生物醫(yī)學(xué)工程回顧與展望

生物醫(yī)學(xué)工程(Biomedical Engineering,BME)是一門生物、醫(yī)學(xué)和工程多學(xué)

科交叉的邊緣科學(xué)，它是用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的理論和方法，研究新材料、新技術(shù)、新

儀器設(shè)備，用于防病、治病、保護(hù)人民健康，提高醫(yī)學(xué)水平的一門新興學(xué)科。

生物醫(yī)學(xué)工程在國(guó)際上做為一個(gè)學(xué)科出現(xiàn)，始于20世紀(jì)50年代，特別是隨著宇

航技術(shù)的進(jìn)步、人類實(shí)現(xiàn)了登月計(jì)劃以來，生物醫(yī)學(xué)工程有了快速的發(fā)展。在我

國(guó)，生物醫(yī)學(xué)工程做為一 個(gè)專門學(xué)科起步于20世紀(jì)70年代，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中

國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)原院校長(zhǎng)、我國(guó)著名 的醫(yī)學(xué)家黃家駟院士是我國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)

科最早的倡導(dǎo)者。1977年中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)生物 醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的創(chuàng)建、1980年中

國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)的成立，有力地推進(jìn)了我國(guó)生物醫(yī)學(xué)工 程的發(fā)展。目前，我

國(guó)許多高?？蒲袉挝痪O(shè)有生物醫(yī)學(xué)工程機(jī)構(gòu)，從事著生物醫(yī)學(xué)的科研 教學(xué)工作

，在我國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程科學(xué)事業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。

顯微鏡的發(fā)明　“解剖”一詞由希臘語(yǔ)“Anatomia”轉(zhuǎn)譯而來，其意思是用

刀剖割，肉眼觀察研究人體結(jié)構(gòu)。17世紀(jì)Lee Wenhock發(fā)明了光學(xué)顯微鏡，推動(dòng)了

解剖學(xué)向 微觀層次發(fā)展，使人們不但可以了解人體大體解剖的變化，而且可以進(jìn)

一步觀察研究其細(xì)胞 形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化。隨著光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相繼誕

生了細(xì)胞學(xué)、組織學(xué)、細(xì)胞病理 學(xué)，從而將醫(yī)學(xué)研究提高到細(xì)胞形態(tài)學(xué)水平。

普通光學(xué)顯微鏡的分辨能力只能達(dá)到微米(μm)級(jí)水平，難以分辨病毒及細(xì)胞

的超微細(xì)結(jié)構(gòu)、核結(jié)構(gòu)、DNA等大分子結(jié)構(gòu)。而20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的電子顯微鏡，

使人們能觀察到納米(nm)級(jí)的微小個(gè)體，研究細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)。光學(xué)顯微鏡和電

子顯微鏡的發(fā)明都是醫(yī)學(xué)工程研究 的成果，它們對(duì)推動(dòng)醫(yī)學(xué)的發(fā)展起了重要作用

。

影像學(xué)診斷飛躍進(jìn)步　影像學(xué)診斷是20世紀(jì)醫(yī)學(xué)診斷最重要發(fā)展最快的領(lǐng)域

之一。50年代X光透視和攝片是臨床最常用的影像學(xué)診斷方法，而今天由于X線CT技

術(shù)的出現(xiàn) 和應(yīng)用，使影像學(xué)診斷水平發(fā)生了飛躍，從而極大地提高了臨床診斷水

平。即計(jì)算機(jī)體斷層 攝影(computed tomography CT),即是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理人

體組織器官的切面顯像。X線CT 片提供給醫(yī)生的信息量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通X線照片觀

察所得的信息。目前，螺旋CT(spiral CT 或helicalet CT)已經(jīng)問世，能快速掃描

和重建圖像，在臨床應(yīng)用中取代了多數(shù)傳統(tǒng)的CT，提高了診斷準(zhǔn)確率［1］。醫(yī)學(xué)

工程研究利用生物組織中氫、磷等原子的核磁共振(nu clear magnetic resonanc

e)原理。研制成功了核磁共振計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)(MRI)，它不僅 可分辨病理解剖

結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化，還能做到早期識(shí)別組織生化功能變化的信息，顯示某些疾 病在

早期價(jià)段的改變，有利于臨床早期診斷?？梢哉J(rèn)為MRI工程的進(jìn)步，促進(jìn)了醫(yī)學(xué)診

斷學(xué) 向功能與形態(tài)相結(jié)合的方向發(fā)展，向超快速成像、準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)MRI、MRA、FM

RI、MRS發(fā)展。根據(jù)核醫(yī)學(xué)示蹤，利用正電子發(fā)射核素(18F，11C，13N)的原理，

創(chuàng)造 的正電子發(fā)射體層攝影(PET)，是目前最先進(jìn)的影像診斷技術(shù)。美國(guó)新聞媒體

把PET列為十大 醫(yī)學(xué)生物技術(shù)的榜首。PET問世不過30年歷史，但它已顯示出對(duì)腫

瘤學(xué)、心臟病學(xué)、神經(jīng)病 學(xué)、器官移植，新藥開發(fā)等研究領(lǐng)域的重要價(jià)值［2］。

影像學(xué)診斷水平的不斷提高，與20世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。

介入醫(yī)學(xué)問世　介入醫(yī)學(xué)是一種微創(chuàng)傷的診療技術(shù)。Dotter和Judkin(1964年

)是最早使用介入技術(shù)治療疾病的創(chuàng)始人，他們用導(dǎo)管對(duì)下肢動(dòng)脈阻塞性病變進(jìn)行

擴(kuò)張治 療取得成功。1967年Margulis首先使用過介入放射學(xué)(Interventional Ra

diology)，這是醫(yī) 學(xué)文獻(xiàn)出現(xiàn)“介入”一詞的最早記載。1977年 Gruenzing成功

地進(jìn)行了首例冠狀動(dòng)脈球囊擴(kuò) 張術(shù)獲得成功以后，介入性診療技術(shù)由于其創(chuàng)傷小

、患者痛苦少，安全有效而倍受臨床歡迎。20世紀(jì)80年代隨著生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)

展，高精度計(jì)算機(jī)化影像診查儀器、數(shù)字減影血管造 影(DSA)、射頻消融技術(shù)以及

高分子(high-polymer)新材料制成的介入技術(shù)用的各種導(dǎo)管相 繼問世，使介入性

診療技術(shù)發(fā)生了飛速進(jìn)步，臨床應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，從心血管、腦血管、非血管

管腔器官到某些惡性腫瘤等都具有使用介入診療的適應(yīng)證，并使診療效果明顯提高

，患者可減免許多大手術(shù)之苦。有人把介入診療技術(shù)視 為與藥物診療、手術(shù)診療

并列的臨床三大診療技術(shù)之一，也有人把介入診療技術(shù)稱之為20世 紀(jì)發(fā)展起來的

臨床醫(yī)學(xué)新領(lǐng)域--介入醫(yī)學(xué)［3，4］。

人工器官的應(yīng)用　當(dāng)人體器官因病傷已不能用常規(guī)方法救治時(shí)，現(xiàn)代臨床醫(yī)

療技術(shù)有可能使用一種人工制造的裝置來替代病損器官或補(bǔ)償其生理功能，人們

稱這種裝置 為人工器官(artificial organ)。如20世紀(jì)50年代以前，風(fēng)濕性心臟

瓣膜病的治療，除了應(yīng) 用抗風(fēng)濕藥物、強(qiáng)心藥物對(duì)癥治療外，對(duì)病損的瓣膜很難

修復(fù)改善，不少患者因心功能衰竭 死亡。而今天可以應(yīng)用人工心肺機(jī)體外循環(huán)技

術(shù)，在心臟停跳狀態(tài)下切開心臟，進(jìn)行更換人 工瓣膜或進(jìn)行房、室間隔缺損的修

補(bǔ)，使心臟瓣膜病、先天性心臟病患者恢復(fù)健康。心外科 之所以能達(dá)到今天這樣

的水平，主要是由于人工心肺機(jī)的問世和使用了人工心臟瓣膜、人工 血管等新材

料、新技術(shù)的結(jié)果［5］。

腎功能衰竭、尿毒癥患者愈后不良，而人工腎血液透析技術(shù)已挽救了大量腎病

晚期患者的生 命，腎病治療學(xué)也因此有了很大進(jìn)步。

現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程中人工器官的發(fā)展也非常迅速，除上述人工器官外，人工關(guān)

節(jié)、人工心臟 起搏器、人工心臟、人工肝、人工肺等在臨床都得到應(yīng)用，使千千

萬萬的患者恢復(fù)了健康?？梢哉f，人體各種器官除大腦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，放射醫(yī)學(xué)、超聲醫(yī)學(xué)、激光醫(yī)學(xué)、核醫(yī)學(xué)、醫(yī)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程

醫(yī)療技術(shù)等先 進(jìn)的醫(yī)療技術(shù)和儀器設(shè)備都是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)工程研究開發(fā)的成果，綜上

可見，20世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工 程的發(fā)展，顯著提高了醫(yī)學(xué)診斷和治療水平，有力地推

動(dòng)著醫(yī)學(xué)科學(xué)的進(jìn)步。

21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程展望　縱觀醫(yī)學(xué)新技術(shù)誕生和發(fā)展的 歷史，從倫琴發(fā)現(xiàn)

X線到今天X射線診療技術(shù)的發(fā)展，從朗茲萬發(fā)現(xiàn)超聲波到今天B超診斷的 廣泛應(yīng)用

，從布洛赫和伯塞爾發(fā)現(xiàn)核磁共振到今天MRI的問世，從赫斯費(fèi)爾德發(fā)明CT到今天

C T成像系統(tǒng)的應(yīng)用，都是以物理學(xué)工程技術(shù)為基礎(chǔ)、醫(yī)學(xué)需求為前提發(fā)展起來的

醫(yī)學(xué)新技術(shù)。循著20世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展的軌跡，我們有理由預(yù)測(cè)21世紀(jì)新的醫(yī)學(xué)診療

技術(shù)可能在以下10個(gè)方 面有重大突破和創(chuàng)新：

(1)各種診療儀器、實(shí)驗(yàn)裝置趨向計(jì)算機(jī)化、智能化，遠(yuǎn)程醫(yī)療信 息網(wǎng)絡(luò)化，

診療用機(jī)器人將被廣泛應(yīng)用。［6］

(2)介入性微創(chuàng)，無創(chuàng)診療技術(shù)在臨床醫(yī)療中占有越來越重要的地位。激光技

術(shù)，納米技術(shù) 和植入型超微機(jī)器人將在醫(yī)療各領(lǐng)域里發(fā)揮重要作用。

(3)醫(yī)療實(shí)踐發(fā)現(xiàn)單一形態(tài)影像診查儀器不能滿足疾病早期診斷的需要。隨著

PET的問世和應(yīng) 用，形態(tài)和功能相結(jié)合的新型檢測(cè)系統(tǒng)將有大發(fā)展。非影像增顯劑

型心血管、腦血管影像診 查系統(tǒng)將在21世紀(jì)問世。

(4)生物材料和組織工程將有較大發(fā)展，生物機(jī)械結(jié)合型、生物型人工器官將

有新突破，人 工器官將在臨床醫(yī)療中廣泛應(yīng)用。

(5)材料和藥物相結(jié)合的新型給藥技術(shù)和裝置將有很大發(fā)展，植入型藥物長(zhǎng)效

緩釋材料，藥 物貼覆透入材料，促上皮、組織生長(zhǎng)可降解材料，可逆抗生育絕育

材料、生物止血材料將有 新突破。

(6)未來醫(yī)療將由治療型為主向預(yù)防保健型醫(yī)療模式轉(zhuǎn)變。為此，用于社區(qū)、

家庭、個(gè)人醫(yī) 療保健診療儀器，康復(fù)保健裝置，以及微型健康自我監(jiān)測(cè)醫(yī)療器械

和用品將有廣泛需求和應(yīng) 用。

(7)除繼續(xù)努力加強(qiáng)生物源性疾病防治外，對(duì)精神、心理、社會(huì)源性疾病的防

治診療技術(shù)和 相應(yīng)儀器設(shè)備的研制受到越來越多的重視與開發(fā)，研制精神分析、

心理安撫、生物反饋型診 療技術(shù)和設(shè)備將是生物醫(yī)學(xué)工程的新起點(diǎn)。

(8)創(chuàng)傷是造成青年人群死亡的主要原因，研制新型創(chuàng)傷防護(hù)裝置、生命急救

系統(tǒng)是未來生 物醫(yī)學(xué)工程的重要課題。

(9)即將迎來的21世紀(jì)是分子生物學(xué)時(shí)代，有關(guān)分子生物學(xué)的診療新技術(shù)將快

速發(fā)展，遺傳、疾病基因診療技術(shù)，生物技術(shù)和微電子技術(shù)相結(jié)合的DNA芯片、雪

白芯片和診療系統(tǒng)將被 廣泛應(yīng)用。

(10)空氣污染、環(huán)境污染嚴(yán)重危害著人類健康，研究和開發(fā)勞動(dòng)保護(hù)、家庭保

健、個(gè)人防護(hù) 用的人工氣候微環(huán)境是未來不能忽視的問題。

1997年我國(guó)發(fā)布了關(guān)于衛(wèi)生工作改革與發(fā)展的決定，提出了奮斗目標(biāo)：“到2

000年，基本實(shí) 現(xiàn)人人享有初級(jí)衛(wèi)生保健”，到2010年國(guó)民健康的主要指標(biāo)在經(jīng)濟(jì)

發(fā)達(dá)地區(qū)達(dá)到或接近世界 中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平，在欠發(fā)達(dá)地區(qū)達(dá)到發(fā)展中國(guó)家的先

進(jìn)水平。1999年國(guó)家科技部召開了“發(fā)展生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)戰(zhàn)略研討會(huì)”，國(guó)家

工程院開展了有關(guān)發(fā)展我國(guó)醫(yī)療器械工業(yè)戰(zhàn)略研 究等，對(duì)推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)

發(fā)展、落實(shí)創(chuàng)新工程戰(zhàn)略布置起著重要作用。20世紀(jì)人類與 疾病做斗爭(zhēng)，在醫(yī)學(xué)

診療技術(shù)上取得了重大成就；但面向21世紀(jì)的巨大挑戰(zhàn)，我們要?jiǎng)訂T起 來，調(diào)整

政策，制定規(guī)劃，改革醫(yī)學(xué)研究教學(xué)的舊模式，發(fā)揮現(xiàn)代科學(xué)多學(xué)科交叉合作的優(yōu)

勢(shì)，創(chuàng)建全新的生物醫(yī)學(xué)，為人民造福。

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