交叉学科中生物医学工程的前沿热点

浅谈各学科对生物医学工程发展的影响

摘要

在科学知识体系中，交叉学科越来越占有举足轻重的地位，对科学和社会的发展具有特殊的作用。近十多年来，无论是我国还是其它世界各国的科学界认识到发展交叉学科的必要性和特殊性。生物医学工程（biomedical engineering，BME）作为高度综合性边缘交叉学科中一个分支，由理、工、医结合而成。[1]近年来由于工程学、生命科学以及生物技术的迅速发展，生物医学工程的研究水平已经有了质的变化。本文将对生物医学工程所涉及学科进行一个简单的介绍，着重对各个学科的发展对生物医学工程的影响进行一个深度地分析。

关键字：交叉学科；生物医学工程

一、引言

上世纪六七十年代，美国及欧美一些先进的国家的大学中相继开设了生物医学工程专业，自从开设该专业以来，选择学习生物医学工程专业的人数逐年增加，由此可见各个国家对生物医学工程的重视和社会对生物医学工程专业的人才的渴求。我国生物医学工程这一学科在20世纪70年代末开始起步，经过这些年的发展，我国目前有四十多所高校开设这一学科，并且这些高校大多集中在综合实力较强的重点院校。由于生物医学工程专业对学生的综合素质要求较高，因此不均衡发展是其必经的一段时期。要想对生物医学工程有一个较好的掌握，必须有较强的工科基础和夯实的医学背景。而这些必不可少的条件很大程度上限制了生物医学工程的发展。

二、交叉学科的概念及生物医学工程涉及的学科

1、交叉学科的涵义

随着社会的发展，各种各样复杂的问题一一出现，而这些复杂的问题通常由单一学科是无法解决的，而这些问题的研究需要科研人员进行各个领域的广泛交流和合作。交叉学科正是在这种大的背景下产生的。正是哪里有需要，哪里就会有发展。

交叉学科是一个学科概念，它是由传统或成熟学科互相交叉作用产生的结果，它打破了各学科之间的界限，把不同学科理论或方法有机地融为一体。

不同学科领域内有不同的研究手段、研究方法和理论概念，通过各个学科互相交叉和渗透，应用各个学科的研究方法和工具，多手段、多层次、多方面的方式进行研究，往往会带动科学技术的巨大进步和发现。

2、生物医学工程涉及的学科

生物医学工程学由理、工、医结合而成，具体包括电子学、微电子学、现代计算机技术、化学、物理学、光学、射线技术、精密机械、近代高科技技术和医学。生物医学工程学是进行从分子、细胞、组织、器官到整个人体系统多层次的基础研究，形成和完善新的知识体系，其主要致力于生物学、材料学、过程控制、组织/器官移植、仪器科学和信息学中相关的创新性研究，主要服务于疾病的预防、诊断、治疗、康复，提高人类健康水平。

从生物医学工程学的构成可以看出这是一门综合性极高的交叉学科，这个专业的从业人员需要基础理论扎实、知识面宽、实践能力强、综合素质高、适应医学电子仪器、医学信息工程、生物医学传感、医学影像、生物材料与组织工程、生物医学分析等新世纪生物医学工程产业发展需求。[2]

三、各学科与生物医学工程的相互作用

1、微电子微机电与生物医学工程

微电子、微机电及微加工技术与生物医学工程交叉形成了医学微机电系统（micro-elecro-mechanical systems），医学微机电系统是对微米、纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的一种技术，可以采集、处理、发送信息和指令，能够按照计算机设定或外部的指令完成预定的任务。[3]不管是微电子机械系统的加工制作和装配所必须的工具，装置还是医学所需要的微机械手等微电子系统本身，对微小物体的自动化操作是其最重要的任务。医学微机电系统的出现为生命科学、生物医学工程领域提供了灵活、精确、多方位操作微小物品提供了有力的工具。[4]

由于微电子加工技术的不断发展，其加工尺寸已经开始从微米量级开始向纳米量级推进。微型机电系统是集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处

理、控制、通信等功能于一体的系统，这种微型机电系统不仅指其结构微小，而且还指可以大批量重复生产。如利用微型传感器采集外部信息，如位置、速度、加速度、压力、力矩、温度、湿度、气体成分、光、声音等一系列物理量，然后提供给微系统，由微系统根据物理量作出正确判断，向微执行器发出指令，完成一定的任务。[5]

生物医学传感器的出现不仅加快了医学鉴定的速度，也节省了大量的物力、人力。如新型流量细胞分析仪可替代传统的价格昂贵的流量细胞分析仪，这种新型流量细胞分析仪中复杂的液压管道和检测器都是用微机械加工技术实现的。因此微机电系统的快速发展可以极大地推进生物医学工程的发展，生物医学工程的发展有更多的需求时也会刺激微机电系统的发展。

2、计算机技术与生物医学工程

可以说计算机科学的飞速发展，为生物医学工程的发展奠定了基础，间接地为人类实现快速诊疗、健康、长寿的目标提供了可能。随着计算机科学的发展及其在医学中的应用，大大促进了生物医学工程各分支的快速发展，如医学计算机与信息处理、医学教学模型与计算机模拟、生物医学信号分析与医学影像处理、人工智能研究与神经网络计算、医学信息及监护、治疗、医疗决策、专家系统和管理方面都得到了空前的发展。[6]信息的高速发展使得距离不再成为智慧、经验及时分享的阻碍，计算机网络技术的发展与国际互联网的开通，使国际、国内的专家会诊成为了可能，同时也打破了医疗工作无法社会化、国际化传统医疗的封闭式格局。计算机技术的发展也使得简单易操作的家用医疗设备得以推广。如今温饱已不再是人们的追求，而对健康水平的需求有了一个较大幅度的提升。因此为一些简单易用家用医疗设备提供了发展空间。

医学图像在医学研究和疾病的诊断治疗方面的作用不容忽视，但由于医学图像噪声干扰、图像中组织和器官的重叠或信号过弱引起质量降低或退化，可视性太差，不能达到预期的诊断效果，因此也不能正常的发挥医学图像的作用。因此采用先进的成像技术和强大的图像分析系统是医学图像发挥更大作用的必要条件。[7]

3、其它学科与生物医学工程

正如前文所述生物医学工程是一门高度综合、复杂的交叉学科，具体包括电子学、微电子学、现代计算机技术、化学、物理学、光学、射线技术、精密机械、

近代高科技技术和医学。生物医学工程的发展依赖于这些学科的发展。生物医学工程的发展是其所涉及学科发展的综合。而生物医学工程发展的更高需求也推动了其它各个学科的前进。

四、生物医学工程发展带来的影响

生物医学工程学科出现的最终目的并不是开辟新的科学研究领域，而是借助工程学的工具解决生物医学所面临的实际问题。借助工程师所接受的专业训练、专业知识和工作技巧提升整体医疗服务的质量和效果。[8]就目前来说，医疗费用是极其昂贵的，人们对于医疗的代价迟早要付出，但就如何尽最大程度降低这一费用成为了问题的关键。生物医学工程带给人们最直接的影响莫过于新型诊断仪器的出现，降低了人工诊疗的不确定性，提升了对慢性疾病的预防能力，从而间接地减少了人们为医疗所付出的代价。

随着生物医学工程技术的发展，一些原本无法解决的难题有了解决的可能，微型医疗机械手的出现可以使得手术更加顺利和方便。医学计算机可以模拟人体运行机制，可用于药物药性排异分析等。

五、生物医学工程展望

生物医学工程的重要性不言而喻，近些年，生物医学工程已经在医疗器械、医疗诊断、医学图像处理等方面取得了巨大成果。随着生物医学工程技术更深一步地发展，其在基因工程方面的作用将会越来越重要。生物医学工程的发展前景广阔，将来会有更多新的分支出现，如最近新出现的一个分支计算机辅助疫苗设计引起了科学家的广泛关注。

生物医学工程的发展虽然有很多，但期所引起的科研伦理和伦理道德的问题要予以同样的重视，科学发展的最终目的应该是服务人类、保护人类，因此如何处理好发展过程中的伦理道德问题也是生物医学工程发展的一个难题。

生物医学工程作为一门交叉学科，它的发展与其所涉及的各个学科的发展密切相关，也只有相关学科同时进步的时候，生物医学工程才有飞跃发展的可能。因此，交叉学科的发展必将是缓慢的。

参考文献

[1] 赵于前，汤井田，李凌云，从交叉学科角度谈生物医学工程教育改革，医疗卫生装备，2004年第6期。

[2] 马跃，蔡兵，于小娟，交叉学科研究的成长环境与动力机制分析，中国高教学会科技管理研究分会，2007年学术年会论文。

[3] 李朝东，微电机研究的最新动态与应用展望，微特电机，2003年第1期。

[4] 丁衡高，微机电系统技术的实际应用-微型仪器，国防科技大学学报，2000，vol.22,pp.90-94。

[5] 武俊齐，微型传感器及纳米传感器，半导体情报，第三期第35卷，1998年6月

[6] 陈亚珠，计算机科学与生物医学工程，microcomputer applications，1997年第6期

[7] 钱宗才，杭洽时，齐春，计算机图像处理在医学中的应用，国外医学生物医学工程分册，1990年第13卷第2期

[8] CHAO Edmund YS, 生物医学工程的精要、责任和展望，生命科学，第21卷第2期，2009年4月。