生物医学工程原理

引用

Ritter, A. B., Hazelwood, V., Valdevit, A., & Ascione, A. N. (2011). Biomedical Engineering Principles (2nd ed.). CRC Press.

章节概要

第二版列有十八章，分为四个部分（依目录不同，约 520–540 页）。出版社的简介称它是一本入门性的、多学科的教材，只需对分子生物学、生理学、生物化学和信号处理略有了解即可，并说其编排方式便于根据学生的背景和兴趣定制课程。公开的目录只给出章节标题，没有编号，也没有标明各部分的界限，因此下面按主题分组，顺序与标题一致，并对应出版社简介提到的四个方面：建模与生理学、信号处理、生物力学和毕业设计（capstone design）。

建模与生理学

开头的标题依次是 Introduction: Modeling of Physiological Processes（导论：生理过程的建模）；Cell Physiology and Transport（细胞生理学与传递）；Principles and Biomedical Applications of Hemodynamics（血流动力学的原理与生物医学应用）；A Systems Approach to Physiology（生理学的系统方法）；The Cardiovascular System（心血管系统）。据出版社介绍，全书的第一部分涵盖系统分析、生物学数据，以及实验设计中的建模与仿真，并应用扩散、易化转运和主动转运。标题的走向是从建模方法到细胞层面的传递，再到循环系统。

生物医学信号处理

随后是四章：Biomedical Signal Processing（生物医学信号处理）；Signal Acquisition and Processing（信号采集与处理）；Techniques for Physiological Signal Processing（生理信号处理技术）；Examples of Physiological Signal Processing（生理信号处理实例）。出版社说，信号处理部分回顾了频率、周期函数和傅里叶级数，以及信号采集与处理技术。最后一个标题表明，这一章是取自生理信号的实例。

生物力学与生物材料

接下来是 Principles of Biomechanics（生物力学原理）、Practical Applications of Biomechanics（生物力学的实际应用）和 Biomaterials（生物材料）。出版社称，生物力学部分关注骨骼、肌肉骨骼和结缔组织的力学与结构性质，涉及关节活动范围、承载能力和电刺激。生物材料一章属于哪个部分，公开目录中没有显示。

毕业设计与领域的未来

其余标题是 Principles of Biomedical Capstone Design（生物医学毕业设计的原理）；Unmet Clinical Needs（未满足的临床需求）；Entrepreneurship: Reasons why Most Good Designs Never Get to Market（创业：为什么多数好设计无法上市）；An Engineering Solution in Search of a Biomedical Problem to Solve（寻找生物医学问题的工程方案）；Tissue Engineering（组织工程）；Future Trends in BME（生物医学工程的未来趋势）。出版社说，设计部分讨论了针对生命系统与非生命系统的设计视角、FDA 的作用，以及从起步到概念验证的项目时间线。美国国会图书馆的记录收有一段出版社摘要，其中还提到人工心脏、心室辅助装置、除颤器、起搏器、支架以及微创和机器人手术等被讨论的技术。

核心概念

建模与生理学

• 生理过程的建模：导论一章的主题，由生理学的系统方法加以延伸。
• 传递：出版社提到的扩散、易化转运和主动转运。
• 血流动力学：血流的原理与生物医学应用，另有一章讲心血管系统。

信号处理

• 频率、周期函数与傅里叶级数：出版社简介中提到的信号处理基础。
• 信号采集与处理：位于实例之前的技术章节。

生物力学与设计

• 组织的力学与结构性质：骨骼、肌肉骨骼和结缔组织。
• 毕业设计：针对生命与非生命系统的设计视角、FDA 的参与以及通向概念验证的路径。
• 未满足的临床需求与创业：位于设计项目两端的章节主题，即启动项目的需求，以及好设计无法上市的原因。

评析

优点

• 一册之中覆盖多个学科。 目录把生理学与传递、信号处理、生物力学与生物材料以及毕业设计合在一起，一本书就能支撑涉及这个领域多个方面的入门课程。
• 模块化的编排。 出版社说明，其编排适合根据学生的经历和兴趣定制课程，这对学生背景差异很大的领域很有意义。
• 包含设计与创业。 关于未满足的临床需求、好设计为何无法上市以及 FDA 角色的章节，把本书与实践联系起来。
• 来自上一版书评的佐证。 出版社为第一版引用的书评称，它既提供概览，也对选定主题做了有数学模型、公式和定量数据支撑的深入分析（Biomedical Engineering Online，2005）；Richard C. Fries（IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine，2006年12月）发现书中有大量例子、图、延伸阅读和章末习题；G. Ya. Wiederschain（莫斯科国立大学）认为它插图丰富，对生物化学、生物物理学以及细胞生物学和医学专家有用。这些书评针对的是早期版本，未必适用于本版的每个细节。

局限

• 各处描述的难度不一致。 出版社称本书是入门性的，只需略有了解；而 Wiederschain 认为第一版的科学水平相当高，用到数学、物理、化学和热力学。读者应预期其定量要求是实实在在的。
• 各领域都只是入门深度。 信号处理有四章，生物力学有两章，所以本书只是起点；每个领域都有专门的书籍供进一步学习。
• 公开目录细节很少。 目录只有章节标题，没有小节标题，书评也针对上一版。如果关心某个具体主题，请先查看样章。

在课程中的定位

Ritter 等人走的是工程分析的路线：先建模与生理学，再到信号、力学、材料和设计。Saltzman 的 Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology 从分子、细胞和生理学的生物学出发，再概览各分支，所以更适合需要补充生物学的学生。Saterbak、San 和 McIntire 的 Bioengineering Fundamentals 以守恒定律为基础构建第一门课，Enderle 等人的 Introduction to Biomedical Engineering 则是一本综合性的概览教材。

进一步学习时，Hobbie 和 Roth 的 Intermediate Physics for Medicine and Biology 把物理学应用于生理学和医学物理，Wittrup 等人的 Quantitative Fundamentals of Molecular and Cellular Bioengineering 建立关于结合、动力学、基因表达和细胞行为的定量模型。Ritter 的信号处理和设计部分可以用相应主题的专门书籍来扩展。

如何使用本书

本书适合第一门生物医学工程课程的本科生，尤其适合同时涵盖建模、信号、力学和设计的课程；正如 Fries 对早期版本的书评所说，也适合没有生物医学背景的在职工程师。微积分以及大学物理与化学是合理的基础；出版社说明，生理学和信号处理不必事先掌握。

由于出版社把本书描述为模块化的，可以按课程选择部分：建模与生理学章节是任何用法的基础，信号处理章节适合侧重信号的课程，生物力学章节适合力学，设计章节适合毕业设计或设计课。先读关于生理过程建模的开篇一章，它介绍了出版社所说的方法。使用为本书编写的习题和讨论题；对于设计章节，可以结合真实项目，从一个未满足的临床需求出发。