معرفی مهندسی پزشکی گرایش بیوالکتریک

Introduction to Biomedical Engineering Trends bioelectric

در بخش های مختلف در مورد گرایش های مهندسی پزشکی صحبت کرده ایم در این بخش می خواهیم مهندسی پزشکی، گرایش بیوالکتریک را معرفی کنیم. هر آنچه مایلید در مورد مهندسی پزشکی گرایش بیوالکتریک بدانید در اینجا موجود است. گرایش بیوالکتریک از مهندسی پزشکی دامنه بسیار وسیعی را شامل می شود اما در تعریفی کوتاه ، بیوالکتریک را می توان علم استفاده از اصول الکتریکی ، مغناطیسی و الکترومغناطیسی در حوزه پزشکی دانست ؛ همچنین الگوبرداری از سیستم های بیولوژیکی در طراحی های نوین مهندسی نیز در حیطه این علم قرار دارد . در واقع یک مهندس بیوالکتریک علاوه بر این که به تمام گرایشهای مهندسی برق (به ویژه گرایش الکترونیک در مقطع کارشناسی و گرایشهای کنترل و مخابرات در مقاطع بالاتر) با دیدگاهی از حوزه علم خود نظر دارد ، از برخی از شاخه های مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات نیز در حیطه علم مهندسی پزشکی یاری می جوید .  

هدف دانشکده از ایجاد این گرایش در مقطع کارشناسی ، تربیت مهندسان الکترونیکی است که با گذراندن واحدهای درسی و آزمایشگاهی ای نظیر فیزیولوژی ، آناتومی و فیزیک پزشکی ، به نوعی بلوغ ذهنی و توانایی علمی در حوزه پزشکی دست یافته اند .

اهم حوزه هایی که یک مهندس بیوالکتریک در آن فعالیت می کند عبارتند از :
الف – پردازش سیگنال های حیاتی
پردازش علائم حیاتی یکی از گسترده‌ترین مباحث موجود در فعالیت‌های گرایش بیوالکتریک است. این مبحث در واقع بخشی از مبحث کلّی ”پردازش سیگنال“ است که مورد بررسی و استفاده بسیاری از گرایش‌های مهندسی، به ویژه مهندسی مخابرات و الکترونیک می‌باشد، امّا بنا به ماهیت خاص سیگنال مورد پردازش درکارهای پزشکی، توجه به نکات خاصی در پردازش سیگنال‌های حیاتی الزامی است که به این مبحث موجودیت خاص و ویژه‌ای داده است.
همچنین در تمامی موارد ثبت سیگنال، دادة اخذ شده دارای نویزها و آرتیفکت‌های مختلف است که لازم است قبل از هر کاری بر روی سیگنال، این زواید از آن حذف شوند. از این رو مبحث حذف نویز، یا در حالت کلی‌تر، بهبود کیفیت سیگنال از جمله مباحث مهم در پردازش سیگنال است .

ب-  پردازش تصاویر پزشکی و سیستم های تصویر برداری
تصاویر پزشکی با توجه به آنکه وضعیت بدن را به صورت دو بعدی و حتی سه بعدی (بوسیله کامپیوتر) نشان می‌دهند، یکی از مهمترین وسایل تشخیص برای پزشکان هستند که همواره بخش عظیمی از تحقیقات را به خود اختصاص داده‌اند. سیستمهای تصویر برداری را می توان به گروههای زیر تقسیم کرد:
• روشهای اشعه ایکس (رادیوگرافی، فلوئورسکوپی و CT).
• روش مغناطیسی MRI .
• پزشکی هسته‌ای (Nuclear Medicine).
• روش‌های ماوراء صوت.
تصاویر حاصله در روشهای فوق عموماً و به صورت خام قابل استفاده نیستند، لذا پردازشهای وسیع و گسترده‌ای روی آنها صورت می‌گیرد که عموماً شامل موارد زیر است:
• پردازش تصاویر و استخراج اطلاعات موثر در تشخیص و یافتن مواضع مورد توجه (ROI).
• بازسازی تصاویر در کامپیوتر به صورت سه بعدی و درونیابی اطلاعات جهت تولید برشهای لازم از ارگان تحت تصویر برداری.
• حذف نویز، اختصاص رنگ و در کل ارتقاء کیفیت تصویر.

پ – پردازش صوت وگفتار و طراحی سیستم های گفتار درمانی و کمک همراه معلولین گفتاری
گفتار یکی از علایم بسیار مهم زیستی است که از هوشمندترین موجود روی زمین، یعنی انسان صادر می‌گردد. با توجه به توسعة وسیع سیستم‌های کامپیوتری و اهمیت روزافزون انواع پردازش‌های صوتی و گفتاری در جهان امروز و ارتباط تنگاتنگی که ویژگی‌های گفتار تولید شده با خصوصیات آناتومیک و عصبی دستگاه تولید گفتار و همچنین چگونگی عملکرد سیستم اعصاب مرکزی او دارد، اهمیت پرداختن به این مقولة پرکاربرد مهندسی در دانشکدة مهندسی پزشکی ظاهر می‌گردد. البته علائق و نوع رویکرد برخورد با مسائل مهندسی در این دانشکده باعث تفاوت‌های پایه‌ای و اصولی در نوع برخورد با این مسئله  نسبت به دانشکده‌هائی مثل برق یا کامپیوتر و رشته‌هائی مثل مخابرات و کامپیوتر شده‌است. در آن جا معمولاً به سیگنال گفتار به صورت یک سیگنال عادی که حاوی اطلاعاتی است که باید به هر صورت ممکن از آن استخراج گردد، نگاه می شود در حالیکه در دانشکدة مهندسی پزشکی، محققین در پی دنبال کردن مسئله و مدلسازی آن به صورتی هستند که تا حد ممکن با اصول عملکرد جهاز صوتی و مبانی زیستی تولید گفتار در انسان هماهنگی داشته باشد و سعی می‌نمایند از روش‌های استخراج ویژگی و مدل‌هائی استفاده کنند که به روش‌های زیستی انسانی نزدیکتر باشندموارد دیگر مربوط به این رشته، طراحی و ساخت وسائل و تجهیزات تشخیصی مثل شنوائی سنجی و ثبت و پردازش سیگنال‌های برانگیختة شنوائی، انجام پردازش های لازم در اعضای مصنوعی شنوائی مثل حلزون مصنوعی گوش و ساخت دستگاه‌هائی است که به کمک افراد لال و یا دارای مشکلات حاد گفتاری بیایند و به صورت دستگاهی کمک همراه معلول و یا کمک درمان او عمل نمایند.

ت – مدلسازی سیستم های بیولوژیک
مطالعه، تحلیل و مدلسازی سیستم‌های بیولوژیکی در عین اینکه راهگشای پیشرفت فنی و علمی در دیگر شاخه های رشتة بیوالکتریک می باشد، به صورت ایده بخشی قوی برای انجام ابداعات در شاخه‌های دیگر علوم مهندسی مثل رشتة پردازش سیگنال، مخابرات و کنترل عمل می‌کند. اهمیت این شاخه از گرایش بیوالکتریک از زیربنائی بودن آن برای دیگر شاخه‌های این گرایش نشأت می‌گیرد.
سیستم های بیولوژیک دارای ساختارهای فیزیولوژیک و کنترلی بسیار پیچیده و کارآ میباشند. تحلیل و مدلسازی کیفی و کمّی آنها در اکثر موارد فاصلة فوق‌العاده‌ای نسبت به آنچه که در واقع است، می‌گیرد، ولی حرکت در این جهت علاوه بر اینکه به مدل‌هائی مهندسی منجر می‌شود که قابل استفاده در بخش‌های دیگر مهندسی بیوالکتریک هستند، ایده بخش ابداع روش‌های قوی تر در شاخه‌های دیگر مهندسی نیز میباشد. برای مثال مدل‌های مهندسی مثل شبکه‌های عصبی مصنوعی و بسیاری از پردازشگرها و کنترلرهای هوشمند، ایدة اولیة خود را از چگونگی عملکرد سیستم‌های بیولوژیک و زنده اخذ نموده‌ و می‌نمایند.
مدلسازی سیستم‌های بیولوژیک محدود به دایرة خاصی نیست و از مدلسازی کمّی و کیفی یک سلول تا مدلسازی سیستم اعصاب مرکزی انسان، یعنی مغز، ادامه می‌یابد. از آن میان، به عنوان مثال می‌توان به موارد پرکاربرد زیر اشاره نمود:
• مدلسازی عضلات و سیستم عصبی محرک آنها
• مدلسازی نخاع
• مدلسازی قشرهای حرکتی مغز.
• مدلسازی نواحی دیداری، شنیداری و ادراکی مغز.
• مدلسازی عقده‌های درون مغزی که اِشکال در آنها به بیماری‌هائی مثل پارکینسون منجر می‌گردد.
• مدلسازی مخچه و چگونگی اجرای حرکات و ادراکات مهارتی
• مدلسازی چشم و سلول‌های عصبی بینائی
• مدلسازی سیستم تولید گفتار و شنوائی به صورت حلقه باز و حلقه بسته
• مدلسازی سیستم تنظیم فشار خون، ضربان قلب و میزان الاستیسیتة رگ‌ها
• مدلسازی سیستم تنظیم درجة حرارت بدن
علاوه بر استفاده‌های فراوان مهندسی که این مدل‌های ریاضی (و یا حتی در مواردی کیفی) دارند، در موارد درمانی خاص نیز می‌توان از آنان بهره گرفت . برای مثال اگر مدل نسبتاً مناسبی از یک سیستم مهم بدن مثل سیستم تنظیم فشار خون محاسبه شود، می‌توان اثرات اعمال داروهای مختلف کاهش یا افزایش فشار خون را در دوزهای مختلف و فواصل و نرخ اعمال دارو را بدون اینکه خطری برای کسی داشته باشد توسط رایانه، با استفاده از برنامه‌های شبیه سازی که در آن از مدل ریاضی ساخته شده برای آن سیستم استفاده شده است، آزمایش نمود.

ث – طراحی بخش های الکترونیکی و کنترل اعضاء و اندام مصنوعی و ساخت وسایل توانبخشی
از بخش های مهم و تخصصی رشتة مهندسی پزشکی طراحی و ساخت اندام مصنوعی است. در این راه علاوه بر تخصص‌های بیومکانیک جهت طراحی و ساخت بخش‌های مکانیکی اندام مصنوعی و بیومواد جهت سازگار ساختن آنها با ویژگی‌ها و حساسیت‌های اندام طبیعی که در مجاورت آنها قرار می‌گیرند، در مواردی که اندام مصنوعی از نوع فعال هستند، نیازمند مدارات الکتریکی، الکترونیکی و دیجیتالی میباشند. از این نوع اندام مصنوعی برای مثال می‌توان از دست و پای مصنوعی فرمان‌پذیر، حلزون مصنوعی گوش و چشم مصنوعی نام برد که همگی از فن‌آوری‌های بسیار پیشرفتة روز استفاده می‌کنند. طراحی و ساخت این گونه وسایل، یکی از جالب‌ترین و مهم‌ترین بخش‌های فنی و پژوهشی مربوط به گرایش مهندسی بیوالکتریک است.
به عنوان مثال در طراحی بخش‌های کنترلی “دست سیبرنتیک” که از طرح‌های ملی اجرا شده در  دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیرکبیر است، که در واقع یکنوع دست مصنوعی قابل کنترل ارادی، جایگزین دست قطع شدة معلولین می‌باشد، ابتدا از سخت‌افزارهای دریافت و تقویت سیگنال‌های “EMG” جهت ثبت علایم مذکور از عضلات سالم معلول استفاده می‌شود و سپس حجم وسیعی از پردازش‌ها و طبقه‌بندی‌های هوشمند سیگنال‌های “EMG” جهت آشکارسازی جهت ارادة فرد معلول و یافتن حرکت مورد نظر او به کار گرفته می‌شوند. در ادامه، روش‌های پیشرفته و غیر خطی کنترلی توسط سیستم‌های میکروپروسسوری، جهت تحقق صحیح آن حرکت در شرایط بسیار متغیر دست مثل بارگذاری متغیر و زوایای مختلف اجزای متصل  آن که تولید سیستمی بسیار غیر خطی می‌کنند، پیاده سازی می‌شوند.
مشاهده می گردد که بخش وسیعی از دانش فنی سخت‌افزاری و نرم‌افزاری برای طراحی و ساخت اعضای مصنوعی مختلف لازم هستند که باعث وسیع شدن دایرة عملکرد این بخش میگردند.
علاوه بر موارد مربوط به ساخت اعضای مصنوعی، طراحی و ساخت وسایل و تجهیزات توانبخشی را نیز می‌توان در این دسته قرار داد. از این میان میتوان به تجهیزاتی مثل سیستم “FES” یا تحریک الکتریکی عضلات افراد قطع نخاع جهت حرکت دادن مصنوعی آنها اشاره کرد، و یا تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی توانبخشی که دایرة وسیعی از وسایل را شامل می‌گردند و جهت بازیابی توانائی فیزیکی اعضای صدمه دیده به کار می‌روند.

ج – ثبت سیگنال های حیاتی و طراحی سیستم های مانیتورینگ بیمارستانی
این بخش مربوط به طراحی و ساخت وسایلی جهت ثبت داده‌ها و علائم حیاتی از بیمار می شود. با توجه به توانایی‌ها و گسترش روزافزون فن‌آوری دیجیتال، این سخت افزارها غالباً به کامپیوتر متصلند و لذا تولید مدارهای واسط مناسب بوسیلة فن‌آوری روز یکی از زیر مجموعه‌های مهم تحقیقاتی در این مقوله محسوب می‌شود.
با توجه به حجم بسیار بالای استفاده از تجهیزات مانیتورینگ و ثبت داده در محیط‌های بیمارستانی، از جمله اتاق های عمل، آی‌سی یو، سی‌سی‌یو و آزمایشگاه‌های ثبت نوارهای قلبی و مغزی، اهمیت اقتصادی تولید چنین تجهیزاتی آشکار می‌گردد و ارزش کار مهندسی و تحقیقاتی بر روی این گونه وسایل را نشان می‌دهد.

ح – طراحی و ساخت سیستم های درمانی و آزمایشگاهی پزشکی
در این بخش تجهیزات فراوانی وجود دارد که برخلاف موارد بیان شده که در تشخیص کاربرد داشتند، در درمان بیماریها کاربرد دارند و با وجود نیاز فراوان به آنها در نقاط مختلف کشور، تا کنون در کشور ساخته و به صورت عمده عرضه نشده‌اند. محققان و متخصصان بیوالکتریک قادرند به ساخت اینگونه تجهیزات و یا تا حدامکان تولید داخل نمودن آنها اقدام نمایند. مواردی از این دست را می‌توان به شرح زیر ذکر کرد:
سنگ شکنهای کلیه
تجهیزات فیزیوتراپی و کایروپراکتیک
تجهیزات رادیوتراپی
لیزرهاعلاوه بر موارد فوق ، می توان به امکان فعالیت مهندسان بیوالکتریک در حوزه های گسترده ای نظیر:
• طراحی بانکهای اطلاعاتی پزشکی ،
• طراحی سیستم های مورد نیاز در مانیتورینگ و یا جراحی بیمار از راه دور،
•  ایجاد شبکه های تبادل اطلاعاتی بین مراکز آموزشی-درمانی و بیمارستانهای کشور جهت کنترل بیماریهای مسری ، انتقال بیماران و …

اشاره کرد که نیازمند همکاریهای بین بخشی گسترده ای در سطح کشور می باشد.
همچنین با توجه به نقش اساسی تجهیزات پزشکی در ارتقاء شاخصهای بهداشت عمومی ، و در نظر داشتن این مطلب که سالانه صدها میلیون دلار صرف خرید این تجهیزات برای بیمارستانهای کشور می شود، استفاده از مشاوره علمی و فنی مهندسان پزشکی در سفارش و خرید این تجهیزات، موجب کاهش هزینه های احتمالی ناشی از معیوب بودن دستگاه و یا ناکارآمدی آن می شود.
گفتنی است به علت عدم تعریف جایگاه مهندسان این رشته در نمودار سازمانی بیمارستانهای کشور ، متأسفانه هزینه های سنگینی به بخش درمان تحمیل می شود؛ به عنوان مثال ، دستگاهی به قیمت گزاف از شرکتهای واسطه ای که معمولا تخصص ویژه ای در حوزه مهندسی پزشکی ندارند، خریداری می شود، در بیمارستان به علت عدم آشنایی پرسنل با جزئیات فنی دستگاه و نگهداری آن و یا به هر دلیل دیگری، دستگاه دچار اشکال فنی می شود، حال یا به گورستان این تجهیزات در بیمارستانهای کشور منتقل می شود و یا با صرف هزینه های غیر واقعی که از سوی شرکت سازنده درخواست می شود اقدام به تعمیر دستگاه مورد نظر می شود. از این رو حضور مهندسان پزشکی به عنوان مسئول فنی و مهندسی در بیمارستانها ، و آموزش تکنسینها توسط ایشان جهت نگهداری و تعمیر تجهیزات، می تواند موجب صرفه جویی های اقتصادی و تضمین هر چه بیشتر سلامت بیماران شود.