第一篇 现代生物医学工程技术导论

现代生物医学工程技术导论 中国矿业大学医学信息技术研究所主讲人 陈兴新 第一篇生物医学工程学科及其人才培养与需求 一 生物医学工程的发展沿革 远古时期人们对疾病的认识与诊治 神灵的惩罚 礼拜 祷告 巫医利用巫术进行诊治 精神 心理 治病方式 植物或动物治病术士或巫师们观察疾病的性质 凭经验形成了原始医学 草药医生 接骨者 手术者 接生婆等 原始医学经验医学 经验的 定性的 加里略 1592 温度计 脉搏胡克 hooke 1666 显微镜 cell 列文虎克 leeuwenhock 1676 发现细菌 16世纪 文艺复兴时期 开始了对疾病的测量时代 从经验或定性到定量 19世纪末到20世纪初 基础学科的发展 化学 生理学 药理学等 以及技术学科的不断进步 出现了多学科互相交叉的时代 推动了生物医学工程学科的产生与发展 荷兰生理学家艾因托分 Einthovn 1894 心电描记仪德国物理学家伦琴 Roentgen 1895 X线 开创了人类第一张医学影像 德国物理学家布希 Busch 1926 电子显微镜 1927 Drinker呼吸机1939 心肺搭桥 1940 心导管血管造影1947 生物无线电遥测技术 心 脑电 1963年 美国物理学家cormack 图像重建数学理论应用于放射医学研究英国电子学工程师Hounsfield引入计算机开创了现代医学影像技术的应用与发展 1948 超声诊断仪1958 植入式人体心脏起博器50年代生物医学材料和人工器官开始研制与使用 如硅橡胶 聚氨脂 人工肾 人工肺 人工心瓣膜 人工晶体等 1972年 计算机断层 ComputedTomography CT 1980年 核磁共振成像 NuclearMagneticResonance NMR 磁共振成像 MagneticResonanceImaging MRI 功能磁共振成像 FunctionMagneticResonanceImaging fMRI 单光子发射型计算机断层 SinglephotonEmissionComputedTomography SPECTorECT 生物医学工程作为一门新兴的边缘学科 数十年来得到了巨大的发展 当代几乎所有的高新技术都被他所吸收和利用 并形成了一个庞大的新兴产业系统 正电子发射型断层 PositronEmissionTomography PET 新近研制开发 电阻抗断层 ElectronicalImpedanceTomography EIT 二 生物医学学科及研究内容 科学与学科的关系 科学自身的规律决定学科的规律不是所有的科学研究都能发展成一个学科学科 学术的分类 discipline 教学科目 的简称 subject 学科 科学研究发展成熟的产物科学研究发展成熟而作为一个独立学科的标志 必须有独立的研究内容成熟的研究方法规范的学科体制 教育体制研究体制应用体制 学科 划分可有多种 11个门类 哲学 经济学 法学 教育学 文学 历史学 理学 工学 农学 医学 管理学 五个门类 A自然科学 B农业科学 C医药科学 D工程与技术科学 E人文与社会科学 共有58个一级学科 生物医学工程学科的产生 国际起步于1958年法国巴黎 在1958 1961年间主要以医学电子 生物医学电子学 参加国家9个 与会学者50名 1965年在东京召开第6次国际会议 确立了医学电子和生物医学工程 BiomedicalEngineering 特点 医用电子学为主导的医学工程 我国生物医学工程1978年我国将生物医学工程确定为独立的学科 制定了学科发展规划 生物医学仪器及工程90年代正式列为生物医学工程学科只有一级学科 无二级学科 生物医学工程学科 是综合生命科学和工程技术 理 工 医相结合的新兴交叉学科 是一门多学科交融的边缘学科 体现了新知识的综合和发展 在生物医学研究 知识产生 转化研究和卫生保健中扮演了许多重要角色 对提高医学水平 促进医学科学的现代化发挥着关键性的作用 同时 为促进电子 信息 材料科学 生物物理 生物化学等多种学科的发展起着重要的作用 摘自中国生物医学工程学会网页 2003年3月国家计委就组织实施生物医学工程高技术产业化专项发布公告 其产业范围为 生物医学材料制品 生物 人工器官 医学影像和诊断设备 医学电子仪器和监护装置 现代医学治疗设备 医学信息技术 康复工程技术和装置 组织工程等 早期的生物医学工程也称为医学工程学 一般将综合运用数理科学原理和现代工程技术研究和解决基础医学和临床医学中问题的分支学科称为医学工程学 MedicalEngineering 把综合运用数理科学原理和现代工程技术的理论和方法研究 解决临床医学实际问题的分支学科称为临床工程学 或临床医学工程 ClinicalEngineering 生物医学工程的定义 生物学Biology医学Medicine工程学Engineering 生物医学工程BiologicalMedicalEngineeringBME 科学迅猛发展 工程学 含电子技术 计算机技术 信息技术 材料科学 生命科学 生物技术将产生分子医学 理工学科与生命科学交叉结合而产生的生物医学工程学必须有新的认识 美国国立卫生研究院有关名词命名专家组最近对生物医学工程学的定义 生物医学工程学是结合物理学 化学 数学和计算机科学与工程学原理 从事生物学 医学 行为学或卫生学的研究 提出基本概念 产生从分子水平到器官水平的知识 开发创新的生物学制品 材料 加工方法 植入物 器械和信息学方法 用于疾病预防 诊断和治疗 病人康复 改善卫生状况等目的 生物医学工程是工程学与生物医学结合的产物 理念上是综合与分析的结合结果上是工程技术或产品为生物医学服务 工程学 综合 生物医学工程学科的内涵 工程学 综合 信息反馈 市场产品 生物医学 分析 医学检验 装置开发 理论 想法 1 立于现实的 想法 计划始于想法 科学技术的发达 好的创意将有可能激发一次特定的技术革命 没有做不到的 只有想不到的 但想法必须立足于现实 不能盲目空想 2 理论指导与支持 为 想法 寻求现有的理论支持 以此立足现实的 想法 形成新的理论 3 设计与开发 根据理论原理 设计和开发设备或装置应用先进方法及软件满足生物医学的需要以上仅仅是工程学的工作 4 信息反馈与调整 对所建的设备或方法进行临床试用 为装置或方法提供非常有用的反馈信息 检验设计的合理性和可用性 为进一步开发和研究提供改进依据 5 临床医学检验 广泛周密的临床检验 选择大样本 包括正常 异常样本的比较检验开发设备的可靠性 准确性和重复性 并反馈信息 完善设计减少设计 制造或方法学误差 降低使用风险本过程完成生物医学学科的理念表现 6 产品推广 通过上述5个过程 实现了 理念 的体现将具有真正意义的生物医学工程产品推向市场 结果 是工程技术或产品为生物医学服务 生物医学工程学科的特点 生物医学工程学 工程学电子学计算机科学力学材料科学机械制造学 生物医学生物学神经科学内科学外科学矫形科学 生物医学本科专业目录 仅设生物医学工程学科和专业属于工学 电气信息二级学科门类下的一个专业据此 生物医学工程学科可以包括 医学工程学和临床医学工程 研究生专业新调整的方案 生物医学工程 0831 无二级学科 从医学门类中划出列入工学门类 生物医学工程学科人才培养的类型 层次和知识结构 2003年我国有68所院校开设生物医学工程本科专业 2005年96所 发展之快 生物医学工程首次全国一级学科评估排名 人才培养大致上分为三类 或在三个方面有所侧重 当然 也可以相互交叉和包容 一 培养博士和硕士研究生 依赖于实力较强的理工院校 部分医科大学和科研院所 开展生物医学工程学科前沿研究 组织重点攻关 纳米生物医学工程 基因芯片 医学影像与精确诊治技术 人体组织与器官功能重建技术 医用生物材料及植入技术 脑神经科学与康复工程等 二 以医科大学和医学院为主 重点培养硕士研究生和本科生层次的 符合临床实际需要的临床医学工程技师 三 培养医学仪器或医疗器械方面的硕士研究生 应用型本科生和少量实用型的专科生 能够从事医学仪器的研究 开发 设计 制造和维护和维修 以及能够从事医疗器械产品的经营管理 技术服务等工作 知识要求 三类人才去向有所不同 但本科层次培养要求一致 特征相同 1 是理 工 医结合型 2 是应用型本科 该学科的本科教育仍属于工程教育类 不可忽视 应用性 需要 数理基础较好 外语和计算机应用能力较强 专业基础较为扎实 具备一定的医学和生物学基础知识 学科研究的内容 大体可概括为三个方面 1 生物材料与康复工程主要包括 2 医疗器械工程主要包括 医用手术 急救和诊疗器械与设备 体外循环及血液处理设备等 3 临床医学工程利用仪器设备配合临床诊疗与监护 包括 生物医学工程学科类型 信息技术型生物医学工程 InformationTechnologyBiomedicalEngineering IT BME 知识主线 电子技术计算机技术信息处理技术 生物医学相应领域为交叉 结合对象 生理学病理学内科学外科学 知识的体系结构特点 医学生命科学基本知识 1 根据学科内容 材料技术型生物医学工程 MaterialTechnologyBiomedicalEngineering MT BME 知识体系结构的特点 知识主线 材料科学生物技术力学化学 生物化学信息和计算机技术医学和生命科学的基本知 主要研究对象 生物材料人工器官组织工程 生物技术型生物医学工程 BiologicalTechnologyBiomedicalEngineering BT BME 生物技术 知识主线 数学计算机技术信息技术 生物学分子生物学遗传学 主要研究对象 解决针对造成疾病或生理缺陷的分子 细胞水平上的问题 分子医学 生物医学工程与生物技术交叉结合 BT BME 生物医学研究型的生物医学工程 BiologicalMedicalResearchBiomedicalEngineeringBMR BME 深入研究生命过程的规律 揭示生命的本质 应用目前的一切科学技术的理论 方法 技术以某一生命过程为研究对象 以研究的生命过程不同而不同 知识主线 数学 物理 信息 生理系统 数学 物理 信息 生物 生化分子生物学 遗传学 医疗器械产业型的生物医学工程 MedicalDevicesBiomedicalEngineering MD BME 知识主线 电子技术计算机技术精密机械 生物医学的基本知识 主要研究对象 管理学市场经营等 知识体系结构的特点 医疗器械 各种医疗仪器医疗设备耗材等 2 根据学科的不同阶段和特殊领域划分 科研开发型的生物医学工程以上所述的5种类型都属于这一类 对应的载体是高校 科研机构 生产企业和公司等 在医院中的生物医学工程 临床工程 ClinicalEngineering 生物医学工程产生的背景是高科技时代的生物医学发展的需要 因此它最终必须服务于生物医学和人类健康 最终应用的最主要的阵地是医院 所有的生物医学工程科研开发型的产品必然在医院中体现它的意义和价值 临床工程 另外 生物医学工程对在医院的建设和发展中所起的作用更为重要 所居的地位更为明显 这样我们把在医院中的生物医学工程定义为临床工程 生物医学工程的分支学科 临床工程已成为现代化医院不可缺少的组成成份 将起到举足轻重的作用 临床工程师 医生和护士共同构成现代化医院的三大支柱 对应临床工程的载体是各级医院也包括家庭 家庭保健工程也在兴起 在医院中相应的单位有医学工程 设备 器材 科 信息科 放射科 超声科 核医学科 理疗科及很多临床科室 临床工程的定义 在医院中所有为了提高医院医疗水平而应用现代工程技术的工作都应该属于临床工程的范畴 医院中的设备工程和设备管理工程 影像存档和通讯 PACS PictureArchiving CommunicationsSystem 医疗信息的现代化管理 HIS HospitalInformationSystem 系统 参与临床的诊断与治疗一线工作的工程技术 临床工程clinicalengineering 远程医疗网络系统等 国内外生物医学工程教育概况 国外高校生物医学工程专业的基本情况 国外著名高校生物医学工程专业一般是在二十世纪五 六十年代开始建立 往往是首先招收研究生 硕士 博士 经过一段时间后开始招收本科学生生的 而且本科生招生的数量比研究生招生的数量要少 美国新闻 及 世界报道 2002年联合公布的生物工程 生物医学工程领域最佳研究生院的排名 根据设施 人员 研究成果引用系数等 前十名 1 约翰霍普金斯大学 JohnsHopkinsUniversity 2 加利福尼亚大学圣地亚哥分校 UniversityofCalifornia SanDiego 3 杜克大学 DukeUniversity 4 凯斯西部保留地大学 CaseWesternReserveUniversity 5 麻省理工学院 MassachusettsInstituteofTechnology 6 宾西法尼亚大学 UniversityofPennsylvania 7 西北大学 NorthwestUniversity 8 乔治亚理工学院 GeorgiaInstituteofTechnology 9 密歇根大学 UniversityofMichigan AnnArbor 10 华盛顿大学 UniversityogWashington 特点 1 研究方向比较齐全 四种类型 2 设有BMR方向与BT的较多 3 以研究生教育为主 本科为辅 我国高校生物医学工程专业设置的基本情况 表 我国生物医学工程学科与教育基本情况 医学影象工程 硕士 我国高校生物医学工程专业的情况分析 我国与国外生物医学工程专业的共同点 学科发展迅速 从比较知名的重点院校开始形成辐射 生物医学工程专业的学科以研究生教育为主 我国高校生物医学工程专业与国外的不同点 差距 学科模式 研究方向 设置较少 本科教育的专业设置面比较集中在IT BME 没有BMR BME本科专业的学校都是以电子 信息 计算机应用与医学结合为目标 只有个别学校在培养目标中增加生物材料和人工器官方面的内容 各院校的研究生培养 科研方向 基本以IT BME型为主 部分有BM BME型 只有少数大学设有BT BME型 根本没有BMR BME型 以科研带动学科的特点不如国外突出 没有重视传统中医工程研究 生物医学交叉结合的程度我们不如国外 我们的BME基本没有生物医学的研究 生物医学工程专业的继续教育 随着科学技术和现代医学的发展 医院各种诊疗技术和设备越来越多 高新技术和自动化程度越来越高 如果没有生物医学工程专业技术人员的有效参与 现代化医院不可能有现代化的管理和诊疗水平 从医院实际看 医院医学工程科 信息科 放射科 放疗科 超声科和理疗科的临床工程技术人员是生物医学工程专业专业本科毕业的为数不多 大都是本专业或相关专业大专毕业 知识结构和实际水平很难适应未来的发展需要 必然有一个知识更新 技术提高的问题 以现代科学技术为核心的 建立在知识和信息的生产 存储 使用和消费之上的经济称为知识经济时代 知识经济时代的到来对现代化医院的科技水平 人才综合素质和创新能力有了更高的标准 开展生物医学工程专业继续教育 必须满足实际 着眼未来 在教育观念 人才培养目标 教学内容和教学方法等方面进行大胆探索 关于工科 医学院校开设生物医学工程专业的特点 工 医背景均强 教学环节紧扣 有特殊的优势 有利于医工沟通 交叉结合 有利于生物医学的教学 有利于生物医学工程的科研和学科建设 有利于学生结合医学实际开展生物医学工程的课外科研 师资 平台 生物医学工程学科的人才需求状况 就业分配去向 一类 可以去高等院校 科研院所等研究机构 从事教学 科研和开发工作 二类 去向为各类医院 从事临床工程技术服务方面的工作 或去政府有关部门 机构 从事医疗器械监督管理工作 三类 可以去各类医院 从事通用医疗器械设备的操作使用 维护维修和采购管理等工作 也可以去医疗器械销售公司 从事经营管理 安装调试和技术服务等工作 还可以去医疗器械生产厂家 从事产品研制 技术开发和生产制造等工作 需要认识的问题 1 目前 医院接纳一定的比例的 具备理工医知识结构 的复合型毕业生 还没有引起足够的重视 欧美国家和日本国临床工程师资格认证制度 我国姜远海教授等呼吁设立临床工程技师和医学工程师执业资格 谢楠柱教授建议建立医学物理师职位编制名牌大学和医院合作培养新一代医学物理学家 无论是建议设立临床工程技师还是医学工程师 或是医学物理师执业资格 目的都是希望医院配备相应的职位 确保 理工医结合型 人才在医院的用武之地 有利于现代化医疗事业的快速发展 从医疗器械行业的市场和发展前景看生物医学工程专业技术人才的需求 1 我国医疗器械和设备跟不上时代发展 1 3万家县级以上医院的医械设备有15 左右是70年代产品 有的齿科治疗床等医械甚至是60年代的按国家有关规定 到2010年国民健康的主要指标在经济发达地区达到或接近中等发达国家的平均水平 在欠发达地区达到发展中国家的先进水平 由此首先需要大量常规性医械仪器设备 2 我国医疗器械工业发展的现状差距较大 我国医械工业与发达国家有相当差距 2001年销售份额 3 医疗器械产品的需求量急增 现有县及县以上医院1 3万家 乡 镇 卫生院5 2万家 门诊部11万家 医疗机构总数达到17 5万家 医院病床数达到300多万张 按日本1980年的标准 每张床位人民币80万元 我国医疗仪器设备每年的市场规模可达12亿元 15亿元 以心脏起搏器为例 受经济发展水平制约 现在中国每百万人年植入仅8台 而美国每百万人年植入300 400台 市场发展前景广阔 专家认为 中国是医疗器械消费大国 今后国内医疗器械需求量呈上升趋势 4 人们保健观念转变 近些年越来越重视保健和愿意购买康复器材 家用保健器械的销量大幅度增长 同时医保制度的不断完善 以药养医 的机制将逐渐被 医药分业 所取代 医院自然要通过医疗器械进行诊断和治疗提高质量保证效益 医械与药品是医学服务的两种工具 国际上两者销售比为1 1 9 我国这一比例较小 其发展余