Biomedical Engineering

29
Biomedical Engineering University of Wisconsin- Madison Eric Lee, John Harrison, Albert Kwansa, Jacqueline Wong, Miguel Benson

description

Biomedical Engineering. University of Wisconsin-Madison Eric Lee, John Harrison, Albert Kwansa, Jacqueline Wong, Miguel Benson. Definition of BME. Development and manufacture of prostheses, medical devices, diagnostic devices, drugs and other therapies - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Biomedical Engineering

Page 1: Biomedical Engineering

Biomedical Engineering

University of Wisconsin-Madison

Eric Lee, John Harrison, Albert Kwansa, Jacqueline Wong, Miguel Benson

Page 2: Biomedical Engineering

Definition of BME

• Development and manufacture of prostheses, medical devices, diagnostic devices, drugs and other therapies

• Combines expertise of engineering with medical needs for the progress of health care

Page 3: Biomedical Engineering

BME Overview

Page 4: Biomedical Engineering

Biomechanics• Application of mechanical principles to the

study of human body movements

• Muscles, bones, tendons, and ligamentso Anatomy, microstructure

• Static and dynamic analyses of force profileo Stress, strain, coordination, power output

Page 5: Biomedical Engineering

Biomechanics Example: broken leg

Anatomy Microstructure

http://academic.wsc.edu/faculty/jatodd1/351/tibia_fibula.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/34/Illu_compact_spongy_bone.jpg

Page 6: Biomedical Engineering

Biomechanics Fracture Schematics

Behave like cement

Good in compression

Poor in tension

Low tolerance for torsion

FragmentButterfly Cut

Page 7: Biomedical Engineering

X-ray Electromagnetic wave and perform radiation Radiation pass through patient and some are

being absorbed Image are created on detector by radiation that

pass through the subject

Page 8: Biomedical Engineering

X-ray Applications Cardiovascular system Skeletal system Soft tissue (e.g. lung)

Page 9: Biomedical Engineering

Ultrasonography A sound wave is produced.

Sound wave is reflected and forming echo from layers between different tissues.

Sound wave is changed to electrical pulses for image production.

Page 10: Biomedical Engineering

Ultrasonography Applications

Muscle and soft tissue Obstetric sonography

http://zoot.radiology.wisc.edu/ www.medical.philips.com

Page 11: Biomedical Engineering

MRI (Magnetic Resonance Imaging)

Polarize (align spin) of H2 atoms in body

Disrupt spins at one “slice” of body

Measure energy given off as atoms realign

Detects concentration of H2 atoms

Page 12: Biomedical Engineering

MRI Application Soft tissue

imaging Use of contrast Combined with

CT info

Page 13: Biomedical Engineering

CT (Computed Tomography)

Scanner looks much like MRI scanner

Takes many X-rays around body

Properties much like X-ray Image from density of

material Typically used for

skeletal imaging

Page 14: Biomedical Engineering

CT Application Form 2-D and 3-D

images from X-rays

Can use contrasts as well to enhance image of soft tissue

Page 15: Biomedical Engineering

Biomaterials Any foreign material that comes into

contact with a biological system

Diverse area of Biomedical Engineering Cancer drug delivery Tissue engineering Cell implantation

Page 16: Biomedical Engineering

Micro-encapsulation Challenge: Re-establish testosterone level

Solution: Insert testosterone producing cells

Page 17: Biomedical Engineering

Cell Viability

Cell viability and function must be preserved long term.

Micro-encapsulation provides a defense and preserves cell function.

Page 18: Biomedical Engineering

Hydrogel

Capsule material:

Chemical composition:

Physical characteristics:

Hydrogel

Polyethylene GlycolHO-(CH2-CH2-O)n-H

Cell

Page 19: Biomedical Engineering

Microcapsule ParametersSize exclusion via mesh size

Testosterone, Wastes

LH, FSH, O2, Nutrients

Antibodies

Microcapsule Size

Biocompatibility Degradation

Page 20: Biomedical Engineering

Tissue Engineering (TE)

TE involves the development of biological substitutes to restore or replace lost tissue function (Langer and Vacanti, 1993).

Page 21: Biomedical Engineering

TE Motivation Divergence between the supply and

demand of organ & tissue replacements.

Current methods low supply, immune rejection, and inability to repair and develop.

Major goals of TE: Provide living biological replacements Tissue physiology & pathology Pharmaceutical testing

Page 22: Biomedical Engineering

TE Approach: Cell Source

Page 23: Biomedical Engineering

Cells + Scaffold

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

Page 24: Biomedical Engineering

Cells + Scaffold + Bioreactor

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

Page 25: Biomedical Engineering

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

O

O

OCH

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

OCH

O

CH

OO

O O

O

O

O

CH

O

CH

O

O

O

O

O

O

O

CH

O

CH2O

O

O

O

CH

O

O

O

CH

O

CH

O

O

CH2

O

CH

OO

O

O

CH2

OO

O

CH2

O

CH

O

Growth Factors + Scaffold

Page 26: Biomedical Engineering

TE Range

Bone, Cartilage, Tendon

Liver, Pancreas,

Kidney

MuscleSkinNerve

Page 27: Biomedical Engineering

Cardiac TE – heart valve, myocardium Metabolic TE – liver, bladder, pancreas

Musculoskeletal TE – bone, cartilage Neural TE – nerve guidance channel for PNS

TE Examples

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Woven_bone_matrix.jpg

Proximal Distal

http://www.chir.unizh.ch/cardio/cardiotext/tissueengineering.html (Hoerstrup et al. Circulation 2002)

Page 28: Biomedical Engineering

Graduate School

Common Post-graduate Paths

Bachelor’s Degree

Industry Academia

Master’s Degree

Doctorate

Professional Schools•Medical School•Dental School•Law School•Business School

Combined ProgramsMedical & Graduate School (M.D./Ph.D.)

Page 29: Biomedical Engineering

Questions