论生物医学工程的现状及发展前景

论生物医学工程的现状及发展前景 生物医学工程 Biomedical Engineering BME 崛起于20世纪60年代 其内涵是 工程科学的原理和方法与生命科学的原理和方法相结合 认识生命运动的规律 并用 以维持 促进人的健康 它的兴起有多方面的原因 其一是医学进步的需要 其二则 是医疗器械发展的需要 四十年来 生物医学工程已经深入于医学 从临床医学到医学基础 并深刻地改 变了医学本身 而且预示着医学变革的方向 可以说 没有生物医学工程就没有医学 的今天 另一方面 生物医学工程的兴起和发展不仅推动了医疗器械产业的发展 而 且使它发生了质的改变 最根本的是 将使用对象和使用者以及医疗装置看作是一个 系统整体 强调其间的相互作用 进而用系统工程的观念研究发展所需要的医疗装置 实现预定的医疗目的 生物医学工程学科是一门高度综合的交叉学科 这是它最大的特点 所谓交叉学 科是指由不同学科 领域 部门之间相互作用 彼此融合形成的一类学科群 从学科发 展的历史长河来看 新学科的产生大都是传统或成熟学科相互交叉作用产生的结果 而且 生物医学工程所指的学科交叉 不是生物医学同哪一个工程学科分支的简单结 合 而是多学科 广范围 高层次上的融合 近年来 高分子材料科学 电子学 计 算机科学等自然科学的不断发展 极大地推动了生物医学工程学科的发展 此外 生物医学工程学科所涉及的领域非常广泛 可以说 有多少理工科分支 就会产生多少生物医学工程领域 这种多学科的交叉融合涉及到所有的理 工学科和 所有的生物学和医学分支 这样一来 当任何一个学科取得突破进展时都能影响到生 物医学工程的发展 使其发展的速度异常迅速 发达国家生物医学工程的现状 在美国以及欧洲等经济发达国家 早在上世纪50年代就指出生物医学工程的重要 性 基于其强大的经济 科技实力 经过近半个世纪的努力均取得了各自的成果 如 今 这些国家在生物医学工程方面处于世界前列 但是面对当今科技飞速发展的新形 势 他们仍在想尽一切办法努力前进 在美国 许多著名大学根据自身条件和生物医 学工程学科的特点以及社会需要采用各种方式积极推进 学科交叉计划 这样一来 生物医学工程在这一有利条件下迅速发展 朝向以整合生物 医学 物理 化学及工 程科学等高度交叉跨领域方向发展 这种发展方向既促进了传统性专业的提升 又为 逐步形成新专业创造了条件 另外 美国政府因认识到新的世纪生物医学工程对促进卫生保障事业发展所具有 极大的重要性 急需扭转美国生物医学工程领域研发工作群龙无首的分散局面 美国 第106届 国会于2000年1月24日通过立法 在国立卫生研究院内设立了国家生物医学 成像和生物工程研究所 规定由该所负责对美国生物医学工程领域的科研创新 开发 应用 教育培训和信息传播等进行统一协调和管理 促进生物学 医学 物理学 工 程学和计算机科学之间的基本了解 合作研究以及跨学科的创新 这也大大推动了美 国的生物医学工程学科的发展 国内生物医学工程的现状 我国的生物医学工程学科相对国外发达国家来说起步比较低 自上世纪70年代以 来 经过40多年的发展 目前全国已有很多所高校内设有此专业 在一些理 工科实 力较强的高校内均建有生物医学工程专业 由于这些学校的理 工等学科在全国都有 重要的影响 且大都设有国家级重点学科 他们开展起来十分方便 这些院校均是以 科研性学科设置的 此外 还有一些医学院校则是以医学作为基底学科 置入某些工 程学科的知识 并以医学应用为目的建立相关的课程体系 而对于生物学中所涉及到 的细胞及分子生物学 发育生物学及生物技术 对于工程技术中的控制技术 材料学 均较少涉及 这些院校培养的目标就是将生物医学工程运用于实际 因为生物医学工 程是以理 工 医为基础 医学中的许多问题只有在这些学科相互结合的前提下才能 得以解决 要将基础研究转化为工业化产品 将美好的前景分析变为卫生保健的实际 行动而服务于广大人民 就离不开生物医学工程师 这就是这些生物医学工程工作者 的工作理念 但是 从总体上说我国的生物医学工程学科的发展仍不平衡 40多年以来 我们在 研究方面引进 消化 跟踪研究多 创造性研究较少 理论方法等应用基础研究多 取得自主知识产权的应用研究少 处于理工科院校的生物医学工程学科其工程力量雄 厚 但是由于缺少医学背景 在真正用于临床 解决医学实际问题方面还较落后 而 处于医学院校的生物医学工程学科其研究的主要特点是和医学结合紧密 医学大背景 深厚 但是工程力量相对落后 科研投入不足 我国的生物医学工程是仿效西方建立起来的 在学科形成的初期 这种仿效是必 然的 但是 在西方生物医学工程的进步与它的社会效应的矛盾日益尖锐并日益显露 的今天 如果我们仍然按照西方生物医学工程的模式发展下去 那么 中国生物医学 工程的前途是不堪设想的 因为 我国是一个经济不发达 技术比较落后的社会主义 的大国 人口为业界之最 医疗费用是一笔极其沉重的社会负担 如果这一己经不堪 其重的负担由于生物医学工程技术的发展而变得更加沉重的话 那么 这种生物医学 工程就成为社会发展的消极因素而毫无存在的价值 所以我认为 我国生物医学工程 接下来的发展潮流将以以下三个方面作为重点 一 面向大多数 生物医学工程技术的发展应读以大多数人的卫生保健的需要为目标 我国人口众 多 大多数分布在缺医少药的农村地区 发展我国的生物医学工程必须从这一基本事 实出发 举一个例子 目前国内外人工心瓣均以机械瓣为主 主要原因是生物瓣在人 体内会钙化 平均寿命约为8年 然而 装上机械瓣以后需要长期服抗凝药 且需经常 接受医生的指导和监督 这对于发达国家来说可能问题不大 但对于我国广大农村来 说 间题却不小 一是对农村患者的药物供应和医学指导很难保证 二是长期服用抗 凝药将是一大经济负担 三是农村患者心理状态和生活习惯的障碍 有鉴于此 对于 我国的生物医学材料学来说 生物材料抗钙化问题的研究和具有抗钙化能力的新型生 物瓣的研制应当是我国人工心瓣发展的主要方向 二 自力更生 是发展我国生物医学工程的指导思想 改革开放以来 出现了一股引进热和仿造热 生物医学工程领域也不例外 我们 认为 对外开放 是为了发展我国的经济 引进和仿造 是为了壮大我们自己 更好 地自力更生 这一原则 对于中国的生物医学工程事业来说 至为重要 因为 我国 的国情不允许我们单纯地效仿西方的生物医学工程 西方的生物医学工程是建立在强 大的基础工业之上的 我国不可能在短时间内形成这样的基础 所以 如果我们不从 我国已有的技术 工业基础和经济条件出发 盲目地引进和仿造 那么 我国的生物 医学工程只能亦步亦趋 跟着它们一起走进死胡同 从自力更生出发 引进国外生物医学工程的先进技术应当 1 谨慎选择 选择 适合我国国情的项目 或者是研究工作之必需 而不是越先进越好 更不能追求短期 经济效益 2 在消化国外先进技术的基础上 通过自己的研究工作 把它和我国已 有的技术和产业基础相结合 变成我国条件下可以实现生产的新技术 在这方面 我 国人工心瓣从无到有的发展即为一例 国产人工心瓣 机械瓣 是从引进 仿制开始 的 经过我国生物医学工程工作者和医学工作者的共同研究 在设计上作了改进 并 与工厂相结合 形成了相当规模的生产能力 到目前为止 国产机械瓣应用于临床已 超过5000例 1000例以上作了长期随访 结果表明在早期死亡率 心功能恢复等方面 均已达到国际水平 我国超声医学工程技术的进步则是这一方面的又一例证 目前国 产B超装置的技术性能已经不亚于国外同类产品 这些成果都是立足于自力更生而取得 的 三 把握现代科学技术发展的趋向 充分发挥综合的优势 在各分支领域不断深化的同时 各学科分支日趋综合 现代高技术大多是多种技 术综合的结果 据此 则发展我国生物医学工程的技术路线应该 也只能是充分发挥 多学科 多种技术的综合作用 以先进的系统设计弥补我国基础工业和基本技术的不 足 发展既符合我国医疗卫生事业急需 又适合我国现有工业和技术基础的生物医学 土程技术和装备 在这方面 我们有不少成功的先例 比如 清华大学生物医学土程 研究所 运用生物力学原理 综合光 机 电和现代计算机技术 在人工心瓣流体力 学功能和疲劳寿命检测技术方面取得了突破性的进展 并发展了具有国际先进水平的 成套检测装备 推动了我国人工心瓣技术的进展 又如 北京新兴生物医学工程研究 发展中心 针对我国医学界对长时间动态心电图记录分析系统的急需 充分利用现代 计算机技术 借助于先进的系统设计 避开了我国精密机械加工落后这一薄弱环节 在一年多时间里研制成功了24小时全信息动态心电图记录分析系统 其技术性能已达 到八十年代中后期的国际水平 这些成果雄辩地证明 只要选准目标 并能确立一条 正确的技术路线 尽管我国的技术和工业基础相对地薄弱 但中国生物医学工程跻身 于世界先进行列是完全有可能的 应该指出 实现这一技术路线 发挥综合优势的前提是工程科学 医学 生物学 的密切 结合 是以临床实践为出发点和归宿的研究 设计和产业部门的密切结合 这 不仅需要有关学术界的有机合作 更需要有关部门打破部门和行业的界限 进行跨行 业的合作 生物医学工程的发展趋势 纵观生物医学工程的历史和目前人类对其的要求可以看出 生物医学工程作为一 门交叉学科 整体的发展趋势十分广泛 1 纳米材料的出现将使21世纪初期奠定的物理 化学理论基础面临重大的挑战 与此同时 纳米材料本身也将进而取得突飞猛进的发展和应用 此外 材料科学中的 分子设计可望实现 与生物组织相结合的组织工程学研究将进入实用阶段 而且 将 会有更多的人工器官研制成功并将在临床上投入使用 比如 采用组织工程学方法研 制人工胰和人工肝 2 电子技术与生物技术的融合可望研制更多 更为新颖的传感器 比如 目前硅 半导体集成度可达109 而人工合成蛋白质的分子器件可使存储器集成度高达1012位 3 随着计算机网络和通讯的发展 生物医学工程将使临床医学从住院治疗向着门 诊治疗 乃至家庭医疗保健方向发展 4 虚拟现实技术的发展将为医学基础研究与临床医疗提供更为先进的技术手段 5 光子技术将取得突破性进展 如各种激光器件的开发及光参量放大 光纤 非线 性光学 光数据存储 集成光等技术的发展 半导体激光器在生物医学中的应用将有 更为诱人的前景 6 各种物理因子生物效应的深入研究 如生物磁 低强度毫米波的研究 将使人 们对人体生命现象有进一步的认识 开发出新的技术装置 7 中医工程及各种高技术的应用 将使传统医学在现代科技基础上更加光大 有人说21世纪是生物学时代 或生命科学时代 也有人说是信息时代 是光电子 时代等 无论从哪个角度 也无论未来时代打上何种标记 生物医学工程都将会在其 中占有重要的一席之地 生物医学工程学科的前景不可估量 结合我们的培养计划 我们可以看出 为了培养基础理论扎实 知识面宽 实践 能力强 综合素质高 适应新世纪的生物医学工程产业 包括医学成像仪器 生物医 学光子学 生物材料与组织工程 生物医学分析等发展需求 在生物医学信息的获取 处理 开发与利用等专业领域具有突出特色 且具国际竞争力的高素质人才 毕业生 既能从事生命科学基础研究及医学成像与测量仪器 医疗器械 生命科学仪器设计与 开发 又能从事电子 信息与成像仪器等相关产业和部门的研发及管理工作 我认为 生物医学工程本科生的教学阶段主要可分为三个阶段 第一阶段为通识教育基础课 通过人文 英语 高等数学 大学物理以及计算机科学的深入学习 掌握第二阶段为 学科基础课 学科大类基础 其中生物及医学部分有无机及分析化学 有机化学 生 物化学与分子生物学 细胞生物学以及解剖与生理学构成 加强了生物学基础知识 光电子部分包括电路理论 模拟电子技术 数字电路与逻辑 微机原理与接口设计 单片机原理与应用 应用光子学 使得学生不仅掌握电子学基础知识和实践技能 而 且还能了解和运用以现代光子学为代表的信息技术的最新进展 以及属于学科专业课 程 专业核心课程 的生物医学测量与仪器 生物医学数字信号处理等课程 第三阶 段则是将学生分为信物医学信息工程以及生物医学材料与分析检测两个方向 根据学 生的兴趣 因材施教 这三个阶段的课程配以相关的实验更能提高学生对课程学习的 兴趣 培养学生的自学能力 既激发学生强烈的求知欲 也培养他们的自主创新能力 作为新一代的大学生 我们应该按部就班 踏踏实实的从一开始就打下良好的基础 为以后的工作学习做好准备 参考文献 1 赵于前 汤井田 等 从交叉学科的角度谈生物医学工程教育改革 医疗卫 生装备 2014 6 239 240 2 骆清铭 朱丹 曾绍群 龚辉 李鹏程 刘谦 赵元弟 生物医学光子学 特色方向本科教学体系建设初探 高等工程教育研究 2008 年第 4 期 106 109 3 董秀珍 邹慧玲 杨国胜 对生物医学工程学科的几点再认识 医疗卫生 装备 2003 年第 3 期 3 5 4 骆清铭 光电技术在生物医学中的应用 现状与发展 光学与光电技 术 2003 年 4 月 第 1 卷第 1 期 7 14 5 Ge Wang Micheal W V Preliminary study on helical CT algorithms for patient motion estimation and compensation IEEE Trans Medical Imaging 1995 14 2 205 6 Katircioglu F Yam ak B Battalogla B etal Long term results of mitral valve replacement with preservation of the posterior leaflet J Heart Valve Dis 1996 5 3 302 7 潘广成 现代医疗器械工业的现状与展望 中国医疗器 械信息 J 2002年 第8卷第5期 4 5 8 赵于前 汤井田等 我国生物医学工程产业现状及未来 发展对策 J 中 国科技论坛 2003 3 56 60 9 国家计委 关于