مهندسی پزشکی بیوالکتریک چیست؟

همه‌ی ما حداقل یکبار در عمرمان پایمان به مطب دکتر باز شده است. دستگاه‌های پزشکی را اگر در مطب پزشک یا بیمارستان هم ندیده باشید  در سریال‌های ایرانی حتما دیده‌اید. اگر کمی با دقت به علم پزشکی نگاه کنیم متوجه می‌شویم که پشت هر پزشک موفقی یک مهندس پزشکی و البته یک مهندس بیوالکتریک توانمند ایستاده است.

در بخش‌های دیگر سایت خط مهندسی با مهندسی پزشکی و سایر گرایش‌های آن آشنا شدیم. در این بخش می‌خواهیم نگاهی تازه به مهندسی بیوالکتریک بیندازیم. با ما همراه باشید.

بیوالکتریک

بیوالکتریک واژه‌ای مرکب ‌از ۲ واژه‌ی بیو (زیستی = Bio) و الکتریک (Electric) می‌باشد که کاربرد اصول الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی را در علوم زیست شناختی، پزشکی، درمانی و سلامتی مورد مطالعه قرار می‌دهد. رشته‌ی بیوالکتریک مطالعه‌ی رفتارهای مولکولی در اعضای بدن را آسان‌تر کرده و پیشرفت به‌سزایی در نوآوری دستگاه‌های پزشکی و فرآیندهای پیشگیری، تشخیص و معالجه‌ی امراض‌ ایجاد کرده‌است. مهندسان بیوالکتریک تلاش می‌کنند تا با ترکیب ِشناخت سیستم‌های پزشکی و الکتریکی ِخود، راه‌های جدیدی برای درمان بیماری‌ها پیدا کنند. محصولات بیوالکتریکی با استفاده از روش‌ها و تکنیک‌هایی ساخته شده‌اند که الکترومغتاطیس، ابزار دقیق، شبکه‌های عصبی، رباتیک و تکنولوژی سنسورها را در‌بر می‌گیرد.

یک مهندس بیوالکتریک ابتدا با گذراندن درس‌های مهندسی برق ( به ویژه گرایش الکترونیک در مقطع کارشناسی و گرایشات کنترل و مخابرات در مقاطع بالاتر ) با مفاهیم الکترونیک و برق آشنا شده و سپس درس‌های زیست شناختی همچون آناتومی و فیزیولوژی را فرامی‌گیرد. دانشجویان مشغول به تحصیل در این گرایش، با بکارگیری مسایل الکترونیکی و سیستم های کامپیوتری، مشغول به ساخت تجهیزاتی می شوند که در زمینه تصویربرداری، بررسی علایم حیاتی موجود زنده، نمایان ساختن رویدادهای فیزیولوژیکی، زیست شناسی و پردازش و تبدیل آن به سیگنال های قابل اندازه گیری به‌کار گرفته می‌شوند. همچنین دانشجویان با مدارهای الکتریکی و تکنیک های بکار رفته در تجهیزات پزشکی مانند سیستم های تصویربرداری، سیستم های پرتوپزشکی، سیستم های بکار رفته در اتاق عمل و بخش های CCU و ICU و تجهیزات الکتریکی که در بدن بکار می روند، سروکار دارند.

هیچ موضوعی در تکنولوژی پیشرفت نمی کند مگر آن که تندرستی انسان را بهبود بخشد.

شاخه‌های مهندسی بیوالکتریک

اهم حوزه هایی که یک مهندس بیوالکتریک در آن فعالیت می کند عبارتند از :

• پردازش سیگنال های حیاتی 

سیگنال‌های حیاتی از موضوعات مهم در شناخت آناتومی و فیزیولوژی انسان به شمار می‌آید که پردازش این سیگنال‌ها از مباحث گسترده در بیوالکتریک می‌باشد. عوامل بسیاری مانند محیط اطراف، اشتباه دستگاه یا پزشک موجب می‌شوند سیگنال‌هایی که توسط ارگان‌های بدن تولید می‌شوند با یکدیگر مخلوط شده یا تحت تاثیر نویز قرار گیرند. منظور از پردازش سیگنال های حیاتی جدا کردن سیگنال مورد نظر از سیگنال های درهم‌ آمیخته و نویز‌دار و سپس استخراج پارامترهای مفید سیگنال است. این پارامترها برای تشخیص پزشکی به کار برده می شوند.

• پردازش تصاویر پزشکی 

در کنار سیگنال‌های حیاتی، تصاویر پزشکی کمک شایانی در درمان بیماری‌ها و شناخت مسایل بیولوژیکی انسان می‌کنند. و اما تصاویری که از تجهیزات عکس برداری به دست می‌آیند در علم پزشکی چندان قابل فهم نبوده و نیاز است تا پردازش‌هایی برروی آنها انجام گیرد که یک مهندس برق با فراگیری دروس رشته‌ی بیوالکتریک در این شاخه می‌تواند به سلامت انسان کمک کند.

روش‌های تحلیل و پردازش تصاویر پزشکی اغلب شامل موارد زیر می‌شود :

•  پردازش تصاویر و استخراج اطلاعات موثر در تشخیص و یافتن مواضع مورد توجه (ROI=Region Of Interest)
•  بازسازی تصاویر در کامپیوتر به صورت سه بعدی و درونیابی اطلاعات جهت تولید برش‌های لازم از ارگان تحت تصویر برداری
•  حذف نویز، اختصاص رنگ و در کل ارتقا کیفیت تصویر

روش‌های تصویربرداری پزشکی :

روش‌های تصویربرداری پزشکی

قبلی ۱ از ۴ بعدی

روش اشعه ایکس (رادیوگرافی، فلوئورسکوپی و CT)

روش مغناطیسی MRI (Magnetic Resonance Imaging )

پزشکی هسته‌ای (Nuclear Medicine)

روش‌ فراصوت

• پردازش صوت و گفتار   

  در دنیای امروز با وجود استفاده‌ی بسیار از دنیای مجازی، صوت و دستگاه‌های گفتاری و شنوایی جایگاه خود را به‌عنوان ابزار ارتباطات همچنان حفظ کرده‌است. قطعا هیچ‌کس حاضر به از دست دادن قدرت تکلم و شنیدن نیست و ایجاد امکان صحبت کردن برای افراد لال و ناشنوا جز دغدغه‌های اصلی پزشکان و البته مهندسان پزشکی امروز می‌باشد. البته ویژگی‌های صوتی هر فرد تنها برای برقراری ارتباط با دنیای اطراف نیست. این روزها اثبات شده است که صدای هر شخص، مانند اثرانگشت او ویژگی منحصر به فرد همان شخص است که قابل کپی و تقلید کردن نیست، حتی برای دوقولوها! جالب است بدانید در کشور انگلستان، کمپانی HSBC ، سیستم شناسایی از طریق صدای افراد را برای تلفن بانک‌های این کشور طراحی کرده و ادعا می‌کند امن‌ترین سیستم قفل گذاری می‌باشد. در گرایش بیوالکتریک، محققین تلاش می‌کنند تا با پردازش صوت و مدلسازی دستگاه صوتی مشابه دستگاه صوتی انسان و همچنین دستگاه شنوایی به طراحی و ساخت وسایل و تجهیزات تشخیصی مثل شنوایی سنجی و تجهیزات مشابه آن بپردازند و با ثبت و پردازش سیگنال‌های برانگیخته‌ی شنوایی بتوانند اعضای مصنوعی شنوایی مثل حلزون مصنوعی گوش را بسازند که به کمک افراد لال و یا دارای مشکلات حاد گفتاری بیایند.

• مدلسازی سیستم‌های بیولوژیک

  مدلسازی سیستم‌های بیولوژیکی از کاربردهای مهم زیست‌شناسی سیستمی و زیست‌شناسی ریاضیاتی است. هدف سیستم‌های محاسباتی زیستی پیاده‌سازی و استفاده از الگوریتم‌های کارآمد، ساختمان داده‌ها، و ابزارهای تصویرسازی و ابزارهای ارتباطات با هدف شبیه‌سازی کامپیوتری سیستم‌های زیستی است. از مدلسازی در بخش‌های مختلف بیوالکتریک استفاده‌های بسیاری می‌شود که از مهم‌ترین آنها می‌توان به پردازش سیگنال‌ها و تصاویر بیولوژیکی اشاره کرد. مدلسازی سیستم‌های بیولوژیک محدود به دایره خاصی نشده و از مدلسازی کمی و کیفی یک سلول تا مدلسازی سیستم اعصاب مرکزی انسان، یعنی مغز را در‌بر می‌گیرد. از نمونه‌های پرکاربرد این مدلسازی‌ها می‌توان به مدلسازی مغز، مدلسازی نخاع و اعصاب، مدلسازی ماهیچه‌های چشم، مدلسازی کبد و دیگر اعضای بدن اشاره کرد که خدمت بزرگی به علم پزشکی کرده‌است.

• طراحی بخش های الکترونیکی و کنترل اندام مصنوعی  

  از بارزترین کارهای رشته‌ی مهندسی بیوالکتریک که همه‌ی ما با آن آشنا هستیم، طراحی و شبیه سازی سیستم‌ عصبی بدن انسان است. مهم‌ترین و شاید تخصصی‌ترین شاخه‌ی بیوالکتریک را می‌توان طراحی و ساخت اعضای مصنوعی بدن دانست. برای ساخت یک عضو مصنوعی، یک مهندس بیومکانیک برای تحلیل‌ و طراحی و ساخت بخش‌های مکانیکی اندام‌های مصنوعی و مهندس بیومواد جهت انتخاب مواد مناسب این عضوها برای سازگاری با سایر اندام‌های بدن همکاری می‌کنند. این عضو ساخته شده برای حرکت و دستور گرفتن و انجام دستور به مدارات الکتریکی که مشابه سیستم عصبی انسان عمل کند و نیز سنسور هایی که بازخورد عملکرد عضو را نشان دهند، نیاز دارد که در اینجا اهمیت مهندس بیوالکتریک نمود پیدا می‌کند. علاوه بر موارد مربوط به ساخت اعضای مصنوعی، طراحی و ساخت وسایل و تجهیزات توانبخشی را نیز می‌توان در این دسته قرار داد. از این میان میتوان به تجهیزاتی مثل سیستم FES (Functional Electrical Stimulation )  یا تحریک الکتریکی عضلات افراد قطع نخاع جهت حرکت دادن مصنوعی آنها اشاره کرد، و یا تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی توانبخشی که دایره‌ی وسیعی از وسایل را شامل می‌گردند و برای بازیابی توانایی فیزیکی اعضای صدمه دیده به کار می‌روند.

• طراحی سیستم‌های ثبت سیگنال‌های حیاتی   

  در این شاخه به بحث تجهیزات ثبت داده‌های پزشکی و علایم حیاتی اعم از سیگنال‌ها و تصاویر ‌پرداخته می‌شود که به طراحی و ساخت دستگاه‌ها و سخت افزارهایی نیاز دارد که اغلب به کامپیوتر متصل‌اند. از نمونه‌های این دستگاه‌ها می‌توان به تجهیزات مانیتورینگ و ثبت داده در محیط‌های بیمارستانی، آزمایشگاهی مانند دستگاه‌های ثبت نوار قلبی و مغزی، سونوگرافی، رادیولوژی، MRI و CT و دیگر مثال‌هایی که حتما با آن‌ها سر و کار داشته اید اشاره کرد .

• طراحی و ساخت سیستم های درمانی و آزمایشگاهی

  علاوه بر بخش‌های گفته شده، تجهیزات پزشکی فراوانی وجود دارند که اهمیت و تخصص رشته‌ی بیوالکتریک در آن‌ها نیز مشهود است. بسیاری از تجهیزات درمانی وجود دارد که مهندسین بیوالکتریک تلاش خود را برای بهبود این دستگاه‌ها انجام می‌دهند که از میان آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد :

• سنگ شکن‌های کلیه
• تجهیزات فیزیوتراپی و کایروپراکتیک
• تجهیزات رادیوتراپی
• لیزرها

زمینه‌های تحقیقاتی مهندسی بیوالکتریک

از مهم ترین زمینه‌هایی که یک مهندسی بیوالکتریک در مقاطع بالاتر و زمینه‌های کاری می‌تواند به تحقیق و پژوهش بپردازد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد :

بیومکاترونیک ( Biomechatronics ) :

اگر با رشته‌ی مکاترونیک آشنایی داشته باشید، می‌دانید که این رشته ، تلفیق دو رشته‌ی مهندسی مکانیک و مهندسی برق می‌باشد . برای اطلاعات بیشتر مطالعه‌ی بخش مکاترونیک خط مهندسی را به شما پیشنهاد می‌کنیم .

از آنجا که مکاترونیک سابقه‌ای نزدیک به چهل سال دارد، در ده سال گذشته جامعه این رشته را به سمتی سوق داده که برای افرادی که به هر نحوی معلولیت یا نقص عضو (به هر دلیل اعم از سرطان و جنگ و بیماری و اختلال مادرزادی ) دارند، وسایلی را طراحی کنند که به صورت هوشمند زندگی را برای این افراد ساده تر کند. بیومکاترونیک علمی میان رشته‌ای است که با هدف معالجه و افزایش سلامتی، عضوهای مکانیکی کنترل شده توسط کامپیوتر را با بدن انسان همگاهنگ می‌سازد. به زبان ساده، با بیومکاترونیک می‌توان اعضای مصنوعی‌ مشابه با اعضای مصنوعی سنتی مانند دست و پا را ساخت. با این تفاوت که محصولاتی که امروزه توسط یک مهندس بیومکاترونیک طراحی و ساخته می‌شود، قادر خواهند بود حرکت ماهیچه‌ها و سیستم عصبی بدن فردی که عضو مصنوعی را می‌پذیرد تقلید کرده و با آن کنش و واکنش دهد. هر سیستم بیومکاترونیک دارای چهار مولفه‌ می‌باشد که عملکرد آن را تعیین می‌کنند : بیوسنسورها، سنسورهای مکانیکی، کنترلر و محرک.

امروزه تحقیقات بیومکاترونیکی در ۳ حوزه اصلی تمرکز دارند : تحلیل حرکت ها انسان، تبادل انسان با الکترونیک، عضوهای مصنوعی پیشرفته.

برای آنکه محصولات بیومکاترونیکی پربازده و کارآمد ساخته شود، ضروری است که حرکت و جنبش انسان را بفهمیم، محصول ما قادر باشد تا با فرآیندهای زیستی همگام شود و عضوهای مصنوعی پیشرفته باید بتواند بر توسعه‌ی ماشین‌های پیچیده فایق آید .

ابزاردقیق پزشکی ( Bioinstrumentation ) :

این زمینه استفاده‌ی تجهیزات بیوالکتریکی در ثبت و انتقال داده‌های فیزیولوژی را مورد بررسی قرار می‌دهد . دستگاه‌های مهندسی پزشکی آمیخته‌ای از بیولوژی، سنسورها ،اتصال الکترونیکی، میکروکنترلرها و برنامه نویسی‌ کامپیوتری می‌باشند که ترکیبی از رشته‌های بیولوژی، اپتیک، مکانیک، ریاضیات، برق، شیمی و کامپیوتر است. بیواینسترومنت مهندسان را دور هم جمع می‌کند تا به طراحی، ساخت، تست و تولید تجهیزات پزشکی و آلات کاشتنی بپردازند.

از محصولات بیوالکترونیکی موردهای زیر را می‌توان نام برد :

نمونه‌هایی از ابزاردقیق

• الکتروکاردیوگراف‌ها ( ECG )
• ضربان‌ساز قلب
• دفیبریلاتورها
• دستگاه فشارخون
• سیستم‌های تصویربرداری پزشکی

ابزار دقیق

قبلی
۱ از ۵
بعدی

کاردیوگراف‌ها

ضربان‌ساز قلب

دفیبریلاتورها

دستگاه تنظیم فشار خون

تجهیزات تصویربرداری

بیومیمتیک ( Biomimetics ) :

بیومیمتیک یا زیست‌ تقلید، تقلید از مدل‌ها، سیستم‌ها و عناصر طبیعت با هدف حل مشکلات پیچیده انسان است. در حقیقت اساس این علم مدل‌های طبیعی بیولوژیکی است که با مطالعه فیزیولوژی آن‌ها می‌توانیم سیستم‌های مدرن تکنولوژیک را طراحی کرده و بسازیم. سیستم‌های بیومیمتیکی در بیوالکترویک تقلیدی از سیستم عصبی است که یک محصول نمونه در این زمینه بیوسنسورها هستند.

بازار کار مهندسی بیوالکتریک

یک دانش‌آموخته بیوالکتریک در مقاطع آموزش عالی در وهله‌ی اول می‌تواند به عنوان استاد دانشگاه و پژوهشگر مشغول به کار شود.

 زمینه‌های کاری یک مهندس بیوالکتریک در ایران 

• ساخت وسایل و تجهیزات بیمارستانی
• همکاری در طراحی تحقیقاتی پزشکی
• نصب و راه اندازی دستگاه ها، وسایل پزشکی و تجهیزات فنی بیمارستان ها
• تعمیر و نگهداری تجهیزات بیمارستانی
• مشاوره فنی در سفارش و خرید دستگاه های پزشکی
• کمک در بکارگیری بهینه از دستگاه های پزشکی
• مسئولیت فنی و مهندسی بیمارستان

دکتر علی سلمان پور سرپرست دانشگاه آزاد اسلامی واحد میانه :

با توجه به نوپا بودن رشته مهندسی پزشکی در کشورمان به نظر می رسد تا سالیان متمادی امکان اشتغال برای فارغ التحصیلان این رشته میسر باشد و برای ارتقای کیفی خدمات پزشکی، دستگاه ها، نیاز به متخصصان این رشته روز افزون است.

نرم‌افزارهای تخصصی مهندسی بیوالکتریک

• MATLAB
• LabVIEW
• PSpice و OrCAD
• Proteus

  زمینه‌هایی که  نرم افزار متلب به آن‌ها پرداخته است، شامل پردازش تصویر، پردازش صوت، پردازش ویدیو، پردازش سیگنال، محاسبات ریاضی، شبکه‌های عصبی، هوش مصنوعی، مخابرات، کنترل، سیستم‌های فازی، سیستم‌های قدرت و بسیاری دیگر است. جعبه ابزار پردازش سیگنال فرآیند تجزیه، تحلیل و تفسیر سیگنال‌های حیاتی و بیولوژیکی را میسر می‌سازد. این سیگنال‌ها می‌توانند برگرفته از صدا، تصویر، فیلم و یا هر سیگنال دیگری از بدن باشند. بخش قابل توجه کاربرد این جعبه ابزار به پردازش سیگنال‌های مغزی و قلبی بر می‌گردد که هسته ی پژوهش‌های مهندسان پزشکی به‌ویژه حیطه‌های علوم مغز و اعصاب و قلب است. جعبه ابزار پردازش صدا عموماً برای تحلیل سیستم گفتار انسانی در علوم توانبخشی کاربرد دارد. سیمولینک یک جعبه ابزار شبیه سازی برای تحلیل سیستم‌های بیولوژی و فیزیولوژی بدون ساخت است. این نرم‌افزار برای سایر گرایش‌های مهندسی پزشکی از جمله بیومکانیک نیز بسیار پرکاربرد است.

 قابلیت‌های این نرم‌افزار آن را قادر ساخته است تا محیط‌های بیولوژیکی و سیگنال‌های حیاتی قلب و مغز را شبیه سازی کند. از جمله استفاده‌های نرم افزار لب ویو در مهندسی زیست پزشکی، می‌توان به شبیه سازی تجهیزاتی چون ونتیلاتور (تنفس مصنوعی)، اکوکاردیوگراف (تصویربرداری از قلب)، پالسی اکسی متر (سنجش اکسیژن خون)، الکتروشوک (اعمال شوک قوی به بیماران ایست قلبی)، الکتروکوتر (ابزار جراحی برای برش)، اسپکتروفتومتر، ماموگرافی، مانیتورینگ و اسپیرومتر و پردازش بیوسیگنال‌ها از جمله سیگنال‌های مغزی، سیگنال‌های قلبی، سیگنال‌های عضله ای و سیگنال‌های چشمی اشاره نمود. این نرم افزار در گروه بیوالکتریک قرار می‌گیرد. می توان کاربردهای دیگری همچون انتقال اطلاعات، ذخیره سازی داده‌ها، نمایش وضعیت بیمار و پردازش تصاویر دوبعدی و سه بعدی پزشکی را نیز برای قابلیت‌های این نرم افزار برشمرد.

 نرم افزار پی اِسپایس، برنامه ای است که برای تحلیل پاسخ مداری و شبیه سازی مدارهای آنالوگ و دیجیتال با کمک رایانه ارایه شده است. این نرم افزار از ابر سیستم‌های IBM و از تجهیزات الکترونیکی از قبیل ترایودها استفاده می‌کند تا با استفاده از مدل‌های ریاضی تنظیمات ورودی و خروجی جریان و ولتاژ را در سیستم‌ها به عهده بگیرد. سیستم‌هایی که عمل شبیه سازی و تحلیل مداری را با استفاده از پی اِسپایس دارا هستند، در تمامی رشته‌ها همچون روانشناسی، فیزیک، بیولوژی، مهندسی برق، مهندسی کامپیوتر و به‌ویژه مهندسی زیست پزشکی کاربرد دارند. نرم افزار اُرکَد نیز مشابه نرم افزار پی اِسپایس است. این دو نرم افزار کاربردهای مشابهی در جهت تحلیل و شبیه سازی مدارهای الکترونیکی آنالوگ و دیجیتال سیستم‌های مهندسی به‌ویژه تجهیزات پزشکی و غیره دارند.

 پروتئوس نرم افزاری است برای شبیه سازی ریزپردازنده‌ها، ایجاد شماتیک و طراحی بورد مدارهای چاپی یا به عبارتی دیگر، یکی از نرم افزارهای پرکاربرد در شبیه سازی و طراحی مدارهای آنالوگ و دیجیتال است.  پروتئوس به دو محیط ISIS و ARES تقسیم می‌شود. بخش ISIS برای ترسیم و تست مدارهای الکترونیکی و بخش ARES برای تهیه نقشه‌ی مدارهای تست شده در محیط ISIS است. از ویژگی‌های این نرم‌افزار تحلیل و شبیه سازی مدار ریزپردازنده‌ها، موتورها و نمایشگرها است که این قابلیت در شبیه سازی، تفسیر و تحلیل اِلمان‌های مربوطه در بیورباتیک و طراحی ربات‌های پزشکی و تجهیزات پزشکی که در عصر حاضر به شدت رو به رشد است و از زمینه‌های تحقیقاتی علم مهندسی زیست پزشکی به شمار می‌آید، کاربرد فراوانی دارد.

کلام آخر

هرآنچه که در بالا گفته شد، دانستنی‌های لازم و البته کافی درمورد رشته‌ی مهندسی بیوالکتریک بود. حال بهتر می‌دانیم که تنها یک پزشک نیست که بیماری‌ها را معالجه می‌کند و سلامت انسان را تصمین می‌کند. البته قصد توهین به قشر زحمت‌کش پزشک را نداریم، اما وقت آن است که کمی راجع به آنچه در زندگی و سلامتی ما تاثیر دارد بیشتر فکر کنیم. بدیهی‌است اگر مهندسی نبود، اگر مهندسی بیوالکتریک نبود، بسیاری از علایم حیاتی خود را حتی نمی‌توانستیم اندازه بگیریم.