Biomedical Engineering Fundamentals

Evolution of the Modern Healthcare System
Before 1900, medicine had little to offer the average citizen, since its resources consisted mainly of
the physician, his education, and his “little black bag.” In general, physicians seemed to be in short
supply, but the shortage had rather different causes than the current crisis in the availability of healthcare
professionals. Although the costs of obtaining medical training were relatively low, the demand for
doctors’ services also was very small, since many of the services provided by the physician also could be
obtained from experienced amateurs in the community. The home was typically the site for treatment
and recuperation, and relatives and neighbors constituted an able and willing nursing staff. Babies were
delivered by midwives, and those illnesses not cured by home remedies were left to run their natural,
albeit frequently fatal, course. The contrast with contemporary healthcare practices, in which specialized
physicians and nurses located within the hospital provide critical diagnostic and treatment services,
is dramatic.
The changes that have occurred within medical science originated in the rapid developments that took
place in the applied sciences (chemistry, physics, engineering, microbiology, physiology, pharmacology,
etc.) at the turn of the century. This process of development was characterized by intense interdisciplinary
cross-fertilization, which provided an environment in which medical research was able to take giant
strides in developing techniques for the diagnosis and treatment of disease. For example, in 1903, Willem
Einthoven, a Dutch physiologist, devised the first electrocardiograph to measure the electrical activity of
the heart. In applying discoveries in the physical sciences to the analysis of the biologic process, he initiated
a new age in both cardiovascular medicine and electrical measurement techniques.
New discoveries in medical sciences followed one another like intermediates in a chain reaction. How-
ever, the most significant innovation for clinical medicine was the development of x-rays. These “new
kinds of rays,” as their discoverer W.K. Roentgen described them in 1895, opened the “inner man” to
medical inspection. Initially, x-rays were used to diagnose bone fractures and dislocations, and in the pro-
cess, x-ray machines became commonplace in most urban hospitals. Separate departments of radiology
were established, and their influence spread to other departments throughout the hospital. By the 1930s,
x-ray visualization of practically all organ systems of the body had been made possible through the use of
barium salts and a wide variety of radiopaque materials.
X-ray technology gave physicians a powerful tool that, for the first time, permitted accurate diagnosis
of a wide variety of diseases and injuries. Moreover, since x-ray machines were too cumbersome and
expensive for local doctors and clinics, they had to be placed in healthcare centers or hospitals. Once there,
x-ray technology essentially triggered the transformation of the hospital from a passive receptacle for the
sick to an active curative institution for all members of society.
For economic reasons, the centralization of healthcare services became essential because of many other
important technological innovations appearing on the medical scene. However, hospitals remained insti-
tutions to dread, and it was not until the introduction of sulfanilamide in the mid-1930s and penicillin in
the early 1940s that the main danger of hospitalization, that is, cross-infection among patients, was signi-
ficantly reduced. With these new drugs in their arsenals, surgeons were able to perform their operations
without prohibitive morbidity and mortality due to infection. Furthermore, even though the different
blood groups and their incompatibility were discovered in 1900 and sodium citrate was used in 1913 to
prevent clotting, full development of blood banks was not practical until the 1930s, when technology
provided adequate refrigeration. Until that time, “fresh” donors were bled and the blood transfused while
it was still warm.
Once these surgical suites were established, the employment of specifically designed pieces of medical
technology assisted in further advancing the development of complex surgical procedures. For example,
the Drinker respirator was introduced in 1927 and the first heart–lung bypass in 1939. By the 1940s, medical
procedures heavily dependent on medical technology, such as cardiac catheterization and angiography
(the use of a cannula threaded through an arm vein and into the heart with the injection of radiopaque
dye) for the x-ray visualization of congenital and acquired heart disease (mainly valve disorders due to
rheumatic fever) became possible, and a new era of cardiac and vascular surgery was established.

---

JOBR: “2121_c000” — 2006/3/9 — 18:22 — page ix — #9
Following World War II, technological advances were spurred on by efforts to develop superior weapon
systems and establish habitats in space and on the ocean floor. As a by-product of these efforts, the
development of medical devices accelerated and the medical profession benefited greatly from this rapid
surge of technological finds. Consider the following examples:
1. Advances in solid-state electronics made it possible to map the subtle behavior of the fundamental
unit of the central nervous system — the neuron — as well as to monitor the various physiological
parameters, such as the electrocardiogram, of patients in intensive care units.
2. New prosthetic devices became a goal of engineers involved in providing the disabled with tools
to improve their quality of life.
3. Nuclear medicine — an outgrowth of the atomic age — emerged as a powerful and effective
approach in detecting and treating specific physiologic abnormalities.
4. Diagnostic ultrasound based on sonar technology became so widely accepted that ultrasonic
studies are now part of the routine diagnostic workup in many medical specialties.
5. “Spare parts” surgery also became commonplace. Technologists were encouraged to provide
cardiac assist devices, such as artificial heart valves and artificial blood vessels, and the artifi-
cial heart program was launched to develop a replacement for a defective or diseased human
heart.
6. Advances in materials have made the development of disposable medical devices, such as needles
and thermometers, as well as implantable drug delivery systems, a reality.
7. Computers similar to those developed to control the flight plans of the Apollo capsule were used to
store, process, and cross-check medical records, to monitor patient status in intensive care units,
and to provide sophisticated statistical diagnoses of potential diseases correlated with specific sets
of patient symptoms.
8. Development of the first computer-based medical instrument, the computerized axial tomography
scanner, revolutionized clinical approaches to noninvasive diagnostic imaging procedures, which
now include magnetic resonance imaging and positron emission tomography as well.
9. A wide variety of new cardiovascular technologies including implantable defibrillators and
chemically treated stents were developed.
10. Neuronal pacing systems were used to detect and prevent epileptic seizures.
11. Artificial organs and tissue have been created.
12. The completion of the genome project has stimulated the search for new biological markers and
personalized medicine.
The impact of these discoveries and many others has been profound. The healthcare system of today
consists of technologically sophisticated clinical staff operating primarily in modern hospitals designed
to accommodate the new medical technology. This evolutionary process continues, with advances in the
physical sciences such as materials and nanotechnology, and in the life sciences such as molecular biology,
the genome project and artificial organs. These advances have altered and will continue to alter the very
nature of the healthcare delivery system itself.