Nhập môn Kỹ thuật Y sinh, Ấn bản lần 3 - John D. Enderle, Joseph D. Bronzino

Dưới đây là meta tags cho bài viết "Nhập môn Kỹ thuật Y sinh - Enderle & Bronzino": { "ai_description": "Tìm hiểu về kỹ thuật y sinh và nhập môn về chủ đề

• Tác giả: John D. Enderle
• Trường học: University of Connecticut
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Y sinh
• Đề tài: Giới thiệu về Kỹ thuật Y sinh
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Burlington

Tóm tắt

I. Tổng quan về sách Introduction to Biomedical Engineering Enderle Bronzino

Introduction to Biomedical Engineering là giáo trình kinh điển do John D. Enderle và Joseph D. Bronzino biên soạn, xuất bản bởi Academic Press thuộc Elsevier. Ấn bản thứ ba năm 2011 đại diện cho sự tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh. Cuốn sách thuộc Academic Press Series in Biomedical Engineering, với Bronzino担任 series editor tại Trinity College, Hartford, Connecticut. Enderle công tác tại University of Connecticut, Storrs. Nội dung sách涵盖 các chủ đề从基础工程原理 đến ứng dụng lâm sàng hiện đại. Sách trình bày sự phát triển của hệ thống chăm sóc sức khỏe, vai trò của kỹ thuật y sinh trong y học hiện đại,以及các công nghệ then chốt như dự án bản đồ gen người, kỹ thuật mô, và thiết bị cấy ghép. Đây là tài liệu học thuật不可 thiếu cho sinh viên và研究人员 trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh, cung cấp nền tảng vững chắc về nguyên lý kỹ thuật应用于 y học.

1.1. Thông tin xuất bản và tác giả

Introduction to Biomedical Engineering ấn bản thứ ba được xuất bản năm 2012 bởi Elsevier Inc. với quyền bảo lưu hoàn toàn. John D. Enderle là giáo sư tại University of Connecticut, Storrs, Connecticut. Joseph D. Bronzino giữ vai trò series editor tại Trinity College, Hartford, Connecticut. Cuốn sách thuộc Academic Press Series in Biomedical Engineering, một series uy tín trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh. Sách được biên soạn với tiêu chuẩn học thuật cao, bao gồm thư mục tham khảo và chỉ mục chi tiết. Ấn bản được Library of Congress catalog với mã số 2010046267, đồng thời có bản ghi tại British Library. Đây là tài liệu được in tại Hoa Kỳ với chất lượng xuất bản chuyên nghiệp.

1.2. Phạm vi nội dung và cấu trúc sách

Nội dung sách Introduction to Biomedical Engineering bao quát toàn diện lĩnh vực kỹ thuật y sinh. Sách trình bày hệ thống chăm sóc sức khỏe hiện đại, từ các cơ sở y tế低科技 100年前 đến trung tâm y tế tiên tiến ngày nay. Các chủ đề chính bao gồm cấy ghép nội tạng như tim, thận, gan, tụy, phổi, xương, gân, dây chằng. Sách cũng đề cập đến công nghệ hỗ trợ tâm thất trái LVAD như giải pháp tạm thời cho bệnh nhân等待 ghép tim. Đặc biệt, sách nhấn mạnh sự chuyển dịch từ hệ thống cơ học宏观 sang điều trị cấp độ mô và tế bào, phản ánh xu hướng tương lai của kỹ thuật y sinh.

II. Phân tích các vấn đề trong kỹ thuật y sinh hiện đại

Kỹ thuật y sinh hiện đại面临着 nhiều thách thức phức tạp liên quan đến替换 và修复 cơ thể người. Một trong những vấn đề lớn nhất là việc tạo ra prosthetics替换 hoàn toàn cho tim. Với chức năng神经, độ đàn hồi, và sức mạnh cơ học phi thường của tim người, các thiết bị替换 tim hoàn toàn chỉ đạt được thành công hạn chế. Thiết bị hỗ trợ tâm thất trái LVAD đã chứng minh hiệu quả作为替代 cho vùng 'workhorse' của tim. Tuy nhiên, tương lai của giải pháp suy tim sẽ tập trung vào điều trị cấp độ mô và tế bào, thay vì依赖 hệ thống cơ học宏观. Sự phát triển của dự án Bản đồ Gen Người Human Genome Project trong thập niên 1990 đã mở ra kỷ nguyên mới. Các công cụ kỹ thuật then chốt bao gồm máy sequencer tự động, thiết bị xử lý chất lỏng机器人, và phần mềm cơ sở dữ liệu. Điều này促使 sự chuyển đổi lớn, đưa kỹ thuật y sinh tập trung vào cấp độ tế bào và phân tử.

2.1. Thách thức trong thay thế cơ quan nhân tạo

Việc tạo ra cơ quan nhân tạo thay thế hoàn toàn面临着 nhiều rào cản kỹ thuật. Tim người có chức năng神经 phức tạp, độ đàn hồi cao, và sức mạnh cơ học đáng kinh ngạc. Các prosthetics替换 tim hoàn toàn chỉ đạt thành công hạn chế trong thực tế lâm sàng. Thiết bị hỗ trợ tâm thất trái LVAD đã nổi lên như giải pháp thay thế khả thi cho vùng bơm máu chính của tim. LVAD được sử dụng rộng rãi作为临时选择 cho bệnh nhân等待 ghép tim toàn bộ. Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ ra rằng tương lai của điều trị suy tim sẽ hướng toward các phương pháp cấp độ mô và tế bào, thay vì hệ thống cơ học macro phức tạp và cồng kềnh.

2.2. Chuyển đổi paradigma trong nghiên cứu kỹ thuật y sinh

Dự án Bản đồ Gen Người Human Genome Project đánh dấu bước ngoặt quan trọng nhất trong kỹ thuật y sinh thập niên 1990. Dự án này yêu cầu sự phát triển của nhiều công cụ kỹ thuật tiên tiến. Máy sequencer tự động cho phép giải trình tự ADN với tốc độ và độ chính xác cao chưa từng có. Thiết bị xử lý chất lỏng robot tự động hóa các quy trình phòng thí nghiệm繁琐. Phần mềm cơ sở dữ liệu và lắp ráp trình tự giúp quản lý khối lượng thông tin基因 khổng lồ. Kết quả là kỹ thuật y sinh经历 sự chuyển đổi lớn, từ tập trung vào hệ thống cơ học宏观 sang nghiên cứu cấp độ tế bào và phân tử. Đây là xu hướng不可逆转 trong y học hiện đại.

III. Giải pháp và phương pháp tiếp cận trong Introduction to Biomedical Engineering

Introduction to Biomedical Engineering trình bày nhiều giải pháp kỹ thuật tiên tiến cho các vấn đề y học hiện tại. Phương pháp tiếp cận đa ngành là核心 của cuốn sách, kết hợp nguyên lý kỹ thuật với kiến thức y khoa. Sách sử dụng phần mềm MATLAB và Simulink作为 công cụ mô phỏng và tính toán, giúp sinh viên hiểu sâu các khái niệm kỹ thuật. Các giải pháp cấy ghép nội tạng được trình bày chi tiết,涵盖 từ mắt, phổi, da, tim, van tim, gan, thận, tụy, ruột, xương, gân, tĩnh mạch đến dây chằng. Phương pháp kỹ thuật mô tissue engineering nổi lên như hướng đi đầy hứa hẹn cho tương lai. Sách nhấn mạnh sự cần thiết của việc quản lý công nghệ y tế hiệu quả, kết hợp giữa đổi mới kỹ thuật và thực hành lâm sàng. Cách tiếp cận từ nguyên lý cơ bản đến ứng dụng thực tế giúp người học xây dựng nền tảng vững chắc.

3.1. Ứng dụng phần mềm MATLAB và Simulink

Introduction to Biomedical Engineering tích hợp phần mềm MATLAB và Simulink作为 công cụ học tập và nghiên cứu quan trọng. MATLAB là thương hiệu của The MathWorks, Inc., được sử dụng với sự cho phép trong cuốn sách. Phần mềm này hỗ trợ mô phỏng các hệ thống sinh học phức tạp, tính toán tín hiệu sinh học, và phân tích dữ liệu y khoa. Simulink cung cấp môi trường mô phỏng图形化 cho các hệ thống động lực học sinh học. Lưu ý rằng The MathWorks không保证 độ chính xác của văn bản hoặc bài tập trong sách. Việc sử dụng MATLAB và Simulink không构成 sự chứng thực hoặc tài trợ từ The MathWorks đối với bất kỳ phương pháp sư phạm cụ thể nào.

3.2. Kỹ thuật mô và hướng điều trị tương lai

Kỹ thuật mô tissue engineering đại diện cho hướng đi革新 trong kỹ thuật y sinh. Sách trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật mô, bao gồm việc sử dụng tế bào gốc, vật liệu sinh học scaffold, và因子 tăng trưởng để tái tạo mô và cơ quan bị tổn thương. Phương pháp này hứa hẹn vượt qua các hạn chế của cấy ghép cơ quan truyền thống và prosthetics cơ học macro. Các ứng dụng tiềm năng涵盖修复 mô xương, sụn, da, mạch máu, và thậm chí cả cơ quan phức tạp như tim và thận. Hướng điều trị cấp độ tế bào và phân tử đang dần thay thế các hệ thống cơ học cồng kềnh, mở ra kỷ nguyên mới cho y học tái tạo và cá nhân hóa điều trị cho từng bệnh nhân.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của giáo trình Enderle Bronzino

Introduction to Biomedical Engineering của Enderle và Bronzino là tài liệu học thuật不可 thiếu trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh. Cuốn sách cung cấp cái nhìn toàn diện về sự tiến hóa của hệ thống chăm sóc sức khỏe,从 các cơ sở低科技 100年前 đến trung tâm y tế hiện đại ngày nay. Các công nghệ tiên tiến đã thay đổi tổ chức phẫu thuật và sử dụng tài nguyên y tế một cách triệt để. Sách đặt ra câu hỏi quan trọng về vai trò tương lai của kỹ sư y sinh trong hệ thống chăm sóc sức khỏe. Các kỹ sư y sinh sẽ đóng vai trò then chốt trong việc phát triển công nghệ mới, từ thiết bị cấy ghép đến kỹ thuật mô và liệu pháp gen. Cuốn sách cũng thảo luận về sự đánh đổi trong chăm sóc sức khỏe do限制 tài chính, liệu công nghệ y tế là yếu tố chi phí kinh tế, lợi ích, hay两者兼有. Đây là nền tảng cho thế hệ kỹ sư y sinh tương lai.

4.1. Vai trò của kỹ sư y sinh trong hệ thống y tế tương lai

Introduction to Biomedical Engineering đặt ra tầm nhìn về vai trò quan trọng của kỹ sư y sinh trong hệ thống chăm sóc sức khỏe tương lai. Kỹ sư y sinh sẽ chịu trách nhiệm phát triển và triển khai các công nghệ y tế tiên tiến. Họ đóng vai trò cầu nối giữa nguyên lý kỹ thuật và thực hành lâm sàng. Các lĩnh vực trọng tâm bao gồm phát triển thiết bị cấy ghép cải tiến, kỹ thuật mô tái tạo, liệu pháp gen, và hệ thống chẩn đoán hình ảnh tiên tiến. Quản lý công nghệ y tế cũng là một khía cạnh不可 thiếu, đảm bảo việc triển khai công nghệ mới an toàn và hiệu quả. Cuốn sách khuyến khích sinh viên思考 sâu sắc về tác động xã hội và伦理 của công nghệ y tế đối với cộng đồng.

4.2. Đánh đổi nguồn lực và tương lai công nghệ y tế

Một chủ đề quan trọng trong Introduction to Biomedical Engineering là sự đánh đổi trong chăm sóc sức khỏe do限制 tài chính. Công nghệ y tế既是 yếu tố chi phí kinh tế, vừa mang lại lợi ích cho xã hội. Sách探讨 câu hỏi liệu chi phí công nghệ y tế có hợp lý so với lợi ích sức khỏe它 mang lại. Các tài liệu tham khảo trong sách, bao gồm công trình của Bronzino về quản lý công nghệ y tế, cung cấp框架 phân tích chi phí-lợi ích. Tương lai công nghệ y tế sẽ phụ thuộc vào khả năng cân bằng giữa đổi mới kỹ thuật và tính bền vững kinh tế. Kỹ sư y sinh cần hiểu rõ cả khía cạnh kỹ thuật và kinh tế để tạo ra giải pháp vừa tiên tiến vừa khả thi về mặt tài chính cho hệ thống chăm sóc sức khỏe toàn cầu.

Nội dung chính

Giáo trình "Introduction to Biomedical Engineering" (Third Edition) – John D. Enderle & Joseph D. Bronzino

Tổng quan về giáo trình (250-300 từ)

Introduction to Biomedical Engineering (Ấn bản thứ ba, 2012) do John D. Enderle (Đại học Connecticut) và Joseph D. Bronzino (Trinity College) làm chủ biên, thuộc chuỗi ấn bản Academic Press Series in Biomedical Engineering của Nhà xuất bản Elsevier. Đây là giáo trình nền tảng và chuyên ngành cốt lõi được thiết kế cho chương trình đào tạo Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering) bậc đại học và học viên sau đại học.

Mục tiêu học tập của giáo trình là cung cấp cái nhìn toàn diện về các phân ngành kỹ thuật y sinh; trang bị phương pháp luận để mô hình hóa toán học các hệ thống sinh học; đồng thời phân tích nguyên lý hoạt động, thiết kế và vận hành của các thiết bị y tế trong môi trường lâm sàng và công nghiệp.

Cấu trúc giáo trình gồm 17 chương chuyên đề và 1 phụ lục kỹ thuật. Nội dung được triển khai tuần tự từ lịch sử hình thành hệ thống chăm sóc sức khỏe, y đức và luật định y tế, giải phẫu sinh lý cơ bản, đến các trụ cột kỹ thuật: cơ sinh học, vật liệu sinh học, kỹ thuật mô, mô hình hóa phân vùng, động học enzyme, thiết bị đo sinh học, cảm biến sinh học, xử lý tín hiệu, hiện tượng điện sinh học, mô hình hóa sinh lý, quá trình vận chuyển y sinh, chẩn đoán hình ảnh và quang học laser y sinh.

Điểm đặc sắc của giáo trình nằm ở tính liên ngành chặt chẽ, kết hợp nền tảng toán học giải tích và cơ học tĩnh với việc ứng dụng công cụ phần mềm tính toán ma trận MATLAB® và mô phỏng hệ thống động học SIMULINK® xuyên suốt các bài toán sinh học thực tế.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi (500-600 từ)

                       CẤU TRÚC KIẾN THỨC GIÁO TRÌNH

Các chương/chủ đề chính

1. Lịch sử, Nghề nghiệp và Y đức (Chương 1 – 2): Trình bày tiến trình phát triển từ y học thực nghiệm cổ đại (các bản giấy cói Ebers, Edwin Smith) đến kỷ nguyên kỹ thuật số; xác lập ba vai trò của kỹ sư y sinh (người giải quyết vấn đề, nhà doanh nghiệp công nghệ, kỹ sư - nhà khoa học); phân tích nguyên tắc y đức (Beneficence, Nonmaleficence), thử nghiệm trên người và quy trình tiền lâm sàng/lâm sàng của FDA.
2. Cơ sở Giải phẫu, Sinh lý và Cơ sinh học (Chương 3 – 4): Cung cấp cấu trúc mô, hệ cơ quan; thiết lập cơ học vật liệu sinh học ứng dụng trên sụn, dây chằng, gân, cơ; phân tích dáng đi lâm sàng (clinical gait analysis) và động lực học tuần hoàn tim mạch (cardiovascular dynamics).
3. Vật liệu sinh học và Kỹ thuật mô (Chương 5 – 6): Phân loại vật liệu theo kích thước lỗ xốp (microporous < 2 nm, mesoporous 2–50 nm, macroporous > 50 nm); quy trình tương tác mô - vật liệu; công nghệ lò phản ứng sinh học (bioreactor) dạng sợi rỗng (hollow fiber) và hạt mang (microcarrier); phân hóa tế bào gốc với yếu tố ức chế bệnh bạch cầu (LIF).
4. Mô hình hóa phân vùng và Động học enzyme (Chương 7 – 8): Phân tích trao đổi chất qua màng; thiết lập hệ phương trình vi phân cho mô hình 1 phân vùng, 2 phân vùng và 3 phân vùng; xấp xỉ trạng thái bán dừng (Quasi-Steady-State Approximation), động học chuyển hóa glucose và tổng hợp ATP, các cơ chế ức chế enzyme và phản ứng allosteric.
5. Thiết bị, Cảm biến và Xử lý tín hiệu y sinh (Chương 9 – 11): Phân tích mạch điện sinh học bằng định lý Thévenin, nguyên lý chồng chập và bộ lọc tương tự tích cực; nguyên lý cảm biến khí máu (blood gas sensors); phân tích tín hiệu trên miền tần số, hệ thống tuyến tính, kỹ thuật lấy trung bình tín hiệu (signal averaging), biến đổi Wavelet, Short-Time Fourier Transform và kỹ thuật trí tuệ nhân tạo.
6. Điện sinh học và Mô hình hóa cử động mắt (Chương 12 – 13): Mô hình mạch tương đương màng tế bào; phương trình Hodgkin-Huxley về điện thế hoạt động của sợi trục thần kinh; tiến trình phát triển mô hình cử động mắt nhanh (Saccadic Eye Movement) gồm mô hình Westheimer, mô hình điều khiển tương hỗ tuyến tính năm 1984, mô hình Homeomorphic năm 1995 và 2009.
7. Quá trình vận chuyển, Hình ảnh học và Quang học y sinh (Chương 14 – 17): Vận chuyển khối lượng, động lực học chất lưu sinh học, truyền nhiệt y sinh; nguyên lý tạo ảnh bức xạ (X-quang, CT, PET, SPECT), siêu âm chẩn đoán, chụp cộng hưởng từ (MRI, fMRI); nguyên lý lan truyền ánh sáng trong mô sinh học, kỹ thuật đo quang hóa học và hiệu ứng nhiệt quang của laser.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Lý thuyết nền tảng (Fundamental theories): Lý thuyết điện sinh lý tế bào (mô hình dẫn truyền Hodgkin-Huxley), lý thuyết mạch và hệ thống tuyến tính, lý thuyết cơ học môi trường liên tục và động lực học chất lưu sinh học.
• Nguyên lý cốt lõi (Core principles): Nguyên lý bảo toàn khối lượng và phân vùng nồng độ chất tan; nguyên lý tương thích sinh học và đáp ứng miễn dịch; cơ chế truyền sóng âm, bức xạ ion hóa và tương tác photon - mô sinh học.
• Khung phân tích (Essential frameworks): Khung mô hình hóa toán học sử dụng phương trình vi phân và phương pháp nhận dạng hệ thống (system identification) để mô phỏng chức năng cơ quan sống.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Sử dụng thành thạo phần mềm MATLAB® và SIMULINK® để giải hệ phương trình động học, mô phỏng phản ứng sinh hóa và phân tích mạch lọc tín hiệu.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Xử lý tín hiệu điện tim (ECG), điện não (EEG) trên miền tần số và thời gian - tần số; định lượng các thông số huyết động và động học dáng đi.
• Năng lực thực hành (Practical competencies): Đánh giá tiêu chuẩn an toàn điện thiết bị y tế bệnh viện theo quy chuẩn NFPA; xây dựng quy trình kiểm định thiết bị định kỳ 6 tháng theo chuẩn của Ủy ban Giám định Cơ sở Y tế (JCAHO); phân tích tính khả thi và đạo đức trong thiết kế thiết bị y tế theo quy định của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập (300-350 từ)

Giáo trình được biên soạn theo phương pháp sư phạm định lượng kết hợp thực nghiệm ứng dụng:

• Tiếp cận sư phạm tích hợp: Tài liệu khuyến nghị giảng dạy kết hợp ba chủ đề có tính phụ thuộc lẫn nhau: Bioinstrumentation (Chương 9), Biosensors (Chương 10) và Biosignal Processing (Chương 11). Lý thuyết toán học được đơn giản hóa hợp lý ở một số phân đoạn nhằm bảo đảm sinh viên tập trung vào bản chất vật lý và sinh học mà không bị quá tải bởi các chứng minh thuần túy.
• Bài tập và nghiên cứu tình huống: Cuối mỗi chương là hệ thống bài tập phong phú, sắp xếp tuần tự theo mức độ từ cơ bản đến nâng cao bám sát nội dung bài học. Các nghiên cứu tình huống thực tiễn được đưa vào để phân tích, ví dụ: ca lâm sàng về dịch tả của John Snow, thiết kế chân giả chạy điền kinh Cheetah Leg của Oscar Pistorius, cánh tay robot sinh học Luke Arm của Dean Kamen.
• Mô phỏng tính toán thực hành: Việc giải quyết các bài toán cân bằng phân vùng, động học enzyme và hệ thống tuyến tính được tích hợp trực tiếp với các dòng lệnh MATLAB® và sơ đồ khối SIMULINK®. Phụ lục cuối sách đóng vai trò là tài liệu hướng dẫn nhanh các cú pháp và khối lệnh mô phỏng.
• Phương pháp đánh giá và tự học: Giáo trình định hướng đánh giá qua khả năng giải bài tập định lượng cuối chương, phân tích các vấn đề y đức - an toàn thiết bị, và bài tập lập trình mô phỏng. Mục Suggested Readings ở mỗi chương cung cấp tài liệu tham khảo chuyên khảo để người học tự mở rộng tri thức.

---

Điểm nổi bật và cập nhật (250-300 từ)

Ấn bản thứ ba đánh dấu sự chuyển dịch nội dung quan trọng dựa trên tiến trình phát triển của ngành kỹ thuật y sinh hiện đại:

• Tái cấu trúc nội dung: Bổ sung các chương mới và cập nhật bài tập cuối chương, loại bỏ các chủ đề không còn phù hợp để tập trung vào các hướng nghiên cứu hiện đại.
• Chuyển dịch sang cấp độ tế bào và phân tử: Sau khi hoàn thành Dự án Bộ gen người (Human Genome Project, 1990–2003), giáo trình mở rộng trọng tâm từ cấp độ hệ cơ quan sang cấp độ phân tử và tế bào, thể hiện rõ qua nội dung kỹ thuật mô, khoa học "-Omics" và tế bào gốc.
• Cập nhật công nghệ chi giả và mô hình thần kinh: Bổ sung phân tích về kích thích điện chức năng (FES) trong chi giả thần kinh, khớp gối vi xử lý C-Leg, và cánh tay chuyển động đa bậc tự do Luke Arm điều khiển bằng tín hiệu điện cơ (myoelectric signals).
• Cập nhật các mô hình toán học mới: Tích hợp mô hình cử động mắt Linear Homeomorphic Saccadic Eye Movement Model cập nhật năm 2009 bên cạnh các mô hình cổ điển năm 1984 và 1995.
• Gắn kết thực tiễn tổ chức và luật định: Trình bày chi tiết vai trò của kỹ thuật lâm sàng (Clinical Engineering), lịch sử tiêu chuẩn an toàn điện sau cảnh báo của Ralph Nader (1960s), tiêu chuẩn của National Fire Protection Association (NFPA), và hoạt động của các tổ chức nghề nghiệp lớn: AIMBE, IEEE EMBS, BMES, ACCE, IFMBE.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình (200-250 từ)

• Sinh viên đại học: Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho sinh viên năm thứ hai (sophomore) hoặc năm thứ ba (junior) chuyên ngành Kỹ thuật Y sinh, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Hóa học.
• Sinh viên khối ngành Khoa học sự sống và Y tế: Sinh viên ngành Y khoa, Điều dưỡng và Sinh học có thể sử dụng giáo trình này để nắm bắt các nguyên lý công nghệ y tế nếu đã trang bị kiến thức toán học phù hợp.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần Toán giải tích (đặc biệt là Phương trình vi phân - Differential Equations) và Cơ học cơ sở (Tĩnh học - Statics).
• Giảng viên đại học: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính khóa cho cấu trúc chương trình 1 học kỳ, 2 học kỳ hoặc 3 học phần; khai thác ngân hàng bài tập và hướng dẫn MATLAB/SIMULINK để thiết kế bài giảng, bài tập lớn và đồ án môn học.
• Học viên cao học và kỹ sư nghiên cứu: Tài liệu tra cứu tiêu chuẩn về mô hình hóa toán sinh học, cơ chế cảm biến, xử lý tín hiệu y sinh và các quy định an toàn thiết bị y tế.

---

Câu hỏi thường gặp (250-300 từ)

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình phù hợp cho sinh viên đại học năm 2 và năm 3 ngành Kỹ thuật Y sinh, sinh viên các ngành kỹ thuật chuyển tiếp, học viên cao học, cũng như sinh viên y khoa, điều dưỡng có nền tảng toán học phù hợp.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần có kiến thức nền tảng về phương trình vi phân (differential equations) và cơ học tĩnh (statics). Các kiến thức về sinh học, giải phẫu, sinh lý và y đức được giáo trình cung cấp trực tiếp trong các chương đầu (Chương 1 đến 3).

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Giáo trình bao quát toàn diện 17 chuyên ngành nhánh của kỹ thuật y sinh, kết hợp song song giữa phương trình giải tích lý thuyết và mô phỏng thực hành trên MATLAB®/SIMULINK®, đồng thời tích hợp chặt chẽ khía cạnh y đức, an toàn thiết bị y tế bệnh viện và quy định pháp lý của FDA.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học nên học tuần tự từ các chương đại cương (Chương 1–3), sau đó học đồng thời nhóm ba chương liên đới mật thiết: Thiết bị đo (Chương 9), Cảm biến (Chương 10) và Xử lý tín hiệu (Chương 11); kết hợp giải bài tập cuối chương và thực hành lập trình theo hướng dẫn tại Phụ lục.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Giáo trình đi kèm Phụ lục hướng dẫn sử dụng MATLAB® và SIMULINK®, cổng tài nguyên trực tuyến của Elsevier cung cấp tài liệu bổ sung cho sinh viên và sổ tay giải bài tập (Solutions Manual) dành riêng cho giảng viên đăng ký.

---

Kết luận (150 từ)

Introduction to Biomedical Engineering (Third Edition) của John D. Enderle và Joseph D. Bronzino cung cấp hệ thống tri thức học thuật chuẩn xác, kết nối nền tảng khoa học sự sống với phương pháp luận kỹ thuật định lượng và tính toán mô phỏng.

Lộ trình học tập khuyến nghị bắt đầu từ khối kiến thức lịch sử, y đức, giải phẫu sinh lý (Chương 1–3), tiếp tục với khối kỹ thuật cơ sở và công nghệ tế bào (Chương 4–11), trước khi đi sâu vào các hệ thống chuyên sâu về điện sinh học, mô hình hóa cử động mắt, truyền khối - nhiệt, chẩn đoán hình ảnh và quang học y sinh (Chương 12–17).

Nguồn tài nguyên bổ trợ tại Phụ lục và hệ thống dữ liệu trực tuyến của Nhà xuất bản Academic Press/Elsevier là công cụ hỗ trợ hoàn thiện quá trình nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành kỹ thuật y sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

INTRODUCTION TO BIOMEDICAL ENGINEERING THIRD EDITION This is a volume in the ACADEMIC PRESS SERIES IN BIOMEDICAL ENGINEERING JOSEPH BRONZINO, SERIES EDITOR Trinity College—Hartford, Connecticut INTRODUCTION TO BIOMEDICAL ENGINEERING THIRD EDITION JOHN D. ENDERLE University of Connecticut Storrs, Connecticut JOSEPH D. BRONZINO Trinity College Hartford, Connecticut Academic Press is an imprint of Elsevier 30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA 01803, USA The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford, OX5 1GB, UK # 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording, or any information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher. Details on how to seek permission, further information about the Publisher’s permissions policies and our arrangements with organizations such as the Copyright Clearance Center and the Copyright Licensing Agency, can be found at our website: www. This book and the individual contributions contained in it are protected under copyright by the Publisher (other than as may be noted herein). Notices Knowledge and best practice in this field are constantly changing.

As new research and experience broaden our understanding, changes in research methods, professional practices, or medical treatment may become necessary. Practitioners and researchers must always rely on their own experience and knowledge in evaluating and using any information, methods, compounds, or experiments described herein. In using such information or methods they should be mindful of their own safety and the safety of others, including parties for whom they have a professional responsibility. To the fullest extent of the law, neither the Publisher nor the authors, contributors, or editors, assume any liability for any injury and/or damage to persons or property as a matter of products liability, negligence or otherwise, or from any use or operation of any methods, products, instructions, or ideas contained in the material herein.

MATLABW and SimulinkW are trademarks of The MathWorks, Inc. and are used with permission. The MathWorks does not warrant the accuracy of the text or exercises in this book. This book’s use or discussion of MATLABW and SimulinkW software or related products does not constitute endorsement or sponsorship by The MathWorks of a particular pedagogical approach or particular use of the MATLABW and SimulinkW software.

Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Introduction to biomedical engineering / [edited by] John Enderle, Joseph Bronzino. Includes bibliographical references and index.28–dc22 2010046267 British Library Cataloguing-in-Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library. For information on all Academic Press publications visit our Web site at www.com Printed in the United State of America 11 12 13 14 9 8 7 6 5 4 3 2 1 This book is dedicated to our families. This page intentionally left blank Contents Preface xi 2.13 Ethical Issues in Treatment Use 70 2.14 The Role of the Biomedical Engineer in the Contributors to the Third Edition xiii FDA Process 71 Contributors to the Second Edition xiv 2.15 Exercises 72 Contributors to the First Edition xv 3.

Anatomy and Physiology 1. Biomedical Engineering: A Historical SUSAN BLANCHARD AND JOSEPH D.1 The Evolution of the Modern Health 3.3 Tissues 93 Care System 2 3.4 Major Organ Systems 94 1.2 The Modern Health Care System 9 3.3 What Is Biomedical Engineering? 16 3.4 Roles Played by the Biomedical Engineers 21 1.5 Recent Advances in Biomedical 4. Biomechanics Engineering 23 JOSEPH L. PALLADINO AND ROY B.6 Professional Status of Biomedical Engineering 29 4.3 Mechanics of Materials 158 4.

Moral and Ethical Issues 4.5 Cartilage, Ligament, Tendon, and Muscle 170 JOSEPH D.6 Clinical Gait Analysis 175 2.1 Morality and Ethics: A Definition of 4.7 Cardiovascular Dynamics 192 Terms 36 4.2 Two Moral Norms: Beneficence and Nonmaleficence 44 5.3 Redefining Death 45 LIISA T.4 The Terminally Ill Patient and Euthanasia 49 2.1 Materials in Medicine: From Prosthetics to 2.6 Human Experimentation 53 Regeneration 220 2.7 Definition and Purpose of 5.2 Biomaterials: Types, Properties, and Their Experimentation 55 Applications 221 2.3 Lessons from Nature on Biomaterial Design and 2.9 Regulation of Medical Device Innovation 62 Selection 236 2.10 Marketing Medical Devices 64 5.4 Tissue–Biomaterial Interactions 240 2.11 Ethical Issues in Feasibility Studies 65 5.5 Biomaterials Processing Techniques for Guiding 2.12 Ethical Issues in Emergency Use 67 Tissue Repair and Regeneration 250 vii viii CONTENTS 5.6 Safety Testing and Regulation of 8.6 Enzyme Inhibition, Allosteric Modifiers, and Biomaterials 258 Cooperative Reactions 497 5.7 Application-Specific Strategies for the Design 8.7 Exercises 505 and Selection of Biomaterials 263 5. MCCLELLAND, ROBERT DENNIS, 9.2 Basic Bioinstrumentation LOLA M. STEGEMANN, BERNARD PALSSON, AND JEFFREY M.3 Charge, Current, Voltage, Power, and 6.1 What Is Tissue Engineering? 274 Energy 514 6.5 Linear Network Analysis 531 6.6 Linearity and Superposition 537 6.5 Implementation of Tissue Engineered 9.7 Thévenin’s Theorem 541 Products 343 9.6 Future Directions: Functional Tissue Engineering 9.9 Capacitors 548 and the “-Omics” Sciences 347 9.10 A General Approach to Solving Circuits 6.7 Conclusions 349 Involving Resistors, Capacitors, and 6.12 Time-Varying Signals 572 7.13 Active Analog Filters 578 JOHN D.2 Solutes, Compartments, and Volumes 360 10.3 Transfer of Substances between Two YITZHAK MENDELSON Compartments Separated by a Membrane 362 7.4 Compartmental Modeling Basics 379 10.5 One-Compartment Modeling 381 10.6 Two-Compartment Modeling 391 10.7 Three-Compartment Modeling 403 10.4 Blood Gas Sensors 639 7. Biochemical Reactions and Enzyme Kinetics 11.

Biosignal Processing JOHN D. ENDERLE MONTY ESCABI 8.2 Physiological Origins of Biosignals 668 8.3 Additional Models Using the Quasi-Steady-State 11.3 Characteristics of Biosignals 671 Approximation 467 11.4 Diffusion, Biochemical Reactions, and Enzyme 11.5 Frequency Domain Representation of Biological Kinetics 473 Signals 679 8.5 Cellular Respiration: Glucose Metabolism and 11.6 Linear Systems 700 the Creation of ATP 485 11.7 Signal Averaging 721 CONTENTS ix 11.8 The Wavelet Transform and the Short-Time 14.3 Biomedical Heat Transport 975 Fourier Transform 727 14.9 Artificial Intelligence Techniques 732 11. Bioelectric Phenomena JOSEPH D.2 Emission Imaging Systems 997 12.3 Instrumentation and Imaging Devices 1013 12.4 Radiographic Imaging Systems 1018 12.4 Basic Biophysics Tools and 15.5 Equivalent Circuit Model for the Cell Membrane 773 16.6 The Hodgkin-Huxley Model of the Action THOMAS SZABO Potential 783 12.7 Model of a Whole Neuron 797 16.2 Diagnostic Ultrasound Imaging 1042 12.3 Magnetic Resonance Imaging 1071 16.5 Contrast Agents 1101 JOHN D.6 Comparison of Imaging Modes 1103 16.2 An Overview of the Fast Eye Movement 16.3 The Westheimer Saccadic Eye Movement Model 828 17. Biomedical Optics and Lasers 13.4 The Saccade Controller 835 GERARD L.

WANG, AND SOHI RASTEGAR 13.5 Development of an Oculomotor Muscle Model 838 17.1 Introduction to Essential Optical 13.6 The 1984 Linear Reciprocal Principles 1112 Innervation Saccadic Eye Movement 17.2 Fundamentals of Light Propagation in Model 852 Biological Tissue 1118 13.7 The 1995 Linear Homeomorphic Saccadic 17.3 Physical Interaction of Light and Physical Eye Movement Model 864 Sensing 1130 13.8 The 2009 Linear Homeomorphic Saccadic 17.4 Biochemical Measurement Techniques Using Eye Movement Model 878 Light 1139 13.9 Saccade Neural Pathways 905 17.5 Fundamentals of the Photothermal Therapeutic 13.10 System Identification 910 Effects of Light Sources 1147 13.6 Fiber Optics and Waveguides in 14. Biomedical Transport Processes Medicine 1158 17.7 Biomedical Optical Imaging 1165 GERALD E.1 Biomedical Mass Transport 938 14.2 Biofluid Mechanics and Momentum Appendix 1175 Transport 957 Index 1213 This page intentionally left blank Preface The purpose of the third edition remains Although we do attempt to be fairly rigor- the same as the first and second editions, ous with our discussions and proofs, our ulti- that is, to serve as an introduction to and mate aim is to help students grasp the nature overview of the field of biomedical engi- of biomedical engineering. Therefore, we neering. Many chapters have undergone have compromised when necessary and have major revision from the previous editions occasionally used less rigorous mathematics with new end-of-chapter problems added.

in order to be more understandable. A liberal Some chapters were eliminated completely, use of illustrative examples amplifies con- with several new chapters added to reflect cepts and develops problem-solving skills. changes in the field. Throughout the text, MATLAB® (a matrix Over the past fifty years, as the discipline equation solver) and SIMULINK® (an exten- of biomedical engineering has evolved, it has sion to MATLAB® for simulating dynamic become clear that it is a diverse, seemingly systems) are used as computer tools to assist all-encompassing field that includes such with problem solving.

The Appendix pro- areas as bioelectric phenomena, bioinformat- vides the necessary background to use ics, biomaterials, biomechanics, bioinstru- MATLAB® and SIMULINK®. MATLAB® mentation, biosensors, biosignal processing, and SIMULINK® are available from: biotechnology, computational biology and The Mathworks, Inc. complexity, genomics, medical imaging, 24 Prime Park Way optics and lasers, radiation imaging, tissue Natick, Massachusetts 01760 engineering, and moral and ethical issues. Phone: [phone] Although it is not possible to cover all of Email: [e-mail] the biomedical engineering domains in this WWW: http://www.com textbook, we have made an effort to focus on most of the major fields of activity in Chapters are written to provide some his- which biomedical engineers are engaged.

torical perspective of the major developments The text is written primarily for engineer- in a specific biomedical engineering domain ing students who have completed differen- as well as the fundamental principles that tial equations and a basic course in statics. underlie biomedical engineering design, anal- Students in their sophomore year or junior ysis, and modeling procedures in that domain. year should be adequately prepared for this In addition, examples of some of the problems textbook. Students in the biological sciences, encountered, as well as the techniques used to including those in the fields of medicine solve them, are provided.

Selected problems, and nursing can also read and understand ranging from simple to difficult, are presented this material if they have the appropriate at the end of each chapter in the same general mathematical background. order as covered in the text. xi xii PREFACE The material in this textbook has been ACKNOWLEDGMENTS designed for a one-semester, two-semester, or three-quarter sequence depending on the needs Many people have helped us in writing and interests of the instructor. Chapter 1 this textbook.

Well deserved credit is due provides necessary background to understand to the many contributors who provided the history and appreciate the field of bio- chapters and worked under a very tight medical engineering. Chapter 2 presents the timeline. Special thanks go to our publisher, vitally important chapter on biomedically based Elsevier, especially for the tireless work of morals and ethics. Basic anatomy and physiol- the Publisher, Joseph Hayton and Associate ogy are provided in Chapter 3.

Chapters 4–11 Editor, Steve Merken. In addition, we provide the basic core biomedical engineering appreciate the work of Lisa Lamenzo, the areas: biomechanics, biomaterials, tissue engi- Project Manager. neering, compartmental modeling, biochemical A great debt of gratitude is extended to reactions, bioinstrumentation, biosensors, and Joel Claypool, the editor of the first edition biosignal processing. To assist instructors in of the book and Diane Grossman from Aca- planning the sequence of material they may demic Press, and Christine Minihane, the wish to emphasize, it is suggested that the editor of the second edition.

Also, we wish chapters on bioinstrumentation, biosensors to acknowledge the efforts of Jonathan and biosignal processing should be covered Simpson, the first editor of this edition, who together as they are interdependent on each moved onto to other assignments before this other. The remainder of the textbook presents project was complete. material on biomedical systems and biomedical A final and most important note concerns technology (Chapters 12–17). our co-author of the first two editions of this Readers of the text can visit http://www book, Susan Blanchard.

She decided that she .com/9780123749796 to view wanted to devote more time to her family extra material that may be posted there and not to continue as a co-author. from time to time. Instructors can register at http://www .com for access to solu- tions and additional resources to accompany the text. Contributors to the Third Edition Susan M.