生物医学工程分析:人类基因组与生物医学工程学

关键词：生物医学

21世纪科学技术的特征之一是多学科综合和跨学科交叉，其典型的实例是人类基因组计划的被执行和提前完成，这对生物医学工程学的发展将会产生深远的影响，因为生物医学工程学包含了上述诸多特征。在今天，信息技术深刻地改变着生物科学乃至医学的面貌，Moore’s定律正有效地影响着生命科学变革的进程。人类基因组计划的国际合作和部级研究机构和民间商业公司既合作又竞争的机制改变着传统科研的单一模式，充分体现了21世纪科学技术迅猛发展的多学科交叉的特点，其中包括科研与应用既分工又紧密结合的特征。

基因亦称遗传因子，它是决定遗传性状的因子，早在孟德尔时代的定律中就把它作为基本概念推断相应的各个遗传性状的单位。1909年丹麦学者W.L.Johannsen建议将它称为基因（Gene），它通过自我增殖及通过细胞总线世代相传。各个基因虽然是相互独立的单位，但在物理上并不独立存在，在细胞分裂增殖间期内出现的染色体上各自占有固定的位置，并以线性顺序排列的方式形成稳定的长链结构，可受环境因素的影响发生突变，并在以后的世代中变异的基因就会传递下去。

基因的概念模型经历了提出、放弃、修改和精炼等漫长的历程，使基因学取得巨大进展，但在很大程度上还是基于遗传研究为主。每一个新模型的提出都带来一系列问题，随后对基因的本质又产生新的和比较好的理解。1986年美国科学家和人类遗传学家Roderick.T和Mckusick提出基因组学（Genomics）名称，这是指一个物种的全部遗传基因的总和。

自从1953年J.D.Watson和F.H.Crick提出DNA双螺旋结构模型以后，在较长时期内由于找不到分别降解腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）等四种脱氧核糖核酸的专一酶而使DNA测序无法开展，直到1977年英国Fred Sanger和美国的Alan Maxam及Walter Gilbert两个研究小组在差不多时间内发展了不同的DNA测序方法，使基因研究工作推向前进。在最初阶段，研究者都是从具体目标生物体基因组中分离和研究相关基因。1986年诺贝尔奖获得者R.Dullbecco在Scieme上提出有必要对人类基因组进行测序，不能满足于零打碎敲地个别研究目标基因。

在经历了一场大争论之后，在1988年，美国技术评估局（OTA）应美国能源和贸易住房委员会的要求开展了关于基因组计划的可行性研究。OTA的研究报告把开展基因组研究时的数据管理列为执行基因组计划的首要任务，并提出几个与之相关的目标:（1）创建、维护和加强生物数据库，其中包含DNA序列数据、DNA标记和基因位点，标识基因以及其它有关的数据。（2）绘制由DNA标记组成的人类染 色体图谱，这将使科学家可以迅速地确定基因的位置。（3）创建研究材料的数据库，其中包括DN段顺序集，在人类染色体上完整地表达DNA。（4）发展其他生物体，即模式生物的类似资源，以便于生物医学研究和其他可能的研究。（5）确定人类基因组和其他生物有机体大片段的DNA序列。（6）要面对许多支持基因组研究机构参与带来很多管理上的复杂性，要解决好许多涉及资源分配和共享的问题。

1988年美国国家科学院十分明确的提出，人类基因组研究的许多代价都与生物数据的独特管理有关。因为有大量数据要从定序和测绘工作产生出来，所以要有效地集中、存储、分析和提供，如果象目前全球范围内一般研究单位那种常规方式处理数据，那么人类基因组计划是没有什么使用价值的。因此需要数百万美元创建新的基因图谱和序列数据库，尤其强调要设计成满足基因研究的需要。

这样，在美国能源部（DOE）和美国人类基因组研究中心（NCHGR）支持人类基因组计划正式实施以前，来自美国高层的咨询委员会的明确建议，为合适的数据管理和数据分析策略对后来人类基因组计划的成功执行起着十分关键的作用。这些明显的建议，使许多投资机构调拨重要资源，为创建、运行和维护相应的系统软件和设备奠定了基础。

1990年10月美国能源部（DOE）与美国卫生研究院（NIH）共同启动人类基因组计划，原定投入30亿美元，15年完成，估计可测定基因5万到10万个。后来，英、日、法、德、中等国相继参加这一史无前例的获取人类生命基本数据的宏伟工程。

1998年5月一批多国科学家在马里兰州罗克维尔成立了私营塞莱拉基因组技术（Celera Genomics）公司，董事长克莱格·文特尔宣称用3亿美元和一台超级计算机在3年内用“霰段法的测序策略”完成人类基因组测序。这是史无前例地由美国私营公司向美国国家科研机构公开的竞争和挑战。正由于这种既竞争又合作的机制，使原订2005年完成的人类基因组的测序和分析计划进度一再提前，总的方面得益于世界上1000多名科学家的全心投入和通力合作，以及符合Moore定律的大规模基因测序技术的不断完善，并降低了成本，这与以美国Celera公司为首的私营公司的参与挑战直接有关。这确实是一种在市场经济条件下合作与竞争机制的典范。

1998年10月美国人类基因组研究所在“Science”杂志上发表声明说，人类基因组计划的全部基因测序工作将提前到2003年完成。

1999年3月英国韦尔科姆基金会宣布，由于科学家加快工作节奏，人类基因组工作草图将提前到2000年完成。

2000年4月美国Celera公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码，但不少欧美科学家对此表示怀疑，认为该公司“未提供有关基因序列的长度和完整的数据”是疑点所在。不过，同年6月该公司后来接着宣布已将人类23对染色体上35亿个碱基对按照自然顺序排列出来，并在该公司号称“全球第三”的超级计算机上进行了480亿亿次计算。美国国家卫生研究院院长认为:“数据是正确和完整的”。

2000年6月26日，多国合作的人类基因组计划的官方机构和私营Celera公司共同宣布人类基因组工作草图基本绘制完成，测定出人类90%以上的DNA碱基序列，终于提前完成了划时代的测定基因组的宏伟工程。

1 基因组学

自从1924年提出基因组的概念用来描述生物染色体上的全部基因之后，科学家经历了漫长岁月对基因进行了个别研究，直到1986年才提出基因组学的系统概念，这涉及包含所有基因的基因组作图、核苷酸序列分析、基因定位和功能分析，其中基因组作图由遗传图谱、物理图谱和序列图谱组成。人类基因组计划的核心就在于获得23对染色体完整的DNA序列图。

前已述及，两个性质不同的研究组织使用不同的测序策略，在既合作又竞争的条件下争先恐后地很好完成了人类基因组的测序计划，他们现在都达到了预定目标，而且大大提前了执行时间表，使原定15年的测序计划竟提前了5年完成。以美国政府资助为首的研究计划是建立在作图产生人类基因组工作草图的策略，而私营公司Celera却采用不同的做法，他们把完整基因组先打碎，称为霰段法（Shotgun），然后测定人类基因组序列。这样一来，通过这二种不同的测序方法获得的序列数据大大提高了数据的有效率，并减轻了整个科学界解释基因数据的难度。最终绘制的三种图谱使人类基因组序列能够用作“工具”开展生命科学和医学的深入研究，这是具有划时代意义的。

1.1 人类基因组测序策略 前已述及，由美国政府资助，后来由多国科学家参加的测序计划是采用标记的物理图谱中含有大量人类DNA大片段的作图策略，并利用了局部的细菌人工染色体（BACs）。在理论上说，这种测序策略是先复制人类基因组序列，因此是在不断克隆基础上完成的，每次获得最短的一段BAC，它具有最少的重叠部分，并且使处在整个基因组中的这段长度展直，再粘贴起来，将它们绘制到基因组的适当区域。由于染色体不能直接用来测序，故及时步必须将整个基因组序列进行分解，使之成为容易处理的小结构，根据所使用的标记和方法不同，绘成上述三张图，虽然在工作草图上会有某些空白区域和一些不明确的部分，但它在探索生命奥秘和确定与疾病有关的基因等方面将是非常有用的。

Celera公司的理想策略是为了深入开展作图阶段避免受到次级克隆人类基因组产生随机片段的影响，以及在长度不同的片段库中，两种片段的测序结果便于整理，对于保存时间和一开始的研究计划，Celera方法使组装过程相当独立，不受算法和计算机时间的影响。Celera公司的霰段法是一个高度应用计算机的方法，它是先把基因组随机地分成已知长度的片段（2000个碱基对、1万个碱基对和5万个碱基对），然后用线性排序算法将这些片段连接成大片 段，并确定它们在人类基因组上的正确位置。

进一步比较两种测序策略，由美国等国家出资的测序工作，工作人员在一开始要把较多的时间和精力放在克隆和绘制草图上面，而Celera公司的方法在后期则需要做大量的计算机工作。为了更好地达到他们各自的研究计划，理想的策略应该发展混合策略，其中HGP需要人为地选择更多的克隆，Celera公司使需要使用BAC图谱和由HGP产生的序列。两者的测序工艺流程图如图1所示。

1.2 染色体基因分区 人类基因组是由许多序列的特性构成的复杂体，例如，高GC区和低GC区的内容、编码序列、调控因子和其他多种无编码的功能因子、基因族、许多不同类型的重复序列和重复族等，这些序列的差异和分布能够阐明基因组的进化。人类基因序列的最初分析表明，在这些特性密度引人注意的范围内，它们的组织结构对机制研究提供了新的思路，产生当前基因材料。

生物医学工程分析:生物医学工程课程改革思考

【摘要】

本文针对生物医学工程专业的认知特点，对我校生物医学工程专业开展《医学检验仪器》课程的教学现状进行了探讨，从精选教学内容，增加实验教学，改进教学方法及改革考核形式等4个方面提出了课程改革的几点设想。

【关键词】

医学检验仪器；课程改革；生物医学工程专业

基金项目：

广东省2014年高等教育教学改革项目（GDJG20142116）

生物医学工程专业的主要目标是培养能将工程技术与医学密切结合，能为医疗和医学研究部门进行工程技术服务，能从事医院仪器设备管理和质量保障工作的高级医学工程技术人员[1]。医学检验仪器是医院检验科必不可少的仪器，医学检验仪器学是一门涉及光学、机械、电子、计算机、传感器、生物化学、放射等多领域的交叉学科[2]。该课程与临床免疫、临床检验、临床生化、医学传感器等课程的学习有着密切的联系，对学生的理性思维、逻辑推理、高度抽象以及综合应用等能力的要求较高。我院从2008年开设了《医学检验仪器》作为生物医学工程专业的专业选修课程。课程安排在大学三年级，目前教学大纲学时数为32学时。本人经过多轮的教学实践，深深的感到我院《医学检验仪器》课程教学模式和教学方法亟待改革，为此做了如下方面的尝试和探索。

1根据专业特点精选教学内容

目前医学检验仪器课程的教材大部分是针对医学检验专业学生编写的，有的虽然适合工科专业的学生使用，但是介绍的仪器比较落后，已跟不上现在医学检验仪器精密化、自动化和综合化的发展。我院《医学检验仪器》课程以朱根娣主编的，由上海科学技术文献出版社出版的第2版《现代检验医学仪器分析技术及应用》为教材[1]。该教材比较适合医工专业的学生使用，内容安排共十一章，基本涵盖了目前临床上常用的较先进的检验仪器。考虑到课时的限制和医工专业学生知识结构特点，我们对课程的内容安排主要有光电比色技术及生化分析仪，血细胞分析仪、流式细胞分析仪、尿液分析仪、血气分析仪、电解质分析仪等临床常用仪器的基本原理、结构、性能指标、使用方法及其维护和临床应用。教材关于检验标本及临床实验室的整体情况涉及的比较少，但对于工科学生来说，医学知识较为薄弱，在以往的教学中教师一开始就介绍检验仪器，学生总是会问，知道了仪器的结构和原理，但是这个仪器的标本怎么来的，整个实验室的管理是什么样的。因此课程在介绍各论之前，需要增加临床标本的采集、存储及实验室管理的相关知识，以便学生对临床检验实验室有一个系统的认识。另外，临床使用的检验仪器大部分是由国外厂家生产的，操作界面，使用说明及技术资料等都是以英文形式给出的，学生掌握一定专业英语知识是很有必要的。因此在教学内容中也增加了专业词汇的英语表达，为学生以后工作中更好的了解本课程的发展动态做好准备。工科学生的就业的方向之一是从事仪器的销售、维修等。因此学习检验仪器就需要学习其电路知识。因现在各厂家仪器关于电路的介绍都比较少，所以教材中涉及的也较少。但是现在有一些关于检验仪器维修的网站以及其他高校精品课程网站，对电路部分有一定的介绍[3]。我们从中精选了血细胞分析仪电路部分，并把这部分内容增加进教学讲义中。通过介绍这种典型仪器的电路知识，对学生学习其它医学检验仪器的电路知识起到触类旁通的作用，为毕业后从事检验仪器保养和维修工作打下基础。

2增加实验教学

我院目前在生物医学工程专业医学影像工程和医学仪器检测两个专业方向开设了医学检验仪器这门课程。课程开设之初的设想是为完善专业课程结构设置同时考虑到学生的就业方向需求的一门选修课程，因此课程设置学时为32学时，全部为理论课程。但经过这几年的教学实践，笔者深深的感受到没有实验课的教学，就好比“画饼充饥”，学生普遍感觉内容抽象难懂，因此增加实验课程势在必行。目前我院还还没有专门的医学检验仪器实验室，对于实验课程的教学初步计划是和学校其它单位合作，同时配置一批分光光度计。对于实验课程的设置，可分3个层次；及时个层次参观医院检验科室。组织学生分批参观检验科室，对于工科学生来说一方面可以学习检验标本的采集、处理以及存储的相关知识，另一方面可以对检验仪器有一个感性的认识，同时对检验科室的工作流程有一个了解。这一内容安排在上完绪论之后，各论之前，通过参观检验实验室，激发学生学习医学检验仪器的热情。第二个层次为验证性实验，因检验仪器属精密仪器且价格比较昂贵，实验室的建设和配置实验仪器需分批进行。在开设实验之初，先选用分光光度计作为验证性实验仪器，后续再扩展到其他检验仪器。因分光光度计价格较便宜操作简单，且它和生化分析仪都是依据朗伯比尔定律而设计的。学生在实验中配置不同浓度的溶液，让其分别通过分光光度计，测得各自的吸光度值，从而验证了郎伯比尔定律，同时也熟悉了生化分析仪的原理。第三个层次为仪器内部结构分析和故障检修阶段。我们积极跟教学医院联系，把它们淘汰的检验仪器回收到实验室。实验过程中把这些仪器拆开，学生通过观察内部结构，熟悉整个仪器的运作流程[4]。对于一些较简单的仪器，比如尿液分析仪，可以设置小故障，让同学们试着检修，帮助学生进一步了解仪器的结构，将理论的东西具体化。也有利于将来学生在工作中能更地保养和维修仪器。

3改进教学方法，激发学生学习热情

以往医学检验仪器的教学基本上采用的是“填鸭式”的教学方法[5]，虽然对于每种仪器的讲授时都用多媒体给出仪器的实物图片，原理也给出了动画演示图，但这些总是教师在讲，学生在听，学生总处于一种被动接收的状态。如果留出一部分内容让学生来讲解，既可以激发学生的学习热情，又能锻炼学生的自学能力、对材料的组织能力及沟通表达能力。比如说，介绍完流式细胞仪的原理后，我们会留下课后作业让同学们自学原理相似的流式细胞术尿沉渣分析仪原理，5人一组，制作幻灯片，每组指定一位同学进行课上讲解，时间限定为10min。同学讲完后，教师再对同学的讲解进行补充和点评。我们在2012级医学仪器检测专业试行了一次，同学们普遍反映，通过这次课程的讲解，对流式细胞术的理解更深了，对后续老师介绍五分类血细胞分析仪时，也是更容易理解了，学习热情也增加了。以后我们将继续拿一些原理相似或原理相近的内容让同学们自己讲解，更好的调动学生学习医学检验仪器的热情，从而学好医学检验仪器这门课。

4改革考核方式

以往的课程考核方式主要是单一的笔试形式。但医学检验仪器是一门实践性较强的学科，笔试考核一方面不能反映学生的真实能力范围，另一方面只能促使学生死记硬背，导致高分低能的现象，极大的影响其以后的工作能力。因此我们把课程的考试形式改为笔试占70%，实验占15%，课堂讲课占15%。这种考核方式能调动学生做实验和参与课堂讲课的积极性和主动性，使考核成绩能真正体现学生对课程的掌握程度。

5总结

本文从精选教学内容，增加实验教学，改进教学方法，改革考核形式等4个方面提出了对我校生物医学工程专业开设医学检验仪器课程进行改革的思考。但医学检验仪器课程的教学改革是一项系统而复杂的工程，还需在今后的教学实践过程中，不断的改进和完善，从而达到提高该课程教学效果的目的。

作者：王丹丹 余学飞 单位：南方医科大学生物医学工程学院医工系

生物医学工程分析:生物医学工程应用特色分析论文

摘要：在对“网络及其医学应用”课程教学改革的实践中，在课程内容体系上提出构建“面向应用的生物医学工程特色”的计算机网络教学体系建设，注重培本论文由整理提供养大学生的科学发展观和自主学习的意识、方法及创新能力，将信息技术基础教育紧密结合本专业、本学科未来的应用方向，科学合理地培养大学生的IT知识结构，使学生毕业后能够适应专业工作中对信息技术和数字化技术的要求，成为适应未来社会的合格人才。

生物医学工程是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的新兴边缘学科，其主要研究方向是运用工程技术手段，研究和解决生物学、医学中的有关问题。

多学科的交叉使它不同于那些经典的学科，也有别于生物医学和纯粹的工程学科。现在的生物医学工程在疾病的预防、诊断、治疗、康复等方面起着巨大作用，世界各主要国家均将它列入高技术领域，重点投资、优先发展。

[1-2]计算机网络诞生于20世纪60年代，目前已成为一个重要的研究和学习领域。

计算机信息网络为医学信息交本论文由整理提供流、资源共享、了解医学动态等提供了快捷便利的手段，为医疗事业的发展带来了无限机遇和严峻挑战，未来医疗界的竞争将是医疗高科技信息的竞争。因此，对计算机网络的学习是非常有必要的。

而要学好这门课程，不仅要学习一些概念，掌握计算机网络的基本原理，还要掌握一些技能，具备实际操作的能力。作为非计算机专业的学生，在教学内容和教学方法上都应与计算机专业的学生有所区别，以体现出专业特色。

笔者提出构建“面向应用的生物医学工程特色”的计算机网络教学体系建设，注重培养大学生的科学发展观和自主学习的意识、方法及创新能力，将信息技术基础教育紧密结合本专业、本学科未来的应用方向，科学合理地培养大学生的IT知识结本论文由整理提供构，使学生毕业后能够适应专业工作中对信息技术和数字化技术的要求，成为适应未来社会的合格人才。本文就其教学过程中的教学内容谈一点体会。

一、注重教学内容的不断更新计算机网络是当今发展最为迅速的学科之一，每天都有新的发展和应用，教师只有在教学过程中不断更新教学内容，才能跟上时代的步伐

[3]俗话说：你要给学生一勺水，那么你自己就要准备一桶水。要教好这门课，教师需要大量的阅读文献、资料和国内外教科书，对这门课程主要技术的发展背景、关键技术要有深入地把握，同时还必须通过承担相关的科学研究，能够通过自己的工作，理论联系实际，真正理解和掌握核心技术，了解技术发展的动态和学术前沿。还需要在教学的过程中不断地向学生学习，了解他们对问题的一些新的认识、解决的思路以及初学者对哪些问题不容易掌握和它的原因。

针对网络技术发展的不断更新，在教学内容上应安排一些基础的理论内容，比如网络的拓扑结构、数据通信基本原理等，便于同学本论文由整理提供们今后能够在此基础上自学。比如在讲述网络七层协议时，可以参考西安交通大学的计算机网络精品课程内容，以乘飞机的过程举例，提出协议、服务和层次的概念，以此类比，可以让学生更好地理解网络的层次划分。由于本专业的学生没有开设数据通信方面的课程，因此课程安排上要逐步加入通信技术的有关知识，使得学生只要具有物理学方面的基础，就能很好地接受这些知识，而不需要专门去补习这门课程。

二、注重学生实际操作能力的培养在计算机课程的教学中，要紧密结合专业的需要，克服过于偏理论的倾向，以能力培养为导向、以实践为目的的教学思想，调动学生的积极性

例如，在讲授网络技术内容时，可以结合学校校园网或者医院局域网的建设来贯穿整个教学，从物理层直到应用层，同时覆盖网络设备内容。在医院信息系统的讲授过程中，可以以学校校医院的信息系统为例，从整体上了解医院信息系统（HIS）的内容，学生通过在医院本论文由整理提供的实习可以了解医院信息的流程和医院管理模式，为学生毕业设计打下坚实的基础。在医院信息系统安装、调试技能实习过程中，以企业研发的主要产品——医院信息系统(HIS)和医学图像存档传输系统(PACS)作为该门课程中的重要内容，突出了课程的实用性和应用性。从专业和非专业的角度来谈教学侧重点，应强调要放在应用上。

因此，在设计教学内容上可以参考西安交通大学的精品课程，强调知识点、技能点，从教学方法上进行改革，比如多种方法的使用、多种手段的使用以及考试评定方法的改革等。虽然在笔者的课堂上也使用过一些教学方法，但还缺少互动讨论，其实对于小班的学生，这种方式更好推广，而且还能很好地调动学生学习的积极性。强调工程应用能力结合理论知识、自上向下地安排教学内容，这和笔者之前的安排不同，在教学过程中会出现学生不理解网络有什么用的现象，而采取西安交大的这种方式，可以带着问题进行教学，通过案例，引导学生用理论知识解决实际应用问题，提高学生的学习兴趣。

三、注重课堂气氛的调节对于知识量大的课堂，在安排时不妨在灌输理论知识的同时，合理增加常识性的内容，这样一方面能够重点突出，另一本论文由整理提供方面可以缓解学生的疲惫状态，对一些初学者是一个很好的知识补充

比如在讲传输介质时，前面的大部分时间讲述了关于通信原理的基础知识，有些是非常晦涩难懂的理论，同学们已经显出倦态，因而剩余的小部分时间可以用多媒体的形式播放一段关于双绞线制作的视频。

对于晦涩难懂的教学内容，应该注重学生的反映，通过举手的方式来了解学生理解的程度，比如在讲曼彻斯特编码技术的时候，先让一名同学画出波形图，然后让学生自己判断是否正确，通过了解可以看出学生的掌握情况，然后再进行讲解，反复几次，可以达到良好的教学效果。概念的强调和解释可以用生活中的例子来说明，比如服务和协议，就可以用生活中的例子来解释；而对于有关的、好理解的内容，可以以自学的方法来学习，也可以在课堂教学中省略这方面的内容。超级秘书网

四、注重因材施教应该因材施教，针对理解力强的学生，可以把一些难点让他来讲述，以引发他的兴趣，比如以太网时间槽的概本论文由整理提供念，可以留下疑问到下堂课让他来讲述；针对一般大多数同学，可以在他讲的基础上再讲一遍，用通俗易懂的语言来加深对概念的理解

教学过程应该把重点和难点讲出来，然后由学生组织讨论的方式来理解教学内容，教师不必把所有的点都讲到，知识性的内容不用讲得太详细，因为大学生有这方面的素质，尤其小班上课，可以充分调动学生的积极性来投入到教学中，年轻教师不必拘泥于固有的模式，而应该创造自己的教学方式。尤其讲到分层原理时，可以拿一个例子来讲述整个过程，因为专业的学生有电路的知识和软件的知识，可以理解得比较透彻。

同时配合Flash动画来进行教学，可以取得更好地教学效果。随着卫生信息化的迅速发展，各院校各个层次学生的信息技术教育都要与未来实际应用相结合，从而形成面向应用的专业特色IT课程教学体系。随着网络技术、数字化医疗技术的发展，本论文由整理提供数字化医院、远程医疗等都建立在网络基础之上，熟练掌握网络应用已成为学生将来必备的能力。

生物医学工程分析:对生物医学工程发展现状与未来发展趋势分析

论文关键词:生物工程 生物医学工程 发展 趋势

论文摘要:生物医学工程(biomedical engineering,bme)是一门生物、医学和工程多学科交叉的边缘科学,它是用现代科学技术的理论和方法,研究新材料、新技术、新仪器设备 ,用于防病、治病、保护人民健康,提高医学水平的一门新兴学科。

本文就其目前发展情况进行分析讨论。

生物医学工程在国际上做为一个学科出现,/！/始于20世纪50年代,特别是随着宇航技术的进步、人类实现了登月计划以来,生物医学工程有了快速的发展。在我国,生物医学工程做为一个专门学科起步于20世纪70年代,中国医学科学院、中国协和医科大学原院校长、我国着名的医学家黄家驷院士是我国生物医学工程学科最早的倡导者。1977年中国协和医科大学生物 医学工程专业的创建、1980年中国生物医学工程学会的成立,有力地推进了我国生物医学工程的发展。目前,我国许多高校科研单位均设有生物医学工程机构,从事着生物医学的科研 教学工作,在我国生物医学工程科学事业的发展中发挥着重要作用。

一、显微镜的发明

“解剖”一词由希腊语“anatomia”转译而来,其意思是用刀剖割,肉眼观察研究人体结构。17世纪lee wenhock发明了光学显微镜,推动了解剖学向微观层次发展,使人们不但可以了解人体大体解剖的变化,而且可以进一步观察研究其细胞 形态结构的变化。随着光学显微镜的出现,医学领域相继诞生了细胞学、组织学、细胞病理 学,从而将医学研究提高到细胞形态学水平。

普通光学显微镜的分辨能力只能达到微米(μm)级水平,难以分辨病毒及细胞的超微细结构、核结构、dna等大分子结构。而20世纪60年代出现的电子显微镜,使人们能观察到纳米(nm)级的微小个体,研究细胞的超微结构。光学显微镜和电子显微镜的发明都是医学工程研究的成果,它们对推动医学的发展起了重要作用。

二、影像学诊断飞跃进步

影像学诊断是20世纪医学诊断最重要发展最快的领域之一。

50年代x光透视和摄片是临床最常用的影像学诊断方法,而今天由于x线ct技术的出现和应用,使影像学诊断水平发生了飞跃,从而极大地提高了临床诊断水平。即计算机体断层 摄影(computed tomography ct),即是利用计算机技术处理人体组织器官的切面显像。x线ct片提供给医生的信息量,远远大于普通x线照片观察所得的信息。目前,螺旋ct(spiral ct 或helicalet ct)已经问世,能快速扫描和重建图像,在临床应用中取代了多数传统的ct,提高了诊断率。

医学工程研究利用生物组织中氢、磷等原子的核磁共振原理。研制成功了核磁共振计算机断层成像系统(mri),它不仅 可分辨病理解剖结构形态的变化,还能做到早期识别组织生化功能变化的信息,显示某些疾病在早期价段的改变,有利于临床早期诊断。可以认为mri工程的进步,促进了医学诊断学向功能与形态相结合的方向发展,向超快速成像、准实时动态mri、mra、fmri、mrs发展。根据核医学示踪,利用正电子发射核素(18f,11c,13n)的原理,创造 的正电子发射体层摄影(pet),是目前的影像诊断技术。美国新闻媒体把pet列为十大医学生物技术的榜首。pet问世不过30年历史,但它已显示出对肿瘤学、心脏病学、神经病学、器官移植,新药开发等研究领域的重要价值。影像学诊断水平的不断提高,与20世纪生物医学工程技术的发展密切相关。

三、介入医学问世

介入医学是一种微创伤的诊疗技术。dotter和judkin(1964 年)是最早使用介入技术治疗疾病的创始人,他们用导管对下肢动脉阻塞性病变进行扩张治疗取得成功。1967年margulis首先使用过介入放射学,这是医学文献出现“介入”一词的最早记载。1977年 gruenzing成功地进行了首例冠状动脉球囊扩张术获得成功以后,介入性诊疗技术由于其创伤小、患者痛苦少,安全有效而倍受临床欢迎。20世纪80年代随着生物医学工程的发展,高精度计算机化影像诊查仪器、数字减影血管造 影(dsa)、射频消融技术以及高分子(high-polymer)新材料制成的介入技术用的各种导管相继问世,使介入性诊疗技术发生了飞速进步,临床应用范围不断扩大,从心血管、脑血管、非血管管腔器官到某些恶性肿瘤等都具有使用介入诊疗的适应证,并使诊疗效果明显提高,患者可减免许多大手术之苦。有人把介入诊疗技术视为与药物诊疗、手术诊疗并列的临床三大诊疗技术之一,也有人把介入诊疗技术称之为20世纪发展起来的临床医学新领域--介入医学。

四、人工器官的应用

当人体器官因病伤已不能用常规方法救治时,现代临床医疗技术有可能使用一种人工制造的装置来替代病损器官或补偿其生理功能,人们称这种装置为人工器官(artificial organ)。如20世纪50年代以前,风湿性心脏瓣膜病的治疗,除了应用抗风湿药物、强心药物对症治疗外,对病损的瓣膜很难修复改善,不少患者因心功能衰竭死亡。而今天可以应用人工心肺机体外循环技术,在心脏停跳状态下切开心脏,进行更换人工瓣膜或进行房、室间隔缺损的修补,使心脏瓣膜病、先天性心脏病患者恢复健康。心外科之所以能达到今天这样的水平,主要是由于人工心肺机的问世和使用了人工心脏瓣膜、人工血管等新材料、新技术的结果。

肾功能衰竭、尿毒症患者愈后不良,而人工肾血液透析技术已挽救了大量肾病晚期患者的生命,肾病治疗学也因此有了很大进步。

现代生物医学工程中人工器官的发展也非常迅速,除上述人工器官外,人工关节、人工心脏起搏器、人工心脏、人工肝、人工肺等在临床都得到应用,使千千万万的患者恢复了健康。可以说,人体各种器官除大脑不能用人工器官代替外,其余各器官都存在用人工器官替代的可能性。

此外,放射医学、超声医学、激光医学、核医学、医用电子技术、计算机远程医疗技术等先进的医疗技术和仪器设备都是现代医学工程研究开发的成果,综上可见,20世纪生物医学工程的发展,显着提高了医学诊断和治疗水平,有力地推动着医学科学的进步。

五、生物医学工程展望

纵观医学新技术诞生和发展的 历史,从伦琴发现x线到今天x射线诊疗技术的发展,从朗兹万发现超声波到今天b超诊断的广 泛应用,从布洛赫和伯塞尔发现核磁共振到今天mri的问世,从赫斯费尔德发明ct到今天ct成像系统的应用,都是以物理学工程技术为基础、医学需求为前提发展起来的医学新技术。

(一)各种诊疗仪器、实验装置趋向计算机化、智能化,远程医疗信息网络化,诊疗用机器人将被广泛应用。

(二)介入性微创,无创诊疗技术在临床医疗中占有越来越重要的地位。激光技术,纳米技术和植入型超微机器人将在医疗各领域里发挥重要作用。

(三)医疗实践发现单一形态影像诊查仪器不能满足疾病早期诊断的需要。随着pet的问世和应用,形态和功能相结合的新型检测系统将有大发展。非影像增显剂型心血管、脑血管影像诊查系统将在21世纪问世。

(四)生物材料和组织工程将有较大发展,生物机械结合型、生物型人工器官将有新突破,人工器官将在临床医疗中广泛应用。

(五)材料和药物相结合的新型给药技术和装置将有很大发展,植入型药物长效缓释材料,药物贴覆透入材料,促上皮、组织生长可降解材料,可逆抗生育绝育材料、生物止血材料将有新突破。

(六)未来医疗将由治疗型为主向预防保健型医疗模式转变。为此,用于社区、家庭、个人医疗保健诊疗仪器,康复保健装置,以及微型健康自我监测医疗器械和用品将有广泛需求和应用。

20世纪人类与疾病做斗争,在医学诊疗技术上取得了重大成就;但面向21世纪的巨大挑战,我们要动员起来,调整政策,制定规划,改革医学研究教学的旧模式,发挥现代科学多学科交叉合作的优势,创建全新的生物医学,为人民造福。