مبانی پزشکی مدرن

درخت مهندسی پزشکی ریشه ها و شاخه ها

با گذشت سال‌ها از تأسیس رشته مهندسی پزشکی در ایران و فارغ‌التحصیل شدن افراد بسیاری در این زمینه، هنوز هم بر سر تعریف رشته مواد درسی، گرایش‌‌‌های مختلف و بازار کار 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 همکاری دکتر حمید سلطانیان‌زاده، استاد دانشکده فنی دانشگاه تهران و محقق مؤسسه پزشکی فورد آمریکا در تهیه این مطلب تشکر شود.

● مهندسی پزشکی 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 پزشکی مطرح گردید. بر این اساس، ساختار بدن انسان به مثابه یک نظام بسیار هماهنگ مهندسی فرض و بیماری به عنوان عامل بی‌نظمی در این ساختار مطرح گردید. به این ترتیب دانشی به عنوان مهندسی پزشکی بنیان گذاری شد که حوزه فعالیت آن مطالعه ساختار بدن انسان به‌صورت سیستمیک، کشف قوانین فیزیکی و معادلات ریاضی حاکم بر اجزاء سیستم، فهم اندرکنش 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 استاتیک بدن مانند اجزاء اسکلتی، بافتها و مطالعه ضایعات و تغییر شکل و حالت این اجزاء.‏

‏ ۲) تاثیر بیماری بر اجزاء دینامیک مانند حرکت بافتها و فعالیت متابولیک موجود در سلولها اعم از چگونگی نفوذ باکتریها به درون سلول و همچنین بررسی وضعیت غشاء سلولها و ارزیابی مکانیسم ورود و خروج مواد در آنها.‏

جهت درک بهتر رفتار بیماری، این تاثیرات به‌صورت ریاضی مدل شده و از طریق منحنی‌ها، تصاویر، انیمیشن و نمودار‌های قابل درک بازسازی می‌گردد. بر اساس مدل به‌دست آمده روش مناسبی جهت بازگشت بدن به نظام هماهنگ اولیه تعیین می‌شود و راهکار‌های به دست آمده در ن‌هایت به عنوان پروتکل‌های تشخیصی و درمانی قابل اجراء ارائه و جایگزین روش‌های مرسوم می‌شود. به عنوان مثال امروزه برای تعیین خوش‌خیمی یا بدخیمی تومور‌های سرطانی یک 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 پروتکل تشخیصی که احتمالا در آینده جایگزین روش‌های مرسوم خواهد شد، ابتدا با استفاده از یکی از روش‌های تصویر برداری به ویژه ‏MRI‏ یک تصویر آناتومیک از بدن تهیه و سپس از این طریق موقعیت تومور در بدن تعیین می‌گردد. در قدم بعد با تمرکز بر ناحیه مورد نظر، جزء حجمی از این بافت انتخاب و سیگنال ‏MR‏ از آن بدست می‌آید ‏‎(MR Spectroscopy)‎‏. از آنجایی که تفاوت مواد آلی در طبیعت بر اساس اختلاف آرایش هیدروژن در میان اتم‌های کربن و اکسیژن است و قابلیت ‏MRI‏ به تصویر کشیدن آرایش هیدروژنهاست، نحوه قرار گرفتن اتم‌های هیدروژن در این جزء حجم تعیین (این کار معمولا با تحلیل طیف فرکانسی 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 که شرح آن در این مقطع میسر نیست. قابل توجه است که روند حرکتی پروتکل‌های تشخیصی و درمانی جدید مبتنی بر تقلیل ضایعات روش‌های مرسوم، کاهش طول درمان، کاهش رفتار‌های پر خطر مانند بیوپسی و جراحی و تعدیل استفاده از دارو است به گون‌های که تجویز دارو فقط در زمان‌هایی صورت می‌گیرد که 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 که موضوع تحقیق در دانشگاه‌های تراز اول جهان است اشاره می‌شود.‏

۱) مهندسی سلول، مولکول و بافت‎(Cellular, Molecular and Tissue Engineering) ‎‏ هدف این شاخه که در اواخر قرن بیستم پایه‌گذاری شده است، مطالعه و تهیه مدل‌‌های ایده‌آل از ماکرومولکولها و ساختار سلولی است که منجر به درک بهتر پدیده ‌های درون یاخته‌ای و همچنین فهم عمیق‌تر مکانیسم تاثیر عملکرد 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 مکانیسم‌های 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، کبد، پانکراس، پوست و عروق خونی اشاره کرد.‏

۲) سیستم‏‌های قلبی-عروقی‎(Cardiovascular Systems) ‎‏ در این شاخه از مهندسی پزشکی ساختار و رفتار الکتروفیزولوژیک سلول‌های ماهیچه‌های قلب مطالعه و ارتباط آنها با عملکرد مکانیکی و الکتریکی قلب سالم و نارس مدلسازی و سپس با بررسی حرکات مکانیکی و پردازش سیگنال‌های الکتریکی قلب ‏‎ (ECG)‎و استفاده از این الگو‌های استاندارد، نارسایی‌‌های قلبی بیماران مشخص می‌شود. در این شاخه همچنین مکانیسم و معادلات تبدیل سلول‌های بنیادی به بافت ماهیچه‌های قلب تعیین و با استفاده از آنها، الگو‌های تحریک این سلولها برای ترمیم ضایعات عضله قلب در داخل و همچنین تولید آنها در خارج از بدن مشخص می‌شود. علاوه براین، بررسی معادلات مکانیکی مربوط به فشار داخل رگها، حرکت خون و اندرکنش آن با دیواره عروق و طراحی ارگونومی و ساخت انواع استنت‌ها اعم از دارویی و حرکتی و شبیه سازی رفتار آنها در عروق بر اساس مدل‌های بدست آمده از دیگر جنبه ‌های مطالعاتی این شاخه است.‏

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

▪ 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.‏

‏ ▪ بررسی فیزیولوژی و حرکت بافت‌های دینامیک در بدن مانند قلب و عروق از طریق تصویربرداری عملکردی‎(Functional Imaging) ‎‏ و تکنیک‌های ‏Real Time‏ و همچنین مدلسازی این رفتارها در بافت‌های سالم و ناسالم در جهت تشخیص بهتر ناهنجاری‌ها.‏

‏ ▪ تصویربرداری مولکولی به منظور مطالعه موقعیت، ساختار و حرکت مولکولها (مانند مولکولها و سلول‌های سرطانی) و توجیه این حرکات بر اساس الگوریتم‌های آماری و همچنین مطالعه و مدلسازی مکانیسم‌های مختلف حیات در سطح مولکولی به صورت غیر تهاجمی برای ارائه روش‌های درمانی دقیق‌تر مثل طراحی آنتی بادیها و ردیابی آنها برای از بین بردن بهتر مولکولها 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 پزشکی که تلفیقی از بیولوژی، ریاضی، فیزیک و علوم کامپیوتر است، مطالعه و تحلیل سازماندهی ژنها و ژنوم‌ها در سلول و فهم و مدلسازی فرآیند تکاملی آنها و همچنین رمزگشایی زنجیره‌‌های پروتئینی و به تبع آن درک مکانیسم‌های توارث صفات در سلولها و میکروارگانیسمها و پیش بینی رفتار و عملکرد آنها است. از دیگر جنبه ‌‌های تحقیقاتی این شاخه، کشف ژن‌ها با خصوصیات مورد نظر و همچنین مطالعه و مدلسازی جهش‌‌های ژنتیک در زنجیره ‌های کروموزومی 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 بانک اطلاعاتی عظیم ژنتیک است. ‏

۵) سیستم ‏‌های عصبی و مهندسی اعصاب ‏‎(Neuroscience Systems and Neuroengineering)‎‏ هدف این گرایش از مهندسی پزشکی، مطالعه ساختار نورونها، مدلسازی مکانیسم‌های انتقال اطلاعات درسطوح سیناپسی و چگونگی ارسال آنها به سیستم اعصاب مرکزی، بررسی و فهم ارتباط دقیق بین فعالیت‌های حرکتی، حواس پنجگانه و رفتار‌های غیر ارادی با سطوح مختلف مغز، مطالعه و مدلسازی فیدبک‌های حسی و حرکتی و در ن‌هایت ارائه روش‌های کارا و موثر برای درمان ضایعات عصبی است. به‌علاوه در این گرایش رفتار الکترو فیزولوژیک 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 کاربرد انواع ایمپلنتها و پروتزها برای ترمیم ضایعات عصبی، بررسی روش‌های غیر تهاجمی و یا کم تهاجمی در رفع ناهنجاری‌های عروقی-عصبی و همچنین بهره گیری از علم رباتیک برای کاهش خطا در هنگام عمل‌های جراحی نام برد. ‏

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

به امید موفقیت روزافزون دانشجویان و دانش آموختگان مهندسی پزشکی و ارتقاء بیشتر نظام پزشکی کشور

رضافرجام،‌ کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی دانشکده فنی دانشگاه تهران