生物醫學工程原理

引用

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

章節概要

第二版列有十八章，分為四個部分（依目錄不同，約 520–540 頁）。出版社的簡介稱它是一本入門性的、多學科的教材，只需對分子生物學、生理學、生物化學和訊號處理略有了解即可，並說其編排方式便於根據學生的背景和興趣定製課程。公開的目錄只給出章節標題，沒有編號，也沒有標明各部分的界限，因此下面按主題分組，順序與標題一致，並對應出版社簡介提到的四個方面：建模與生理學、訊號處理、生物力學和畢業設計（capstone design）。

建模與生理學

開頭的標題依次是 Introduction: Modeling of Physiological Processes（導論：生理過程的建模）；Cell Physiology and Transport（細胞生理學與傳遞）；Principles and Biomedical Applications of Hemodynamics（血流動力學的原理與生物醫學應用）；A Systems Approach to Physiology（生理學的系統方法）；The Cardiovascular System（心血管系統）。據出版社介紹，全書的第一部分涵蓋系統分析、生物學資料，以及實驗設計中的建模與模擬，並應用擴散、易化轉運和主動轉運。標題的走向是從建模方法到細胞層面的傳遞，再到迴圈系統。

生物醫學訊號處理

隨後是四章：Biomedical Signal Processing（生物醫學訊號處理）；Signal Acquisition and Processing（訊號採集與處理）；Techniques for Physiological Signal Processing（生理訊號處理技術）；Examples of Physiological Signal Processing（生理訊號處理例項）。出版社說，訊號處理部分回顧了頻率、週期函式和傅立葉級數，以及訊號採集與處理技術。最後一個標題表明，這一章是取自生理訊號的例項。

生物力學與生物材料

接下來是 Principles of Biomechanics（生物力學原理）、Practical Applications of Biomechanics（生物力學的實際應用）和 Biomaterials（生物材料）。出版社稱，生物力學部分關注骨骼、肌肉骨骼和結締組織的力學與結構性質，涉及關節活動範圍、承載能力和電刺激。生物材料一章屬於哪個部分，公開目錄中沒有顯示。

畢業設計與領域的未來

其餘標題是 Principles of Biomedical Capstone Design（生物醫學畢業設計的原理）；Unmet Clinical Needs（未滿足的臨床需求）；Entrepreneurship: Reasons why Most Good Designs Never Get to Market（創業：為什麼多數好設計無法上市）；An Engineering Solution in Search of a Biomedical Problem to Solve（尋找生物醫學問題的工程方案）；Tissue Engineering（組織工程）；Future Trends in BME（生物醫學工程的未來趨勢）。出版社說，設計部分討論了針對生命系統與非生命系統的設計視角、FDA 的作用，以及從起步到概念驗證的專案時間線。美國國會圖書館的記錄收有一段出版社摘要，其中還提到人工心臟、心室輔助裝置、除顫器、起搏器、支架以及微創和機器人手術等被討論的技術。

核心概念

建模與生理學

• 生理過程的建模：導論一章的主題，由生理學的系統方法加以延伸。
• 傳遞：出版社提到的擴散、易化轉運和主動轉運。
• 血流動力學：血流的原理與生物醫學應用，另有一章講心血管系統。

訊號處理

• 頻率、週期函式與傅立葉級數：出版社簡介中提到的訊號處理基礎。
• 訊號採集與處理：位於例項之前的技術章節。

生物力學與設計

• 組織的力學與結構性質：骨骼、肌肉骨骼和結締組織。
• 畢業設計：針對生命與非生命系統的設計視角、FDA 的參與以及通向概念驗證的路徑。
• 未滿足的臨床需求與創業：位於設計專案兩端的章節主題，即啟動專案的需求，以及好設計無法上市的原因。

評析

優點

• 一冊之中覆蓋多個學科。 目錄把生理學與傳遞、訊號處理、生物力學與生物材料以及畢業設計合在一起，一本書就能支撐涉及這個領域多個方面的入門課程。
• 模組化的編排。 出版社說明，其編排適合根據學生的經歷和興趣定製課程，這對學生背景差異很大的領域很有意義。
• 包含設計與創業。 關於未滿足的臨床需求、好設計為何無法上市以及 FDA 角色的章節，把本書與實踐聯絡起來。
• 來自上一版書評的佐證。 出版社為第一版引用的書評稱，它既提供概覽，也對選定主題做了有數學模型、公式和定量資料支撐的深入分析（Biomedical Engineering Online，2005）；Richard C. Fries（IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine，2006年12月）發現書中有大量例子、圖、延伸閱讀和章末習題；G. Ya. Wiederschain（莫斯科國立大學）認為它插圖豐富，對生物化學、生物物理學以及細胞生物學和醫學專家有用。這些書評針對的是早期版本，未必適用於本版的每個細節。

局限

• 各處描述的難度不一致。 出版社稱本書是入門性的，只需略有了解；而 Wiederschain 認為第一版的科學水平相當高，用到數學、物理、化學和熱力學。讀者應預期其定量要求是實實在在的。
• 各領域都只是入門深度。 訊號處理有四章，生物力學有兩章，所以本書只是起點；每個領域都有專門的書籍供進一步學習。
• 公開目錄細節很少。 目錄只有章節標題，沒有小節標題，書評也針對上一版。如果關心某個具體主題，請先檢視樣章。

在課程中的定位

Ritter 等人走的是工程分析的路線：先建模與生理學，再到訊號、力學、材料和設計。Saltzman 的 Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology 從分子、細胞和生理學的生物學出發，再概覽各分支，所以更適合需要補充生物學的學生。Saterbak、San 和 McIntire 的 Bioengineering Fundamentals 以守恆定律為基礎構建第一門課，Enderle 等人的 Introduction to Biomedical Engineering 則是一本綜合性的概覽教材。

進一步學習時，Hobbie 和 Roth 的 Intermediate Physics for Medicine and Biology 把物理學應用於生理學和醫學物理，Wittrup 等人的 Quantitative Fundamentals of Molecular and Cellular Bioengineering 建立關於結合、動力學、基因表達和細胞行為的定量模型。Ritter 的訊號處理和設計部分可以用相應主題的專門書籍來擴充套件。

如何使用本書

本書適合第一門生物醫學工程課程的本科生，尤其適合同時涵蓋建模、訊號、力學和設計的課程；正如 Fries 對早期版本的書評所說，也適合沒有生物醫學背景的在職工程師。微積分以及大學物理與化學是合理的基礎；出版社說明，生理學和訊號處理不必事先掌握。

由於出版社把本書描述為模組化的，可以按課程選擇部分：建模與生理學章節是任何用法的基礎，訊號處理章節適合側重訊號的課程，生物力學章節適合力學，設計章節適合畢業設計或設計課。先讀關於生理過程建模的開篇一章，它介紹了出版社所說的方法。使用為本書編寫的習題和討論題；對於設計章節，可以結合真實專案，從一個未滿足的臨床需求出發。