هندسة طبية حيوية

تتراوح إنجازات الهندسة الطبية الحيوية بين الأجهزة البدائية، مثل العكازات، والأحذية ذات الكعب العالي، والأسنان الخشبية- وحتى المعدات الحديثة، مثل منظم ضربات القلب، وجهاز القلب والرئتين، أجهزة غسيل الكلى، والأجهزة التشخيصية، وتقنيات التصوير الطبي المتنوعة، والأعضاء الاصطناعية، والأطراف الصناعية المتقدمة.

• 1791م: اخترع لويجي جلفاني مقياس فرق الجهد البدائي باستخدام قدم الضفدع.
• 1851م: اخترع هرمان فون هلمهولتز اختبار تنظير قاع العين.
• 1881م: اخترع صامويل باتش مقياس ضغط الدم.
• 1895م: اكتشف فيلهلم رونتغن الأشعة السينية باستخدام أنابيب تفريغ الغاز.
• 1896م: اكتشف هنري بيكريل الأشعة السينية الصادرة من عنصر اليورانيوم.
• 1901م: حصل رونغتن على جائزة نوبل لاكتشافه الأشعة السينية.
• 1903م: اخترع فيلم أينتهوفن جهاز تخطيط كهربائية القلب (ECG).
• 1921م: بدأ أول تدريب رسمي ضمن مجال الهندسة الطبية الحيوية في مؤسسة أوسوالت المختصة بالفيزياء المخصة بالطب، فرانكفورت - ألمانيا.
• 1927م: اختراع الرئة الحديدية.
• 1929م: اخترع هانز برجر جهاز تخطيط أمواج الدماغ (EEG).
• 1940م: القسطرة القلبية.
• 1943م: أنشأ المجتمع العالمي للفيزياء الطبية.
• 1948م: عُقد أول مؤتمر للهندسة الطبية والحيوية وأقيم في الولايات المتحدة الأمريكية.
• 1950م: المجهر الإلكتروني.
• 1953م: جهاز القلب والرئتين.
• 1969م: أنشأت جامعة كيس وسترن ريسرف برنامج دراسات عليا.
• 1970م: التصوير المقطعي المحوسب (CT scan) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).
• 1975م: أُنشِأت مؤسسة وايتاكر.
• 1980م: كاميرا أشعة غاما، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني، والمطيافية.

جهاز يقوم بقياس كمية غاز أحادي أوكسيد الكربون في الزفير، وهو مثال آخر عن الآلات الطبية الشائعة

يعتبر اسم الهندسة الطبية الحيوية Biomedical engineering الاسم الأكثر شيوعا، وهناك اسمان آخران: الأول هو الهندسة الطبية: Medical engineering والثاني هو الهندسة الحيوية: Bio engineering. وعلى سبيل المثال يعتبر تصنيع صمام مطاطي للقلب للتحكم بضخ الدم عملاً مشتركاً بين مهندس الميكانيكا الحيوية الذي يعرف ميكانيكية عمل القلب ومهندس المواد الطبية الذي يستطيع اختيار أفضل المواد المتناسبة مع جسم الإنسان. فقلب الإنسان يقوم بعمل ميكانيكي لا إرادي بواسطة تحفيز نبضة كهربية تقارب ستة فولتات فيقوم البطين الأيمن بضخ الدم إلى الأذين الأيمن بحركة لا إرادية لا يتحكم فيها الإنسان وإذا ما حدث خلل في صمام الارتجاع يجب تركيب الصمام المطاطي المذكور ليعمل على تعويض الخلل في الصمام الأصلي لضمان عدم حدوث قصور في الدورة الدموية.

هي أجهزة كهربائية، ميكانيكية... تساعد الأطباء على القيام بعملهم على أكمل وجه وتساعد المرضى على الشفاء بشكل أفضل وتوفر الراحة التامة وتساعد بشكل كبير جدا على تشخيص الأمراض خصوصا الأورام الموجودة في داخل الجسم والتي لا يمكن التكهن بوجودها بدون هذه الأجهزة.

جهاز غسيل الكلى

الأجهزة العلاجية أو التعويضية

ويقصد بالأجهزة التعويضية، بمجموعة الأجهزة التي يتم استخدامها كتعويض عن الأعضاء الطبيعية نتيجة مرضها أو ضعف في آدائها وتقوم بنفس عمل العضو المريض أو التالف ومن الأمثلة عليها:

• منظم ضربات القلب وأحيانا يطلق عليه صانع الخطو وبالإنجليزية Pacemaker وهو جهاز يقوم كبديل عن العقدة العصبية الموجودة في الأذين الأيمن من القلب.[7]
• مزيل الرجفان (جهاز الصدمة الكهربائية).
• المناظير الطبية.
• جهاز غسيل الكلى (الكلية الصناعية).
• القلب الاصطناعي.
• جهاز المعالجة بالكوبالت.
• الاوعية الاصطناعية.

جهاز حقن الأنسولين

الأعضاء الاصطناعية

طرف اصطناعي، أحد أكثر الأعضاء الاصطناعية استخداماً

هي أجهزة طبية التي يمكن ان تستبدل أعضاء حية متضررة في جسم الإنسان أو الحيوان، مثل الأطراف الاصطناعية. سطح هذه الأعضاء يمكن أن يكون من السيليكون أو التايتينيوم. الأعضاء الاصطناعية غالباً ما تحتوي على دارات إلكترونية وتكون قادرة على الحركة. أحدث الأطراف الاصطناعية هي تلك المتصلة بالأعصاب والتي تتحرك بناء على إشارات عصبية من الدماغ.[9] الأشخاص الذين تعرضوا لإصابات خلال الحروب التي أدت إلى أضرار كبيرة في أطرافهم يستخدون هذا النوع من الأعضاء. أكثر الأعضاء الاصطناعية شيوعاً هي الأوراك الاصطناعية. الأعضاء الاصطناعية لا تقتصر على الأطراف الاصطناعية فقط، فقد قام العلماء مؤخراً ببناء كبداً اصطناعياً.

قبل أن يتم بيع الآلات الطبية للمخابر والمستشفيات على هذه الأجهزة أن تحقق شروط معينة. مثلا، على هذه الأجهزة أن تثبت أنها آمنة وفعالة في نفس الوقت. تعتبر آمنة إذا المرضى أو الأطباء الذين يستخدمونها لا يتعرضون لأذى أو لضرر عند استخدامها. لذا إجراءات احتياطية يجب أن تجرى. العديد من الحوادث حصلت خلال السنين الأخيرة[13] بسبب هذه الآلات الأمر الذي أدى إلى زيادة التجارب الصارمة التي يجب أن تمر بها هذه الآلات قبل الموافقة عليها. تعتبر هذه الآلات فعالة إذا حققت الهدف المرجو منها خلال فترة زمنية معقولة.

تصنف المعدات والأجهزة الطبية

تصنف المعدات والأجهزة الطبية إلى ثلاث صفوف حسب القوانين والأنظمة في الولايات المتحدة:

1. الصف الأول يشمل المعدات والأجهزة البسيطة التي لا يمكن أن تؤذي المستخدم مثل الضمادات، أجهزة قياس درجة حرارة الجسم وغيرها من الأجهزة البسيطة.
2. الصف الثاني يشمل الأجهزة الأكثر تعقيدا التي لابد من الحذر عند استعمالها. هذه الأجهزة يجب أن تجتاز اختبارات معينة قبل السماح باستعمالها. الأجهزة التي تصدر أشعة اكس تنتمي لهذه الفئة
3. الثالث يشمل الأجهزة التي لابد من دراستها بشكل عميق قبل السماح باستعمالها. مثل صمامات القلوب الاصطناعية والمفاصل الاصطناعية[14]

الهندسة الطبية هي علم يجمع بين علوم الهندسة (الميكانيكية والكهربائية والإلكترونية والحاسوبية) وبين العلوم الطبية الحيوية والفيزيولوجية، حيث تطبق النظريات والتقنيات الهندسية المتقدمة للتعامل وتحليل وحل المشكلات الطبية الحيوية. وذلك من خلال تصميم أدوات وأجهزة مناسبة لقياس المنظومات الفيزيولوجية والحيوية وفهمها وتطوير أجهزة قادرة على معالجة الأمراض والتعامل معها، مما يتطلب دراسة طريقة عمل هذه الأجهزة وصيانتها ونمذجتها. الهندسة الطبية تتيح بشكل كبير والإبداع والتطوير والاختراع، وذلك لتنوع المجالات الطبية ولضخامة المنظومات الفيزيولوجية (الجسم البشري) التي يتعامل معها هذا المجال من الهندسة، علما أن أكثر التقنيات رقيا وتقدما وأغلاها ثمنا تستخدم في مجالين، أحدهما الهندسة الطبية.

جهاز الأذن الصناعية

يعمل المهندس الطبي في المشافي والعيادات لتجهيزها بالمعدات والأجهزة (بعد تحديد الخصائص المطلوبة) وصيانتها، وأيضا بالشركات الطبية المتخصصة بصناعة الأجهزة الطبية، أو تلك المتخصصة بصيانة الأجهزة الطبية وبيعها أو مراكز البحث كالجامعات (التي تبحث في تطوير الأجهزة الطبية وتحليل وفهم وحل المشكلات البيولوجية بشكل أكبر).عمل المهندس الطبي متعلق بتخصصه ومجال عمله، وذلك بالتعاون مع أطباء وممرضين ومهندسين من جميع الاختصاصات.

منظم ضربات القلب

العديد من الشركات والجامعات تستثمر ملايين الدولارات في البحث العلمي. الباحثون يقومون بتطوير الآلات الطبية والأعضاء الاصطناعية. الآلات الناتجة من مشاريع البحث العلمي يتم فحصها بدقة للتأكد أنها تتوافق مع الأنظمة والقوانين الموجودة في البلد. على الآلات أن تجتاز العديد من الاختبارات والتحليلات قبل أن يتم التأكد من سلامتها. بعد التأكد من سلامة هذه الآلات يتم بيعها للمستشفيات والمخابر. بعض البلدان مثل أمريكا وألمانيا تقوم بتصدير الآلات ليتم بيعها في بلدان أخرى. من أهم مجالات البحث العلمي: المواد الحيوية، التصوير الطبي، الميكانيكا الطبية، التكنولوجيا الحيوية النانونية، هندسة أنسجة، وغيرها الكثير.[15]

إن التطور المتسارع للتكنولوجيا، وزيادة الأمراض، ووجود كثير من المشاكل الطبية والتقنية التي تحتاج إلى حلول يؤدي إلى تزايد الطلب على المهندسين الطبيين لأجل التعامل مع المشاكل البيولجية المتزايدة التعقيد وتطوير عمل الأجهزة السابقة للحصول على نتائج أفضل، وابتكار أجهزة جديدة تساعد الطبيب على أداء مهمته بشكل أفضل وأسرع فالحاجة للمهندس الطبي تتزايد في كل يوم.

جهاز تشغيل القلب والرئتين خلال الجراحة

• الهندسة الكهربائية الطبية (Bioelectrical Engineeing): وتنقسم إلى:

1. علم الإشارات الكهربائية الحيوية (Bioelectromagnetism).
2. علم التأثيرات الكهربائية الحيوية (Bioelectromagnetics): وهو علم يدرس التفاعل بين الحقول الكهرومغناطيسية والأجسام الحية. هذا العلم يدرس أيضا قدرة الخلايا والأنسجة الحية على تكوين مجال كهربائي والتأثر بالمجالات الكهربائية الناتجة من الخلايا والأنسجة المحيطة بها.[16]

• الهندسة الميكانيكية الحيوية (Biomechanical Engineering) وتنقسم إلى قسمين:

1. علم الميكانيكا الحيوية (Biomechanics): وهذا العلم يدرس حركة وطبيعة انتقال المواد الحيوية داخل جسم الإنسان [17] ، ويستخدم القواعد الهندسية لدراسة الأجهزة البيولوجية كما تلعب الرياضيات التطبيقية وهندسة الميكانيك دورا مهما للغاية في هذا المجال. ويمكن تقسيم هذا المجال إلى عدة مجالات فرعية مثل: علم الميكانيكا الحيوية الرياضية، ميكانيك السوائل الحيوية، علم الميكانيكا الحيوية النباتية، علم ميكانيك احتكاك المفاصل.
2. علم ميكانيكا الحركة الحيوية (Biotransport) ويختص هذا العلم في معالجة اختلالات الحركة عند الإنسان.

• هندسة المواد الحيوية (Biomaterials): المواد الحيوية هي المواد التي تتفاعل مع الأنظمة الحية، وتستثمر العديد من الشركات العالمية الملايين لصناعة هذه المواد الحيوية إما طبيعيا أوبإنتاجها في المخابر بواسطة طرق كيميائية مختلفة. هذه المواد يمكن أن توضع في أي مكان في الجسم كالقلب مثلا وتستخدم بكثرة في العمليات الجراحية وفي توصيل الدواء أو المخدّر إلى الأنسجة. كما تشمل استخدامات هذه المواد: المفاصل البديلة، الألواح العضمية، صمامات القلب والأوعية الدموية الاصطناعية.
• هندسة الأنسجة والجزيئات والخلايا (Tissue,Molecular & Cellular Engineering): وتعتبر جزءا هاما من التكنولوجيا الحيوية التي تتداخل مع الهندسة الطبية. إحدى أهدافها هي خلق أعضاء اصطناعية بواسطة المواد الحيوية في المرضى الذين هم بحاجة إلى زرع أعضاء. المهندسون الطبيون حاليا يبحثون عن طرق لاختراع مثل هذه الأعضاء فاستطاع البعض منهم الوصول لهذه الغاية من خلال الخلايا الجذعية. مثلا بعض المثانات الاصطناعية تم بناءها في المخابر ونقلها لبعض المرضى.[18]
• هندسة محاكاة الأنظمة الحيوية (Systems & Integrative Engineering).
• الهندسة الجينية: المهندسون الجينيون يقومون بتغيير المحتوى الجيني في بعض الكائنات الحية والهدف من هذا التلاعب هو تحفيز هذه الكائنات على إنتاج هرمونات ومواد كيميائية معينة. فمثلا يقوم العلماء بتعديل جينات نوع خاص من البكتيريا لتقوم بإنتاج الأنسولين الضروري لجسم الإنسان، بعدها يقوم الأطباء بحقن الانسولين بالمرضى المصابين بالسكري. أيضا استطاع المهندسون نقل الجينات المسؤولة عن إنتاج المواد الحيوية المضيئة من الذبابات إلى نباتات التبغ.[19] ترتبط الهندسة الطبية ارتباطا وثيقا بالهندسة الجينية لأنها تهدف إلى تحسين أداء الأجهزة الحيوية. ولتحقيق أهدافهم يقوم المهندسون الجينيون باستنساخ الجزيئات ونقل جينات من كائن إلى آخر.
• الهندسة العصبية (Neural engineering): هو أحد اختصاصات الهندسة الطبية الحيوية الذي يقوم على استخدام التقنيات الهندسية لإصلاح أو استبدال النظم العصبية.[20] ترتبط الهندسة العصبية بعلم التحكم الآلي وهندسة الحاسوب وهندسة الأنسجة العصبية وكذلك علوم المواد وتكنولوجيا النانو.المهندسين العصبيين مؤهلون لحل المشكلات في الأنسجة الحية وغير الحية. هدف الهندسة العصبية هو تركيب أجهزة التي يمكن أن تنتج إشارات عصبية لتحقيق استجابات هادفة كالتحكم بأحد الأطراف أو التفاعل مع الأنظمة العصبية لتحسين أدائها. وكون الهندسة العصبية مجال جديد، يوجد القليل من الأبحاث في هذا المجال. أول مجلة خاصة في هذا المجال هي مجلة The Journal of Neural Engineering الإنكليزية.[20]

يدرس طلاب الهندسة الطبية العديد من العلوم التطبيقية المختلفة مثل البيولوجيا، الكيمياء، الرياضيات التطبيقية، الفيزياء خلال أول سنتين من الجامعة.[21] خلال السنة الثالثة والرابعة يدرس الطلاب برمجة الحاسوب والمواد التي تستخدم في تصميم الأدوات الطبية.[22] قبل التخرج على الطلاب أن يقوموا بمشروع تخرج، درجة هذا المشروع تؤثر كثيرا على الدرجة التي ينالها الطلاب في نهاية السنوات الأربع أو الخمس التي يقضونها في الجامعة. بعد التخرج من الجامعة يقوم بعض الطلاب بالالتحاق بجامعات أخرى للقيام بدراسات عليا وأخذ درجة الدكتوراه، بعض الطلاب يقومون بالبدء بالعمل فور تخرجهم من الجامعة، وبعض الطلاب يقومون بالالتحاق بمؤسسات البحث العلمي.

يضم فقط العاملين في شتى أنواع ومجالات الهندسة الطبية من أطباء، طلاب، باحثين علميين، وأساتذة. هذا المجتمع تم إنشاءه في عام 1968. هدف هذا المجتمع هو زيادة المعرفة حول مختلف المواضيع المرتبطة بالهندسة الطبية. يقوم هذا المجتمع بتنظيم وعقد المؤتمرات التي تناقش الاختراعات الطبية الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، يقوم المجتمع بتعريف طلاب المرحلة الثانوية في المدارس على الهندسة الطبية لتشجيعهم على دراستها في الجامعة. يقوم أعضاء المجتمع بجمع التبرعات من أجل دعم طلاب الهندسة الطبية وإعطائهم منح دراسية.[23]

• بوابة تمريض
• بوابة أعلام
• بوابة هندسة
• بوابة علم الأحياء
• بوابة طب
• بوابة تقانة