مهندسی بیوالکتریک در مهندسی پزشکی و کاربرد های آن در زمینه های پزشکی و درمانی

یکی از شاخه های شناخته شده مهندسی پزشکی، مهندسی بیوالکتریک در این رشته تحصیلی می باشد. ترکیب قابلیت های مهندسی برق و علم پزشکی باعث شده در زمینه های درمانی و شناخت بیماری ها به سیستم هایی در بدن انسان پرداخته شود که منشأ آن جریان های الکتریسیته در بدن می باشد. الکتریسیته به صورت یک پتانسیل الکتریکی یا جریان ها یالکتریکی در عصب های محیطی مرکزی، سلول ها و بافت ها و در ارگان های بدن وجود دارد. حتی این اعصاب در استخوان های بدن نیز وجود دارند و کاربرد این علم در ترمیم هر یک به صورت گسترده ایی می باشد. مهندسی پزشکی بیوالکتریک سعی کرده با به کار گیری علوم دیگر در ساخت تجهیزات پزشکی، بیمارستانی و اتاق عمل نیز پیشرو باشد و کار را برای پزشکان در فرآیند های درمانی کمی آسان کند. از دیگر بخش هایی که در مهندسی پزشکی یبوالکتریک از آن یاد می شود، برنامه نویسی و کد نویسی ها است که در زمینه های متفاوتی مثل پردازش سیگنال های عصبی، پردازش سیگنال های حیاتی انسان و کد نویسی ها در زمینه هوش مصنوعی می باشد. امروزه هوش مصنوعی از مهم ترین بخش ها در کاربرد های تشخیصی تومور ها و انواع بیماری های نادر می باشد. زمینه های یادگیری هوش مصنوعی در دوره های یادگیری عمیق و یادگیری ماشین و آموزش کد نویسی به زبان پایتون و... می تواند خلاصه شود.

مهندسی بیوالکتریک در تجهیزات پزشکی

تجهیزات پزشکی و بیمارستانی همانطور که به طور مفصل در مقالات قبلی مهندسی پزشکی به آن اشاره شد (برای مشاهده مقاله کلیک کنید)، از مهم ترین ملزومات پزشکان در سراسر جهان می باشد. بدون تجهیزات پزشکی و بیمارستانی کار برای پزشکان در زمینه های درمانی و حتی تشخیصی مشکل خواهد بود. بنابراین مهندسین پزشکی در همه شاخه ها سعی در ساخت این تجهیزات می نمایند. پس از ساخت این تجهیزات، مهندسین پزشکی در شاخه بیوالکتریک می بایست کار های فنی این دستگاه ها را بر عهده بگیرند. از مهم ترین کار ها  در این زمینه مار های کنترل کیفی و ارائه گواهی ها سلامت برای این دستگاه ها است که کار بسیار مهمی تلقی می شود. از آن جایی که بیشتر کار فنی این دستگاه ها با جریان های الکتریسیته می باشد، یادگیری انواع برد ها و شناخت آنها و نحوه تعمیرات برد های الکتریکی را می بایست آموزش دید.
در ابتدای کار برای ورود به بازار کار تجهیزات پزشکی باید تجهیزات مورد نظر را بشناسید و سپس به مراحل تعمیرات آن مراجعه کنید. عدم شناخت کارکرد دستگاه می تواند در نوع تعمیرات ناظر فنی دستگاه اثر گذار باشد و مراحل چک و بررسی را تحت تاثیر قرار بدهد و ایراد های دستگاه را دو چندان کند. پس مراحل بالا را به خوبی طی کنید و سپس به کار به عنوان یک ناظر فنی فکر کنید.

کاربرد های مهندسی بیومتریال در پزشکی

کار بر روی سلول ها و بافت ها در مهندسی بیوالکتریک:

 این موضوع می تواند به عنوان یک موضوع نو در جامعه مهندسی و پزشکی یبان شود. هنگامی که سخن از بافت بدن انسان می شود، بیومتریالیست ها در مهندسی پزشکی وارد کار خواهند شد امّا در مواقعی کارکرد آنها صرفاً به عنوان عنصر مهم در یک پروژه شناخته نمی شود، بلکه حضور یک مهندس بیوالکتریک موثر تر می تواند باشدو به عنوان مثال در ساخت موادی که رسانایی بالایی داشته باشد، مهندسین بیوالکتریک باید دخالت کنند و درباره آن ماده نظر خود را بدهند. در امر الکتریسیته و نقشه و پیکربندی انسان، مهندسین بیوالکتریک، انواع بافت ها و ارگان ها را به شکل یک مدار الکتریکی می سنجند و برای حل مشکلات و ترمیم بافت و القای جریان الکتریکی، روی آن فرآیند هایی را به عمل می آورند. در ساخت بسیاری از تجهیزات برای رشد بافت ها، سوای استفاده از سلول ها و عامل های رشد و سلول های بنیادی، نیاز به بایورکتور هایی داریم که ساخت محفظه آنها برای ساخت یک ماده رسانا باید به صورت کامل تحت نظارت یک مهندس بیوالکتریک باشد.

استفاده از کد نویسی ها در مهندسی پزشکی بیوالکتریک

ساخت چیپ ها و حسگر های زیستی که مبحث داغی از مهندسی پزشکی امروزه قلمداد می شود همه و همه در دسترس مهندسین پزشکی بیوالکتریک می باشد. در ابتدا برای آشنایی با مفهوم های ساخت چیپ ها و میکروکنترلر ها باید با مفاهیم کد نویسی و آشنایی با کارکرد این میکرو ها آشنایی پیدا کرد.

میکروکنترلر ها قطعات کوچکی هستند که به عنوان مغز متفکر یک وسیله برقی شناخته می شوند. انواع میکروکنترلر ها به اسم های میکروکنترلر های AVR و ARM می باشند. میکروکنترلر های AVR کاربرد های مقدماتی تری دارند و بیشتر مواقع از آن استفاده می شود. از آن طرف میکروکنترلر های ARM قدرتمند تر و به نوعی تخصصی تر هستند. کار با این میکروکنترلر ها جدای از ساخت آنها که پروسه پیچیده ای دارند، کد نویسی در آنها می باشد. هرچه این کد نویسی ها گسترده تر و تخصصی تر باشند، میکروکنترلر ما اعمال بیشتری را مب تواند پردازش کند. مثلاً در ربات های جراح دامنه این کاربرد بسیار گسترده است و این مغز متفکر ربات باید آنقدر دقیق باشد که در برش های بافتی خطا نداشته باشد زیرا جراحی های دقیق را که انسان قابلیت اجرا ندارد را به ربات ها می سپارند. در سوی دیگر شناخت نرم افزار های رباتیک مثل ARDUINO  میتواند خیلی در طراحی آن ها کاربرد داشته باشد.

در سمتی دیگر به سراغ کدنویسی ها برای این میکرو ها خواهیم رفت که معمولاً در فضای نرم افزاری CODEVISION انجام میگیرد. البته برنامه نویسی با زبان های C++ نیز انجام می شود. در مرحله کد نویسی، می توان به کد نویسی در python نیز اشاره کرد. کد نویسی و آشنایی با نحوه کد نویسی امری بدیهی درساخت یک قطعه خودکار است. به کار گیری این زبان می تواند در ساخت قطعات به روز کارایی داشته باشد.

در این بخش به مبحث های مربوطه به پردازش سیگنال پرداخته می شود. پردازش سیگنال در محیط هایی نظیر python و به خصوص MATLAB بیان می شود. پردازش سیگنال در زمینه های تشخیصی که از سوی حسگر ها دریافت می شوند، بسیار موثر هستند. سیگنال های حیاتی مهم ترین پالس های دریافتی از سمت بدن هستند که زبان گویای یک بافت می باشد. تمامی بیماری ها و اختلالات از این پالس ها را می توان دریافت کرد. راه شناخت و پردازش سیگنال ها پردازش آنها در محیط ها نرم افزاری مثل MATLAB می باشد. علاوه بر پردازش پالس ها و سیگنال های حیاتی، شبکه های عصبی و...، می توان پردازش های تصاویر پزشکی با استفاده از یادگیری عمیق در محیط PyTorch  نیز اشاره کرد. بدین ترتیب می توان از این نرم افزار ها استفاده بهینه ایی را انجام داد.

نویسنده مقاله: احسان زینلی کارشناس دپارتمان مهندسی پزشکی موسسه پارس پژوهان