هندسة طبية حيوية

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
JARVIK-7 قلب صناعي,هو مثال على تطبيق الهندسة الطبية الحيوية في الهندسة الميكانيكية بعملية جراحة القلب والصدر باستخام أعضاء صناعية.

هندسة طبية حيوية (بالإنجليزية: Biomedical Engineering) وتعرف باسم هندسة التقنيات الطبية، وهو العلم الذي يختص بدراسة جسم الإنسان من الناحية الهندسية ويمكن تقسيمه إلى خمسة أقسام أساسية موضحة أدناه وهو حلقة وصل بين علم الطب وعلوم الهندسة (فمهندس الطب الحيوي ينبغي أن يعرف جسم الكائن الحي لكي يصمم ما يتوافق معه من طرف صناعي أو عضو أو جهاز طبي).

تعتبر الهندسة الطبية الحيوية من أحدث العلوم الهندسية التي نشأت مع تطور الطب الحديث، فبعد أن كان الطبيب وحده يقوم بكل مهام التشخيص والعلاج وحتى تصنيع الدواء، أصبح الجهاز الطبي رديفاً أساسياً للطبيب في التشخيص والمعالجة ومراقبة المرضى، ونظراً لوجود حاجة ماسة لتطوير الأجهزة والمعدات الطبية بما يخدم صحة المرضى وسرعة استشفائهم، فكان لابد من تدخل المختصين من مجالات أخرى غير الطب لتصميم هذه الأجهزة مثل المهندسين الكهربائيين والميكانيكيين ومهندسي الكمبيوتر وغيرها. كما كان على هؤلاء المهندسين الإلمام أيضاً بالعلوم الطبية من تشريح وفيزيولوجيا الجسم البشري وغير ذلك لفهم آلية عمل كل نظام فيه وتسخير معرفتهم واختصاصهم بما يطور هذه الأجهزة، وبالتالي ظهرت الحاجة إلى وجود مهندس يلم جزئياً بكل هذه الاختصاصات من جهة ويستطيع أن يتعامل مع الأطباء من جهة أخرى مع الانتباه على أنه ليس بديلاً عن أي منهم.

تقسم الأجهزة الطبية إلى قسمين:

  1. أجهزة طبية تشخيصية مثل جهاز الأمواج فوق صوتية (Ultrasound) ؛
  2. أجهزة طبية علاجية مثل أجهزة العلاج الكيميائي والعلاج بالأمواج.

من الشائع الظن أن الهندسة الطبية تقتصر على الأجهزة الطبية وصيانتها ولكن هناك مجالات أخرى للهندسة الطبية مثل إدارة المشافي ، أطراف اصطناعية ، أعضاء اصطناعية وغيرها.

الهندسة الطبية تسخر الفيزياء والكيمياء والرياضيات وأساسيات الهندسة لدراسة الأحياء أي الجسم البشري في الأغلب للوصول إلى مراحل متقدمه في دراسة هذا الجسم ودراسة الأمراض التي يواجهها للعمل على توفير سبل أفضل لصحه جيده والمساعده على معالجة هذه الأمراض.

جهاز يقوم بقياس كمية غاز أحادي أوكسيد الكربون في الزفير, و هو مثال آخر عن الآلات الطبية الشائعة

تسميات أخرى[عدل]

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 الي الأذين الأيمن بحركة لا إرادية لا يتحكم فيها الإنسان وإذا ما حدث خلل في صمام الارتجاع يجب تركيب الصمام المطاطي المذكور ليعمل علي تعويض الخلل في الصمام الأصلي لضمان عدم حدوث قصور في الدورة الدموية.

الأجهزه الطبية[عدل]

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

أمثلة على الأجهزة الطبية[عدل]

الأجهزة التشخيصية[عدل]

جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي ، جهاز التصوير الطبقي المحوري ، جهاز التصوير بالأشعة السينية، جهاز الغاما كاميرا ، جهاز التصوير بالأمواج فوق الصوتية ، جهاز المامو غراف(تصوير الثدي بأشعة أكس) ، جهاز اقتباس إشارات القلب والدماغ والعضلات والعين وغيرها. أهم المعدات الطبية التشخيصية هي تلك التي تستعمل في التصوير والرؤية داخل المريض ، هذه المعدات تندرج تحت مجال التصوير الطبي. المهندسون الطبيون الذين يقومون بصناعة هذه الآلات عليهم أن يمتلكوا معرفة واسعة في البيولوجيا و الطب بالإضافة إلى خبرة في الهندسة و الرياضيات. هذه الأجهزة يمكن أن تشكل خطرا على حياة الإنسان في حال استعمالها بشكل خاطئ أو بشكل شبه يومي.[1]. هناك أجهزة طبية تشخيصية خاصة لتصوير الحيوانات بمختلف أحجامها[2] ، وتوجد كميات هائلة تصرف لدعم البحث العلمي في هذا المجال.

احدى احدث الأجهزة التشخيصية الطبية هي الكاميرا بحجم حبة الدواء: يمكن ابتلاع هذه الكاميرا مثل اي حبة دواء. تستطيع هذه الحبة التقاط ما يقارب ١٥ صورة ملونة اثناء مرورها في البلعوم و المرئ. الهدف من هذه الكاميرا هو الكشف المبكر عن سرطان الجهاز الهضمي الأمر الذي يزيد من احتمال الشفاء منه.تقوم هذه الكاميرا بإرسال الصور الملتقطة الى جهاز في عيادة الطبيب الذي يقوم بمعاينة هذه الصور و تقييم وضع المريض بناء عليها. يبلغ عرض هذه الحبة ما يقارب ٩ ميللي متر. هذه الأداة ستحدث فرقا كبيرا في مجال الأجهزة التشخيصية الطبية تم تطوير هذا الجهاز من في جامعة واشنطن. [3]

الأجهزة العلاجية[عدل]

منظم ضربات القلب، مزيل الرجفان(جهاز الصدمة الكهربائية),المناظير الطبية، جهاز غسيل الكلى(الكلية الصناعية),القلب الاصطناعي، جهاز المعالجة بالكوبالت، الاوعية الاصطناعية. وغيرها الكثير...

جهاز حقن الأنسولين

أجهزة طبية أخرى[عدل]

احدى أحدث المعدات الطبية هي الجهاز الذي يكون على اتصال مباشر مع جسد المريض من خلال مستشعرات التي تقوم بإستشعار و قياس الإشارات الحيوية مثل تسارع ضربات القلب، درجة حرارة الجسم, سرعة التنفس و غيرها الكثير و تقوم بإرسال هذه الإشارات الى جهاز استقبال موجود في منزل المريض الذي يتلقى ويعالج هذه المعلومات طوال اليوم. في حال تعرض المريض لأي لحادث, مثل سكتة قلبية, يحدث تغير مفاجئ في هذه المؤشرات، يقوم جهاز الأستقبال بإرسال إنذار إلى مستشفى قريب ليتم إسعاف المريض. الكبار في السن الأكثر عرضة لهذه الحوادث هم أكثر فئة تستخدم هذا الجهاز [4].


الأعضاء الإصناعية[عدل]

طرف إصطناعي, أحد أكثر الأعضاء الإصطناعية استخداماً

هي أجهزة طبية التي يمكن ان تستبدل اعضاء حية متضررة في جسم الإنسان أو الحيوان, مثل الأطراف إصطناعية. سطح هذه الأعضاء يمكن ان يكون من السيليكون او التايتينيوم. الأعضاء الإصطناعية غالباً ما تحتوي على دارات الكترونية و تكون قادرة على الحركة. أحدث الأطراف الإصطناعية هي تلك المتصلة بالأعصاب و التي تتحرك بناء على إشارات عصبية من الدماغ [5].الأشخاص الذين تعرضوا لإصابات خلال الحروب التي أدت الى أضرار كبيرة في اطرافهم يستخدون هذا النوع من الأعضاء. أكثر الأعضاء الإصطناعية شيوعاً هي الأوراك الإصطناعية. الأعضاء الإصطناعية لا تقتصر على الأطراف الإصطناعية فقط, فقد قام العلماء مؤخراً ببناء كبداً اصطناعياً.

أمثلة عن أعضاء إصطناعية[عدل]

قلب صناعي

أحد أهم هذه االأعضاء الإصطناعية هو قلب صناعي. يتم إستخدام القلب بشكل مؤقت أثناء عملية زراعة قلب طبيعي, أو بشكل دائم عندما يستحيل زراعة قلب طبيعي. تمت أول عملية زراعة قلب صناعي عام ٢٠١٣ في فرنسا [6]. يقوم هذا القلب بكافة الوظائف التي يقوم بها القلب الطبيعي. يحتوي هذا القلب على مضخة تقوم بضخ سائل هيدروليكي يقوم بدفع الدم بشكل دائم. يتألف هذا القلب من عدة أعضاء, منها: صمامات العبور, بطاريتان داخلية و خارجية و مضخة هيدروليكية.

بنكرياس صناعي

يقوم البنكرياس الصناعي بكافة الوظائف التي يقوم بها البنكرياس الطبيعي. يقوم هذا العضو بضخ الأنسولين في الجسم عندما يتجاوز مستوى السكر في الدم حد معين. كمية الإنسولين التي يجب طرحها في الدم يتم حسابها بواسطة حاسوب متصل لاسلكياً بالبنكرياس. يستخدم هذا الجهاز ملايين المرضى المصابين بمرض السكري حول العالم. يعد هذا الجهاز أقل خطراً من زراعة الخلايا الجذعية مجهولة العواقب [7] .تم تطوير البنكرياس الاصطناعي المزروع من قبل باحثين من جامعة دي مونتفورت.

كبد صناعي
عندما يحدث فشل كبدي تتراكم السموم في جسد المريض, و عندها يتم استخدام هذا الجهاز. يقوم هذا الكبد, كما الكبد الطبيعي عند الشخص المعافى, بمعالجة الدم للتخلص من السموم. يتم نقل دم المستخدم إلى غرفة خاصة في هذا الجهاز ليتم خلطه مع بروتينات التي تقوم بالالتصاق مع السموم و تفصلها عن الدم. ما زال هذا الجهاز طور التطوير, ولكن العلماء يعتقدون بأنه سيكون له تأثير كبير على الأشخاص الذين يعانون من مشاكل في الكبد. يتم إستخدام هذا الجهاز بشكل مؤقت لكسب الوقت حتى يستطيع الكبد الطبيعي التعافي, أو حتى يتم زراعة كبد طبيعي جديد. ساهم هذا الجهاز في إنقاذ حياة العديد من المرضى .[8]

القوانين المتعلقة بالهندسة الطبية[عدل]

قبل أن يتم بيع الآلات الطبية للمخابر و المستشفيات على هذه الأجهزة أن تحقق شروط معينة. مثلا, على هذه الأجهزة أن تثبت انها آمنة و فعالة في تفس الوقت. تعتبر آمنة إذا المرضى أو الأطباء الذين يستخدمونها لا يتعرضون لأذى أو لضرر عند استخدامها. لذى إجراءات احتياطية يجب ان تجرى. العديد من الحوادث حصلت خلال السنين الأخيرة[9] بسبب هذه الآلات الأمر الذي أدى إلى زيادة التجارب الصارمة التي يجب ان تمر بها هذه الآلات قبل الموافقة عليها. تعتبر هذه الآلات فعالة إذاحققت الهدف المرجو منها خلال فترة زمنية معقولة.

تصنف المعدات والأجهزة الطبية[عدل]

ي ثلاث صفوف حسب القوانين و الأنظمة في الولايات المتحدة:

  1. الصف الأول يشمل المعدات والأجهزة البسيطة التي لا يمكن ان تؤذي المستخدم مثل الضمادات, اجهزة قياس درجة حرارة الجسم و غيرها من الأجهزة البسيطة.
  2. الصف الثاني يشمل الأجهزة الأكثر تعقيدا التي لابد من الحذر عند استعمالها. هذه الأجهزة يجب ان تجتاز اختبارات معينة قبل السماح باستعمالها. الأجهزة التي تصدر أشعة اكس تنتمي لهذه الفئة
  3. الثالث يشمل الاجهزه التي لابد من دراستها بشكل عميق قبل السماح باستعمالها. مثل صمامات القلوب الإصطناعية و المفاصل الإصطناعية[10]

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.و ذلك 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 ان أكثر التقنيات رقيا وتقدما وأغلاها ثمنا تستخدم في مجالين، أحدهما الهندسة الطبية.

جهاز الأذن الصناعية

أين يعمل المهندسون الطبيون[عدل]

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

البحث العلمي في الهندسة الطبية[عدل]

العديد من الشركات و الجامعات تستثمر ملايين الدولارات في البحث العلمي.الباحثوون يقومون بتطوير الآلات الطبية و الأعضاء الإصطناعية. الآلات الناتجة من مشاريع البحت العلمي يتم فحصها بدقة للتأكد أنها تتوافق مع الأنظمة و القوانين الموجودة في البلد.على الآلات أن تجتاز العديد من الإختبارات و التحليلات قبل أن يتم التأكد من سلامتها. بعد التأكد من سلامة هذه الآلات يتم بيعها للمستشفيات و المخابر. بعض البلدان مثل أمريكا و المانيا تقوم بتصدير الآلات ليتم بيعها في غير بلدان. من أهم مجالات البحث العلمي: المواد الحيوية, التصوير الطبي, الميكانيكا الطبية, التكنولوجيا الحيوية النانونية, هندسة أنسجة, و غيرها الكثير.[11]

الحاجة المستقبلية للمهندس الطبي[عدل]

إن التطور المتسارع للتكنولوجيا ، و زيادة 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

فروع الهندسة الطبية[عدل]

  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 و الأنسجة الحية على تكوين مجال كهربائي والتأثر بالمجالات الكهربائية الناتجة من الخلايا والأنسجة المحيطة بها[12].
  • الهندسة الميكانيكية الحيوية (Biomechanical Engineering) وتنقسم إلى قسمين:
  1. علم الميكانيكا الحيوية (Biomechanics): وهذا العلم يدرس حركة وطبيعة انتقال المواد الحيوية داخل جسم الإنسان [13] ، 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 و في توصيل الدواء أو المخدّر إلى الأنسجة. كما تشملاستخدامات 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 و نقلها لبعض المرضى [14].
  • 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 و مواد 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 [15]. ترتبط الهندسة الطبية ارتباطا وثيقا بالهندسة الجينية لأنها تهدف إلى تحسين أداء الأجهزة الحيوية. ولتحقيق أهدافهم يقوم المهندسون الجينيون باستنساخ الجزيئات و نقل 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[16]. 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 الانكليزية[17].


تعليم[عدل]

يدرس طلاب الهندسة الطبية العديد من العلوم التطبيقية المختلفة مثل البيولوجيا، الكيمياء، الرياضيات التطبيقية، الفيزياء خلال أول سنتين من الجامعة [18]. خلال السنة الثالثة و الرابعة يدرس الطلاب برمجة الحاسوب و الموادالتي تستخدم في تصميم الأدوات الطبية[19]. 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 و أخذ درجة الدكتوراه، بعض الطلاب يقومون بالبدء بالعمل فور تخرجهم من الجامعة، و بعض الطلاب يقومون بالالتحاق بمؤسسات البحث علمي.


مجتمع المهندسين الطبيين[عدل]

يضم فقط العاملين في شتى انواع و مجالات الهندسة الطبية من أطباء , طلاب , باحثيين علميين, و أساتذة. هذا المجتمع تم إنشاءه في عام ١٩٦٨. هدف هذا المجتمع هو زيادة المعرفة حول مختلف المواضيع المرتبطة بالهندسة الطبية. يقوم هذا المجتمع بتنظيم و عقد المؤتمرات التي تناقش الاختراعات الطبية الجديدة. بالإضافة الى ذلك, يقوم المجتمع بتعريف طلاب المرحلة الثانوية في المدارس على الهندسة الطبية لتشجيعهم على دراستها في الجامعة. يقوم أعضاء المجتمع بجمع التبرعات من اجل دعم طلاب الهندسة الطبية و إععطائهم منح دراسية[20]

مصادر[عدل]