生物医学工程学

引言 生物医学工程学(biomedical engineering，BME)是一门新兴的交叉学科，它是现代生物、医学与工程学相互渗透的产物。生物医学工程学与其他学科一样，其发展也是由科技、社会、经济诸因素所决定的。第二次世界大战以后，特别是20世纪60年代以来，工业化带来的物质文明高度发达，人们的生活环境、工作节奏等发生了重大变化，使得人类自身的健康越来越受到人们的关注。同时，以电子学为先导，几乎所有的自然科学以及工程学科都向生物学、医学迅速地渗透。生物学和医学也由形态地描述生命现象向定量地认识生命过程发展，特别是电子工业、计算机的更新换代和宇航工业的迅猛发展使得整个技术世界进入了一个崭新的阶段，甚至引发了新的技术革命。它表明人们对于改造客观世界已经具有了相当完备的手段。然而，人们对于自身的认识比起对非生命的客观世界的认识就显得逊色多了。当前技术的进步使得人类有能力借用工程的手段去探讨生命的奥秘。 一、现代健康概念与体系 健康是人类生命存在的正常状态，是经济发展、社会进步、民族兴旺的保证。实现“人人享有卫生保健”是全人类共同的理想和目标。 健康是一个具有强烈时代感的综合概念，并随着社会和医学科学的发展而逐步深化。在生产力水平低下、生活贫困时期，人们认为无病就是健康。随着社会的发展、生产力水平的提高，物质生活逐渐丰富，人们提出了健康是生物学上的适应，是指没有疾病和无伤残等。世界卫生组织(WHO)1948年在其宪法中提出“健康不仅是没有疾病或者虚弱，而是指身体的，心理的和社会的良好状态”的三维健康观。 在三维健康观的基础上，健康分为三个层次。 **层(一级健康)是满足生存条件，包括：①无饥饿、无病、无体弱，能精力充沛地生活和劳动，满足基本卫生要求，对健康障碍的预防和治疗具有基本知识；②对有科学预防方法的疾病和灾害，能够做到采取合格的预防措施；③对健康的障碍能够及时采取合理的治疗和康复措施。 第二层(二级健康)为满意度条件，包括：①一定的职业和收入，满足经济要求；②日常生活中能享用*新科技成果；③自由自在地生活。 第三层(三级健康)为*高层次的健康，包括：①通过适当训练，掌握高深知识和技术并且有条件应用这些技术；②能过着为社会做贡献的生活。 健康的内涵包括：①一般的安宁状态，可以过正常生活和参加生产劳动；②自我感觉良好，这也是健康的基准之一。如一个残疾者外表上虽然有别于正常人，但能够按自己身体的特点克服种种困难，做些对社会有益的工作，仍是一个健康者；而一个体格健康，却终日郁郁寡欢，无所事事的人，则不能视为健康者；③个体对环境和社会各种因素的适应能力；从事各项工作的效率。 现代健康观改变了人们，特别是医学界长期存在的只重视健康的躯体方面的因素，而忽视了健康的心理社会方面因素的片面观点。其*常见的表现形式是：在医疗工作中，只管治疗躯体疾病，而不顾及并给病人带来的心灵上的痛苦和引起的社会后果；只重视药物和物理治疗，而忽视心理和社会治疗；在病人的康复过程中，只注意躯体康复，而轻视心理健康；在预防医学中，只重视生理卫生，而不关心心理卫生。健康概念有与一定时代相适应的特点，但也并非一成不变，而是在不断的变化。随着科学技术的发展，生物以及社会环境、生活环境的改善，健康的概念会不断增加新的含义。 二、什么是生物医学工程学 生物医学工程学是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度，在多层次上研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统的工程原理的学科。工程学是建立在基础自然科学(主要是物理学，也涉及化学和生物学等)原理基础上的应用技术科学；而医学是整个生命科学(也可看作是广义的生物科学)中以实际应用(对疾病的预防、诊断和治疗)为主的一个部门，它既不同于一般的基础自然科学，也不同于一般的工程技术科学，是一门独立的科学。生物医学工程学则是一门现代工程技术和生命科学(特别是医学)相结合的高度综合性的生物医学应用技术科学，就是说，它是综合运用工程学的理论和方法，深入研究、解释、定义和解决生物医学上有关问题的一门科学。美国国立卫生研究院(NIH)有关名词命名专家组对生物医学工程学的定义是：“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。” 生物医学工程学的内容十分广泛。主要内容包括：有关各种医学新技术的原理、方法和相应仪器设备，各种医学仪器的原理、设计、制造、改进和创新、各种医用生物工程、医用材料和人工器官的研究和应用，生物系统论、信息论和控制论，以及生物力学(如软组织力学、骨骼力学和生物流体力学等)、生物电磁学等基础研究内容，甚至还包括医学信息处理技术和医院管理工程等。 生物医学工程学作为一门独立的学科是从20世纪50年代开始，随着电子学、材料学、工程力学、信息科学和电子计算机等多种学科的进步并广泛应用于医学和生物学领域而形成和迅速发展起来的。大量工程技术开始广泛应用于生物学和医学。例如，1947年首次实验成功以无线电波传送活动状态人体心电和脑电信号的方法；1948年利用超声回波技术获得了人体的切面声像图，开创了临床B型超声检查技术；1958年实验成功植入人体的心脏起搏器；20世纪50年代中期，研制成功用作医用材料的医用硅橡胶、医用聚氨酯材料，开始了早期的人工肾、人工肺、人工心脏瓣膜、人工晶体乃至人工心脏的研究和应用实验，血液动力学的基础研究在50年代亦有了重要进展。进入60年代后，随着电子科学、计算机和信息科学、工程力学、材料科学及控制论等的迅速发展，各种工程科学和技术与生物医学有了更紧密的结合，从而形成了一门独立的新兴边缘学科。与此同时，在美国、日本和西欧一些国家成立了生物医学工程学术组织，世界性的国际生物医学工程联合会亦于1965年正式成立。中国生物医学工程学科是在1978年确立的，当年由国家科委组织召开了**次中国生物医学工程规划会议，草拟了**部“中国生物医学工程科研发展规划”，于1979年成立了以当时中国医学科学院院长黄家驷教授为组长的中国国家科委生物医学工程学科组，于1980年正式成立了“中国生物医学工程学会”，并于1986年以成员国形式加入了“国际生物医学工程联合会”(IFMBE)。 生物医学工程学是医学、生物学现代化的重要条件。自从1963年美国物理学家Corrmark把图像重建理论应用于放射医学研究，并由英国电子学工程师Hounsfield引入计算机技术于1970年研制成功首台X射线计算机断层扫描装置(X射线CT)以来，X射线CT使临床检查技术产生了飞跃性进步。因此，Corrmark和Hounsfield共同获得了1979年诺贝尔生理医学奖。目前，随着生物医学工程学的发展，医学诊断和治疗技术也发生了广泛而深刻的变比，X射线CT、磁共振成像(MRI)、超声成像、采用记录机和先进的检测与信息处理技术的病人监护设备、自动生化分析仪器等新技术已在临床普及应用；种类繁多的激光和电磁治疗设备提供了新的疾病治疗和外科手术手段，并推动了家庭保健的开展；人工心脏起搏器和人工心脏瓣膜正在挽救和维持着全世界数百万心脏病患者的生命；人工肾等血液净化技术维持着数十万肾功能衰竭病人的正常生活；人工晶体、人工关节和功能性假体等已广泛用于伤残人的康复和功能辅助；生物物理学的研究加深了对严重危害人类健康的动脉血管硬化和血栓形成机理的认识，为心、脑血管疾病的防治和人工器官的设计提供了依据；计算机和信息技术在医学和临床上的扩大应用正在从根本上改变着医院的面貌。我国学者利用现代工程原理和技术，开展了中医“四诊”(如脉诊、舌诊等)客观化、中医专家系统和中医经络的研究，已取得初步成果，为中国传统医学的新发展注入了活力。可以说，现代医学的进步与生物医学工程学的发展是分不开的，生物医学工程学的研究对生物医学的发展、对保障人类的健康和生活质量有十分重要意义。 三、生物医学工程学特点 从20世纪60年代初期开始，一门新兴的与人类健康和生命密切相关的边缘科学——生物医学工程学逐步形成和发展起来。这是现代工程技术向生物医学领域多方渗透的结果。生物医学工程学的根本任务是为疾病的预防、诊治和康复服务，以确保人类的健康。它运用自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学角度解释人体的生理、病理过程。它将人体看作是由许多子系统构成的一个整体系统，并将人体各层次上的生理过程看作是一个系统的状态变化的过程，把工程学的理论和方法与生物医学的理论和方法有机地结合起来，研究这类系统状态变化的规律。在此基础上进而从工程学角度去解决疾病的防治及康复问题，即应用各种工程技术手段创建适宜的方法和仪器设备，以*有效的途径来人为地控制疾病的变化过程，以达到预期的防治疾病、保障人类健康的目的。这个新兴的学科有如下几个特点。 大跨度的、多学科的综合性应用学科。生物医学工程学覆盖面非常广，涉及几乎所有的理工学科和所有的生物学与医学分支，没有哪一个学者、哪一个学校(研究所)可以涉足其全部。例如，人工器官，它需要生物材料科学、生物力学、生物学和有关机、电、化工工程技术的有机结合，甚至涉及社会科学。这种大跨度(从非生命科学到生命科学)，多学科(从自然科学到人文科学)的综合，是传统学科所没有的，需要工程技术与生物医学两类人才的密切结合。 生物医学工程学学科本身是各学科在高水平上交叉、结合的产物，是现代科学技术发展到一定时期的必然结果。现代科学技术的迅猛发展为多学科交叉、结合提供了可能性，而生物医学的进步需要这种交叉与结合，因此生物医学工程从诞生之时起就不同于其他传统学科。首先，生物医学工程学不同于物理、化学等一系列从基础理论到知识技能和应用都自成体系的传统学科，它没有自己独立的基础理论与知识体系，而是以相应的理工学科的分支和生物医学的分支的基础理论与知识体系为自己的基础，因此生物医学工程学与对应的学科有较大的依赖性；其次，生物医学工程学以应用基础研究为中心，以*终在生物医学领域应用为目的，这一点也有别于生物物理学、生物化学，也有别于某些纯应用性学科。根据定义，所有应用工程技术的分支都可以与生物医学相结合，形成相应的生物医学工程分支。但是真正能独立形成一个学科的分支却不多。例如康复工程是所有应用于人体康复中的工程技术，工程方面含有机械工程、电子工程、信息工程、材料工程等；生物医学方面含有生理学、解剖学、神经科学、外科学、内科学等。 生物医学工程学依赖于各个相关学科，但是又有自己的独特方法学，既有基础理论的交叉也有技术方法的交叉结合，*后达到在应用对象上的融合。生物医学工程学介于基础科学和专业技术之间，一方面综合运用基础科学的理论研究成果为医疗保健事业服务，另一方面它又总结科研、生产、使用中的实践经验，为基础科学和工程学提出新的课题，并将两者有机的结合起来，进一步发展为系统的理论，直接为专业技术和生产服务的一门边缘学科。从发展历程来看，生物医学工程学既为医学、生物学提供技术装备，又为医学、生物学的发展开辟新路，从而成为变革医学和生物学本身的一支重要的力量。例如，人工心瓣研制的成功，把风湿性心脏病的治疗提高到了一个新的高度。 生物医学工程学是工程技术科学领域里一名新兵，但又不同于一般的工程学，而是以工程学为主要手段，专门研究和解决医学方法问题的一门独立的学科。其工作者一般是工程技术人员，但是这些工程技术人员必须与医学工作者紧密结合，或者具有一定的生物医学基础知识，还有可能是具有工程技术知识的生物医学工程者。目前，理工科院校开设的生物医学工程专业主要是培养研制医学仪器的工程技术人员；医科院校开设的生物医学工程专业主要是