Medicinsk teknologiske fag

Da menneskekroppen både er et kemisk, et mekanisk og et elektrisk system, er den faglige spændvidde for medicinsk teknologi bredere end hvad man sædvanligvis finder inden for andre ingeniørområder. Man opdeler derfor ofte medicinsk teknologi i en række underdiscipliner:

 

Medicoteknisk instrumentering

Dette felt omhandler udvikling af elektriske apparater til diagnostisk analyse, som fx udstyr til monitorering af signaler fra muskler, nerver, hjerne, åndedræt, blodtryk mm. Man udvikler også udstyr, som indgår i behandling af sygdomme, fx høreapparater, pacemakere, elektriske stimulatorer til smertekontrol og inkontinens.

 

Medicoingeniører med speciale i medicinsk instrumentering har et solidt kendskab til analog elektronik og kan designe elektronik til forstærkning af meget svage signaler. De har også et godt kendskab til de forskellige typer af sensorer og elektroder, der bruges til at konvertere temperatur, tryk mm. til elektriske signaler. De kan designe microcomputersystemer og programmere disse til at udføre dataopsamling eller sende kommandosignaler til et andet apparat.

 

En elektroingeniør vil også kunne designe elektriske systemer og programmere disse, men i modsætning til en medicoingeniør med speciale i medicoteknisk instrumentering, vil en elektroingeniør ikke modtage undervisning i de fysiologiske systemer, der skal måles på eller have kendskab til de sygdomme, der skal behandles.

 

Medicinsk signalanalyse

En meget stor andel af de elektriske apparater, der indgår i diagnostisk analyse eller behandling af sygdomme, måler signaler fra kroppen. Disse signaler skal renses for støj fra fx elinstallationer og måske udskilles fra andre fysiologiske signaler, der overdøver det ønskede signal. Det rensede og isolerede signal skal herefter analyseres for at afgøre, om det falder inden for normalområdet, eller om det falder inden for en af flere mulige sygdomskategorier. De computerprogrammer, der indgår i behandling og analyse af fysiologiske signaler repræsenterer den sundhedsfaglige viden læger bruger til at stille en diagnose. Det er altså medicoingeniørens opgave at oversætte lægers ekspertviden til compurteralgoritmer, der kan lægges ind i medicoteknisk udstyr. Medicoingeniører, der beskæftiger sig med signalbehandling har derfor som regel også en solid viden om medicoteknisk instrumentering.

 

En elektroingeniør kan også specialisere sig i signalbehandling. Denne vil dog ikke modtage undervisning i hvilken diagnostisk information, der kan udtrækkes af de behandlede signaler eller hvilke features ud af mange, der er karakteristiske for en bestemt sygdom.

 

Matematisk modellering af fysiologiske systemer

I takt med, at de enkelte cellers funktion i et organ er blevet kendt, er det blevet muligt at opstille matematiske modeller for funktionen af et helt organ. Disse modeller kan herefter simuleres på en computer. En af de første af den slags fysiologiske modeller beskrev hvordan nerveimpulser udbreder sig langs en nerve. Disse modeller har nu videreudviklet sig til modeller for hjertets elektriske signaludbreddelse, kommunikation i netværk af nerveceller, reflekssystemer i bevægeapparatet, lydens transmission fra øret ind til øresneglen samt den videre transmission af elektriske impulser til hjernens hørecenter, såvel som modeller for normal og nedsat lungefunktion, samt kroppens regulering af organfunktioner (hjerterytme, blodtryk,  sukkerindhold i blodet osv.).

 

Da disse matematiske modeller til en vis grad repræsenterer den aktuelle viden om et organsystem, er det ønskeligt, at modellerne bliver en komponent i medicoteknisk udstyr. I udstyr til automatisk injektion af insulin vil det være ønskeligt, at udstyret ikke blot kan måle niveauet af sukker i blodet, men at instrumentet er udstyret med en model for kroppens glucoseregulering, så udstyret kan tage højde for patientens aktuelle aktivitetsniveau og den tidsforsinkelse, der går fra injektionen til insulinet har udført sin virkning.

 

Når matematiske modeller indgår i et medicinsk diagnostisk system kaldes det for et beslutningsstøttesystem. Systemet besidder i form af de indprogrammerede modeller tilstrækkelig viden om kroppens aktuelle tilstand til at systemet kan assistere lægen med at stille en nøjagtig diagnose.

 

Beslutningsstøttesystemer er et nyt begreb inden for medicinsk teknologi. Konceptet har medført, at medicoingeniører inden for medicoteknisk instrumentering og signalbehandling nu også har behov for viden om matematisk modellering af fysiologiske systemer.

 

Ingeniører uddannet i Anvendt matematik eller Matematisk modellering vil også kunne opstille matematiske modeller og skrive computerprogrammer til simulering af disse. Matematik og programmeringssprog er dog kun værktøjer i en sådan opgave. Den største udfordring er at have en tilstrækkelig detaljeret viden om det  system, der skal modelleres og at forstå de begrænsninger, der gælder for modellens anvendelse. For fysiologiske modeller kræver dette en detaljeret viden om menneskets fysiologi. Det har en medicoingeniør, men ikke en klassisk uddannet ingeniør inden for Anvendt matematik eller Matematisk modellering.

 

Medicinsk billeddannelse og strålingsfysik

Et af de bedste værktøjer en læge har til at stille en diagnose er øjnene. Derfor spiller billeder af kroppens indre en altafgørende rolle i den måde læger arbejder på. Behandlingen af et brækket ben starter med et røntgenbillede, og undersøgelser af gravide foretages med ultralyd. Røntgenpricippet er i moderne tid blevet brugt i mere avancerede former til at skanne hele eller store dele af kroppen. Denne teknologi kaldes computerbaseret tomografi (CT). CT bruges især til undersøgelse af kræftsygdomme. En anden teknik kaldet magnetisk resonans gør det også muligt at danne en serie tværsnitsbilleder. Endelig kan man anvende kameraer, der er følsomme over for ioniserende stråling (gammakamera) til at danne billeder af organer (Positronemissionstomografi, forkortet PET). PET-teknikken egner sig godt til at afsløre forhøjet koncentration af et bestemt stof, der er gjort radioaktivt. For eksempel kan sukker gøres radioaktivt og introduceres i en blodbane. Kort tid efter vil det radioaktive sukker kunne registreres med et gammakamera, fx i en kræftsvulst med unormalt højt stofskifte. Kombineres PET-teknikken med CT i en såkaldt PET/CT-skanner, kan man både få et CT-billede af vævet og et PET-billede af området med forhøjet stofskifte. Lægges de to billeder oven på hinanden, fås et tydeligt billede både af kræftsvulsten og det omkringliggende væv.

 

Kompleksiteten i disse teknologier er stor, for MR og PET-CTs vedkommende så stor, at der skal en hel stab af hospitalsfysikere og medicoingeniører til at understøtte deres daglige drift.

 

Billederne, der dannes i de forskellige typer af skannere, er resultatet af kompleks signalbehandling og tekniske beregninger. Ingeniørerne, der udvikler disse skannere har derfor ofte også en solid viden om elektriske systemer og signalbehandling.

 

De forskellige skannemetoder bruger forskellige fysiske principper. I ultralyd udbredes og reflekteres lydbølger i vævet. I CT bruges ioniserende stråling og i magnetisk resonans bruges elektromagnetisme. Ingeniører, der medvirker til udvikling eller i driften af disse skannere, skal derfor også have en solid viden om ioniserende stråling og dens vekselvirkning med biologisk væv, om elektromagnetisme og lydudbreddelse.

 

Medicoingeniører, der beskæftiger sig med udvikling eller drift af medicinske skannere vil have specialiseret sig inden for signalbehandling, billedbehandling, skanneteknisk instrumentering, isotopteknik og ioniserende stråling.

 

Medicinsk billedanalyse

Hvert snitbillede taget i en CT- eller MR-skanner indeholder omrids af forskellige organer placeret i det pågældende snit. Ved hjælp af metoder til analyse af billeder kan disse omrids lokaliseres og kombineres på en sådan måde, at man kan få en 3-dimensionel computergrafisk model af det pågældende organ, fx en knogle, en blodåre eller en svulst. Den grafiske model kan så vendes og drejes ved hjælp af computermusen, og lægen kan se både den udvendige og indvendige side af et hult organ. Anvendelsen af denne teknologi er i hastig udvikling, blandt andet i planlægningen af strålebehandling og kompleks kirugi. Udviklingen foregår altså både hos fabrikanterne af medicinske skannere, på universiterne og på de radiologiske afdelinger på hospitalerne. Medicinsk billedanalyse indgår derfor som en vigtig komponent i specialiseringen af medicoingeniører, der uddanner sig inden for medicinsk billedteknologi.

 

Medicoingeniører, der har specialiseret sig inden for medicinske billedsystemer og strålingsfysik har mulighed for at videreuddanne sig til hospitalsfysiker.

 

Biomekanik

I sine daglige aktiviteter udsættes kroppen for en uendelig række af mekaniske påvirkninger. Gravitationen bevirker fx, at alle dele af bevægeapparatet konstant udsættes for kraftpåvirkninger, der udstrækker sener og muskler og presser knogler og led sammen. I hvert eneste hjerteslag belastes hjertemuskulaturen og hjerteklapperne. Det pulserende blod får blodkar til cyklisk at udvide sig og trække sig sammen. Under normale forhold er disse kraftbelastninger ikke problematiske, men visse sygdomme kan gøre disse kraftpåvirkninger særdeles kritiske. En ung persons fald på hoften har sjældent alvorlige konsekvenser, men for en ældre kvinde kan det på trods af en ringere kropsvægt medføre en brækket hofte, hvis knoglens belastningstolerance er nedsat på grund af fremskreden knogleskørhed. Nogle personer er tilbøjelige til at udvikle udposninger på deres blodårer, primært hovedpulsåren eller på de små blodkar i hjernen. Ved fortsat vækst, og uden indgreb, risikerer personen at få en hjerneblødning. Tolerancen for mekanisk belastning i disse kar reduceres med tiden på grund af ændret sammensætning af forskellige bindevæv i blodkarene.

 

I forebyggelsen af skader på bevægeapparatet og de indre organer forårsaget af kraftbelastninger er det vigtigt at have viden om de forskellige organers tolerance for kraftpåvirkninger. Fastlæggelse af sådanne tærskelværdier er en typisk opgave for en biomekaniker (betegnelsen for en medicoingeniør, som har specialiseret sig i biomekanik).

 

Biomekanikere beskæftiger sig også med transport af faste og flydende stoffer i kroppen. Det kan være blodets strømning omkring en hjerteklap, design af udstyr til lungefunktionsmåling, udstyr til iltning af blod, dialyse og drug delivery systemer.

 

Fagområdet, der beskæftiger sig med faste stoffers deformation under en kraftpåvirkning (tryk, træk, bøjning, vrid), kaldes faststofmekanik. Fagområdet, der beskæftiger sig med flydende stoffers opførsel under kraftpåvirkning, kaldes fluidmekanik. Fagområdet, der beskæftiger sig med transport af varme og af stoffer i fast, flydende eller gasform, kaldes under ét for massetransport. Disse tre fagområder er klassiske specialiseringsområder for en maskiningeniør, men indgår også i uddannelsen af medicoingeniører, der ønsker at specialisere sig inden for biomekanik og biomaterialer.

 

Rehabilitering

Teknikker, der medvirker til genvinding af normal funktion af et organ, typisk bevægeapparatet, betegnes rehabilitering. Det kan være en patient, der er blevet delvist lammet på grund af en hjerneblødning eller en traumatisk ulykke. Konsekvensen kan være, at patienten ikke længere kan gøre brug af de normale muskler under gang. Fysioterapeuten kan her få assistance fra biomekanikere med speciale i ganganalyse. Disse anvender videobaseret udstyr til at lave målinger på lemmernes hastigheder og accelerationer samt musklernes arbejdsmønster. Disse informationer kan bruges til at lægge en rehabiliteringsplan, der er tilpasset en given patients situation.

 

En maskiningeniør vil have viden om faststofmekanik. En biomekaniker med speciale i rehabilitering vil udover viden inden for faststofmekanik også have specialviden om bevægeapparatets funktion og de teknologier, der benyttes til at analysere dette.

 

Proteser

I tilfældet med den ældre dame, der brækkede lårbensknoglen tæt på hofteskålen, vil rehabilitering hos en fysioterapeut ofte ikke være tilstrækkeligt. Typisk skal patienten i ortopædkirugisk behandling og i nogle tilfælde have indsat en hofteprotese som erstatning for det brækkede lårbenshoved.

 

Proteser til knæ og hofter udsættes for meget store kraftbelastninger, typisk mere end 10 gange personens vægt. I normale led nedsættes friktion og slitage mellem knogler og brusk af en ledvæske med en smøringsevne, der er helt suveræn i forhold til de smøringsmidler, man kender fra den tekniske verden. Friktion og slitage i et kunstigt led er derfor meget større end i et normalt led. Denne problemstilling har medført et meget stort antal designvariationer, med kombination af mange forskellige materialetyper. Design af ledproteser kræver derfor en specialistviden inden for både faststofmekanik, materialevidenskab og bevægelsesapparatets biomekanik. En klassisk uddannet maskiningeniør har viden om de første to fagområder. En medicoingeniør med speciale i Biomekanik og biomaterialer har specialistviden i alle tre fagområder.

 

Biomaterialer

I de ovenstående beskrivelser har der været flere eksempler på, at typen af materialer anvendt i et medicoteknisk produkt kan være kritisk. I forsøget på at beklæde karproteser med patentiens egne celler er der visse typer af polymere, der er mere egnet til cellevedhæftning end andre. Metaltrådene hvorpå textilen er fastgjort skal kunne huske sin udspændte form mens den er krympet sammen og placeret i indføringskateteret. Når karprotesen skubbes ud af kateteret, ændres dens temperatur til blodets temperatur, og metaltrådens molekylers gitterstruktur skifter tilbage til den oprindelige form. En legering af nikkel og titanium kaldet nitinol er sådant et shape memory materiale.

 

Hofteprotesen er et andet eksempel, hvor kendskab til materialevidenskab er en vigtig forudsætning. Protesen består af en stamme, der presses ned i lårbensknoglens rørformede hulrum. Stammen har tidligere været fastgjort med cement, men nu presses den konisk formede stamme blot ned i knoglen og sidder fast af sig selv. I de sidste generationer gives stammen en overflade af et porøst metal, således at knoglevæv kan gro ind i stammens overflade. Stammen var tidligere lavet af stål, men er nu en legering af titanium eller en legering af kobber og krom. Protesens kugleformede hoved er lavet af aluminium, zirconia eller en legering af kobber og krom. Den del af protesen, der indsættes i bækkenet, er formet som en kop, hvor det kugleformede protesehoved kan indsættes. Er koppen lavet af metal er den ofte lavet af en legering af kobber og krom eller af aluminium. Koppens ydre skal er porøs, så bækkenknoglen kan gro ind i koppen. Koppen kan også være lavet af polyethylen. I så fald er den indsat i en metalskal med en porøs yderside. Keramik har også været anvendt til koppen.

 

Man skulle tro, at stammen skulle laves af så stift et materiale som muligt. Det har imidlertid vist sig, at hvis stammen er meget stiv, vil den bære den største del af personens vægt. Knoglevævet uden om stammen vil bære en ringe vægt, og som med astronauter i vægtløs tilstand vil knoglens indhold af kalk reduceres. Herved blødgøres knoglen, og stammen kan ikke længere sidde fast forankret i knoglen. Af denne grund anvender man ikke længere stål til stammen.

 

De materialevidenskabelige aspekter af medicotekniske produkter indebær specialviden om både metaller, keramer og polymere. Disse materialer ligger også inde for rammerne af klassiske ingeniøruddannelser inden for materialevidenskab. Så hvad er forskellen på at specialisere sig inden for den klasssisk materialevidenskab og inden for biomateriale-området?

 

I en uddannelse inden for den klassiske materialevidenskab vil man, ud over en omfattende viden om metallers, keramers og polymeres mekaniske egenskaber, også lære om mere grundlæggende forhold, der gør det muligt at udvikle nye materialer. En medicoingeniør med speciale i biomaterialer vil som regel ikke beskæftige sig med fremstilling af nye typer materialer, men derimod med at udvælge de bedst egnede blandt kendte materialer. I vurderingen af egnethed indgår ikke kun viden om de mekaniske egenskaber, men også viden om materialers biokompatibilitet, dvs. nedbrydningsprocesser i kroppen, proteiner og cellers interaktion med forskellige materialetyper, immunreaktioner, sårheling og betændelse. En medicoingeniør med speciale i biomaterialer arbejder således i krydsfeltet mellem materialevidenskab, faststofmekanik og cellebiologi.

 

De ovenfor beskrevne discipliner er ikke fyldestgørende, men repræsenterer de mest populære specialiseringsområder. Ingen enkeltstående uddannelse i medicinsk teknologi kan tilbyde en dedikeret specialisering i alle de her nævnte specialiseringsområder. Forskellene mellem de forskellige universiteters medicotekniske uddannelser ligger ofte i valget af fagligt fokusområde, hvilket igen er bestemt af den faglige ekspertise, der er tilstede på det pågældende universitet og af den nationale medicotekniske industris produktområder.