生物醫(yī)學工程回顧與展望

1、生物醫(yī)學工程回顧與展望        生物醫(yī)學工程在國際上做為一個學科出現(xiàn)，始于20世紀50年代，特別是隨著宇航技術(shù)的進步 、人類實現(xiàn)了登月計劃以來，生物醫(yī)學工程有了快速的發(fā)展。在我國，生物醫(yī)學工程做為一 個專門學科起步于20世紀70年代，中國醫(yī)學科學院、中國協(xié)和醫(yī)科大學原院校長、我國著名 的醫(yī)學家黃家駟院士是我國生物醫(yī)學工程學科最早的倡導者。1977年中國協(xié)和醫(yī)科大學生物 醫(yī)學工程專業(yè)的創(chuàng)建、1980年中國生物醫(yī)學工程學會的成立，有力地推進了我國生物醫(yī)學工 程的發(fā)展。目前，我國許多高?？蒲袉挝痪O(shè)有生物醫(yī)學工程機

2、構(gòu)，從事著生物醫(yī)學的科研 教學工作，在我國生物醫(yī)學工程科學事業(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Lee Wenhock發(fā)明了光學顯微鏡，推動了解剖學向 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，而且可以進一步觀察研究其細胞 形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化。隨著光學顯微鏡的出現(xiàn)，醫(yī)學領(lǐng)域相繼誕生了細胞學、組織學、細胞病理 學，從而將醫(yī)學研究提高到細胞形態(tài)學水平。普通光學顯微鏡的分辨能力只能達到微米(m)級水平，難以分辨病毒及細胞的超微細結(jié)構(gòu) 、核結(jié)構(gòu)、DNA等大分子結(jié)構(gòu)。而20世紀60年代出現(xiàn)的電子顯微

3、鏡，使人們能觀察到納米(nm )級的微小個體，研究細胞的超微結(jié)構(gòu)。光學顯微鏡和電子顯微鏡的發(fā)明都是醫(yī)學工程研究 的成果，它們對推動醫(yī)學的發(fā)展起了重要作用。影像學診斷飛躍進步影像學診斷是20世紀醫(yī)學診斷最重要發(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診斷方法，而今天由于X線CT技術(shù)的出現(xiàn) 和應用，使影像學診斷水平發(fā)生了飛躍，從而極大地提高了臨床診斷水平。即計算機體斷層 攝影(computed tomography CT),即是利用計算機技術(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，遠遠大于普通X線照片觀察所得的信息。目前，螺旋CT(spiral CT 或he

4、licalet CT)已經(jīng)問世，能快速掃描和重建圖像，在臨床應用中取代了多數(shù)傳統(tǒng)的CT， 提高了診斷準確率1。醫(yī)學工程研究利用生物組織中氫、磷等原子的核磁共振(nu clear magnetic resonance)原理。研制成功了核磁共振計算機斷層成像系統(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 病在早期價段的改變，有利于臨床早期診斷?？梢哉J為MRI工程的進步，促進了醫(yī)學診斷學 向功能與形態(tài)相結(jié)合的方向發(fā)展，向超快速成像、準實時動態(tài)MRI、MRA、FMRI、MRS發(fā)展。 根據(jù)核醫(yī)學示蹤，利用正電子發(fā)射核素(18F，11C，13N)的

5、原理，創(chuàng)造 的正電子發(fā)射體層攝影(PET)，是目前最先進的影像診斷技術(shù)。美國新聞媒體把PET列為十大 醫(yī)學生物技術(shù)的榜首。PET問世不過30年歷史，但它已顯示出對腫瘤學、心臟病學、神經(jīng)病 學、器官移植，新藥開發(fā)等研究領(lǐng)域的重要價值2。影像學診斷水平的不斷提高 ，與20世紀生物醫(yī)學工程技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。介入醫(yī)學問世介入醫(yī)學是一種微創(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，他們用導管對下肢動脈阻塞性病變進行擴張治 療取得成功。1967年Margulis首先使用過介入放射學(Interventional Radiology)，這是醫(yī) 學文獻出現(xiàn)“

6、介入”一詞的最早記載。1977年 Gruenzing成功地進行了首例冠狀動脈球囊擴 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80年代隨著生物醫(yī)學工程的發(fā)展，高精度計算機化影像診查儀器、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)用的各種導管相 繼問世，使介入性診療技術(shù)發(fā)生了飛速進步，臨床應用范圍不斷擴大，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

7、療技術(shù)之一，也有人把介入診療技術(shù)稱之為20世 紀發(fā)展起來的臨床醫(yī)學新領(lǐng)域-介入醫(yī)學3，4。 人工器官的應用當人體器官因病傷已不能用常規(guī)方法救治時，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償其生理功能，人們稱這種裝置 為人工器官(artificial organ)。如20世紀50年代以前，風濕性心臟瓣膜病的治療，除了應 用抗風濕藥物、強心藥物對癥治療外，對病損的瓣膜很難修復改善，不少患者因心功能衰竭 死亡。而今天可以應用人工心肺機體外循環(huán)技術(shù)，在心臟停跳狀態(tài)下切開心臟，進行更換人 工瓣膜或進行房、室間隔缺損的修補，使心臟瓣膜病、先天性心臟病患者恢復健康。心外科 之所以能達到

8、今天這樣的水平，主要是由于人工心肺機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，腎病治療學也因此有了很大進步?，F(xiàn)代生物醫(yī)學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用，使千千萬萬的患者恢復了健康。 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、超聲醫(yī)學、激光醫(yī)學、核醫(yī)學、醫(yī)用電子技術(shù)、計算機遠程醫(yī)療技術(shù)等先 進的醫(yī)療技術(shù)和儀器設(shè)備都是現(xiàn)代醫(yī)學工程研究開發(fā)的

9、成果，綜上可見，20世紀生物醫(yī)學工 程的發(fā)展，顯著提高了醫(yī)學診斷和治療水平，有力地推動著醫(yī)學科學的進步。21世紀生物醫(yī)學工程展望縱觀醫(yī)學新技術(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，從赫斯費爾德發(fā)明CT到今天C T成像系統(tǒng)的應用，都是以物理學工程技術(shù)為基礎(chǔ)、醫(yī)學需求為前提發(fā)展起來的醫(yī)學新技術(shù) 。循著20世紀醫(yī)學發(fā)展的軌跡，我們有理由預測21世紀新的醫(yī)學診療技術(shù)可能在以下10個方 面有重大突破和創(chuàng)新：(1)各種診療儀器、實驗裝置趨向計算機化、智能化，遠程醫(yī)療信 息網(wǎng)絡化，診療用機器

10、人將被廣泛應用。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) 和植入型超微機器人將在醫(yī)療各領(lǐng)域里發(fā)揮重要作用。(3)醫(yī)療實踐發(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 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世紀問世。(4)生物材料和組織工程將有較大發(fā)展，生物機械結(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

11、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防保健型醫(yī)療模式轉(zhuǎn)變。為此，用于社區(qū)、家庭、個人醫(yī) 療保健診療儀器，康復保健裝置，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 用。(7)除繼續(xù)努力加強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)學工程的新起點。(8)創(chuàng)傷是造成青年人群死亡的主要原因，研制新型創(chuàng)傷防護裝置、生命急救系統(tǒng)是未來生 物醫(yī)學工程的重要課題。(9)即將迎來的21世紀是分子生物學時代，有關(guān)分子生物學的診療新技術(shù)將快速發(fā)展，遺傳 、

12、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 廣泛應用。(10)空氣污染、環(huán)境污染嚴重危害著人類健康，研究和開發(fā)勞動保護、家庭保健、個人防護 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：“到2000年，基本實 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在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)達到或接近世界 中等發(fā)達國家水平，在欠發(fā)達地區(qū)達到發(fā)展中國家的先進水平。1999年國家科技部召開了“ 發(fā)展生物醫(yī)學工程技術(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)學工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展、落實創(chuàng)新工程戰(zhàn)略布置起著重要作用。20世紀人類與 疾病做斗爭，