Bioengineering Fundamentals（生物工程基礎）

引用

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

章節概要

本書共7章（第2版約620頁），另有5個附錄：符號表、單位換算係數、元素週期表、生物資料表和熱力學資料表。培生將其定位為生物工程和生物醫學工程二年級課程的教材。本書源自作者在萊斯大學、喬治亞理工學院和華盛頓州立大學課堂上試用過的書稿，最初題為《Conservation Principles in Bioengineering》；第1版於2007年出版。作者在提交給美國工程教育學會（ASEE）的兩篇論文（2004年和2006年）中詳細介紹了書稿各章；以下概要依據這些早於正式出版的介紹，以及培生對第2版的說明。據培生介紹，第2版主要在第3–5章擴充了內容較密的小節，在第1–6章中增加了例題，並在所有章節中增加了新的習題，其中包括需要計算求解的題目。

第1章：工程計算導論

複習單位、因次和單位換算，區分強度變數與可以在守恆定律中「計數」的廣延變數。據作者介紹，約三十個物理變數透過簡短的生物工程情境引入（藥物傳輸、基因轉移、顯微外科輔助裝置等）。本章還給出了書中大多數例題所用的四步解題法：整理、分析、計算、收尾。

第2章：守恆原理基礎

為全書搭建框架：定義系統及其邊界和環境；衡算方程（輸入 − 輸出 + 生成 − 消耗 = 累積）及其特例守恆方程；代數形式、微分形式和積分形式；以及把系統分為開放或封閉、穩態或動態、反應或非反應。

第3章：質量守恆

將框架應用於質量，以骨替代的組織工程問題開篇。從穩態、無反應的開放系統講起，進而討論多個入口和出口、多組分混合物、多單元系統（如腎臟的雙室模型）、反應系統（包括反應速率和轉化率），以及藥物傳輸之類的動態系統。

第4章：能量守恆

定義動能、位能、內能和焓，以及以熱和功形式進行的能量傳遞。先對封閉系統、再對穩態開放系統作能量衡算，並用相當篇幅講解由溫度、壓力、相變和反應引起的焓變計算（例子包括呼吸作用）。動態系統的例子包括生物反應器的啟動，以及用基礎代謝率估算體重增加。

第5章：電荷守恆

由電荷守恆推導基爾霍夫電流定律，並建立電能衡算式，引出電阻和基爾霍夫電壓定律。除電路例子外，還討論反應系統（放射性衰變、酸鹼解離、電化學反應）和電容充電等動態系統；開篇問題涉及神經假體裝置。

第6章：動量守恆

以騎腳踏車的力學開篇，討論線動量守恆。推導剛體靜力學和流體靜力學，討論碰撞、有流動的穩態系統（如流經全人工心臟的流動），以及匯出牛頓第二定律和衝量—動量定理的動態系統。伯努利方程由機械能衡算引出，並討論摩擦損失和軸功；角動量只作簡要回顧。

第7章：案例研究

三個綜合質量、能量、電荷和動量的案例：心臟與血液迴圈、肺與心肺轉流機、腎臟與透析。在書稿中，每個案例都配有生理學背景、例題，以及需要查閱外部資料的開放式習題。

核心概念

第1–2章：計算與框架

• 廣延變數與強度變數：隨系統大小而變化的量（質量、能量、電荷、動量）與不隨之變化的量（溫度、濃度）；只有前者可以在衡算方程中計數。
• 衡算方程：輸入 − 輸出 + 生成 − 消耗 = 累積，全書所有衡算都由這一個關係式建構。
• 守恆方程：針對守恆量的特例，守恆量既不能生成也不能消耗。
• 系統分類：開放或封閉、穩態或動態、反應或非反應，決定方程中哪些項保留下來。

第3–4章：質量與能量

• 多組分、多單元系統的質量衡算：在單元網路中追蹤每種組分，包括器官的分室模型。
• 反應速率與轉化率：描述反應消耗或生成某種組分的多少。
• 焓與反應熱：計算由溫度、相態和化學反應引起的能量變化。

第5–7章：電荷、動量與綜合

• 作為衡算的基爾霍夫定律：電流定律即電荷守恆，電壓定律是一種能量表述。
• 線動量衡算：靜力學、牛頓第二定律和衝量—動量定理的來源。
• 含摩擦損失的伯努利方程：用於流動系統的機械能衡算。
• 綜合性生理案例：把四種衡算全部應用於心臟、肺和腎臟。

評析

優點

• 一個框架貫穿始終。 全書建立在應用於四種廣延性質的衡算方程之上，學生只需掌握一種方法，並能看到基爾霍夫定律、牛頓定律和伯努利方程都由它推出。作者有意如此設計，借鑑了德州農工大學《Conservation Principles and the Structure of Engineering》的思路，並改用生物和醫學的例子。
• 可教授的解題方法。 第1章引入的四步法用於大多數例題，各章都列出學習目標。培生特別強調書中詳盡的例題，展示如何把文字題目轉化為示意圖。
• 與生物相關的例子。 例題和習題涵蓋生理學、生物化學、組織工程、生物技術和儀器，使用真實數值；第3–6章各以一個當前的研究或設計難題開篇。
• 靈活且題量充足。 培生稱各章相對獨立，課程可以側重一兩種性質，或採用問題導向學習的形式；第2版增加了習題數量，並加入了計算類題目。

局限

• 有意收窄的範圍。 本書講授的是守恆原理，而非學科概覽：沒有關於生物材料、醫學成像、作為學科的生物力學或倫理的章節。想要了解生物醫學工程全貌的學生需要同時閱讀其他教材。
• 先修要求。 作者建議具備大學微積分、普通化學、物理和生物學知識，以及基本的計算技能。
• 早期試用中案例研究和開篇難題效果最弱。 在作者2004年對使用書稿的萊斯大學學生所做的調查中，習題和例題被評為最有效的材料，開篇難題和案例研究則評價最低。正式出版的版本可能已有改變，但教師應計畫如何主動使用第7章，而不只是讓學生閱讀。
• 動量部分比質量和能量單薄。 在作者的大綱中，角動量只作簡要回顧，流動系統用伯努利方程和摩擦損失項處理，而不是用流體力學的微分方程；後續的傳遞現象和生物力學課程會進一步展開。

在課程中的定位

在生物醫學工程導論的書單中，本書是圍繞單一方法建構的一本。恩德勒等人的《Introduction to Biomedical Engineering》是對學科各分支（建模、解剖與生理、電氣工程、生物力學、生物材料、倫理）的廣泛概覽；索爾茲曼的《Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology》則從分子、細胞和生理學出發向外建構這一學科。兩者都可以與薩特巴克、San和麥金太爾的這本書同時閱讀，補足本書有意省略的廣度，而本書則提供概覽類教材只略加涉及的定量衡算能力。

裡特等人的《Biomedical Engineering Principles》也是一本強調定量分析和工程設計的入門教材，可作為另一套例題來源。霍比與羅斯的《Intermediate Physics for Medicine and Biology》和維特魯普等人的《Quantitative Fundamentals of Molecular and Cellular Bioengineering》是面向更高年級、要求更高的教材：前者把物理學應用於整個生理學和醫學成像，後者發展結合、動力學和細胞行為的模型。兩者都以本書所教的建立衡算方程的能力為前提。

如何使用本書

本書面向正從普通理科和數學課程轉入工程課程的生物工程或生物醫學工程二年級學生。學生應熟悉一年級的微積分、化學和物理；有一些生物學基礎更便於理解例子。

一學期的實用計畫：

• 核心： 認真學習第1章和第2章，因為系統的術語和衡算方程處處用到。然後是第3章（質量），這是篇幅最長、對後續傳遞課程最重要的一章。
• 按專業方向選擇： 走向生物過程和傳遞方向的學生學第4章（能量），走向儀器和神經工程的學第5章（電荷），走向生物力學和流體的學第6章（動量）。由於各章相對獨立，課程可以深入講兩三章，而不必把四章都淺嘗輒止。
• 綜合： 最後用第7章的一兩個案例收尾，作為小組專案來完成，而不是被動閱讀。

每道習題，即使是簡單的，也要用四步法：畫出系統，寫明假設，在計算之前判斷衡算方程中哪些項為零。可以用一頁紙總結四種衡算的平行結構；認識到同一個方程支配著質量、能量、電荷和動量，正是本書最想教給學生的東西。