاری این رشته را می‌توان به ۳ بخش کلی تقسیم کرد:

• طراحی و ساخت

 طراحی و ساخت دستگاههای آزمایشگاهی و الکترونیکی و تجهیزات مربوط به آنها، نظیر وسایل مخصوصی که با تکنیکهای خاص، عناصر موجود در یک نمونه (مثلاً نمک خون و...) را به طرز دقیقی اندازه‌گیری کند مانند اسپکتروفتومتر که با تکنیکهای نوینی کار می‌کنند. ب- طراحی و ساخت بخشهای مکانیکی و برقی سیستم‌های تصویرگر پزشکی، مانند سیستم‌های سونوگرافی، رادیوگرافی، سی‌تی‌اسکن و دیگر دستگاههای که تصاویر ثابت یا محرکی را از بسیاری از بخشهای بدن به نمایش می‌گذارند. ج- طراحی و ساخت سیستم‌های اندازه‌گیری پزشکی و بیمارستانی، نظیر دستگاههای دریافت کنندة سیگنالهای مغزی. د- طراحی و ساخت قطعات و اندام مصنوعی بدن و موادی که در طول، تشخیص، درمان و معالجات بیماریها بکار می‌رود.

• تعمیر و نگهداری و بهینه‌سازی

از دیگر زمینه‌های کاری مهندسی پزشکی می‌توان به تعمیر، نصب، راه‌اندازی و نگهداری وسایل مورد نیاز است و البته واضح است که این نیروی مجرب باید دارای اطلاعات کافی در مورد قطعات و جزئیات کار آن وسیله یا دستگاه باشد. در کنار این موارد، مسئله بهینه‌سازی یا تلفیق دستگاهها و عملکرد آنها نیز مطرح است. پروژه کنترل کامپیوتری فشار خون، یا پروژه سه بعدی سازی تصویر دستگاه MRI، جزء همین بهینه‌سازی‌ها هست. دامنه کاربری این زمینه چنان وسیع است که اکنون سالانه چندصد مقاله در معتبرترین نشریات جهانی مهندسی پزشکی در این زمینه چاپ می‌شود و بیشترین تعداد پروژه‌ها برروی موضوع تلفیق و بهینه‌سازی انجام می‌شود.

• تشخیص بیماری و درمان

یکی از مهمترین مباحث مطرح در زمینه پزشکی، بحث استفاده از لیزر در پزشکی (چه در تشخیص و چه در درمان) است. اصولاً لیزر از همان ابتدا با توجه به قابلیتهای منحصر به فردی که داشت، به عنوان یک انتخاب خوب برای بهینه‌سازی عملکرد بسیاری از سیستم‌ها بکار گرفته شده. استفاده از لیزر برای تشخیص ضایعات چشمی یا نمایش فشار خون در نازکترین مویرگها یا سوراخ کردن و یا ایجاد کانال مصنوعی در قلب، سوزاندن و بریدن برخی ضایعات درونی یا تومورهای مختلف و... روز به روز درحال افزایش است. بحث شبکه‌های عصبی طبیعی و درمان انواع ضایعات عصبی مانند ضایعات نخاعی با کمک تحریکات الکتریکی و با کمک علم ژنتیک نیز از بحثهای مهم و جدید رشته مهندسی پزشکی است.

کارشناسی مهندسی پزشکی، به نوعی هم خانوادة همان رشته برق و الکترونیک است و این قرابت و نزدیکی حتی در دوره‌های کارشناسی ارشد و دکترا نیز تا حدی ادامه می‌یابد؛ بنابراین یک دانشجوی مهندسی پزشکی در دوره کارشناسی تقریباً ملزوم به گذراندن تمامی دروس اصلی مجموعه مهندسی برق است و به همین خاطر، فارغ‌التحصیلان رشته مهندسی پزشکی می‌توانند گرایش‌های کارشناسی ارشد مجموعه مهندسی برق را انتخاب کنند و همپای مهندسین کنترل، مخابرات، قدرت و الکترونیک، به تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد مهندسی برق بپردازند؛ بنابراین، عنوان مهندس پزشکی به هیچ عنوان نباید باعث شود که داوطلبان تصور کنند که این رشته بی ارتباط یا کم ارتباط با مباحث ریاضی و مهندسی است، چون دانشجویان این رشته به طور کامل با ریاضیات مهندسی پیشرفته و فیزیک در ارتباطند و از سنگین‌ترین نوع ریاضیات، به عنوان ابزار کار، دائماً بهره می‌برند، تا آنجا که دانشجویان این رشته، تا دروس ریاضیات مهندسی پیشرفته و معادلات دیفرانسیل و فیزیک الکتریسیته، موج، ارتعاش و حرکت را نگذرانند، قادر به اخذ دروس چندانی در دانشگاه خود نیستند.

گرایش های رشته مهندسی پزشکی :

• گرایش مهندسی پزشکی بالینی :

  مهندسی پزشکی بالینی از رشته‌های تخصصی شاخه مهندسی پزشکی است که مسئولیت پیاده‌سازی تکنولوژی پزشکی و بهینه‌سازی خدمات بهداشتی و درمانی دارد. نقش مهندسی پزشکی بالینی شامل آموزش و نظارت تکنسین تجهیزات پزشکی، همکاری با قانون گذاران و بازرسان بیمارستان‌های دولتی و دادن مشاورهٔ فنی برای دیگر کارکنان بیمارستان مانند پزشکان، مدیران، آی تی و... . مهندس پزشکی بالینی همچنین براساس تجربه‌های بالینی خود به تولیدکنندگان وسایل پزشکی در زمینه بهبود طراحی‌های آینده‌شان مشاوره می‌دهد درحالی که به عنوان ناظر بر پیشرفت قسمت‌های فنی بیمارستان‌ها، الگوهای خرید آن‌هارا با توجه به بخش تولید راهنمایی می‌کند.

• گرایش بیوالکتریک :

  این گرایش از مهندسی پزشکی دامنه بسیار وسیعی را شامل می‌شود اما در تعریفی کوتاه، بیوالکتریک را می‌توان علم استفاده از اصول الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی در حوزه پزشکی دانست؛ همچنین الگوبرداری از سیستم‌های بیولوژیکی در طراحی‌های نوین مهندسی نیز در حیطه این علم قرار دارد. در واقع یک مهندس بیوالکتریک علاوه بر این که به تمام گرایشهای مهندسی برق (به ویژه گرایش الکترونیک در مقطع کارشناسی و گرایشهای کنترل و مخابرات در مقاطع بالاتر) با دیدگاهی از حوزه علم خود نظر دارد، از برخی از شاخه‌های مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات نیز در حیطه علم مهندسی پزشکی یاری می‌جوید . اهم حوزه‌هایی که یک مهندس بیوالکتریک در آن فعالیت می‌کند عبارتند از:

1. پردازش سیگنال‌های حیاتی
2. پردازش تصاویر پزشکی و سیستم‌های تصویر برداری
3. پردازش صوت وگفتار و طراحی سیستم‌های گفتار درمانی جهت کمک به معلولین گفتاری
4. مدلسازی سیستم‌های بیولوژیک
5. طراحی بخش‌های الکترونیکی و کنترل اعضاء و اندام مصنوعی و ساخت وسایل توانبخشی
6. ثبت سیگنال‌های حیاتی و طراحی سیستم‌های مانیتورینگ بیمارستانی
7. طراحی و ساخت سیستم‌های درمانی و آزمایشگاهی پزشکی

• گرایش بیومکانیک :

بیومکانیک به استفاده از مکانیک کلاسیک در زمینه‌های علوم زیستی می‌پردازد. استفاده از قوانین دینامیک جامدات برای تحلیلهای حرکتی؛ دینامیک سیالات برای ارزیابی جریانهای درون محیطهای زیستی؛ ترمودینامیک و انتقال حرارت برای تحلیل رفتارهای سلولی و انتقال مواد و جرم بین موجود زنده و محیط و رباتیک برای خلق وسایل تشخیصی و درمانی جدید نیازمند درک مسایل محیطهای زنده از زاویهٔ مهندسی است. پیشرفت در این شاخه به ساخت قلب مصنوعی، دریچه‌های قلب، مفاصل مصنوعی، ارتزها و پروتزها، ابزارهای کمکی تشخیصی و جراحی، درک بهتر از عملیات و کارکرد قلب، ریه، شریانها، مویرگها، استخوانها، غضروفها، تاندونها، دیسکهای بین مهره‌ای و پیوندهای سیستم اسکلتی-عضلانی بدن شده‌است.

• گرایش بیومواد :

در این رشته بطور معمول برروی تهیهٔ مواد گوناگون مصنوعی و طبیعی، طراحی روش‌های ساخت و قالب‌گیری نهایی ماده و در نهایت اصلاح مواد برای کاربرد اختصاصی در پزشکی تحقیق صورت می‌گیرد. توسعهٔ انواع مدل‌های وسایل پزشکی نیازمند انتخاب، ساخت و آزمایش مواد است که لازمهٔ آن درک و فهم درست از شیمی و فیزیک مواد و شناخت محیط بیولوژیک بدن است. به عبارت دیگر باید توجه داشت که آیندهٔ علم بیومتریال در گرو توانائی ما در فهم کشفیات جدید در شیمی، فیزیک، بیولوژی و پزشکی است.

• گرایش مهندسی بافت :

این گرایش بیشتر در زمینهٔ پزشکی و در گستردهی میکروسکوپیک می‌پردازد. در این شاخه تخصص درآناتومی بیوشیمی و مکانیک سلول‌ها و ساختارهای درون سلولی برای درک بیشتر در فرایند بیماری توانایی داخل شدن به بخشهای ویژه سلول لازم است. هدف این شاخه که در اواخر قرن بیستم پایه‌گذاری شده‌است، مطالعه و تهیه مدل‌های ایده‌آل از ماکرومولکول‌ها و ساختار سلولی است که منجر به درک بهتر پدیده‌های درون یاخته‌ای و همچنین فهم عمیق‌تر مکانیسم تأثیر عملکرد ناصحیح آنها در بروز حالات بیماری می‌شود.

• گرایش پردازش تصاویر پزشکی :

در این رشته اطلاعات جمع‌آوری شده در تغییرات پدیده‌های فیزیکی در بدن را با بهره‌گیری از تکنولوژی تحلیل پردازش الکتریکی و سرعت بالای آن تجزیه و تحلیل می‌کنند و به صورت یک تصویر در می‌آورند و اغلب این تصاویر را می‌توان با اعمال غیر تهاجمی (بدون آسیب) بدست آورد به نحوی که هیچ اثر دردی برای بیمار نداشته باشد. در این گرایش تهیه تصویر از اجزاء ایستای بدن مانند استخوانها و بافتها و ادغام ویژگی‌های منحصر به فرد حالت‌های مختلف تصویربرداری مثل CT و MRI جهت تهیه تصاویر گویاتر مانند تصاویر سه‌بعدی و همچنین ارائه الگوریتم‌های پردازشی برای مدل‌سازی بافت‌های سالم و ضایعات آنها جهت ارائه روش‌های تشخیصی دقیقتر و غیر تهاجمی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

• گرایش مهندسی توانبخشی :

یک شاخه جدید و توسعه یافته مهندسی پزشکی است. متخصصان این رشته به بالا بردن توانایی‌ها وبهبود بخشیدن به کیفیت زندگی افراد کمک می‌کند و با توجه به پیشرفت تکنولوژی به طراحی مح‌های جدید و روشهای نوین برای سکونت ارتباط و... کمک می‌نماید.

• گرایش مدل‌سازی سیستم‌های فیزیولوژیکی :

در این زمینه سعی می‌شود با استفاده از قوانین موجود در مهندسی و تکنیک‌های پیشرفته و ابزار لازم یک طرح کلی و جامع از ارگان‌های زنده، از باکتری گرفته تا انسان، تهیه می‌کنند. در این رشته برای تحلیل اطلاعات حاصل از آزمایشها و فرمول‌بندی کردن جزئیات فیزیولوژیکی با روابط ریاضی، از مدل‌سازی کامپیوتری استفاده می‌شود. سیستم‌های زنده دارای یک مجموعه بسیار با قاعده به همراه بازخورد برای کنترل خود هستند. ازجمله علومی که با مدل سازی سیستمهای بیولوزیکی دربستره مهندسی پزشکی با یک فرمت جدید می‌توان تحلیل کرد علوم پزشکی مشرق زمین است فی الجمله طب سنتی ایران وچین که گستره‌ای از پارامدیک دست نیافته‌است وشاید به علت قدمتش با پزشکی نوپای غربی همپا نشده وسرشار از رموز واسرار است.

• گرایش ابزار دقیق در مهندسی پزشکی :

کاربردی است از الکترونیک در تشخیص و بررسی ساختار بیماری‌ها، رایانه‌ها بخش اصلی این گرایش را بر عهده دارند سیستم‌های تصویر پزشکی به وسیله مهندسان این رشته ساخته می‌شوند.