الهندسة الطبية الحيوية

القلب الاصطناعي JARVIK-7 ، هومثال لتطبيق الهندسة الطبية الحيوية للهندسة الميكانيكية مع مواد موائمة حيوياً لاجراء جراحة قلبية صدرية باستخدام عضواصطناعي.

مثال لنحو40,000 مجس spotted oligo microarray بصورة مكبرة في الداخل لتبين التفاصيل.

الهندسة الطبية الحيوية Biomedical engineering هي تطبيق المبادئ والتقنيات الهندسية في المجال الطبي. يهدف هذا الحقل إلى ردم الفراغ بين الهندسة والطب، فهويجمع بين مهارات التصميم وحل المشاكل مع علوم الطب والأحياء لتحسين عملية العلاج والتشخيص الطبيين. وبعد حتى كان الطبيب وحده يقوم بكل مهام التشخيص والعلاج وحتى تصنيع الدواء ، أصبح الجهاز الطبي رديفاً أساسياً للطبيب في التشخيص والمعالجة ومراقبة السقمى ، ونظراً لوجود حاجة ماسة لتطوير الأجهزة والمعدات الطبية بما يخدم صحة السقمى وسرعة استشفائهم ، فكان لابد من تدخل المختصين من مجالات أخرى غير الطب لتصميم هذه الأجهزة مثل المهندسين من اختصاص الكهرباء والميكانيك والالكترون والحاسوب...كما كان على هؤلاء المهندسين الإلمام أيضاً بالعلوم الطبية من تشريح وفيزيولوجيا الجسم البشري وغير ذلك لفهم آلية عمل جميع نظام فيه وتسخير معهدتهم واختصاصهم بما يطور هذه الاجهزة ، وبالتالي ظهرت الحاجة إلى وجود مهندس يلم جزئياً بكل هذه الاختصاصات من جهة ويستطيع حتى يتعامل مع الأطباء من جهة أخرى مع الانتباه على أنه ليس بديلاً عن أي منهم .

التاريخ

فهم الهندسة الطبية هوفهم حديث وليد التطورات التكنولوجية الحديثة ولاسيما التطورات التي حدثت في مجال الطب والرعاية الطبية. إذا الطب هوفهم قديم جداً وقد تطور في الماضي تطوراً كبيراً نسبياً ولكن ضمن حدود الإمكانيات والمفاهيم التي كانت آنذاك، وقد كان للطبيب الدور الرئيسي في تشخيص الأمراض ومعالجتها وفي جميع ما يتعلق بعملية الرعاية الطبية، إضافة إلى تدخل المهندس المعماري في عملية البناء عند الحاجة إلى بناء منشأة صحية. ومنذ بداية القرن العشرين تطورت المنشآت الصحية، وأصبح من الضروري تدخل جميع الاختصاصات الهندسية (مدني، عمارة، ميكانيك، كهرباء) من أجل بناء هذه المنشآت وإدارتها واستثمارها وصيانتها. ومع التطور السريع الذي طرأ على المفاهيم والتجهيزات الطبية منذ بداية النصف الثاني للقرن العشرين، حيث تدخلت الآلة إلى جانب الطبيب في التشخيص والعلاج وفي صناعة الدواء، وقد ظهر فهم الهندسة الطبية القادر على التعامل مع الطبيب والآلة والمريض.

فروع الهندسة الطبية واختصاصاتها

تفرع فهم الهندسة الطبية إلى عدة فروع وفقاً لطبيعة عمل الآلات والتجهيزات والمفاهيم الهندسية التي يعمل بها جميع فرع، مع الأخذ بالحسبان طبيعة الجانب الطبي المتعلق به. ويمكن إيجاز الفروع الرئيسية الأساسية لهذا الفهم على النحوالآتي:

1- الأجهزة الطبية medical instrumentation:

يضم هذا الاختصاص العلوم التي تتعلق بتصميم التجهيزات الطبية وتطويرها سواء كانت تشخيصية أم علاجية، كما يعنى بوضع خطط الاستثمار والصيانة الوقائية وصيانة الإصلاح الخاصة بهذه التجهيزات وتطبيقها.

وتقسم الاجهزة الطبية إلى قسمين: أ-أجهزة طبية تشخيصية مثل جهاز الأمواج فوق الصوتية ultrasound ب-أجهزة طبية علاجية مثل اجهزة العلاج الكيميائي والعلاج بالأمواج .

2- هندسة المشافي hospital engineering:

تعنى الهندسة الطبية بهندسة المشافي من الناحية الوظيفية وليس من الناحية المعمارية التي هي من اختصاص الهندسة المعمارية. ويقوم المهندس بالتعاون مع الأطباء المختصين بتحديد نوع الغرف الضرورية لكل قسم من أقسام المشفى وعددها، وتحديد المساحة المناسبة لكل غرفة وفقاً لوظيفتها ولنوع التجهيزات التي ستوضع فيها، مراعين آلية استثمار هذه التجهيزات وصيانتها. كما تحدد أيضاً أماكن توضع الغرف داخل القسم الواحد وعلاقتها بالغرف المجاورة، وكذلك أماكن توضع أقسام المشفى تبعاً لعلاقة الأقسام بعضها ببعض. ويقوم المهندس الطبي بالمشاركة مع الأطباء والمهندسين الإلكترونيين والمعماريين والميكانيكيين بتحديد الأجهزة الطبية الضرورية للمشفى وأمكنتها ضمن الغرف الخاصة بها، وكذلك بتحديد مستلزمات جميع جهاز.

3- السلامة safety في المنشآت الطبية:

وتضم سلامة المستثمر (الطبيب/الكادر التمريضي) والمريض من الأخطار الناجمة عن استخدام الآلات، مثل الأخطار الكهربائية أوالميكانيكية أوالإشعاعية. وكذلك سلامة الجهاز من الأخطار الكهربائية أوالأخطار الناجمة عن سوء الاستخدام.

4- التصوير الطبي ومعالجة الصور الطبية medical photography and medical image processing:

ويضم جميع مبادئ التصوير الطبي وأسسه سواء كان إشعاعياً أم بالأمواج فوق الصوتية أم بأي أسلوب آخر. وكذلك يضم جميع طرق معالجة الصورة الطبية من أجل تحسينها وحمل درجة الاستفادة منها، ويساعد هذا على تطوير طرق التشخيص الآلي حيث يتم تعهد كثير من الأمراض آلياً.

5 - القياسات الحيوية ومعالجة الإشارات الحيوية bio-measurements and signal processing:

إن أحد أبرز وسائل التشخيص في الطب هوالإشارات الحيوية مثل إشارة القلب وإشارة العضلات وإشارة الدماغ…إلخ. حيث يقوم المهندس الطبي باستحصال هذه الإشارات وعرضها على الطبيب. ولكي تكون الإشارة واضحة وذات فوائد يجب حتى يتم استحصالها ومعالجتها بالطرق السليمة حيث يتم التخلص من جميع أنواع الضجيج دون حدوث تشوهات في الإشارة.

6- هندسة إعادة التأهيل rehabilitation engineering:

تعنى هندسة إعادة التأهيل بتصميم جميع الأجهزة التي تساعد السقمى على المشي وصناعتها، مثل الأجهزة البديلة prosthetics والأجهزة التقويمية orthotics، كما يعنى بأجهزة المعالجة الفيزيائية وأدواتها. حيث تستخدم الأجهزة البديلة على نحوأساسي للسقمى الذين فقدوا بعض أطرافهم، وذلك باستخدام الأطراف والمفاصل الصناعية. أما الأجهزة التقويمية فتستخدم لدى الأشخاص الذين لديهم قصور في بعض الوظائف، مثل الشلل والتشوهات حيث يصنع الجهاز المناسب لكل حالة من أجل المساعدة على المشي أوتقويم التشوهات. وتكون أجهزة إعادة التأهيل إما ميكانيكية وإما كهربائية، وغالباً ما تكون إلكتروميكانيكية.

7 - الميكانيك الحيوي biomechanics:

يعنى فهم الميكانيك الحيوي بدراسة ميكانيكية حركة الإنسان عن طريق تحليل مشيته gait analysis وتطبيق مبادئ الميكانيك العام على جسمه. وهذا الفهم قديم جداً لكنه لم يتطور على نحوفهمي وسليم إلا بعد الحرب العالمية الثانية عندما عاد مئات الأمريكيين إلى بلادهم مبتوري الأطراف، حيث أحدث مخبر للميكانيك الحيوي، واستخدمت التكنولوجيا الحديثة في تحليل مشية الإنسان. وقد استخدمت «الكاميرات» في تصوير حركة أجزاء الجسم، واستخدمت صفائح القوى force plates في قياس قوى ردود الأفعال بين القدم والأرض، وذلك للحصول على المحددات parameters الحركية والتحريكية ومحددات المسافة والزمن لمشية temporal distance parameters الإنسان. وتستخدم هذه المحددات المقاسة للإنسان السليم للمقارنة مع مثيلاتها عند الإنسان المبتور الطرف أوالإنسان العاجز، وبذلك يمكن تطوير الأطراف الصناعية الخاصة بالمبتورين وتحديد درجة العجز عند الأشخاص الذين لديهم قصور في الحركة.

8 - الأعضاء الحيوية artificial organs:

وهوالاختصاص الذي يهتم بتصميم الأعضاء الصناعية واستثمارها، مثل القلب الصناعي والكلية الصناعية وصمامات القلب وأعضاء أخرى.

9- المواد الطبية الحيوية biomaterials:

يهتم هذا الفرع بدراسة المواد التي تستخدم داخل جسم الإنسان وتطويرها سواء كانت للاستخدام المباشر مثل المواد التي تصنع منها المفاصل الداخلية، أم للاستخدام غير المباشر مثل المواد التي تستخدم لتغليف الأجهزة المزروعة في الجسم.

10-الحاسوب في الطب computers in medicine:

أحدث استخدام الحاسوب في المجالات الطبية تطوراً كبيراً في العلوم الطبية، فقد استُخدِم في التشخيص وفي جميع النواحي الخدمية كالأرشفة والإدارة والمستونادىت بأنواعها. ومن الطبيعي حتى يقوم على تطبيق هذه الخدمات جميعاً مهندس طبي قادر على التعامل مع الحاسوب ومع جميع هذه الخدمات.

والهندسة الطبية الحيوية مجال يستخدم الفهم الهندسية لحل المعضلات في فهم الأحياء والطب. فمهندسوالطب الحيوي هم مهنيون في مجال الرعاية الصحية، جنبًا إلى جنب مع الأطباء والمسقمين والمسقمات والفنيين الطبيين. ويعمل بعض مهندسي الطب الحيوي في تشخيص وعلاج الخلل الجسماني. ويجري آخرون البحوث، أويعملون في تصميم الأجهزة الطبية، أوتطوير الإجراءات الطبية الجديدة.

مجالات الهندسة الطبية الحيوية

جهاز المراقبة في وحدة العناية المركزة يتألف من أجهزة لقياس وتسجيل حالة المريض الجسمانية. ويمكن للأطباء والمسقمات استعراض المعلومات يوجد عدد من المجالات الراسخة في الهندسة الطبية الحيوية. وتتضمن هذه المجالات:

فهم القياس الأحيائي
الميكانيكا الحيوية
فهم المواد الأحيائي،
فيزيولوجيـا الأنظمة،
الهندسـة السريرية، 6- هندسة إعادة التأهيل .

ويعتمد المتخصصون في جميع هذه المجالات كلٌّ منهم على الآخر. عملى سبيل المثال، يعتمد المهندسون الذين يقومون بتطوير ورك صناعي إلى حد كبير، على الدراسات الميكانيكية الحيوية للقوى المؤثرة في الورك الطبيعية. وبالمثل يستخدم المهندسون الذين يصممون أجهزة الحفز الكهربائية والتحكم في العضلات المشلولة معهدتهم بالتفاعل التبادلي للعضلات والعظام. وفي كلتا الحالتين، يتم استشارة المتخصصين في فهم المواد الأحيائي لاختيار المواد التي تستخدم في تلك الأجهزة.

يستخدم فهم القياس الأحيائي الإلكترونيات ومبادئ وتقنيات القياس لتطوير الأجهزة لمراقبة الأمراض وتشخيصها وعلاجها. ولقد أصبحت أجهزة الحاسوب مهمَّة باطراد في فهم القياس الأحيائي. فهي تراقب حالة السقمى أثناء الجراحة أوفي وحدات العناية المركزة. كما تراقب الأصحاء في البيئات غير المعتادة، مثل رُواد الفضاء في الفضاء الجوي، أوالغطَّاسين تحت الماء على أعماق كبيرة.

ويطور مهندسوفهم القياس الأحيائي ويستقصون آلات كثيرة مثل التي تستخدم في كشف وتشخيص ودراسة الظروف البيولوجية. فمثلاً، تستخدم الطاقة الصادرة عن أجهزة التصوير الطبية، في صورة أشعة سينية أومجالات مغنطيسية أوموجات صوتية، لخلق صورٍ تفصيلية للبنية الداخلية للجسم باستخدام الحاسوب.

وقد طور مهندسوالطب الحيوي إشعاعات ليزر معينة وأجهزة أخرى لتساعد في علاج بعض العلل البدنية؛ فالليزرات التي تنتج أشعة ضوئية محصورة وقوية، جعلت من الممكن إجراء الجراحة غير الدموية على الأوعية الدموية المنفردة والألياف العصبية، وعلى الشبكية المصابة. كما يتم استخدام مضخات حقن الإنسُولين الأوتوماتية لإعطاء دواء الإنسُولين لسقمى السكر.

الميكانيكا الحيوية.

مضخة لإمداد متصل تحت الجلد من الإنسولين، هومثال لتطبيق الهندسة الطبية الحيوية للهندسة الكهربائية على جهاز طبي.

تطبق فهم الميكانيكا، المختص بدراسة تأثيرات القوى في المادة، على المعضلات البيولوجية أوالطبية. وتتعامل مع تأثيرات القوى المتنوعة على الجسم. وتتضمن هذه القوى الإجهادات المبذولة على هيكل الجسم والعضلات بوساطة الجاذبية. كما يفهم مهندسوالطب الحيوي انسياب الموائع في الجسم وانتنطق المواد الكيميائية خلال الأغشية والمواد الصناعية. ولقد أدى البحث في الميكانيكا الحيوية إلى استحداث القلب الصناعي واستبدال صمامات القلب، والكُلَى الصناعية، والوَرِك الاصطناعية. كما حسنت الميكانيكا الحيوية لدرجة كبيرة تفهم وظائف الأعضاء والعضلات والأجهزة العَظْمية.

فهم المواد الأحيائي.

يختص بتطوير واختيار المواد الملائمة لتوضع داخل جسم الإنسان. ويأتي ترتيب هذا الاختيار في مصاف المهام الصعبة للغاية التي يقابلها مهندسوالطب الحيوي. فهويحتاج تفهمًا للخواص الفيزيائية والكيميائية للأنسجة الحية التي يفترض أن تساعدها المادة أوتحل محلها. ويجب ألا تسبب المادة المراد غرسها أية تأثيرات ضارة، مثل تفاعل سام أوسرطان. ويجب حتى تكون المادة غير نشطة كيميائيًا ومقاومة للتعفن ومتينة بدرجة كافية لتحمُّل الإجهادات المتكررة مدى الحياة. وتتضمن المواد القابلة للغرس سيراميكًا خاصًا وسبائك فلزية ومواد لدائنية.

فيزيولوجيا الأنظمة.

Artificial limbs: The right arm is an example of a prosthesis, and the left arm is an example of myoelectric control.

A prosthetic eye, an example of a biomedical engineering application of mechanical engineering and biocompatible materials to ophthalmology.

تستخدم استراتيجيات هندسية، وتقنيات، وآلات لاكتساب تفهم متكامل، وواسع لوظائف الجسم في الكائنات الحية. وعن طريق التجارب، يلاحظ ويقيس فهماء فيزيولوجيا الأنظمة الوقائع الفيزيولوجية الأساسية، مثل التفاعل الحيوي؛ أي العمليات الكيميائية للخلايا الحية، والتحكم في حركات الأعضاء. وهم عندئذ يحلِّلُون المعطيات التجريبية غالبًا بتطوير نماذج فيزيائية أورياضية للوقائع. وتُمكِّن هذه التحليلات مهندسي الطب الحيوي الآخرين من ابتكار أجهزة وتقنيات جديدة لحل المعضلات الطبية.

الهندسة السريرية (الهندسة الإكلينيكية)

Schematic representation of a normal ECG trace showing sinus rhythm; an example of widely-used clinical medical equipment (operates by applying electronic engineering to electrophysiology and تشخيص طبي.

تطبق علوم التقنية على الرعاية الصحية في المستشفيات. ويكون المهندسون السريريون مسؤولين عن تطوير وصيانة قواعد بيانات الحاسوب لتدوين المعدات الطبية وشراء واستخدام أجهزة طبية معقدة. ويعمل هؤلاء المهندسون غالبًا مع الأطباء والمسقمات وأعضاء هيئة المستشفى الآخرين لتهيئة الأجهزة للاحتياجات الخاصة. وقد تستلزم مثل هذه المهام أجهزة تنسيق مع نظم الحاسوب، وبرامجه المجهزة حسب الطلب لأجهزة التحكم وتحليل البيانات. فمثلاً قد يطور المهندسون السريريون جهاز تحليل لعينات الدم باستخدام الحاسوب أوعن طريق قاعدة بيانات للحاسوب لمباشرة عناية سقمى الحروق.

هندسة إعادة التأهيل.

تُطور الأجهزة والإجراءات لتوسع ُقدرات المعاقين لمساعدتهم على استخدام إمكاناتهم بصورة أفضل. ويصمم مهندسوإعادة التأهيل المنتجات المتنوعة التي يمكن تهيئتها لاحتياجات معينة. فمسند الجلوس الذي يمكن تشكيله ليتكيف مع أي شكل جسماني، على سبيل المثال، يتيح لكثير من المعاقين الجلوس منتصبين. وعلى جميع حال، فإن مهندسي إعادة التأهيل في معظم الأحوال يطورون المنتجات لاستخدامات المعاق على نحوخاص.

الهندسة الطبية الحيوية في المجتمع

تتضمن أنواع المعاهد التي يعمل بها مهندسوالطب الحيوي معاهد البحوث الطبية، ووكالات المنظمات الحكومية، والمستشفيات، والشركات الصناعية، والمعاهد التعليمية. وفي معظم الأحيان، يستخدم مهندسوالطب الحيوي خلفياتهم في الهندسة والطب ليؤدوا دورًا متكاملاً.

وفي معاهد البحوث، يشرف مهندسوالطب الحيوي على المعامل والأجهزة. ويساهمون أيضًا في الأبحاث مع الباحثين ذوي الخلفيات الأخرى. وغالبًا ما تتولى المراكز الحكومية اختبارات الإنتاج والأمان، وكذلك تأسيس المستويات القياسية لأمان الأجهزة. وفي المستشفيات، يقدم مهندسوالطب الحيوي المشورة عن كيفية اختيار واستخدام المعدات الطبية، ويشرفون على اختبار وصيانة المعدات. وقد يطورون كذلك الأجهزة حسب الطلب للرعاية الصحية الخاصة أوالمتطلبات البحثية. وفي الصناعة، يستخدم مهندسوالطب الحيوي تفهمهم للأنظمة الحية والعلوم التقنية لتصميم واختبار المنتجات الجديدة.