www.bioemm.com

 

معرفی گرایش بیوالکتریک

مقدمه :

 عنوان مهندسی پزشکی ، کم و بیش بیانگر زمینه ي تحصیلی و کاری این رشته می باشد ، اما با توجه به استقبال داوطلبان آزمون سراسری در سالهای اخیر به این رشته و نیاز غیر قابل انکار جامعه علمی کشور به ایجاد زبان مشترک و بستر همکاری میان جامعه پزشکان و مهندسان ، قصد داریم تا در این مقاله ، به تبیین و توضیح بیشتر مهندسی پزشکی در ایران و چالشهایی که دانشجویان، فارغ التحصیلان و اساتید این رشته با آن رو به رو هستند بپردازیم ، به این امید که خواننده این مطلب با ماهیت این رشته و جایگاه آن در جامعه علمی و صنعتی امروز آشنایی بیشتری پیدا کند . همچنین در مورد زمینه های تخصصی گرایش بیوالکتریک مهندسی پزشکی و موقعیتهای شغلی باالفعل و باالقوه یک مهندس بیوالکتریک نیز اطلاعاتی اجمالی در اختیار خواننده قرار خواهدگرفت .

    از زمان استفاده از پروتزهای چوبی و نوارهای آغشته به گل ، در درمان شکستگی ها و دررفتگی مفاصل گرفته تا قرن بیست و یکم و به کارگیری پیشرفته ترین تجهیزات تشخیصی و درمانی نظیر MRI ، همواره پزشکان برای تشخیص بیماری و درمان آن نیازمند استفاده از تجهیزات پزشکی بوده اند و از زمانی که مهندسی پزشکی به صورت آکادمیک پزشکان را در این امر یاری می رساند ، چیزی حدود صد سال می گذرد . در ابتدا این رشته بخشی از مهندسی برق و مهندسی مکانیک بود ، اما به مرور و با نیاز روز افزون جامعه به متخصصان این علم ، مهندسی پزشکی هویتی کاملا مستقل یافت و امروز با بهره گیری از علوم مختلف زیستی و پزشکی ، برق ، مکانیک ، پلیمر و مواد ، در میان رشته های دانشگاهی، از جایگاهی استراتژیک و رو به رشد برخوردار است ؛ تا جایی که امروزه شاهد ظهور رشته هایی جدید نظیر مهندسی بافت ، مهندسی ورزش و مهندسی شبکه های عصبی در بستر این علم هستیم .

    هدف این رشته تربیت متخصصانی است که از عهده تجهیز ، نگهداری و طراحی دستگاههای پزشکی و اندامهای مصنوعی برآیند و بتوانند میان دو دنیای مهندسی و پزشکی ، زبانی مشترک ایجاد کنند. مهندسی پزشکی به علت ماهیت بین رشته ای خود ، گاه در دانشکده های پزشکی ، گاه در دانشکده های مهندسی و گاه با همکاری هر دو تاسیس می شود ، در ایران نخستين گام بمنظور ايجاد رشته مهندسي پزشكي با پروژه سيبرنتيكي و تاسيس آزمايشگاه مهندسي پزشكي در سال 1366 در دانشكده مهندسي برق دانشگاه صنعتی امیرکبیر برداشته شد . اين پروژه به سرپرستي دكتر هاشمي گلپايگاني و همكاري استادان ديگري از دانشگاههاي مختلف و دانشجويان مقاطع كارشناسي ارشد و دكترا در سال 1368 موفق به دريافت جايزه اول جشنواره خوارزمي گرديد . در ادامه فعاليتهاي آزمايشگاههاي مهندسي پزشكي ، توسعه پروژه دست سيبرنتيكي و پروژه شبكه­هاي عصبي شروع گرديد و در اين ارتباط ، تعداد بسياري از دانشجويان مقاطع كارشناسي ، كارشناسي ارشد و دكترا پروژه­هاي خود را در اين آزمايشگاه به انجام رسانيدند و مقالات زيادي از فعاليتهاي آنان در داخل و خارج از كشور منتشر گرديد . در مهر ماه سال 1371 اولین دانشکده مهندسی پزشکی ایران در دانشگاه صنعتی امیرکبیر ، بنیان نهاده شد و در سال 1374 دوره کارشناسی در سه گرایش بیوالکتریک ، بیومکانیک و بیومتریال در این دانشکده دایر گردید .

از علل تفکیک این رشته به سه گرایش فوق الذکر ، حجم زیاد دروسی است که یک مهندس پزشکی باید فرا بگیرد و چون امکان ارائه محتوای تمام این دروس در دوره 4 ساله کارشناسی وجود ندارد و از طرفی ایجاد یک رشته کارشناسی ارشد پیوسته در دانشگاههای فنی با خلأ قانونی مواجه است ، از این رو این تفکیک گرایشی طبق روال اکثر دانشگاههای فنی دنیا صورت گرفت ؛ اما نباید فراموش کنیم که بیشتر پروژه های مهندسی پزشکی نیاز به همکاری و ارتباط تنگاتنگ دانشجویان این سه گرایش با یکدیگر دارد .     

بیوالکتریک( (Bioelectric:

          این گرایش 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 هايی که یک مهندس بیوالکتریک در آن فعالیت می کند عبارتند از :

الف – پردازش سيگنال هاي حياتي

پردازش علائم حياتي يكي از گسترده‌ترين مباحث موجود در فعاليت‌هاي گرايش بيوالكتريك است. اين مبحث در واقع بخشي از مبحث كلّي ”پردازش سيگنال“ است كه مورد بررسي و استفاده بسياري از گرايش‌هاي مهندسي، به ويژه مهندسي مخابرات و الكترونيك مي‌باشد، امّا بنا به ماهيت خاص سيگنال مورد پردازش دركارهاي پزشكي، توجه به نكات خاصي در پردازش سيگنال‌هاي حياتي الزامي است كه به اين مبحث موجوديت خاص و ويژه‌اي داده است.

همچنین در تمامي موارد ثبت سيگنال، دادة اخذ شده داراي نويزها و آرتيفكت‌هاي مختلف است كه لازم است قبل از هر كاري بر روي سيگنال، اين زوايد از آن حذف شوند. از این رو مبحث حذف نويز، يا در حالت كلي‌تر، بهبود كيفيت سيگنال از جمله مباحث مهم در پردازش سيگنال است .

 ب-  پردازش تصاوير پزشکي و سيستم هاي تصوير برداري

تصاوير پزشكي با توجه به آنكه وضعيت بدن را به صورت دو بعدي و حتي سه بعدي (بوسيله كامپيوتر) نشان مي‌دهند، يكي از مهمترين وسايل تشخيص براي پزشكان هستند كه همواره بخش عظيمي از تحقيقات را به خود اختصاص داده‌اند. سيستمهاي تصوير برداري را مي توان به گروههاي زير تقسيم كرد:

·       روشهاي اشعه ايكس (راديوگرافي، فلوئورسكوپي و CT).

·       روش مغناطيسي MRI .

·       پزشكي هسته‌اي (Nuclear Medicine).

·       روش‌هاي ماوراء صوت.

تصاوير حاصله در روشهاي فوق عموماً و به صورت خام قابل استفاده نيستند، لذا پردازشهاي وسيع و گسترده‌اي روي آنها صورت مي‌گيرد كه عموماً شامل موارد زير است:

·       پردازش تصاوير و استخراج اطلاعات موثر در تشخيص و يافتن مواضع مورد توجه (ROI).

·       بازسازي تصاوير در كامپيوتر به صورت سه بعدي و درونيابي اطلاعات جهت توليد برشهاي لازم از ارگان تحت تصوير برداري.

·       حذف نويز، اختصاص رنگ و در كل ارتقاء كيفيت تصوير.

 

پ - پردازش صوت وگفتار و طراحي سيستم هاي گفتار درماني و کمک همراه معلولين گفتاري

گفتار يکي از علايم بسيار مهم زيستي است که از هوشمندترين موجود روي زمين، يعني انسان صادر مي‌گردد. با توجه به توسعة وسيع سيستم‌هاي کامپيوتري و اهميت روزافزون انواع پردازش‌های صوتی و گفتاری در جهان امروز و ارتباط تنگاتنگی که ويژگي‌های گفتار توليد شده با خصوصيات آناتوميک و عصبي دستگاه توليد گفتار و همچنين چگونگي عملکرد سيستم اعصاب مرکزي او دارد، اهميت پرداختن به اين مقولة پرکاربرد مهندسي در دانشکدة مهندسي پزشکي ظاهر مي‌گردد. البته علائق و نوع رويکرد برخورد با مسائل مهندسي در اين دانشکده باعث تفاوت‌هاي پايه‌ای و اصولي در نوع برخورد با اين مسئله  نسبت به دانشکده‌هائي مثل برق يا کامپيوتر و رشته‌هائي مثل مخابرات و کامپيوتر شده‌است. در آن جا معمولاً به سيگنال گفتار به صورت يک سيگنال عادی که حاوي اطلاعاتی است که بايد به هر صورت ممکن از آن استخراج گردد، نگاه مي شود در حاليکه در دانشکدة مهندسي پزشکي، محققين در پي دنبال کردن مسئله و مدلسازي آن به صورتي هستند که تا حد ممکن با اصول عملکرد جهاز صوتي و مبانی زيستی توليد گفتار در انسان هماهنگي داشته باشد و سعي مي‌نمايند از روش‌هاي استخراج ويژگي و مدل‌هائي استفاده کنند که به روش‌های زيستي انساني نزديکتر باشند

 

موارد ديگر مربوط به اين رشته، طراحي و ساخت وسائل و تجهيزات تشخيصی مثل شنوائي سنجي و ثبت و پردازش سيگنال‌های برانگيختة شنوائي، انجام پردازش های لازم در اعضای مصنوعي شنوائي مثل حلزون مصنوعي گوش و ساخت دستگاه‌هائي است که به کمک افراد لال و يا داراي مشکلات حاد گفتاري بيايند و به صورت دستگاهي کمک همراه معلول و يا کمک درمان او عمل نمايند.

 

ت - مدلسازي سيستم هاي بيولوژيک

مطالعه، تحليل و مدلسازي سيستم‌هاي بيولوژيکي در عين اينکه راهگشاي پيشرفت فني و علمی در ديگر شاخه های رشتة بيوالکتريک مي باشد، به صورت ايده بخشي قوي برای انجام ابداعات در شاخه‌هاي ديگر علوم مهندسي مثل رشتة پردازش سيگنال، مخابرات و کنترل عمل مي‌کند. اهميت اين شاخه از گرايش بيوالکتريک از زيربنائي بودن آن براي ديگر شاخه‌های اين گرايش نشأت مي‌گيرد.

 سيستم هاي بيولوژيک دارای ساختارهاي فيزيولوژيک و کنترلي بسيار پيچيده و کارآ ميباشند. تحليل و مدلسازي کيفي و کمّي آنها در اکثر موارد فاصلة فوق‌العاده‌ای نسبت به آنچه که در واقع است، مي‌گيرد، ولي حرکت در اين جهت علاوه بر اينکه به مدل‌هائي مهندسي منجر مي‌شود که قابل استفاده در بخش‌هاي ديگر مهندسي بيوالکتريک هستند، ايده بخش ابداع روش‌هاي قوي تر در شاخه‌های ديگر مهندسي نيز ميباشد. برای مثال مدل‌هاي مهندسي مثل شبکه‌هاي عصبي مصنوعي و بسياری از پردازشگرها و کنترلرهاي هوشمند، ايدة اولية خود را از چگونگي عملکرد سيستم‌هاي بيولوژيک و زنده اخذ نموده‌ و مي‌نمايند.

مدلسازي سيستم‌هاي بيولوژيک محدود به دايرة خاصي نيست و از مدلسازي کمّي و کيفي يک سلول تا مدلسازي سيستم اعصاب مرکزي انسان، يعني مغز، ادامه مي‌يابد. از آن ميان، به عنوان مثال مي‌توان به موارد پرکاربرد زير اشاره نمود:

·       مدلسازي عضلات و سيستم عصبی محرک آنها

·       مدلسازي نخاع

·       مدلسازي قشرهاي حرکتي مغز.

·       مدلسازي نواحي ديداري، شنيداري و ادراکي مغز.

·       مدلسازي عقده‌هاي درون مغزي که اِشکال در آنها به بيماري‌هائي مثل پارکينسون منجر مي‌گردد.

·       مدلسازي مخچه و چگونگي اجراي حرکات و ادراکات مهارتي

·       مدلسازي چشم و سلول‌هاي عصبي بينائي

·       مدلسازي سيستم توليد گفتار و شنوائي به صورت حلقه باز و حلقه بسته

·       مدلسازي سيستم تنظيم فشار خون، ضربان قلب و ميزان الاستيسيتة رگ‌ها

·       مدلسازي سيستم تنظيم درجة حرارت بدن

علاوه بر استفاده‌هاي فراوان مهندسي که اين مدل‌هاي رياضي (و يا حتي در مواردي کيفي) دارند، در موارد درماني خاص نيز مي‌توان از آنان بهره گرفت . براي مثال اگر مدل نسبتاً مناسبي از يک سيستم مهم بدن مثل سيستم تنظيم فشار خون محاسبه شود، مي‌توان اثرات اعمال داروهاي مختلف کاهش يا افزايش فشار خون را در دوزهاي مختلف و فواصل و نرخ اعمال دارو را بدون اينکه خطري برای کسي داشته باشد توسط رايانه، با استفاده از برنامه‌هاي شبيه سازي که در آن از مدل رياضي ساخته شده برای آن سيستم استفاده شده است، آزمايش نمود.

 

ث - طراحي بخش هاي الکترونيکي و کنترل اعضاء و اندام مصنوعي و ساخت وسايل توانبخشي

از بخش های مهم و تخصصی رشتة مهندسي پزشکي طراحي و ساخت اندام مصنوعي است. در اين راه علاوه بر تخصص‌های بيومکانيک جهت طراحي و ساخت بخش‌های مکانيکي اندام مصنوعي و بيومواد جهت سازگار ساختن آنها با ويژگي‌ها و حساسيت‌های اندام طبيعي که در مجاورت آنها قرار مي‌گيرند، در مواردي که اندام مصنوعي از نوع فعال هستند، نيازمند مدارات الکتريکي، الکترونيکي و ديجيتالي ميباشند. از اين نوع اندام مصنوعي برای مثال مي‌توان از دست و پاي مصنوعي فرمان‌پذير، حلزون مصنوعي گوش و چشم مصنوعي نام برد که همگي از فن‌آوري‌های بسيار پيشرفتة روز استفاده مي‌کنند. طراحي و ساخت اين گونه وسايل، يکي از جالب‌ترين و مهم‌ترين بخش‌هاي فني و پژوهشي مربوط به گرايش مهندسي بيوالکتريک است.

به عنوان مثال در طراحي بخش‌هاي کنترلي "دست سيبرنتيک" که از طرح‌هاي ملي اجرا شده در  دانشکده مهندسی پزشکی دانشگاه صنعتی امیرکبیر است، که در واقع يکنوع دست مصنوعي قابل کنترل ارادي، جايگزين دست قطع شدة معلولين مي‌باشد، ابتدا از سخت‌افزارهاي دريافت و تقويت سيگنال‌هاي “EMG” جهت ثبت علايم مذکور از عضلات سالم معلول استفاده مي‌شود و سپس حجم وسيعي از پردازش‌ها و طبقه‌بندي‌هاي هوشمند سيگنال‌هاي “EMG” به منظور آشکارسازي جهت ارادة فرد معلول و يافتن حرکت مورد نظر او به کار گرفته مي‌شوند. در ادامه، روش‌هاي پيشرفته و غير خطي کنترلي توسط سيستم‌های ميکروپروسسوري، جهت تحقق صحيح آن حرکت در شرايط بسيار متغير دست مثل بارگذاري متغير و زواياي مختلف اجزاي متصل  آن که توليد سيستمي بسيار غير خطي مي‌کنند، پياده سازي مي‌شوند.

مشاهده مي گردد که بخش وسيعي از دانش فني سخت‌افزاري و نرم‌افزاري برای طراحي و ساخت اعضاي مصنوعي مختلف لازم هستند که باعث وسيع شدن دايرة عملکرد اين بخش ميگردند.

علاوه بر موارد مربوط به ساخت اعضاي مصنوعي، طراحي و ساخت وسايل و تجهيزات توانبخشي را نيز مي‌توان در اين دسته قرار داد. از اين ميان ميتوان به تجهيزاتي مثل سيستم “FES” يا تحريک الکتريکي عضلات افراد قطع نخاع جهت حرکت دادن مصنوعي آنها اشاره کرد، و يا تجهيزات الکتريکی و الکترونيکي توانبخشی که دايرة وسيعي از وسايل را شامل مي‌گردند و جهت بازيابي توانائي فيزيکي اعضاي صدمه ديده به کار مي‌روند.

 

ج - ثبت سيگنال هاي حياتي و طراحي سيستم هاي مانيتورينگ بيمارستاني

اين بخش مربوط به طراحي و ساخت وسايلي جهت ثبت داده‌ها و علائم حياتي از بيمار می شود. با توجه به توانايي‌ها و گسترش روزافزون فن‌آوري ديجيتال، اين سخت افزارها غالباً به كامپيوتر متصلند و لذا توليد مدارهاي واسط مناسب بوسيلة فن‌آوري روز يكي از زير مجموعه‌هاي مهم تحقيقاتي در اين مقوله محسوب مي‌شود.

با توجه به حجم بسيار بالاي استفاده از تجهيزات مانیتورینگ و ثبت داده در محيط‌هاي بيمارستاني، از جمله اتاق های عمل، آي‌سي يو، سي‌سي‌يو و آزمايشگاه‌هاي ثبت نوارهاي قلبي و مغزي، اهميت اقتصادي توليد چنين تجهيزاتي آشکار مي‌گردد و ارزش کار مهندسي و تحقيقاتي بر روي اين گونه وسايل را نشان مي‌دهد.

 

ح - طراحي و ساخت سيستم هاي درماني و آزمايشگاهي پزشکي

در اين بخش تجهيزات فراواني وجود دارد كه برخلاف موارد بيان شده كه در تشخيص كاربرد داشتند، در درمان بيماريها كاربرد دارند و با وجود نياز فراوان به آنها در نقاط مختلف كشور، تا كنون در كشور ساخته و به صورت عمده عرضه نشده‌اند. محققان و متخصصان بيوالكتريك قادرند به ساخت اينگونه تجهيزات و يا تا حدامكان توليد داخل نمودن آنها اقدام نمايند. مواردي از اين دست را مي‌توان به شرح زير ذكر كرد:

1.      سنگ شكنهاي كليه

2.      تجهيزات فيزيوتراپي و كايروپراكتيك

3.      تجهيزات راديوتراپي

4.      ليزرها

 

علاوه 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.

 

  منابع: کاتالوگ جامع مهندسی پزشکی دانشکده ، مصاحبه با دکترفلاح ، دکترغریب زاده و دکترمالکی و منابع متفرقه