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生物醫(yī)學(xué)工程回顧與展望
生物醫(yī)學(xué)工程回顧與展望生物醫(yī)學(xué)工程回顧與展望
發(fā)布時(shí)間： 2003-4-14 作者：楊子彬
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，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，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、中
國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)原院校長、我國著名 的醫(yī)學(xué)家黃家駟院士是我國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)
科最早的倡導(dǎo)者。1977年中國協(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
國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會的成立，有力地推進(jìn)了我國生物醫(yī)學(xué)工 程的發(fā)展。目前，我
國許多高�？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“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，它們對推動醫(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。可以認(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)管對下肢動脈阻塞性病變進(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)心藥物對癥治療外，對病損的瓣膜很難
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。 可以說，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，植入型藥物長效
緩釋材料，藥 物貼覆透入材料，促上皮、組織生長可降解材料，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，對精神、心理、社會源性疾病的防
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)人人享有初級衛(wèi)生保健”，到2010年國民健康的主要指標(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)國家水平，在欠發(fā)達(dá)地區(qū)達(dá)到發(fā)展中國家的先
進(jìn)水平。1999年國家科技部召開了“ 發(fā)展生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)戰(zhàn)略研討會”，國家
工程院開展了有關(guān)發(fā)展我國醫(yī)療器械工業(yè)戰(zhàn)略研 究等，對推動生物醫(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，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，創(chuàng)建全新的生物醫(yī)學(xué)，為人民造福。
參考文獻(xiàn)
［1］Ge Wang Micheal WV. Preliminary study on helical CT algorithms for
pati ent motion estimation and compensation .IEEE Trans. Medical Imagi
ng,1995,14(2) ：205
［2］Minn H, Lapela M, Klemi PJ et al. Predication of surviva l with fl
uorin-18-fluoro deoxyglucose and PET in head and neck caner. J Nucl M e
d, 1997,38：1907
［3］Scheinman MM. Catheter Ablation. Circulation, 1991, 83：1489 -1498
［4］楊于彬，生物醫(yī)學(xué)工程與介入性診療技術(shù)，世界醫(yī)療器械，1997，3(9 )：5
0-52
［5］Katircioglu F , Yamak B,Battalogla B, et al .Long term re sults of
mitral valve replacement with preservation of the posterior leaflet. J
Heart Valve Dis, 1996,5(3)：302
［6］Peredina A, Allen A. Telemedicine technology and clinical app lica
tion. JAMA,1995,273：483-488
相
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