Bioengineering Fundamentals（生物工程基础）

引用

Saterbak, A., San, K.-Y., & McIntire, L. V. (2017). Bioengineering Fundamentals (2nd ed.). Pearson.

章节概要

本书共7章（第2版约620页），另有5个附录：符号表、单位换算系数、元素周期表、生物数据表和热力学数据表。培生将其定位为生物工程和生物医学工程二年级课程的教材。本书源自作者在莱斯大学、佐治亚理工学院和华盛顿州立大学课堂上试用过的书稿，最初题为《Conservation Principles in Bioengineering》；第1版于2007年出版。作者在提交给美国工程教育学会（ASEE）的两篇论文（2004年和2006年）中详细介绍了书稿各章；以下概要依据这些早于正式出版的介绍，以及培生对第2版的说明。据培生介绍，第2版主要在第3–5章扩充了内容较密的小节，在第1–6章中增加了例题，并在所有章节中增加了新的习题，其中包括需要计算求解的题目。

第1章：工程计算导论

复习单位、量纲和单位换算，区分强度变量与可以在守恒定律中"计数"的广延变量。据作者介绍，约三十个物理变量通过简短的生物工程情境引入（药物递送、基因转移、显微外科辅助装置等）。本章还给出了书中大多数例题所用的四步解题法：整理、分析、计算、收尾。

第2章：守恒原理基础

为全书搭建框架：定义系统及其边界和环境；衡算方程（输入 − 输出 + 生成 − 消耗 = 累积）及其特例守恒方程；代数形式、微分形式和积分形式；以及把系统分为开放或封闭、稳态或动态、反应或非反应。

第3章：质量守恒

将框架应用于质量，以骨替代的组织工程问题开篇。从稳态、无反应的开放系统讲起，进而讨论多个入口和出口、多组分混合物、多单元系统（如肾脏的双室模型）、反应系统（包括反应速率和转化率），以及药物递送之类的动态系统。

第4章：能量守恒

定义动能、势能、内能和焓，以及以热和功形式进行的能量传递。先对封闭系统、再对稳态开放系统作能量衡算，并用相当篇幅讲解由温度、压力、相变和反应引起的焓变计算（例子包括呼吸作用）。动态系统的例子包括生物反应器的启动，以及用基础代谢率估算体重增加。

第5章：电荷守恒

由电荷守恒推导基尔霍夫电流定律，并建立电能衡算式，引出电阻和基尔霍夫电压定律。除电路例子外，还讨论反应系统（放射性衰变、酸碱解离、电化学反应）和电容充电等动态系统；开篇问题涉及神经假体装置。

第6章：动量守恒

以骑自行车的力学开篇，讨论线动量守恒。推导刚体静力学和流体静力学，讨论碰撞、有流动的稳态系统（如流经全人工心脏的流动），以及导出牛顿第二定律和冲量—动量定理的动态系统。伯努利方程由机械能衡算引出，并讨论摩擦损失和轴功；角动量只作简要回顾。

第7章：案例研究

三个综合质量、能量、电荷和动量的案例：心脏与血液循环、肺与心肺转流机、肾脏与透析。在书稿中，每个案例都配有生理学背景、例题，以及需要查阅外部资料的开放式习题。

核心概念

第1–2章：计算与框架

• 广延变量与强度变量：随系统大小而变化的量（质量、能量、电荷、动量）与不随之变化的量（温度、浓度）；只有前者可以在衡算方程中计数。
• 衡算方程：输入 − 输出 + 生成 − 消耗 = 累积，全书所有衡算都由这一个关系式构建。
• 守恒方程：针对守恒量的特例，守恒量既不能生成也不能消耗。
• 系统分类：开放或封闭、稳态或动态、反应或非反应，决定方程中哪些项保留下来。

第3–4章：质量与能量

• 多组分、多单元系统的质量衡算：在单元网络中跟踪每种组分，包括器官的分室模型。
• 反应速率与转化率：描述反应消耗或生成某种组分的多少。
• 焓与反应热：计算由温度、相态和化学反应引起的能量变化。

第5–7章：电荷、动量与综合

• 作为衡算的基尔霍夫定律：电流定律即电荷守恒，电压定律是一种能量表述。
• 线动量衡算：静力学、牛顿第二定律和冲量—动量定理的来源。
• 含摩擦损失的伯努利方程：用于流动系统的机械能衡算。
• 综合性生理案例：把四种衡算全部应用于心脏、肺和肾脏。

评析

优点

• 一个框架贯穿始终。 全书建立在应用于四种广延性质的衡算方程之上，学生只需掌握一种方法，并能看到基尔霍夫定律、牛顿定律和伯努利方程都由它推出。作者有意如此设计，借鉴了得克萨斯农工大学《Conservation Principles and the Structure of Engineering》的思路，并改用生物和医学的例子。
• 可教授的解题方法。 第1章引入的四步法用于大多数例题，各章都列出学习目标。培生特别强调书中详尽的例题，展示如何把文字题目转化为示意图。
• 与生物相关的例子。 例题和习题涵盖生理学、生物化学、组织工程、生物技术和仪器，使用真实数值；第3–6章各以一个当前的研究或设计难题开篇。
• 灵活且题量充足。 培生称各章相对独立，课程可以侧重一两种性质，或采用问题导向学习的形式；第2版增加了习题数量，并加入了计算类题目。

局限

• 有意收窄的范围。 本书讲授的是守恒原理，而非学科概览：没有关于生物材料、医学成像、作为学科的生物力学或伦理的章节。想要了解生物医学工程全貌的学生需要同时阅读其他教材。
• 先修要求。 作者建议具备大学微积分、普通化学、物理和生物学知识，以及基本的计算技能。
• 早期试用中案例研究和开篇难题效果最弱。 在作者2004年对使用书稿的莱斯大学学生所做的调查中，习题和例题被评为最有效的材料，开篇难题和案例研究则评价最低。正式出版的版本可能已有改变，但教师应计划如何主动使用第7章，而不只是让学生阅读。
• 动量部分比质量和能量单薄。 在作者的大纲中，角动量只作简要回顾，流动系统用伯努利方程和摩擦损失项处理，而不是用流体力学的微分方程；后续的传递现象和生物力学课程会进一步展开。

在课程中的定位

在生物医学工程导论的书单中，本书是围绕单一方法构建的一本。恩德勒等人的《Introduction to Biomedical Engineering》是对学科各分支（建模、解剖与生理、电气工程、生物力学、生物材料、伦理）的广泛概览；索尔兹曼的《Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology》则从分子、细胞和生理学出发向外构建这一学科。两者都可以与萨特巴克、San和麦金太尔的这本书同时阅读，补足本书有意省略的广度，而本书则提供概览类教材只略加涉及的定量衡算能力。

里特等人的《Biomedical Engineering Principles》也是一本强调定量分析和工程设计的入门教材，可作为另一套例题来源。霍比与罗斯的《Intermediate Physics for Medicine and Biology》和维特鲁普等人的《Quantitative Fundamentals of Molecular and Cellular Bioengineering》是面向更高年级、要求更高的教材：前者把物理学应用于整个生理学和医学成像，后者发展结合、动力学和细胞行为的模型。两者都以本书所教的建立衡算方程的能力为前提。

如何使用本书

本书面向正从普通理科和数学课程转入工程课程的生物工程或生物医学工程二年级学生。学生应熟悉一年级的微积分、化学和物理；有一些生物学基础更便于理解例子。

一学期的实用计划：

• 核心： 认真学习第1章和第2章，因为系统的术语和衡算方程处处用到。然后是第3章（质量），这是篇幅最长、对后续传递课程最重要的一章。
• 按专业方向选择： 走向生物过程和传递方向的学生学第4章（能量），走向仪器和神经工程的学第5章（电荷），走向生物力学和流体的学第6章（动量）。由于各章相对独立，课程可以深入讲两三章，而不必把四章都浅尝辄止。
• 综合： 最后用第7章的一两个案例收尾，作为小组项目来完成，而不是被动阅读。

每道习题，即使是简单的，也要用四步法：画出系统，写明假设，在计算之前判断衡算方程中哪些项为零。可以用一页纸总结四种衡算的平行结构；认识到同一个方程支配着质量、能量、电荷和动量，正是本书最想教给学生的东西。