درخت مهندسی پزشکی ریشه ها و شاخه ها

در اوایل قرن بیستم و در اوج آن در دهه های ۳۰ و ۴۰ مفهوم جدیدی در پزشكی مطرح گردید بر این اساس, ساختار بدن انسان به مثابه یك نظام بسیار هماهنگ مهندسی فرض و بیماری به عنوان عامل بی نظمی در این ساختار مطرح گردید

با گذشت سال‌ها از تأسیس رشته مهندسی پزشكی در ایران و فارغ‌التحصیل شدن افراد بسیاری در این زمینه، هنوز هم بر سر تعریف رشته مواد درسی، گرایش‌‌‌های مختلف و بازار كار آن حرف و حدیث‌‌هایی وجود دارد. در این مقاله سعی شده است تا با اشاره به زیرشاخه‌‌های این رشته، تصویر روشن‌تری از آن به وجود آید. در اینجا لازم است از همكاری دكتر حمید سلطانیان‌زاده، استاد دانشكده فنی دانشگاه تهران و محقق مؤسسه پزشكی فورد آمریكا در تهیه این مطلب تشكر شود.

● مهندسی پزشكی چیست؟

تا قبل از قرن بیستم میلادی تشخیص و درمان بیماری بر اساس بررسی حالات بیمار، مطالعه سندرمها و عارضه‌‌های مربوط و ارائه مجموع‌های از روش‌‌های شناخته شده مبتنی بر تجویز دارو یا اعمال برخی عمل‌های جراحی صورت می‌گرفت. اما در اوایل قرن بیستم و در اوج آن در دهه ‌های ۳۰ و ۴۰ مفهوم جدیدی در پزشكی مطرح گردید. بر این اساس، ساختار بدن انسان به مثابه یك نظام بسیار هماهنگ مهندسی فرض و بیماری به عنوان عامل بی‌نظمی در این ساختار مطرح گردید.

به این ترتیب دانشی به عنوان مهندسی پزشكی بنیان گذاری شد كه حوزه فعالیت آن مطالعه ساختار بدن انسان به‌صورت سیستمیك، كشف قوانین فیزیكی و معادلات ریاضی حاكم بر اجزاء سیستم، فهم اندركنش بین آنها، مدلسازی این فرآیندها و بررسی تاثیر بیماری بر روی این ساختار منظم و به تبع آن ارائه روش‌‌های تشخیصی و درمانی مفیدتر‏‎ ‎برای بهبود بیماریها بود.

▪ در روش جدید، بیماری و تاثیرات آن بر بدن از دو دیدگاه بررسی می‌گردد.‏

۱) تاثیر بیماری بر ساختار‌های استاتیك بدن مانند اجزاء اسكلتی، بافتها و مطالعه ضایعات و تغییر شكل و حالت این اجزاء.‏

۲) تاثیر بیماری بر اجزاء دینامیك مانند حركت بافتها و فعالیت متابولیك موجود در سلولها اعم از چگونگی نفوذ باكتریها به درون سلول و همچنین بررسی وضعیت غشاء سلولها و ارزیابی مكانیسم ورود و خروج مواد در آنها.‏

جهت درك بهتر رفتار بیماری، این تاثیرات به‌صورت ریاضی مدل شده و از طریق منحنی‌ها، تصاویر، انیمیشن و نمودار‌های قابل درك بازسازی می‌گردد. بر اساس مدل به‌دست آمده روش مناسبی جهت بازگشت بدن به نظام هماهنگ اولیه تعیین می‌شود و راهكار‌های به دست آمده در ن‌هایت به عنوان پروتكل‌های تشخیصی و درمانی قابل اجراء ارائه و جایگزین روش‌های مرسوم می‌شود. به عنوان مثال امروزه برای تعیین خوش‌خیمی یا بدخیمی تومور‌های سرطانی یك ناحیه از بدن، ابتدا با استفاده از عمل جراحی، تومور یا قسمتی از آن از بدن خارج و سپس با استفاده از روش‌های بافت شناسی ماهیت تومور مشخص می‌شود.

اما بر اساس پروتكل تشخیصی كه احتمالا در آینده جایگزین روش‌های مرسوم خواهد شد، ابتدا با استفاده از یكی از روش‌های تصویر برداری به ویژه ‏MRI‏ یك تصویر آناتومیك از بدن تهیه و سپس از این طریق موقعیت تومور در بدن تعیین می‌گردد. در قدم بعد با تمركز بر ناحیه مورد نظر، جزء حجمی از این بافت انتخاب و سیگنال ‏MR‏ از آن بدست می‌آید ‏‎(MR Spectroscopy)‎‏. از آنجایی كه تفاوت مواد آلی در طبیعت بر اساس اختلاف آرایش هیدروژن در میان اتم‌های كربن و اكسیژن است و قابلیت ‏MRI‏ به تصویر كشیدن آرایش هیدروژنهاست، نحوه قرار گرفتن اتم‌های هیدروژن در این جزء حجم تعیین (این كار معمولا با تحلیل طیف فركانسی سیگنال ‏MR‏ به‌وسیله تبدیلات بنیادی ریاضی همچون تبدیل فوریه، تبدیل وِیولِت و ... انجام می‌شود) و سپس با الگو‌های استاندارد مقایسه و ماهیت تومور و سپس خوش‌خیمی یا بدخیمی آن تعیین می‌گردد.

البته برای درمان تومور هم روش‌هایی در دست تحقیق است كه شرح آن در این مقطع میسر نیست. قابل توجه است كه روند حركتی پروتكل‌های تشخیصی و درمانی جدید مبتنی بر تقلیل ضایعات روش‌های مرسوم، كاهش طول درمان، كاهش رفتار‌های پر خطر مانند بیوپسی و جراحی و تعدیل استفاده از دارو است به گون‌های كه تجویز دارو فقط در زمان‌هایی صورت می‌گیرد كه بدن به تن‌هایی قادر به بازیابی حالت طبیعی خود نیست و عدم استفاده از دارو منجر به مرگ یا آسیب دائمی به بدن می‌گردد. در ادامه به برخی از شاخه ‌های این رشته كه موضوع تحقیق در دانشگاه‌های تراز اول جهان است اشاره می‌شود.‏

۱) مهندسی سلول، مولكول و بافت‎(Cellular, Molecular and Tissue Engineering) ‎‏ هدف این شاخه كه در اواخر قرن بیستم پایه‌گذاری شده است، مطالعه و تهیه مدل‌‌های ایده‌آل از ماكرومولكولها و ساختار سلولی است كه منجر به درك بهتر پدیده ‌های درون یاخته‌ای و همچنین فهم عمیق‌تر مكانیسم تاثیر عملكرد ناصحیح آنها در بروز حالات بیماری می‌شود. به علاوه این مدلها سبب ارزیابی موثرتر فرضیه‌ها و نظریه ‌های درمانی مانند طراحی انواع پروتئینها با خصوصیات منحصر به‌فرد لیگاند-رسپتوری می‌گردد. از جمله اهداف دیگر این شاخه، مطالعه و مدلسازی ساختار سلول و فرایند بازیابی جراحات در بافت‌های آسیب دیده به منظور ارائه روش‌های درمانی بهینه تر جهت تقلیل و رفع ضایعات بافتی و همچنین تولید نمونه ‌های مصنوعی برای جایگزینی آنهاست.

به این منظور علل و مكانیسم‌های تبدیل سلول‌های بنیادی‎(Stem cells) ‎‏ به بافتها و ارگان‌های مختلف بررسی و با استفاده از مدل‌های بدست آمده بافت‌های آسیب دیده ترمیم یا در خارج از بدن به صورت مصنوعی تولید می‌شود. از جمله این بافتها و ارگانها می‌توان به استخوان، غضروف، كبد، پانكراس، پوست و عروق خونی اشاره كرد.‏

۲) سیستم‏‌های قلبی-عروقی‎(Cardiovascular Systems) ‎‏ در این شاخه از مهندسی پزشكی ساختار و رفتار الكتروفیزولوژیك سلول‌های ماهیچه‌های قلب مطالعه و ارتباط آنها با عملكرد مكانیكی و الكتریكی قلب سالم و نارس مدلسازی و سپس با بررسی حركات مكانیكی و پردازش سیگنال‌های الكتریكی قلب ‏‎ (ECG)‎و استفاده از این الگو‌های استاندارد، نارسایی‌‌های قلبی بیماران مشخص می‌شود.

در این شاخه همچنین مكانیسم و معادلات تبدیل سلول‌های بنیادی به بافت ماهیچه‌های قلب تعیین و با استفاده از آنها، الگو‌های تحریك این سلولها برای ترمیم ضایعات عضله قلب در داخل و همچنین تولید آنها در خارج از بدن مشخص می‌شود. علاوه براین، بررسی معادلات مكانیكی مربوط به فشار داخل رگها، حركت خون و اندركنش آن با دیواره عروق و طراحی ارگونومی و ساخت انواع استنت‌ها اعم از دارویی و حركتی و شبیه سازی رفتار آنها در عروق بر اساس مدل‌های بدست آمده از دیگر جنبه ‌های مطالعاتی این شاخه است.‏

۳) علوم تصویربرداری پزشكی‎(Biomedical Imaging Science) ‎‏ درتصویربرداری پزشكی، بدن از سه منظر مطالعه می‌گردد.

۱) تهیه تصویر از اجزاء ایستای بدن مانند استخوانها و بافتها و ادغام ویژگی‌های منحصر به‌فرد حالت‌‌های مختلف تصویربرداری مثل ‏CT‏ و ‏MRI‏ جهت تهیه تصاویر گویاتر مانند تصاویر سه بعدی و همچنین ارائه الگوریتم ‌های پردازشی برای مدلسازی بافت‌های سالم و ضایعات آنها جهت ارائه روش‌های تشخیصی دقیق‌تر و غیر تهاجمی.‏

‏ ۲) بررسی فیزیولوژی و حركت بافت‌های دینامیك در بدن مانند قلب و عروق از طریق تصویربرداری عملكردی‎(Functional Imaging) ‎‏ و تكنیك‌های ‏Real Time‏ و همچنین مدلسازی این رفتارها در بافت‌های سالم و ناسالم در جهت تشخیص بهتر ناهنجاری‌ها.‏

‏ ۳) تصویربرداری مولكولی به منظور مطالعه موقعیت، ساختار و حركت مولكولها (مانند مولكولها و سلول‌های سرطانی) و توجیه این حركات بر اساس الگوریتم‌های آماری و همچنین مطالعه و مدلسازی مكانیسم‌های مختلف حیات در سطح مولكولی به صورت غیر تهاجمی برای ارائه روش‌های درمانی دقیق‌تر مثل طراحی آنتی بادیها و ردیابی آنها برای از بین بردن بهتر مولكولها و سلول‌های مهاجم و تقلیل آسیب به سلول‌های سالم بدن.‏

۴) زیست شناسی محاسباتی و اطلاعات زیستی‎(Computational Biology and Bioinformatics) ‎‏ هدف این شاخه از مهندسی پزشكی كه تلفیقی از بیولوژی، ریاضی، فیزیك و علوم كامپیوتر است، مطالعه و تحلیل سازماندهی ژنها و ژنوم‌ها در سلول و فهم و مدلسازی فرآیند تكاملی آنها و همچنین رمزگشایی زنجیره‌‌های پروتئینی و به تبع آن درك مكانیسم‌های توارث صفات در سلولها و میكروارگانیسمها و پیش بینی رفتار و عملكرد آنها است. از دیگر جنبه ‌‌های تحقیقاتی این شاخه، كشف ژن‌ها با خصوصیات مورد نظر و همچنین مطالعه و مدلسازی جهش‌‌های ژنتیك در زنجیره ‌های كروموزومی سلول‌های سالم، فهم چگونگی تغییر ماهیت آنها به عناصر مهاجم و در نتیجه ارائه روش‌های مناسب ژن درمانی برای مبارزه با بیماری‌های ناشی از آن و در نهایت تهیه بانك اطلاعاتی عظیم ژنتیك است. ‏

۵) سیستم ‏‌های عصبی و مهندسی اعصاب ‏‎(Neuroscience Systems and Neuroengineering)‎‏ هدف این گرایش از مهندسی پزشكی، مطالعه ساختار نورونها، مدلسازی مكانیسم‌های انتقال اطلاعات درسطوح سیناپسی و چگونگی ارسال آنها به سیستم اعصاب مركزی، بررسی و فهم ارتباط دقیق بین فعالیت‌های حركتی، حواس پنجگانه و رفتار‌های غیر ارادی با سطوح مختلف مغز، مطالعه و مدلسازی فیدبك‌های حسی و حركتی و در ن‌هایت ارائه روش‌های كارا و موثر برای درمان ضایعات عصبی است.

به‌علاوه در این گرایش رفتار الكترو فیزولوژیك سلول‌های عصبی و نواحی فعال در مغز هنگام بروز ناهنجاری‌های عصبی-روانی همچون ‏MS، شیزوفرنی، آلزایمر و ... مدلسازی ‏‎(Brain Mapping)‎‏ و متناسب با آنها راه حل‌های درمانی طراحی می‌شوند. از دیگر جنبه‌‌های تحقیقاتی این شاخه می‌توان به مطالعه و شبیه سازی رفتار سلول‌های عصبی هنگام بروز جراحات مغزی و استفاده از شیوه‌‌های مهندسی بافت و كاربرد انواع ایمپلنتها و پروتزها برای ترمیم ضایعات عصبی، بررسی روش‌های غیر تهاجمی و یا كم تهاجمی در رفع ناهنجاری‌های عروقی-عصبی و همچنین بهره گیری از علم رباتیك برای كاهش خطا در هنگام عمل‌های جراحی نام برد. ‏

البته وسعت تحقیقات در رشته مهندسی پزشكی مختص به گروه‌های ذكر شده نیست و موارد اشاره شده فقط جنبه اطلاع رسانی دارد. از جمله شاخه ‌های دیگر این رشته می‌توان به مطالعه كاربرد انواع لیزرها، طراحی و ساخت بیوسنسورها، مطالعه و ساخت مواد سازگار با بدن برای تهیه ایمپلنتها (بیو مواد)، مطالعه، شناسایی و شبیه سازی سیستم‌های حركتی بدن (بیو مكانیك) و ساخت اندام‌های مصنوعی برای افراد معلول و ... اشاره كرد.

رضافرجام،‌ كارشناسی ارشد مهندسی پزشكی دانشكده فنی دانشگاه تهران