L’ingénierie biomédicale est le résultat de l’application des principes et des techniques de l’ingénierie au domaine de la médecine et de la biologie. Elle s’occupe principalement de la conception et de la construction de dispositifs médicaux et de technologies de la santé tels que l’équipement médical, les prothèses, les dispositifs médicaux, les dispositifs de diagnostic (imagerie médicale) et de thérapie. Elle est également impliquée dans la gestion ou l’administration des ressources techniques liées à un système hospitalier. Il combine l’expertise en ingénierie avec les besoins médicaux pour obtenir des avantages dans le domaine des soins de santé. La culture des tissus, ainsi que la production de certains produits pharmaceutiques, sont souvent considérées comme faisant partie de la bio-ingénierie. Bien que la plupart des ingénieurs biomédicaux travaillent dans le domaine de la santé humaine, ils travaillent également à l’élaboration de solutions technologiques destinées à la médecine vétérinaire et à la biologie en général.
L’ingénierie biomédicale a récemment émergé en tant qu’étude à part entière, par rapport à de nombreux autres domaines de l’ingénierie. Une telle évolution est courante lorsqu’un nouveau domaine passe du statut de spécialisation interdisciplinaire parmi des domaines établis à celui de domaine à part entière. Une grande partie du travail dans le domaine de l’ingénierie biomédicale consiste en la recherche et le développement, qui englobent un large éventail de sous-domaines (voir ci-dessous). Les principales applications de l’ingénierie biomédicale comprennent le développement de prothèses biocompatibles, de divers dispositifs médicaux diagnostiques et thérapeutiques allant de l’équipement clinique aux micro-implants, d’équipements d’imagerie courants tels que les IRM et les électrocardiogrammes, la croissance des tissus régénératifs, les médicaments pharmaceutiques et les produits biologiques thérapeutiques.
Bioinformatique
La bioinformatique est un domaine interdisciplinaire qui développe des méthodes et des outils logiciels pour comprendre les données biologiques. En tant que domaine scientifique interdisciplinaire, la bioinformatique combine l’informatique, les statistiques, les mathématiques et l’ingénierie pour analyser et interpréter les données biologiques.
La bioinformatique est considérée à la fois comme un terme général pour l’ensemble des études biologiques qui utilisent la programmation informatique dans le cadre de leur méthodologie, et comme une référence à des « pipelines » d’analyse spécifiques qui sont utilisés de manière répétée, en particulier dans le domaine de la génomique. Les utilisations courantes de la bioinformatique comprennent l’identification de gènes et de nucléotides candidats (SNP). Souvent, cette identification est réalisée dans le but de mieux comprendre la base génétique des maladies, des adaptations uniques, des propriétés souhaitables (en particulier dans les espèces agricoles) ou des différences entre les populations. De manière moins formelle, la bio-informatique cherche également à comprendre les principes d’organisation des séquences d’acides nucléiques et de protéines.
Biomécanique
La biomécanique est l’étude de la structure et de la fonction des aspects mécaniques des systèmes biologiques, à tous les niveaux, des organismes entiers aux organes, cellules et organites cellulaires, en utilisant les méthodes de la mécanique.
Biomatériaux
Un biomatériau est un matériau, une surface ou une construction qui interagit avec les systèmes vivants. En tant que science, les biomatériaux ont environ cinquante ans. L’étude des biomatériaux est appelée science des biomatériaux ou ingénierie des biomatériaux. Elle a connu une croissance forte et régulière tout au long de son histoire, de nombreuses entreprises investissant des sommes importantes dans le développement de nouveaux produits. La science des biomatériaux englobe des éléments de médecine, de biologie, de chimie, d’ingénierie tissulaire et de science des matériaux.
Optique biomédicale
L’optique biomédicale s’intéresse à l’interaction entre les tissus biologiques et la lumière, et à la manière dont cette interaction peut être exploitée pour la détection, l’imagerie et le traitement.
Ingénierie tissulaire
L’ingénierie tissulaire, comme le génie génétique, est un segment important de la biotechnologie, qui recoupe de manière significative la BME.
L’un des objectifs de l’ingénierie tissulaire est de créer des organes artificiels (à partir de matériel biologique) pour les patients ayant besoin d’une greffe d’organe. Les ingénieurs biomédicaux recherchent actuellement des méthodes pour créer de tels organes. Des chercheurs ont mis au point des mâchoires et des trachées robustes à partir de cellules souches humaines. Plusieurs vessies artificielles ont été cultivées en laboratoire et transplantées avec succès sur des patients humains. Les organes bioartificiels, utilisant à la fois des composants synthétiques et biologiques, constituent également un domaine d’intérêt pour la recherche, comme les dispositifs d’assistance hépatique qui utilisent des cellules hépatiques à l’intérieur d’un bioréacteur artificiel.
Instrumentation biomédicale
L’instrumentation biomédicale désigne un ensemble de dispositifs permettant de mesurer ou de cartographier une ou plusieurs variables d’intérêt dans le domaine de la biologie ou des sciences de la santé. Les instruments biomédicaux sont développés pour satisfaire un besoin ou, en d’autres termes, pour résoudre un problème. Ce problème doit être défini par le ou les utilisateurs de l’instrument, qu’il s’agisse d’un problème clinique, de recherche ou industriel.
La robotique en médecine
L’ingénierie biomédicale a un vaste champ d’action dans l’utilisation de la robotique orientée vers la biologie (humaine et animale) et la médecine, y compris les prothèses et les orthèses dont l’utilisation est axée sur les personnes ayant des difficultés motrices ainsi que sur l’utilisation militaire. Une autre utilisation importante est celle de la chirurgie mini-invasive, où les robots peuvent améliorer les capacités et les compétences du chirurgien, tout en offrant une option mini-invasive pour des procédures chirurgicales plus complexes.
Domaines de connaissances
L’ingénierie biomédicale est largement reconnue comme un domaine multidisciplinaire, résultat d’un large éventail de disciplines qui l’influencent à partir de divers domaines et sources d’information. En raison de son extrême diversité, il n’est pas rare que la bio-ingénierie se concentre sur un aspect particulier. Il existe de nombreuses répartitions différentes des disciplines de la bio-ingénierie, souvent divisées en.
Dans d’autres cas, les disciplines de la bio-ingénierie sont divisées en fonction de leur proximité avec d’autres domaines de l’ingénierie plus ancrés, qui comprennent souvent :
Champs d’action
À ses débuts, cette discipline était fondamentalement liée à l’application des techniques d’ingénierie électrique et électronique à la construction d’équipements médicaux (instrumentation médicale), ainsi qu’à la conception de prothèses et d’orthèses (biomécanique et réadaptation). Par la suite, une partie très importante des applications de l’ingénierie à la médecine a été l’instrumentation pour l’acquisition d’images du corps humain (imagerie médicale). Depuis le développement des ordinateurs, l’importance de l’instrumentation a diminué, tandis que le traitement des signaux acquis a pris de l’ampleur, car il était possible d’obtenir des informations supplémentaires à partir des signaux fournis par l’instrumentation, qui n’étaient pas directement visibles à partir des traces pures (traitement des signaux biomédicaux). Aujourd’hui, la discipline est également liée à d’autres disciplines telles que la génomique et la protéomique (biologie computationnelle). Il existe des spécialisations en ingénierie clinique.
Histoire
Certains auteurs indiquent que l’ingénierie biomédicale existe depuis que des remèdes ont été appliqués à des problèmes particuliers de l’individu, comme une prothèse du gros orteil, découverte dans une tombe égyptienne, vieille de plus de 3000 ans. D’autres auteurs mentionnent les dessins anatomiques de Léonard de Vinci et ses approches des bras de levier ou les travaux de Luigi Galvani et de Lord Kelvin sur la conduction électrique dans les êtres vivants. Cependant, le développement de l’instrumentation électrique et électronique a produit une explosion de résultats et peut être considéré comme l’une des origines les plus proches de l’ingénierie biomédicale. Cela s’est passé principalement entre les années 1890 et 1930.
On peut citer à titre d’exemple les conceptions d’enregistrement des signaux électrophysiologiques, à commencer par les enregistrements d’A. D. Waller sur des cœurs humains (1887), le perfectionnement de la technique par W. Einthoven avec la mise au point d’un galvanomètre à cordes (1901) et l’application de cette technique par Hans Berger à l’enregistrement des signaux électroencéphalographiques chez l’homme (1924). L’instrumentation électronique des tubes à vide a été utilisée par E. Lovett Garceau pour amplifier ces signaux électriques et le premier électroencéphalographe commercial à trois canaux a été construit par Albert Grass en 1935.
Un autre exemple est le développement de l’instrumentation d’imagerie. De la découverte des rayons X par Wilhelm Conrad Röntgen en 1895 à leur première application en biomédecine, il s’est écoulé une semaine. Dès 1896, Siemens et General Electric vendaient déjà ces systèmes. Aujourd’hui, les nouveaux développements en matière d’imagerie mettent beaucoup plus de temps à trouver une application clinique. Le principe de l’imagerie par résonance magnétique a été découvert en 1946, mais ce n’est que 30 ans plus tard qu’un système a pu être mis au point pour être utilisé chez l’homme.