گذری بر گرایش‌های مهندسی زیست پزشکی (1)

گذری بر گرایش‌های مهندسی زیست پزشکی (بخش اول)

در پی ارائه مقالاتی پیوسته که به معرفی جامع و کامل دانش جدید مهندسی پزشکی می پردازد ، تا کنون به مباحث «مهندسی پزشكی از  منظر واژه‌نامه‌ها  و مشاهير» ، «عوامل و انگيزه‌های پيدايش علم مهندسی پزشكی» ، «صاحب نظران پیشین ، چراغ راه آینده» ، «اولین مراکز آموزشی پژوهشی مهندسی پزشکی» و «مهندسی پزشکی در ایران ، از این سینا تا امروز» پرداخته شده است. در این بخش به معرفی گرایش های این رشته می پردازیم.

گرایش‌های بنیادی-نظری
مهندسی زیست پزشکی ، مجموعه‌ای منحصر به فرد و تلفیقی از شاخه‌های مهندسی ، علوم پایه ، علوم پزشکی و زیست‌شناسی است. به بیان دیگر ، مهندسی زیست‌پزشکی کاربرد مهندسی در علوم و تجهیزات پزشکی است که از طریق مطالعه اصول ، عملکرد و رفتار سیستم‌های زنده و به کارگیری اطلاعات و نتایج حاصله به تشخیص و درمان بیماری‌ها و همچنین جایگزینی اندام‌های صدمه دیده می‌پردازد و پلی ارتباطی میان پزشکی و مهندسی است که در تجهیزات پزشکی نمود پیدا می‌کند. البته در ایران به‌طور خاص نیز با عنوان مهندسی پزشکی شناخته می‌شود.
این رشته میان رشته‌ای هنوز هم در معرض نقد و بررسی جهت تبیین نقاط ضعف و قوت و پیامدها و عوارض احتمالی است. به هر حال یکی از مشکلات و مسائل این رشته در جهان با همان دیدگاه انتقادی ، تعریف دقیق رشته است و در ایران علاوه بر این ضعف ، مشکل معادل سازی گرایش‌های آن نیز افزون بر ماجراست. بسیاری از صاحب نظران ، حد و مرز مشخصی برای این رشته در نظر می‌گیرند ولی نظرات متعددی از طرف آنها مطرح است که به عدم توافق در تعریف یکسان برای این رشته در سطح جهانی می‌انجامد. حوزه های تخصصی و گرایش های مهندسی زیست‌پزشکی در نگاه کلی به سه شاخه بنیادی-نظری ، توسعه ای-فن آوری و کاربردی-بالینی تقسیم بندی می شود و گرایش‌های آموزشی هر شاخه به‌طور نمونه عبارتند از:

بنیادی - نظری ، مهندسی زیستی
• بیومکانیک
• زیست شیمی
• بیوالکترومغناطیس
• زیست مواد
• بیوانفورماتیک

توسعه ای - فناوری ، مهندسی‌پزشکی-زیستی (مهندسی پزشکی مرسوم)
• مهندسی بیومکانیک
• مهندسی بیوالکتریک
• مهندسی بیومواد
• مهندسی بافت
• مهندسی شیمی-پزشکی

کاربردی - بالینی
• مهندسی توانبخشی
• مهندسی اطلاعات پزشکی
• مهندسی ورزش
• مهندسی بیمارستانی
• مهندسی ترمیم
• مهندسی مواد دندانی

به‌طور معمول عنوان اول (مهندسی زیستی) را یک علم بنیادی و متمایل به پژوهش‌هایی می‌دانند که امکانات و مفاهیم علوم فیزیکی و شیمیایی را در جهت درک بهتر ، درباره سیستم‌های بیولوژیکی و فیزیکی به‌کار می‌گیرد ، این دانش به طور اساسی به مسایل بالینی نمی‌پردازد.
اما جامع‌ترین واژه در میان این سه واژه ، مهندسی بیومدیکال (مهندسی پزشکی زیستی) است و به طور کلی مجموعه‌ای منحصر به فرد و تلفیقی از شاخه‌های مهندسی ، علوم پایه ، علوم پزشکی و زیست‌شناسی است.
واژه سوم (مهندسی بالینی) که شباهت‌هایی به مورد دوم دارد ، اساساً شاخه‌ای از علم است که با به‌کارگیری مهارت‌های مهندسی ، مدیریتی و فناوری در بهداشت و درمان به منظور حمایت و توسعه خدمات تشخیصی و درمانی فعالیت می‌کند. یک مهندس بالینی به عنوان یک متخصص،  عضو مجموعه کادر بیمارستانی و مراکز آموزشی درمانی است و وظایفی را نظیر ارزیابی ، انتخاب و نظارت بر به‌کارگیری صحیح و ایمن فناوری پزشکی ، مدیریت تجهیزات (خرید ، تعمیر ، نگهداری ، کنترل کیفیت و توسعه) ، آموزش کاربردی صحیح دستگاه‌ها و مدیریت اطلاعات بیمارستانی و طراحی سیستم‌های مهندسی که به صورت تجاری در دسترس نیستند ، بر عهده می‌گیرد.

مروری بر گرایش‌های بنیادی-نظری
• بیومکانیک
بیومکانیک عبارت است از تحلیل مکانیکی ارگان‌های موجودات زنده. در واقع بیومکانیک ، کاربرد علم مکانیک در سیستم‌های بیولوژیکی است. در بیومکانیک ، مکانیزم سلولی ،‌ حرکت و رشد اعضاء بدن ، سیستم شریانی و عملکرد و ساختار استخوان‌ها مورد مطالعه قرار می‌گیرند. همچنین مباحثی مانند: ویسکوالاستیسیته ، رئولوژی ، مکانیک بافت نرم و سخت (خزش ، خستگی و شکست) ، سیال غیرنیوتنی ،‌ ترمیم ، همودینامیک ، ارگونومی ، بیورباتیک ، رباتیک در جراحی ، حس لامسه مصنوعی ، اعضاء و اندام های مصنوعی ، انتقال جرم ، اجرای صحیح حرکات ورزشی ، تحلیل حرکت راه رفتن ، مکانیک سیالات زیستی و ... مطرح می‌شوند.

• زیست شیمی
زیست‌شیمی یا بیوشیمی یا شیمی حیات مطالعه‌ی فرایندهای شیمیایی در سازواره‌های زیستی است. زیست‌شیمی با ساختار و عملکرد اجزاء سلولی مثل پروتئین‌ها ، کربوهیدارت‌ها ، لیپیدها ، اسیدهای نوکلئیک  و انواع دیگر زیست مولکول‌ها سر و کار دارد. هدف زیست‌شناسی شیمیایی ، پاسخ دادن به سوال‌هایی است که از زیست‌شیمی ناشی می‌شوند. دانش زیست شیمی که در آن از روش‌های شیمیدانان برای درک و شناخت فرایندهای فناوری زیستی که درون موجودات زنده روی می دهد استفاده می‌شود ، دارای اهمیت روز افزونی است ؛ تمام گیاهان و جانوران از ترکیب‌های شیمیایی ساخته شده‌اند و وظیفه‌ی زیست شیمیدان‌ها آن است که ساختمان این مواد و نقش آن‌ها را در حیات موجودات زنده بررسی و شناسایی کنند. کربوهیدرات ها ، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک ، فقط تعدادی از مولکول‌های شیمیایی هستند که موضوع مطالعه‌ی زیست شیمیدان‌ها به شمار می‌آیند. در یکی از شاخه‌های این علم از این مطالعات برای تولید واکسن‌های مقابله کننده با بیماری‌های ویروسی نظیر اوریون استفاده می‌شود. زیست شیمیدان‌ها در زمینه‌ی درمان بیماری‌هایی چون ایدز و سرطان نیز فعالیت می‌کنند.

• بیوالکترومغناطیس
به طور کلی تمامی کاربردهای الکترومغناطیس در بیولوژی در حوزه بیوالکترومغناطیس قرار می گیرند. اگر بخواهیم تعریفی برای بیوالکترومغناطیس ارائه دهیم ؛ می توانیم بگوییم: بیوالکترومغناطیس رشته ای نوین و علمی است که به بررسی پدیده‌های الکترومغناطیسی ناشی از سیستم‌های بیولوژیکی و تأثیر امواج الکترومغناطیسی خارجی بر روی این سیستم‌ها می پردازد. پیشرفت‌های سریع تکنولوژی در الکترونیک ، الکترومغناطیس و علوم کامپیوتر زندگی روزمره ما را در برگفته اند. این پیشرفت‌ها همچنین عرصه را برای بهبود روش‌ها و وسایل پزشکی موجود و تولید روش‌ها  و وسایل جدید مهیا کرده اند. خصوصاً پیشرفت‌های صورت گرفته در تکنولوژی مایکروویو و فرکانس رادیویی ، راه را برای ارائه روش‌های تشخیصی و درمانی جدید هموار کرده‌اند. در حال حاضر تحقیقات گسترده‌ای در حوزه هایی چون کاردیولوژی ، اورولوژی ، چشم پزشکی ، جراحی ، درمان سرطان ، تصویربرداری از بافت‌ها و غیره در حال انجام است.
حوزه‌های تحقیقاتی و کاربردهای بیوالکترومغناطیس عبارتند از:
• بهبود شکستگی استخوان با اعمال میدان‌های الکتریکی
• هایپرترمیا تراپی (گرما افزایی) یا مقابله با سلول‌های سرطانی به کمک حرارت بالای بافت
• درمان ناهنجاری‌های قلبی توسط تحریک الکتریکی یا مغناطیسی قلب
• زیست مواد

بیومتریال‌ها موادی هستند که در طراحی کاشتنی‌های پزشکی ، ابزار پزشکی ، تشخیص و درمان در داروسازی ، جراحی ، دندانپزشکی ، پزشکی هسته ای و علوم پایه پزشکی به‌کار برده می‌شود.
ویژگی منحصر بودن این مواد نسبت به مواد دیگر همان زیست سازگاری آن‌ها است ، استفاده از بیومتریال‌ها تا هنگام ظهور تکنیک جراحی تمیز و ضدعفونی کننده که لیست آن را در دهه 1860 میلادی توسعه داد ، عملی نشد. اولین کشت‌های موفق همانند بسیاری از انواع جدید موجود در چارچوب اسکلت بدن به کار رفت. پلاک یا صفحه‌های شکسته بندی استخوان در اوایل دهه 1900 میلادی به منظور تثبیت و بستن شکستگی‌ها  معرفی شد. در ادامه کار انتخاب و تأمین مواد و طراحی‌های بهتر پیگیری شد تا آنکه منجر به معرفی فولادهای ضدزنگ و آلیاژهای کروم-کبالت در 1930 شد به این ترتیب موفقیت بیشتری در اجزای تثبیت شکستگی حاصل شد و اولین جراحی تعویض مفصل به انجام رسید. پلی متیل متاکریلات به طور گسترده برای جایگزینی قرنیه و نیز جهت جایگزین سازی بخش‌های صدمه دیده استخوان جمجمه سر مورد استفاده قرار گرفت. پیشرفت‌های بیشتری در مواد و تکنیک‌های جراحی فراهم شد و تعویض رگ خون در سال 1950 میلادی مورد آزمایش قرار گرفت. تعویض دریچه‌های قلب و تعویض مفصل با استفاده از سیمان در 1960 میلادی انجام شد و درسال‌های اخیر نیز پیشرفت‌های بی شماری در این زمینه حاصل شده است.
زمینه‌های کاری:
الف) سنتز و تولید انواع مواد زیست سازگار
ب) بررسی خواص مواد از دیدگاه زیست سازگاری
ج) توسعه مواد زیست سازگار جدید

• بیوانفورماتیک
در چند دهه اخیر ، پیشرفت در زیست‌شناسی مولکولی و تجهیزات مورد نیاز در این زمینه ، باعث افزایش سریع تعیین توالی ژنوم بسیاری از گونه‌های موجودات شد ؛ تا جایی که پروژه‌های تعیین توالی ژنوم‌ها از پروژه‌های بسیار رایج به حساب می‌آیند. امروزه توالی ژنوم بسیاری از موجودات ساده مانند باکتری‌ها تا موجودات بسیار پیشرفته چون یوکاریوت‌های پیچیده شناسایی شده است. پروژه شناسایی ژنوم انسان در سال 1990 آغاز شد و در سال 2003 پایان یافت و اکنون اطلاعات کامل مربوط به توالی هر 24 کروموزوم انسان موجود است تا مسائل زیست شناختی را که معمولاً در سطح مولکولی هستند ، حل کنند. بیوانفورماتیک بر روی تنظیم توالی ، کشف ژن ، گردآوری ژنوم ، تنظیم ساختار پروتئینی ، پیشگویی ساختار پروتئینی ، پیش‌بینی عبارت ژن و تعاملات پروتئین-پروتئین و مدلسازی تکامل تمرکز دارد. علم بیوانفورماتیک یا زیست شناسی محاسباتی ، استفاده از تکنیک‌هایی مانند ریاضی کاربردی ، انفورماتیک ، آمار ، علوم کامپیوتر ، هوش‌مصنوعی ، شیمی و بیوشیمی را دربردارند تا مسائل زیست‌شناختی را که معمولاً در سطح مولکولی هستند ، حل کنند.
اهمیت بیوانفورماتیک در بخش‌های مختلف عبارتند از:
• بر هم کنش پروتئین‌ها در موجودات زنده
• شناسایی توالی‌های ژن و پروتئین موجودات مختلف
• پیش بینی ساختار سوم پروتئین‌ها
• بیوانفورماتیک در مدلسازی
• کشف داروهای جدید

منبع: ماهنامه مهندسی پزشکی

* مطالب مرتبط:

مهندسی پزشکی از نگاه واژه نامه ها و مشاهیر

عوامل و انگيزه ‌های پيدايش علم مهندسی پزشکی

مهندسی پزشکی ؛ صاحب‌نظران ‌پيشين ، چراغ راه آينده

آشنایی با اولين مراکز آموزشی و پژوهشی جهان در زمينه مهندسی پزشکی

مهندسی پزشکی در ایران ؛ از ابن سینا تا به امروز

کلمات کلیدی: biomedical engineering ، مهندسی پزشکی ، آشنایی با مهندسی پزشکی ، معرفی مهندسی پزشکی ، مهندسی پزشکی گرایش بالینی ، مهندسی پزشکی گرایش بیومکانیک ، مهندسی پزشکی گرایش بیوالکتریک ، مهندسی پزشکی گرایش بیومتریال (بیومواد) ، مهندسی پزشکی ایران ، مهندسی پزشکی دانشگاه پیام نور ، پایگاه آموزشی و اطلاع رسانی مهندسی پزشکی ، اخبار و تازه های مهندسی پزشکی ، مقالات مهندسی پزشکی ، آموزش مهندسی پزشکی ، دانلود کتاب های مهندسی پزشکی ، دانلود جزوه های مهندسی پزشکی ، دانلود نمونه سوالات امتحانی مهندسی پزشکی ، گرایش های مهندسی پزشکی ، مهندسی پزشکی زیستی ، مهندسی بافت ، بیوانفورماتیک