Биоинструментация - Bioinstrumentation

Биоинструментация или же Биомедицинское оборудование это приложение биомедицинская инженерия, в котором основное внимание уделяется устройствам и механике, используемым для измерения, оценки и лечения биологических систем. Основное внимание уделяется использованию нескольких датчиков для мониторинга физиологических характеристик человека или животного. Такая аппаратура возникла как необходимость постоянного контроля жизненно важных функций. Космонавтов в течение НАСА с Меркурий, Близнецы, и Аполлон миссии.[1][сомнительный – обсуждать]

Биоинструментация - это новая и развивающаяся область, в которой основное внимание уделяется лечению заболеваний и объединению инженерного и медицинского миров. Большинство инноваций в этой области произошло за последние 15-20 лет. Биоинструментация произвела революцию в области медицины и значительно упростила лечение пациентов. Инструменты / датчики преобразуют сигналы, обнаруженные в организме, в электрические сигналы.[2] В биоинструментации есть множество подполей, в том числе: биомедицинские возможности, создание сенсора, генетическое тестирование и доставка лекарств.[3] Другие области инженерии, такие как электротехника и информатика, связаны с биоинструментами.[2]

С тех пор биоинструменты стали неотъемлемой частью повседневной жизни многих людей благодаря сенсорным приборам. смартфоны способен измерять частота сердцебиения и насыщение кислородом, а также широкая доступность фитнес-приложения, с более чем 40 000 приложений для отслеживания состояния на iTunes один.[4] Носимые на запястье устройства для отслеживания фитнеса также приобрели популярность,[5] с набором встроенных датчиков, способных измерять биометрические данные пользователя и передавать их на приложение который регистрирует и отслеживает информацию для улучшения.

История

Биомедицинская инженерия и биоинструментация - новые термины, но лежащая в их основе практика существует на протяжении многих поколений. С момента зарождения человечества люди использовали все, что им было доступно, для лечения медицинских неудач, с которыми они сталкивались. Биомедицинская инженерия получила наибольшее развитие в девятнадцатом веке. В последние годы биомедицинская инженерия стала популярной и сосредоточена на поиске решений проблем физиологии человека. С тех пор такие изобретения, как рентгеновские лучи и стетоскопы, продвинулись и произвели революцию в области медицины.[6]

Космический полет

Биоинструменты были впервые всерьез разработаны НАСА во время их первых космических миссий, чтобы лучше понять, как люди пострадали от космических путешествий. Эти ранние биоинструментальные сенсорные матрицы, созданные НАСА, постоянно отслеживали астронавтов. ЭКГ, дыхание, и температура тела; и позже измерили артериальное давление.[7] Это позволило врачам следить за жизненными показателями космонавтов на предмет потенциальных проблем. Данные, полученные с помощью биоинструментов для ЭКГ Аполлона 15, показали периоды сердечной аритмии, которые врачи и специалисты по планированию использовали для изменения ожидаемой нагрузки, диеты и лекарств в бортовых медицинских наборах.[1]

Схемы / создание датчиков

Датчики - наиболее известный аспект биоинструментации. К ним относятся термометры, сканирование мозга и электрокардиограммы. Датчики принимают сигналы от тела и усиливают их, чтобы инженеры и врачи могли их изучить. Сигналы от датчиков усиливаются схемами. Цепи принимают источник напряжения и модифицируют их с помощью резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и других компонентов. Затем они выпускают определенное количество напряжения, которое используется для анализа. Данные, собранные с помощью датчиков, часто отображаются в компьютерных программах. Эта область биоинструментации тесно связана с электротехникой.[3]

Текущее использование

Фитнес-трекеры

Биоинструментальные инструменты на коммерческом рынке значительно выросли в области носимые Рыночная стоимость носимых на запястье устройств отслеживания активности выросла с 0,75 миллиарда долларов США в 2012 году до 5,8 миллиарда долларов США в 2018 году.[5] Биоинструменты также были добавлены в конструкции смартфонов, и теперь смартфоны могут измерять частоту сердечных сокращений, уровень кислорода в крови, количество сделанных шагов, и многое другое в зависимости от устройства.

Биомедицинская оптика

Биомедицинская оптика - это область проведения неинвазивных операций и процедур пациентам. Эта область постоянно растет, поскольку она проще и не требует вскрытия пациента.[3] Биомедицинская оптика стала возможной благодаря визуализации, такой как компьютерная томография (компьютерная аксиальная томография).[8] Одним из примеров биомедицинской оптики является глазная хирургия LASIK, которая представляет собой лазерную микрохирургию глаза. Это помогает исправить множественные проблемы с глазами и намного проще, чем другие операции.[8] Другие важные аспекты биомедицинской оптики включают микроскопию и спектроскопию.[9]

Генетическое тестирование

Биоинструменты можно использовать для генетического тестирования. Это делается с помощью химии и медицинских инструментов. Специалисты в этой области создали инструменты для анализа тканей, с помощью которых можно сравнивать ДНК разных людей. Другой пример генетического тестирования - гель-электрофорез. В гель-электрофорезе используются образцы ДНК, а также биосенсоры для сравнения последовательности ДНК людей.[8] Двумя другими важными инструментами, связанными с достижениями в области генома, являются технология микрочипов и секвенирование ДНК. Микроматрицы выявляют активированные и репрессированные гены человека. При секвенировании ДНК используются лазеры с разной длиной волны для определения нуклеотидов, присутствующих в разных цепях ДНК. Биоинструментация изменила мир генетического тестирования и помогает ученым лучше, чем когда-либо, понимать ДНК и геном человека.[8]

Доставка лекарств / вспомогательные машины

Машины для доставки лекарств и помощи были значительно улучшены за счет биоинструментов. Насосы созданы для доставки таких лекарств, как анестезия и инсулин. Раньше пациентам приходилось чаще посещать врачей, но с этими помпами они могут лечить себя быстрее и дешевле. Аппараты для оказания помощи включают слуховые аппараты и кардиостимуляторы. Оба они используют датчики и схемы для усиления сигналов и выявления проблем у пациента.[3]

сельское хозяйство

Биоинструменты широко используются в сельском хозяйстве для мониторинга и отбора проб почвы, а также для измерения роста растений. Биотехнология в сельском хозяйстве требует обработки сложных геномов растений, что делается с использованием сложных инструментов. Такие устройства, как тензиометры, используются для измерения влажности почвы, что помогает поддерживать наиболее благоприятные условия для роста сельскохозяйственных культур. Присоединение к нему электрического преобразователя позволяет регулярно контролировать данные об урожае с точки зрения влажности почвы и профиля воды.[8]

Ботаника

В области ботаники для измерения пищеварения растений широко используются биоинструменты. Монитор фотосинтеза PTM-48A используется для регистрации физиологических качеств растения, таких как обмен углекислым газом, влажность листьев, чистый фотосинтез и устьичная проводимость.[8]

Системы визуализации

Биоинструменты, такие как платформа ChemiDoc Touch, представляют собой систему визуализации для электрофореза и вестерн-блоттинга, интегрированную с сенсорным экраном на суперкомпьютере. В нем используются специальные лотки для хемилюминесценции и УФ-идентификации, чтобы обеспечить высокую чувствительность и качество изображения.[10]

Планы на будущее

В связи с быстрым ростом биомедицинской инженерии и медицины, биоинструменты будут продолжать развиваться. Основная цель этой области - сделать мир медицины быстрее и эффективнее. Благодаря значительным улучшениям в технологиях и пониманию учеными человеческого тела, эта область будет продолжать расти. Основное внимание в будущем будет уделяться роботам и сканирующим устройствам сотовой связи.[6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Лучковски, Стэнли. SP-368 Биомедицинские результаты Аполлона. Космический центр Линдона Б. Джонсона: НАСА. С. Глава 3.
  2. ^ а б «Биоинструментация». Беркли Биоинженерия. Калифорнийский университет. Получено 28 марта 2018.
  3. ^ а б c d "Что такое биоинструменты?". мудрый. Conjecture Corporation. Получено 30 марта 2018.
  4. ^ Салливан, Алисия (январь 2017 г.). «Изменение поведения с помощью фитнес-технологий у взрослых, ведущих малоподвижный образ жизни: обзор данных об увеличении физической активности». Границы общественного здравоохранения. 4: 289. Дои:10.3389 / fpubh.2016.00289. ЧВК  5225122. PMID  28123997.
  5. ^ а б «Мировой рынок носимых технологий 2012-2018 | Статистика». Statista. Получено 2018-04-02.
  6. ^ а б «История биомедицинской инженерии». Биомедицинские. bmecentral.com. Архивировано из оригинал 25 марта 2018 г.. Получено 31 марта 2018.
  7. ^ Чоудхури, Абул. «Биоинструментальная система в полетах на ртути». Архив данных НАСА по наукам о жизни. Получено 1 апреля, 2018.
  8. ^ а б c d е ж Кумар, Падма. «Что такое биоинструменты - общие приложения». Статьи о биотехнологиях. биотехнологические статьи.com. Получено 31 марта 2018.
  9. ^ «Биомедицинская оптика (Биомед)». Оптическое общество. Оптическое общество. Получено 31 марта 2018.
  10. ^ Мандели, Андреас (2015). «Фокус на биоинструменты и биотехнологии». Физика сегодня. 68 (1): 50–52. Bibcode:2015ФТ .... 68а..50М. Дои:10.1063 / pt.3.2662.