生物医学工程学科 (Biomedical Engineering, 简称BME) 是一门由理、工、医相结合的边缘学科, 是多种工程学科向生物医学渗透的产物。它运用了现代自然科学和工程技术的原理和方法, 从工程学的角度, 在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系, 揭示其生命现象, 为防病、治病提供新的技术手段, 其目的是解决医学中的有关问题, 保障人类健康, 为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。生物医学工程学科的最大的特点即是一门高度综合的交叉学科。
生物医学工程兴起于20世纪50年代, 它与医学工程和生物技术有着十分密切的关系, 而且发展非常迅速, 成为世界各国竞争的主要领域之一。生物医学工程学这个名词最早是出现在美国。1958年在美国成立了国际医学电子学联合会, 1965年该组织改称国际医学和生物工程联合会, 后来成为国际生物医学工程学会。生物医学工程学除了具有很好的社会效益外, 还有很好的经济效益, 前景非常广阔, 是目前各国争相发展的高技术之一, 现今市场规模可达1000~2000亿美元。生物医学工程学的学科内容包括了生物信息学、生物力学、各种医疗仪器装备、医学物理学以及医学材料等, 它的发展将随着世界高技术的发展, 如航天技术、微电子技术等的发展而得到长足进步。
随着生物医学工程学科的高速发展, 对相关人才的需求日益增大, 为此, 我国有大量的医科、药科大学、综合大学和理工科院校都设置了生物医学工程从本科到博士的专业及领域。在2008年4月北京举行的“亚太生物医学工程国际会议”上, 各种院校生物医学工程学科专业教育、课程建设等问题被提出并进行探讨, 对于交叉学科教育教学模式的创立进行了研究, 说明这一问题已经成为高校教育教学研究的热点。本文在对生物医学工程学科特色、对医科药科、综合性大学、理工科大学办学特点进行分析的基础上, 对于在各类院校中设置的生物医学工程专业的特色建设进行阐述。
生物医学工程是一门新兴的边缘学科, 它综合了工程学、生物学和医学的理论和方法, 在各层次上研究人体系统的状态变化, 并运用工程技术手段去控制这类变化。其学习内容包括以下几个方面。
即通过X射线、超声、放射性核素、磁共振、红外线等手段及相应设备进行成像的技术, 现还有正在兴起的阻抗成像技术等。
分为诊断仪器和治疗仪器两大类。诊断仪器主要是用以采集、分析和处理人体生理信号, 现在使用较多的是心脑电、肌电图仪和多参数的监护仪等, 而通过体液来了解人体内生物化学反应过程的生物化学检验仪器也已逐步完善并走向微量化和自动化。治疗仪器设备则是采用X射线、γ射线、放射性核素、超声、微波和红外线等仪器设备, 如X射线深部治疗机、体外碎石机、人工呼吸机等。手术设备如γ刀、激光刀、呼吸麻醉机、监护仪、X射线电视等。现代化医疗技术中还将设备功能更加多样化、复杂化。
主要是研究生物组织和器官的力学特性, 人体力学特性和其功能的关系。其中包括生物流变学 (血液流变学) 、软组织和骨骼力学、循环系统动力学和呼吸系统动力学等。
即人工器官、组织工程所需要的物质与材料, 其大多数是需要植入人体, 需要具备耐腐蚀、化学稳定性, 需要具有与机体组织的相容性、血液相容性、无毒性。作为材料, 根据所需还应满足各种器官对材料的各项要求, 包括强度、硬度、韧性、耐磨性、挠度及表面特性等各种物理、机械等性能。需要掌握的知识包括金属、非金属及复合材料、高分子材料的合成工艺条件和表征、成型制备、性能等。
生物效应是指在医疗诊断和治疗中, 光、声、电磁辐射和核辐射等能量在机体内的分布、变化等作用。而生物控制则是机体自身的调节控制现象。采用生物、化学的方法对这些情况加以认识。
其他还有介入式诊断、治疗等。生物医学工程最为竞争激烈的领域在医学成像技术上, 其中以图像处理、阻抗成像、磁共振成像、三维成像技术以及图像存档和通信系统为主。而对医学信号的处理分析, 包括心脑电、五官、语言、心音呼吸等信号和图形的处理与分析, 以及神经网络的研究处理也是目前世界各国研究与学习的热点。
作为生物医学工程专业的本科学生, 将从业于该领域的研究、设备研发及制造、使用、维修养护等。所具备的知识体系是从物理化学基础、工程学到医学, 十分广泛, 仅四年内进行如此庞大的知识学习, 学生将会呈现基础知识欠缺而专业知识也不深入的问题。为此, 我们就医科大学、理工科大学、综合性大学各自特点进行了调研与分析, 在此基础上, 提出了生物医学工程本科学习建立特色课程体系的见解。
我国生物医学工程本科专业分别在医科类大学、综合大学与理工科类大学中均有设置。由于生物医学工程具有典型交叉特性, 该专业的毕业生的就业方向有运用医学影像学技术、医学信息学技术等在医院进行疾病诊断及治疗, 有运用基础数学、物理、化学知识进行理论创新与实践, 更多的是运用工程技术进行医疗器械、设备装备的研发、制造与维护管理等。由于生物医学工程庞大的知识体系, 无法由某一个从业人员掌握, 需要各方向的协作与合作, 由此认为, 设置于医科类大学、综合大学与理工科类大学的生物医学工程专业应有各自的特色。
作为医科大学, 其专业人才培养具有鲜明的医学特色与优势。医科类大学生物医学工程相关专业的人才, 其就业方向更多应以进入医院从事常规放射学、CT、核磁共振、DSA等的操作及计算机操作, 运用各种影像、信息等诊断技术进行疾病诊断或治疗, 所以其培养的人才首先应学习并具备医学的专业知识, 然后才是具备基于医学专业领域需要的现代医疗仪器的研发与使用、管理能力的知识体系的学习, 成为拥有工学知识及应用能力的医学应用型、复合型高级人才, 毕业后所从事的仍是医药卫生领域工作, 在医院设备使用、维护、管理方面起重要作用。因此其课程的设置应该与工科类生物医学工程侧重点不同。如在一般医科大学中都设有生物医学工程专业, 以及与此相关的医学影像学专业、医学信息学专业等, 其培养目标就应以“培养具有基础医学、临床医学和现代医学生物医学工程 (如影像学、信息学等) 的基本理论知识及能力, 能在医疗卫生单位从事医学诊断、治疗 (或信息管理等) 和医学成像 (或医学信息等) 技术等方面工作的医学高级专门人才”为主。相应的培养要求应在于“学习基础医学、临床医学、医学影像 (或信息学、医学超声学等) 的基本理论知识, 受到常规放射学、CT、核磁共振、DSA、核医学影像学、信息学、医学超声等操作技能的基本训练, 具有常见病的影像诊断、超声治疗和介入放射学操作基本能力, 基本的仪器 (装备) 维修保养能力”上。
基于医科大学的特色, 其主干课程应注重基础医学、临床医学, 同时开设基于医学特色的工学、工程学课程。具体如基础类的基础数学类、物理类、化学类、计算机类, 如高等数学、普通物理学、有机化学、生物化学、微机原理及应用等课程, 基础和临床医学类课程, 如人体解剖学、生理学、诊断学、内科学、外科学、儿科学、妇产科学、药学、中医学、中药学、卫生管理等课程, 然后按照各高校侧重设置传统生物医学工程的工学类、工程类课程, 如模拟电子、数字电子技术、传感器、数字信号处理、医学图像处理、医用仪器原理、医学影像仪器、检验分析仪器、临床工程学、人体形态学等, 部分专业可设置如力学类、机械工程类、有机材料或金属材料类课程。虽然是同一生物医学工程专业, 但需要按照本校特色来设置课程, 切忌大而全无特色, 或各高校均设置同样课程。这是违背了生物医学工程高度交叉学科的学科特色的。
现今综合性大学工科以及理工科大学基本上都设有生物医学工程专业, 如北京大学工学院、浙江大学生物医学工程与仪器科学学院、东南大学生物科学与医学工程学院, 四川大学高分子科学与工程学院等, 各具特色。以东南大学生物科学与医学工程学院为例, 其前身是生物科学与医学工程系, 创建于1984年。学院的科学研究及学生培养方向就是强调生命科学与电子信息科学学科的交叉与渗透, 应用电子信息科学理论与方法解决生物医学领域中的科学问题, 发展现代生命科学技术。其人才培养目标在于“培养掌握生物医学工程专业知识, 掌握分析与健康相关的生物医学工程问题的方法, 并具备综合应用所学知识和方法解决实际工程问题的能力, 具备健全人格和远大理想的工医结合复合型优秀人才”。即更加注重于培养工程与医学相结合的复合型人才, 这些专业人才的从事的工作更多是在用于医学诊断、治疗的仪器设备的设计、研发及制造、维护等上面。而四川大学的生物医学工程专业的培养目标, 按照其特色制定为“以工程为主, 以从事生物医学工程教学科研的相关学科为依据, 培养从事生物力学、生物材料、人工器官等相关方面的研究、开发、生产的高级专门人才。”, 偏向于材料工程学。
由此可知, 在综合性大学工科以及理工科大学中, 生物医学工程专业应更注重工学、工程学内容, 其培养目标就应以“培养具有现代医学生物医学工程 (如机械、电子、材料、计算机在医学中应用等) 的基本理论知识及能力, 能在医疗设备相关企事业单位从事设备 (或装备) 设计研发、制造、维修维护、管理等方面工作的高级复合型专门人才”为主。相应的培养要求应更多的学习工学的基本理论知识, 受到常规医疗装备、设备等设计、研发、操作、维护维修、管理技能的基本训练并具有相应能力”上。
基于工科特色, 其主干课程应注重工科基础理论的学习, 了解医学基础知识, 同时学习机械、电子、材料、计算机应用于医学中而派生的专业课程。如将特色定在医疗设备制造等方向上的生物医学工程专业, 其基础类课程更加强了基础数学、物理的学习, 设置了较多学分的高等数学、线性代数、概率论与数理统计、大学物理及实验等, 医学类课程设置了基础医学与实验, 涵盖人体解剖学知识, 专业基础课和专业课设置了生物医学数学基础、电路及模拟电子技术及实验、数字电路与逻辑设计及实验、微机原理与接口技术及实验、Visual C++程序设计及实验、信号与系统、EDA技术、计算机硬件控制基础、单片机原理及应用、医学成像原理、医学影像系统、生理信号检测、生理信号处理、医学图像处理、医学仪器设计与实现、医学传感器、医学光学、医学超声、医学材料等, 同样, 课程设置也应按照本校特色加以取舍。
生物医学工程是一个高度交叉的专业, 需要从业专门人才具备较为全面地知识, 人才培养难度极大。通过对生物医学工程学科专业的特色分析, 结果表明, 各高校在生物医学工程专业特色建设、人才培养方案的制定上, 必须形成相互协作与协调、填补不足、人才互补的机制, 为保障人类健康, 为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务做出贡献。
摘要：通过对生物医学工程学科历史, 以及学科内容、特色的研究, 按照医科类大学和理工科类大学的办学特点, 就设置于其中的生物医学工程本科专业人才培养特色与课程设置进行了探讨, 提出了医科类大学中的生物医学工程专业应以培养以医学为主, 在医药卫生领域进行使用医疗设备进行诊断治疗、同时对使用的医疗设备具有管理及简单维护的能力, 课程设置中医学类课程较为完备, 而理工科类大学的生物医学工程专业应更多地培养具备医疗设备的研发、设计制造、维修保养能力的人才, 应更多开设工学、工程学类课程的结论。
关键词：生物医学工程,人才培养,特色,课程设置
[1] 王镭, 关于中国生物医学工程专业教育发展战略的几个问题[J], 中国高等医学教育, 1990年第3期:8-10.
[2] 张守华, 叶亚林等, 医学院校培养生物医学工程人才的特点[J], 医疗设备信息, 2002年第17卷第12期:26-27.
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