شنبه, 04 آذر 1396

بیوالکتریک (Bioelectric)

: همانطور که از عنوان بیوالکتریک پیداست، حد واسط و حلقه­ی اتصالی است بین فرآیند های الکتریکی و بیولوژیکی. به تعبیر دیگر، سیستم­ها، دستگاه­ها و تکنیک­هائی هستند که دارای ماهیت الکتریکی­اند و می­توانند در حوزه­ی پزشکی به کار گرفته شوند. در این زمینه می­توانیم بسیاری از دستگاه­هایی را نام ببریم که در آزمایشگاه­ها و بیمارستان­ها مورد استفاده قرار می­گیرند. 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. در زمینه­ی شاخه­های مطرح در بیو­الکتریک در مجموع می­توان از چهار حوزه­ی تقریباً مشترک ابزار دقیق، کنترل، مدل­سازی و پردازش­سیگنال نام برد که این حوزه­ها خود نیز به زیر­مجموعه­های متعددی تقسیم می­شوند. اهم حوزه هایی که یک مهندس بیوالکتریک در آن فعالیت می کند عبارتند از:

1- پردازش سیگنال­های حیاتی: پردازش علائم حیاتی یكی از گسترده‌ترین مباحث موجود در فعالیت‌های گرایش بیوالكتریك است. این مبحث در واقع بخشی از مبحث كلّی «پردازش سیگنال» است كه مورد بررسی و استفاده بسیاری از گرایش‌های مهندسی، به ویژه مهندسی مخابرات و الكترونیك می‌باشد، امّا بنا به ماهیت خاص سیگنال مورد پردازش در كارهای پزشكی، توجه به نكات خاصی در پردازش سیگنال‌های حیاتی الزامی است كه به این مبحث موجودیت خاص و ویژه‌ای داده است. همچنین در تمامی موارد ثبت سیگنال، دادة اخذ شده دارای نویزها و آرتیفكت‌های مختلف است كه لازم است قبل از هر كاری بر روی سیگنال، این زواید از آن حذف شوند. از این رو مبحث حذف نویز، یا در حالت كلی‌تر، بهبود كیفیت سیگنال از جمله مباحث مهم در پردازش سیگنال است.

2- پردازش تصاویر پزشکی و سیستم های تصویر برداری: تصاویر پزشكی با توجه به آنكه وضعیت بدن را به صورت دو بعدی و حتی سه بعدی (به­وسیله كامپیوتر) نشان می‌دهند، یكی از مهمترین وسایل تشخیص برای پزشكان هستند كه همواره بخش عظیمی از تحقیقات را به خود اختصاص داده‌اند. سیستم­های تصویر برداری را می توان به گروههایی شامل روشهای اشعه ایكس (رادیوگرافی، فلوئورسكوپی و CT)، روش مغناطیسی MRI، پزشكی هسته‌ای و روش‌های ماوراء صوت تقسیم كرد. تصاویر حاصله در روشهای فوق عموماً و به صورت خام قابل استفاده نیستند، لذا پردازشهای وسیع و گسترده‌ای روی آنها صورت می‌گیرد.

3- 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. موارد 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.

4- 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.

5- 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.

6- ثبت سیگنال های حیاتی و طراحی سیستم­های مانیتورینگ بیمارستانی: این بخش مربوط به طراحی و ساخت وسایلی جهت ثبت داده‌ها و علائم حیاتی از بیمار می­شود. با توجه به توانایی‌ها و گسترش روزافزون فن‌آوری دیجیتال، این سخت افزارها غالباً به كامپیوتر متصلند و لذا تولید مدارهای واسط مناسب بوسیلة فن‌آوری روز یكی 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 اتاق­های 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.

7- طراحی و ساخت سیستم­های درمانی و آزمایشگاهی پزشکی: در این بخش تجهیزات فراوانی وجود دارد كه برخلاف موارد بیان شده كه در تشخیص كاربرد داشتند، در درمان بیماریها كاربرد دارند و با وجود نیاز فراوان به آنها در نقاط مختلف كشور، تا كنون در كشور ساخته و به صورت عمده عرضه نشده‌اند. محققان و متخصصان بیوالكتریك قادرند به ساخت اینگونه تجهیزات و یا تا حدامكان تولید داخل نمودن آنها اقدام نمایند. مواردی از این دست را می‌توان به شرح زیر ذكر كرد: سنگ شكنهای كلیه، تجهیزات فیزیوتراپی و كایروپراكتیك، تجهیزات رادیوتراپی، لیزرها.

8- طراحی و ساخت سیستم­های انفورماتیک پزشکی: امکان فعالیت مهندسان بیوالکتریک در حوزه های گسترده ای نظیر طراحی بانکهای اطلاعاتی پزشکی، طراحی سیستم­های 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 ... وجود دارد که نیازمند همکاریهای بین بخشی گسترده ای در سطح کشور می باشد.