生物医学工程学是一门高度综合性的学科。它运用自然科学和工程技术的原理和方法，从工程角度了解人的生理、病理过程，并从工程角度解决防病治病问题。它涉及的范围很广，包括数学、物理学、化学、生物学等基础学科，也包括声、光、磁、电子、机械、化工等工程学科，而它应用于医学又遍及基础医学、临床医学和预防医学的各个学科。
生物电学
生物电学是研究生物和人体的电学特征——生物电活动规律的科学。生物电学研究是深入认识人体生理活动规律和病理、药理机制的基础之一，同时也为医学的临床诊断和治疗不断研究出新的方法和技术。
对人体和生物电活动的研究已有很长历史。当前，在各种学科协作配合下，一方面对生物电产生机制和活动规律的研究已深入到生物大分子的水平；另一方面，在临床医学应用上正发展着更多的新技术和新仪器。
人体的活动现象
人体要维持正常的生命活动，就需要在体内及与周围环境不断进行物质的交换、能量的转化及信息的传递，这一切过程都离不开生物电活动。举一个例子，一个路上的行人，看到一辆汽车迎面驶来，就急忙躲避，这一简单动作就包含了一系列复杂的生物电活动。首先，由汽车反射的光线通过眼球进入视网膜，光引起了视神经细胞上蛋白质分子构像变化，把光能转换成电能，使视神经细胞膜发生周期性的同位变化，形成可传播的电信号——动作电位。经过视觉神经把汽车的开头位置、运动状态等各种信息输入到中枢神经，在大脑中经过亿万个细胞的电活动，对所输入的信息进行分析、综合、判断，作出需要躲避的决定，然后，把动作指令以发放序列动作电位的方式经运动神经传送到腿部，通过神经——肌肉接头，由动作电位引起肌纤维的收缩运动，并使许多肌肉发生协调动作，从而实现了躲避汽车的宏观行为。
人体内充满了电荷，但大部分不能像金属中的自由电子那样在导体中快速运动，而是以离子、离子基因和电偶极子的形式存在。例如，组成蛋白质的20种氨基酸中，有13种氨基酸在水中能产生离子基因或表现出电偶极子特性，遗传物质DNA大分子也存在离子基因和偶极子。正是靠着这些电的相互作用，才能使生物大分子保持一定的空间构像，行使特殊的生命功能。例如，遗传密码的复制、生物大分子的合成、新陈代谢过程中酶和底物的诱导——契合作用等，都依赖于离子基因和偶极子的电的相互作用。目前，对这种相互作用的具体细节和规律尚了解不多。
在一些生命活动中，存在着瞬时的电子输运过程。便如，人体细胞内合成ATP以储存能量的过程中，出现电子沿着分子链传输的现象。在外界能量（如辐射）作用和体内能量转化过程中，都能瞬时产生自由电子和质子（氢离子），它们在水溶液和大分子之间运动，完成某些功能或损害正常的生命活动。
各种无机离子如K＋、Ce2＋、Ca2＋、Mg2＋、Cu2＋、Fe2＋等，在人体内大量存在，参与各种各样的生命活动。它们有的被束缚于一些生物大分子上，成为大分子的活性中心。还有许多种离子分散在体液、血液和细胞内、外液中，它们一方面保持着人体碱度的平衡，保证细胞有正常的生存环境，同时执行着调节生命活动的使命。另外K＋、Na＋、Ce2＋、Ca2＋等离子是心脏、神经系统和骨骼肌、平滑肌等组织和器官电活动的基础，由于这些离子在细胞膜内外分布不平衡，导致细胞膜两侧的正、负电荷不相等，使膜呈现出外正内负的电位差。在各种刺激作用下，膜对离子的通透性会发生瞬时变化，使不同的离子发生跨膜输运，由于输运的时间、数量和方向不同，造成细胞膜内外电位差发生脉冲式的变化，即产生动作电位。
人体内的水分子利用其电偶极子的特性，影响着许多生物大分子的结构和功能，例如，蛋白质和酶在水溶液中，通过与水分子的电的和其他类型的力的相互作用，形成特定的空间构像，表现出专一的生物活性，一旦脱水，原来的空间构像被破坏而变成了“死”物质。水也和溶液中的离子发生电的相互作用，使离子外包围着若干层的水分子，称水合作用。这些离子直接参与某种生命活动时，有的需要这些水分子同时存在，有的则需要摆脱掉水分子的电的影响。
综上所述，人体各种电特性和电活动的来源，主要是生物大分子、离子、水和少量瞬态的自由电子的电学特征及其运动产生的，对它们的特性和功能的研究，是当前有关学科的重要前沿课题。
人体器官电活动图
由兴奋性细胞组成的人体组织和器官，如脑、心脏、骨骼肌和平滑肌、视网膜等，在生命活动中，由于细胞动作电位不断地发生和传播从而形成复杂的电流回路和电场分布。我们可以在这些组织和器官所在部位的体表测量出一定的电位变化，为了解该组织和器官的生理和病理提供重要的信息。下面分别说明一些组织和器官电活动图产生的原理、测量方法及在临床医学上的应用。
心脏有节奏的收缩扩张，受位于右心房的特殊肌细胞的自发兴奋的电信号控制，即窦房结以大约72次／秒的频率进行自发专极化活动，所产生的动作电位通过神经传导到两个心房，使心房肌细胞专极化引起心房收缩把血液注入心室；接着动作电位传播到房室结，由希式束和蒲肯野把动作电位送到两个心室，使心室肌专极化发生收缩运动，推动血液进入体循环和肺循环，并按此顺序周而复始。同时，窦房结的起搏频率还受植物神经系统的调控，根据身体内部和外部的刺激作出反应，使起搏频率加快或减慢。
1876年玛瑞（Marey）最早发现心脏收缩时伴有电反应，这种电反应的复杂形式不同于骨骼肌电反应形式，引起了大家的注意。心脏在跳动时甚至在皮肤表面上也能产生1～2毫伏的电压。1903年爱因索文（Einthoven）发明了弦线电流计，促进了心肌动作电流的深入研究。借助弦线电流计可以记录整体内心脏电活动，并在临床上迅速获得广泛的应用。爱因索文为测定心脏动作电流确定了三种标准导程：即为右手——左手；为右手——左脚；为左手——左脚。
三种导程记录出的心脏电活动由许多波组成，按各波先后出现的顺序分别命名为P波、Q波、R波、S波、T波。这一系列的电位变化称为心电图（缩写为ECG）。其中P波代表左、右心房肌兴奋产生和体表电位变化，由于兴奋中窦房结向心房各处扩布时电势方向不同，互相抵消甚多，故波形小而圆钝。
P～R间期或P～Q间期代表心房开始兴奋到心室开始兴奋所需时间间隔，一般约为0.12～0.2秒左右。QRS波群代表左、右心室肌兴奋传布过程中的体表电位变化，波群的时程代表肌兴奋传布所需的时间，约为0.06～0.l秒。在兴奋由心房传到房室结再经房室束下传的一段时间内，心电图记录不到电位变化，只有当室间隔左侧开始专极化并向其右和上方传布时，可记录到Q波。随后，兴奋继续向心尖部分传布，并从心室壁内膜向外膜传布，对应的电势向量由心房指向心尖，可记录到向上的高R波。最后兴奋传到左心室后侧底部与室间隔底部时，电势向量指向心底，记录到向下的S波。
S～T段正常时接近一等电位线，这段时间反映心室各部分均处于兴奋状态。S～T段与等电位线的偏移称损伤电位，是心肌受损伤的反映。T波反映心室复极化过程的体表电位变化，T波一般向上这一事实反映了心室先兴奋的部位后复极化，而后兴奋的部位先复极化。
为适应临床上对心脏疾病的诊断和心脏功能的监护、遥测。近年来已发展了许多成套的心电监测自动化仪器设备。关于心电图异常的各种心脏疾患的关系，临床医生已积累了十分丰富的诊断经验和资料。
肌肉的一个运动单位包括来自脑干或脊髓的单个分枝的神经元和25～2000个肌纤维。神经元通过运动终极的肌肉细胞连接，当神经元把脑或脊髓发出的动作电位传到肌细胞后，使肌细胞专极化并产生收缩。用同轴针形电极插入皮下，可测量单个运动单位的电活动，若用面电极放在皮肤上，测得的是多个运动单位的电活动。当肌肉放松时，肌电图上只有人体或仪器的干扰和噪音，肌肉轻度用力时，肌电波是分立的；肌肉强直收缩时，由于参与活动的运动单位多，频率增高，各波形互相干扰，不再能分辨单个肌电波。
除记录自发肌电活动外，用电刺激肌肉运动单位也可得到肌电图。其优点是：刺激时间确定，所有肌纤维几乎能同时起动，也可电刺激传感神经，将信息传入中枢神经，再通过观察肌肉的反射反映来研究反射系统的功能。
肌电图（EMG）是临床神经生理学检查的重要方法之一，在神经、内科、骨科、职业病诊断和运动医学等方面有广泛作用。
脑包括大脑、小脑和脑干。大脑两个半球表面的一层结构叫大脑皮质，是人类进行思维活动的物质基础。大脑皮质是灰质，由神经元组成，这些神经元分别集中形成各种神经中枢。例如听、视、语言、感觉等神经中枢，神经中枢的基本活动形式是反射活动。脑电波（缩写为EEG）是神经中枢细胞在反射活动中有节律的交变放电，是神经细胞电活动的综合。
在大脑皮质中产生的电位要经过脑脊液、脑膜、头盖骨、皮下组织等传到头皮表面。在头皮表面放置电极，可探查出大量脑细胞电活动形成的电位或电位差随时间的变化。
关于大脑皮层上电活动的发现，起始于1875年俄国人达尼里夫斯基，他用声音刺激狗的听觉器官时，首次观察到狗的大脑皮层上出现生物电流。同年美国人卡通也发现暴露的兔脑上能产生电变化。1924年德国人伯格用两根白金刺入精神病患者的头皮并与颅骨相触，记录到了人类的首例脑电图。到20世纪30年代后期，脑电图技术开始应用于临床，记录方法也不断改进。将电极置于头皮之上便可记录出脑电图。
在脑电图中可记录到几种自发脑电波形，按频率范围可将它们分类如下：
慢波0.5～3.5赫
θ中慢波4～7赫
a波8～13赫
β快波13赫以上
各种波都可在皮层的不同区域引出，但不同区域波幅大小有差别。
a波在人清醒、安静并闭眼时出现，其波幅随时间周期性地变化，睁眼后a波立即消失。人困倦可测到θ波，睡眠时可记录到慢波。一般认为，快波是皮层处于特殊紧张活动状态时主要脑活动的表现，慢波是睡眠状态脑活动的表现。
大脑的结构和功能十分复杂，对脑电波与各种脑细胞电活动的明确对应关系目前所知不多。因此，为了给基础研究和临床诊断提供更多的信息和依据，近年来国内外已广泛开展了脑电波信号分析和信息提取的研究。这种研究以信号处理的方法原理为依据，利用计算机为工具，设计出各种程序进行分析、处理和运算，以期得出有价值的结果。
生物磁学
相对于生物电学，生物磁的研究是近代才开始的，尽管人们熟知电与磁的孪生关系，而且预言生物磁信号肯定是存在的，但是直到1963年才由锡拉丘兹大学的鲍列和麦克菲第一次从人体上探测到小磁场。可见，生物电信号的首次记录（1875年）与生物磁信号的首次记录相比，后者落后，主要是由于生物磁信号极其微弱，而且往往深深地埋藏在环境磁噪音之中，测量仪器的分辨率长期达不到要求，随着科学技术的逐渐发展，问题才逐步得到解决。
迄今探测到的生物磁场有心磁场、肺磁场、神经磁场、肝磁场、肌磁场、脑磁场等。
生物磁场的来源
生物磁场的来源主要有：
（1）由天然生物电流产生的磁场。人体中小到细胞、大到器官和系统，总是伴随着生物电流。运动的电荷便产生了磁场。从这个意义上来说，凡是有生物电活动的地方，就必定会同时产生生物磁场，如心磁场、脑磁场、肌磁场等均属于这一类。
（2）由生物材料产生的感应场。组成生物体组织的材料具有一定磁性，它们在地磁场及其它外磁场的作用下便产生了感应场。肝、脾等所呈现出来的磁场就属于这一类。
（3）由侵入人体的强磁性物质产生的剩余磁场。在含有铁磁性物质粉尘下作业的工人，呼吸道和肺部、食道和肠胃系统往往被污染。这些侵入体内的粉尘在外界磁场作用下被磁化，从而产生剩余磁场。肺磁场、腹部磁场均属于这一类。
生物磁场一般都是很微弱的，其中最强的肺磁场其强度也只有10－11～10－8特斯拉数量级；心磁场弱一些，其强度约为10－10特斯拉数量级；自发脑磁场更弱，约为10－12特斯拉数量级；最弱的是诱发脑磁场和视网膜磁场，其为10－13特斯拉数量级。周围环境磁干扰和噪声比这些要大得多，如地磁场强度约为0.5×10－4特斯拉数量级左右；现代城市交流磁噪声高达10－8～10－6特斯拉数量级。若距离像机床、电磁设备、电网或活动车辆较近，则磁噪声会更强。
生物磁场及其医学应用
一、心磁场
心脏的心房和心室肌肉的周期性收缩和舒张伴随着复杂的交变生物电流，由此而产生了心磁场。上面提到1963年首次测得人体心磁场，其强度为10－10特斯拉。其随时间的变化曲线称为心磁图（MCG）。心磁图与心电图在时间变量与波峰值上有相似之处。测量心磁图时需要将磁探头放在心脏位置的胸前，随着位置的变化记录所得MCG各成分亦有所不同。
心磁图与心电图相比有一些明显的优点。首先，测心磁图时不必使用电极就可测得生物组织的内源性电流，这是在身体表面直接安放电极所不能的；其次，在心磁图上可呈现出心电图尚不能鉴别的异常变化；再者测心磁图时不必与皮肤接触，也不用参考电极，不会出现由此而产生的误差。
二、脑磁场