生物医学工程走进21世纪

2002年12月 西安交通大学学报(社会科学版) Dec.2002第22卷第4期(总62期) Journal of X i′an Jiaotong University(S ocial Sciences)V ol.22(Sum N o.61)

生物医学工程走进21世纪

郑崇勋

(西安交通大学,陕西西安710049)

[摘　要]　结合国际生物医学工程领域的最新研究动向和中国实际情况,论述了新世纪生物医学工程面临的挑战和机遇,阐明了在走进21世纪之际,生物医学工程的研究必然与生命科学和信息科学紧密结合,其发展紧密依托现代最新科技成果并直接服务于人类健康和生活质量,指出了目前特别需要关注和加强的领域。

[关键词]　生物医学工程;发展动态;生命科学;脑科学

[中图分类号]　R318 [文献标识码]　A [文章编号]　10082245X(2002)0420058204

Biomedical E ngineering in the Tw enty-First Century

ZHE NG Chong2xun

(X i′an Jiaotong University,X i′an710049,China)

Abstract　Based on latest international research trends and China’s relevant practical situation in the field of biomedical engineering,the paper describes challenges and opportunities in the twenty-first century in this sphere, pointing out that,when entering into the new century,the research of biomedical engineering will be,in an in2 evitable way,ass ociated closely with life science and information science and its development will rely on the latest scientific and technological achievements and serve directly health and life quality of the human being.It als o stresses that biomedical engineering is an area that should be directed special attention and intensified.

K ey w ords　biomedical engineering;development trends;life science;brain science

一、前言

现代生物医学工程孕育于19世纪,从1895年X 射线发现后,X光机很快进入医学临床,开创了医学图像学,现代生物医学工程逐步形成,至20世纪50年代形成学科领域,1953年,德国在I LME NAU大学建立了第一个生物医学工程系。生物医学工程在近20年来发展异常迅速,作为一个交叉学科,它将现代工程技术、近代物理学、生物学和医学结合起来,形成了对生命科学、现代医学具有极其重要意义的新兴学科,为临床医学提供诊断、治疗、手术等方面强有力的各种仪器设备和器械,为基础医学提供手段和工具支持。生物医学工程是生命科学的重要领域,与人类生活质量及健康的关系密切;新世纪向生物医学工程的工作者提出了新的要求和挑战,同时也为生物医学工程的发展提供更广阔的发展空间和新的机遇。

二、时代特色

进入21世纪,生物医学工程作为一个学科有下列重要特点:

(一)向生命科学的核心领域深入和拓展

如渗入分子神经生物学的脑神经生物医学工程,建立在分子生物学基础上的分子生物医学工程,建立在人类基因组学基础上的基因医学工程等。

(二)将组织结构学和功能信息学研究相结合

如医学影像技术已开始重视在揭示生物组织结构

[收稿日期]　2002-04-06

[作者简介]　郑崇勋(1939-　),男,福建仙游人,西安交通大学生命科学学院生物医学工程研究所所长,教授,博士生导师,中国生物医学工程学会副理事长。

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信息的同时揭示生物组织功能信息,促进磁共振功能成像(fMRI)、光电子功能成像、正电子发射成像(PET)、单光子成像(SPECT)等技术迅速发展。

(三)与信息科学的结合更加密切

如生物医学信息学、医学信息网络工程学、生物医学信息提取、融合、挖掘和发现、远程医疗系统和超远程医学等的发展都离不开信息科学。

(四)迅速吸取最新科技成果,充分发挥交叉学科的创新潜力

如纳米技术的应用开拓了生物组织工程新领域、生物芯片和蛋白质芯片、生物———电子机械微系统、转基因技术使人工器官的研究进入了一个新的时代。

(五)传统或经典研究领域随新科技的发展不断产生新的研究前沿

如各种新型医学影像设备、图像数字减影和介入手术设备、植入式装置、新型生物传感器、DNA检测分析技术与设备、具有生物组织特性的人工生物材料、物理因子的生物组织效应及其应用、生物医学光子学等。

三、挑战与机遇

21世纪,生命科学、信息科学、环境与能源科学、空间科学与技术将成为主导科学,其核心是生命科学与相关技术。在新世纪,人类更加关心自身的生活质量与健康,生物医学工程领域挑战和机遇并存。下列领域将成为生物医学工程走进21世纪重要发展领域。

(一)人类脑科学[125]

20世纪90年代以来,欧美都相继开展了大规模的脑科学研究计划,1993年美国推出人类“脑计划”(The Human Brain Project)。日本也在1996年推出了“脑科学时代”庞大计划纲要,拟在20年内以每年1000亿日元大力推进脑研究。脑科学主要研究内容包括:

1.认识脑。即揭示脑功能,一方面是在分子水平上阐明脑神经元发育和分化,以及神经网络的形成过程;另一方面是阐明脑的各种功能,如认知、学习、记忆、感知、情感、意识等。

对脑的认知、学习功能机理以及情感在认知和学习过程中的作用进行深入研究是认识脑的重要内容。从细胞和分子层次揭示脑活动功能机理,大脑的认知和学习功能机理,情感对认知和学习干预和影响。这其中如何无创提取并解释脑功能活动信息是需要尽快攻克的关键技术,即脑———机接口技术(BCI,Brian C om puter Interface),如脑电、脑磁、脑血流血氧的变化信息的提取。目前用642128导的脑电信息提取脑的行为意识信息,用32264导的脑磁图研究肢体运动时的脑功能活动的研究已有很大进展。英国学者K. Warwick计划将微机芯片置入自身手臂,将神经信号引入芯片。

2.保护脑。即脑疾病防治、康复机理和方法的研究,将宏观生理、病理的研究和微观基因变异和改性的研究结合起来,深入到分子和基因的层次。如脑疾病的发病和防治的分子机理,异常脑神经活动或异常病变的检测,物理因子对脑损伤细胞的康复作用,物理因子对脑神经细胞生长和变异的作用,如电磁场、超声、次声、电磁刺激等对脑神经细胞生长的影响以及对脑细胞异常生理活动的激发和抑制作用等。

脑功能的补偿功能缺陷补偿,提取动作、语言意识信息经计算机分析处理,补偿动作和语言功能缺陷;脑损伤功能的补偿机制和方法;老年人脑智力的保持、衰老的防治;

3.开发脑。研究如何更好地发挥脑的潜力。在研究脑功能的基础上,进一步研究幼儿和儿童早期智力开发、成年人创新思维激发与发生条件及环境,研究记忆的物质基础和记忆增强机理等。对上述问题的研究成果将有助于脑功能尤其是儿童脑功能的开发,将能激发更多年的创新思维。脑的记忆活动不仅有能量的转移和变化过程,也有生化物质、信息物质的转移和变化,搞清记忆的物质基础,可以极大的提高人的学习和记忆能力。

4.创造“脑”。目前创造“脑”还是一个远景,仿脑计算机可以实行快速的信息提取、复杂的并行处理和分析、多源的信息融合、非线性多模式逻辑推理、复杂的交连网络、海量存储等技术。还要构造有效实用的生物———微电子计算机、大脑———计算机接口(BCI)这类新的通信和控制模式来提取脑的意识信息,实现人脑和计算机之间的信息交换,实现人———机间真正和谐工作。

(二)生物医学信息学[6210]

生物医学信息学是生物学、医学和信息科学结合的交叉学科,它的发展具有重大和深远的科学意义。医学信息学是用信息学的方法研究生物体和生命现象本质:研究从分子—核苷酸—基因—染色体—蛋白质—细胞—生物体的生成、活动、变异、消亡,生命过程中化学、物理、生物物质变化所隐含的信息的表达、转导和描述等。如基因测序、表达、信息编码、基因信息库的建立、建模等。

生物医学信息科学的深入研究对人类认识生命现象本质有深远意义,对人类生命健康和质量有重要意义。随着后基因组计划的实施基因信息的利用为人类

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