生物医学工程发展趋势
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生物医学工程发展趋势范文第1篇
(一)培养热爱祖国，坚持四项基本原则，拥护党的基本路线和方针政策，遵纪守法，品德优良，具有严谨的治学态度和良好的职业道德，能够适应我国社会主义现代化建设需要，能在生物医学工程专业积极为社会主义现代化建设服务，从事教学与科研的高级专门人才。
(二)努力学习生物医学工程的基础理论和知识，熟练掌握和应用生物医学工程的现代实验方法和技能，对本学科方向国内外研究状况及发展趋势有较全面、系统的了解，熟练掌握一门外国语，具有发现问题、分析问题和解决问题的能力，取得具有创新性的研究成果。
(三)有良好的心理素质，具备良好的人际沟通能力和团队合作精神;身心健康，能够胜任科学研究工作。
生物医学工程专业就业方向
本专业学生毕业后可可以在医疗仪器企业的研发机构、生物医学工程及相关学科的科研单位、大型医院的设备中心、高等院校等地方工作，也可以做国家公务员。相关行业(如IT，仪器仪表等)。
从事行业：
毕业后主要在医疗设备、护理、制药等行业工作，大致如下：
1 医疗设备/器械;
2 医疗/护理/卫生;
3 制药/生物工程;
4 新能源;
5 电子技术/半导体/集成电路;
6 其他行业;
7 计算机软件;
8 仪器仪表/工业自动化。
从事岗位：
毕业后主要从事算法工程师、售后工程师、销售工程师等工作，大致如下：
1 算法工程师;
2 售后工程师;
3 销售工程师;
4 硬件工程师;
5 维修工程师;
6 注册专员;
7 技术支持工程师;
8 产品经理。
就业前景是我们每个人必定考虑的东西，生物医学工程专业的就业总体来说供需平衡，甚至略微供不应求。随着科学技术的发展，各类大型医疗设备在医院中的应用越来越广泛，大型医疗设备的操作、维修及管理人员是各大医院及公司急需的人才。因此，该专业急需高技术人才，学得越精也越吃得开。
生物医学工程发展趋势范文第2篇
【关键词】生物医学工程；生物医学电子学；生物电位放大器；电子设计自动化
【Abstract】In order to strengthen the electronic engineering technology training for Biomedical Engineering students， the Biomedical Electronics experiment course was designed for the students. The biological potential amplifier was selected as the experiment subject； In the experiment， student will be required to combine the simulation based on the electronic design automation software and practical operation to complete the design work of the biological potential amplifier， verify its function， and measure its important performance； the experiment was arranged in the early stage of the theoretical courses. Practice shows that the students have a more depth understanding of the characteristics of different methods in electronic engineering technology through the training of biomedical electronics experiments. Therefore， the curriculum design of the experiment is successful.
【Key words】Biomedical Engineering； Biomedical Electronics； Biological potential amplifier；Design automation
0 引言
生物医学工程专业涉及多种学科和技术，具有很强的综合性[1]；但与此同时，该专业的本科生培养工作也具有很高的难度，原因就在于学生学习的内容多而不精，在择业时常常无法体现出能力优势。因此，从培养生物医学工程专业本科生的角度而言，应该在对学生进行综合素质培养的同时、加强特定专业技能的训练，为学生的就业和继续深造打下良好的专业基础[2]。
医学电子仪器方式是上海理工大学生物医学工程专业的一个重要方向，在课程设置上，专注于培养学生的电子工程技术[3]。这其中，生物医学电子学[4]是生物医学工程专业的重要专业课程之一，其教学目的是让学生掌握医学电子仪器中带有共性的电子器件、电子线路及电子学设计方法，因此是引导学生学习将电子工程技术应用于生物医学工程专业的重要环节。生物医学电子学实验是该课程的配套实验，目的是在于通过有代表性的实验课题，引导学生学以致用、将课堂内容融会贯通于实践之中。因此，生物医学电子学实验是生物医学工程专业的一门重要实验，需要进行慎重的实验选题、认真的实验设计和细致的实验安排。为此，进行了相关的课程设计和实践工作，详述如下。
1 课程设计思想
上海理工大学生物医学工程专业的生物医学电子学实验被安排于第五学期，和生物医学电子学理论课平行设置。此前，学生已经通过电路原理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础和电子技术技能训练等课程的培养，具备了一定的电子工程技术基础。生物医学电子学实验的总课时为16学时，在有限的课时内，让学生得到最大程度的专业训练，具有一定难度。在此背景下，展开生物医学电子学实验的课程设计工作。
首先要解决的问题是实验选题。生物医学电子学实验的选题，应该能够突出生物医学电子学的特色，具有代表性。经过研究，多个生物医学电子学的相关教材中，都将生物电位放大器（Biopotential Amplifier），即仪表放大器（instrumentation amplifier），放在了相当重要的位置上[5]。生物电位放大器，是用于放大心电、肌电和脑电等信号的专用放大器；这些信号具有的特点包括：由生物体内的电活动产生、属于微弱的差分信号、非常容易被更加强烈的共模噪声淹没；而生物电位放大器具有很好的共模抑止特性，最适于放大这些存在于强烈共模噪声背景下的微弱差分信号[6]；因此，生物电位放大器在生物医学电子学中占有重要地位，以生物电位放大器为主题开展生物医学电子学实验，不仅具有代表性，而且能够引导学生在前期的课程基础上有所提高。
其次要解决的问题是实验设计。围绕生物电位放大器这个主题开展实验设计工作，需要使实验具有一定深度，但同时又要保证大部分同学有能力在限定的课时内完成任务。经过反复论证设计，最终决定生物电位放大器相关实验由两部分组成：基于电子设计自动化（Electronic design automation， EDA）软件的设计仿真实验和动手实践实验。在第一部分实验中：学生基于LM324[7]完成生物电位放大器的设计工作；仿真验证设计结果；仿真测试其差模增益幅频响应曲线[8]。在第二部分实验中：学生在面包板上动手搭建生物电位放大器；并在实验室中，使用各种设备测试差模增益幅频响应曲线。上述实验设计的优点在于：通过设计仿真工作，让同学们尽快掌握生物电位放大器的原理，同时，基于EDA软件开展电路工作，符合发展趋势[9]；通过设计仿真和动手实践相结合，互为验证，比较差异，容易引发思考，更加深刻的体会电子工程技术中不同手段的特点；对生物电位放大器的重要参数进行仿真、测量和总结，有利于学生们在更深地程度上掌握生物电位放大器。
最后要解决的问题是实验安排。由于生物医学电子学实验是生物医学电子学理论课程的配套实验，因此在进度安排上必须要统筹考虑；此外，实验设计决定了生物医学电子学实验适宜集中精力完成，而不是分散到每周进行，集中完成实验能够取得更好的效果。为此，在生物医学电子学理论课程中，生物电位放大器相关内容被安排在课程的早期进行讲解；紧随其后，利用课余和周末时间，在一周内完成生物医学电子学实验。这样安排的好处是：学生能够在课程的开始阶段，就体会到了如何将理论应用于实际，引发学习兴趣。
2 实验内容展示
下面以一位学生的实验情况为例，说明课程设计效果。
1）生物电位放大器的设计和仿真
a）生物电位放大器的设计：
基于lm324设计一个基于三运放的仪表放大器，用于生物电位测量，仿真电路原理图如图1所示。增益公式如公式（1）所示，其中：R1、R2、R5和R6都选用10KΩ的电阻；R3和R4都选用24KΩ的电阻；Rg为增益电阻，当Rg为无穷大时，（这里选用600MΩ），增益约为1倍，当Rg为5.6kΩ时，增益约为10倍，当Rg为470时，增益约为100倍，当Rg为47时，增益约为1000倍。
A=（2*R3/Rg+1）*R2/R1（1）
b）对所设计的生物电位放大器进行仿真，验证其功能
如图1所示：使用+Vdm/2和-Vdm/2两个信号源组合成模拟心电信号的差模输入信号Vdm，峰值为10mV，频率为18Hz；使用Vcm仿真工频干扰产生的共模信号，峰值为500mV，频率为50Hz。取Rg为5.6kΩ，输入、输出信号对比图如图2所示。由图可见，差模输入信号被放大约10倍，但50Hz共模输入信号在输出信号中全无踪迹，因此该生物电位放大器正确的实现了预期目的：放大差模信号、抑制共模信号。
c）对所设计的生物电位放大器进行仿真，测量其性能，频率范围设定在0.1Hz-5MHz之间：
对图1的生物电位放大器进行仿真，测量其差模增益频率响应，如图3所示。图中从上到下的短划线、虚线、点划线和实线分别代表差模增益约为1000倍、100倍、10倍和1倍时的幅频响应。由图3可见，放大倍数越小时的幅频响应截止频率约高：差模增益约1000倍时，幅频响应在1kHz左右就开始截止；差模增益约100倍时，幅频响应在10kHz左右开始截止；差模增益约10倍时，幅频响应在100kHz左右开始截止；差模增益约1倍时，幅频响应在1MHz左右开始截止。
2）生物电位放大器的实践实验
动手实现所设计的生物电位放大器。使用的器材包括：面包板、lm324、10KΩ电阻、24KΩ电阻、5.6KΩ电阻、470Ω电阻、47Ω电阻和导线等，电阻均为5%精度；使用的仪器包括SPF05数字合成函数信号发生器、DS1000数字示波器和电源。测试所得到差模增益频响曲线如图4所示。其中，差模增益随频率变化的趋势与仿真所得的结果基本类似，除了差模增益为1时的截止频率出现在了100kHz左右。
3）实验分析
相比于实际实现的生物电位放大器，仿真实验而得的结果具有更好、更理想的特点。其原因在于：仿真时避免了器件差异造成的影响，需要匹配的电阻和运放可以做到完全匹配，同时也避免了人为测量失误造成的影响，因此可以排除随机误差。仿真实验更容易实施，对于理解理论课内容大有裨益；但动手实验更加真实，且可以提高动手能力、积累实验经验，对于理解真实情况、解决实际问题非常有好处；两者可以互为补充。
3 结论
为了避免生物医学工程专业本科生培养博而不精的问题，在对学生进行综合素质培养的同时，应该加强特定专业技能的训练；上海理工大学生物医学工程专业医学电子仪器方向在课程设置上专注于培养学生的电子工程技术；生物医学电子学实验作为该专业的重要课程生物医学电子学的配套实验，在引导学生“入门”、引发专业兴趣等方面，具有重要作用；为此，对该实验进行了相关的课程设计工作。实践表明，通过生物医学电子学实验的训练，学生对专业的认知程度、对技术的理解程度和对知识的掌握程度，都得到了提升，这些能力的加强有助于学生对其它专业课程的学习和掌握。因此，该实验的课程设计是成功的，今后将沿此方向继续推进。
【参考文献】
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[2]赵晓明.生物医学电子综合实验系统设计[J].实验技术与管理，2013，30（7）.
[3]周宇.医学仪器设计原理课程构建的心电检测系统[J].实验室研究与探索，2012（2）.
[4]马长升.生物医学电子学的回顾与展望[J].中国医疗设备，2008，23（3）.
[5]Webster， J.G.Medical Instrumentation： Application and Design[M]. 3rd ed. John Wiley & Sons，2009.
[6]Franco， S.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].2ed.西安交通大学出版社，2009.
[7]Instruments. T. LM324 Quadruple Operational Amplifier. Available from： http：///product/lm324.
生物医学工程发展趋势范文第3篇
关键词：生物医学图像编程实现技术；双语；教学改革
作者简介：杨春兰（1980-），女，河北石家庄人，北京工业大学生命科学与生物工程学院，副教授；吴水才（1964-），男，江西九江人，北京工业大学生命科学与生物工程学院，教授。（北京 100124）
基金项目：本文系北京工业大学2013年度研究生课程建设项目（项目编号：015000542513528）、北京工业大学教育教学研究项目（项目编号：ER2013B21）的研究成果。
中图分类号：G643.2 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0105-02
“生物医学图像编程实现技术”是生物医学工程专业研究生的选修课。该课程的主要内容是分别利用Visual C++和ITK两种编程工具实现常见生物医学图像的读写、点运算、配准、分割等涉及医学图像分析基本问题的程序编制。本课程共32学时，包括7个章节：常用医学图像处理软件编程环境介绍；生物医学图像的类型及其数据表达；各种医学图像的读写方法和显示；生物医学图像处理类库的实现；医学图像配准；医学图像分割；基于医学图像的统计分析。
本课程教学方式主要采用课堂讲授和学生上机讨论同步结合的形式。教学思路围绕利用VC等编程工具实现图像处理程序的编写展开：以ITK学习作为算法理论指导的基础和主线，在学生理解具体算法的核心内容后，再利用VC完成算法的实现，进而使学生掌握VC进行生物医学图像处理的编程技巧。在课堂教学中充分发挥学生的积极性，鼓励创新思路和团队合作。本课程目前主要选用与ITK和VC图像处理紧密相关的指导书和参考书，以及笔者编写的教学讲义。
针对该课程教学内容中ITK和VC均采用英文开发平台的特点，目前英文多媒体课件已达教学内容总量的2/3以上。笔者多年从事生物医学图像处理领域的科研工作，近年来查阅并收集了大量英文文献。在各章节的教学中为学生提供了丰富的英文学习资源。此外，教学中采用英文ITK编程指导书作为程序编写的基本算法理论参考。程序设计中，示例程序英文注释占到1/2以上篇幅。鉴于目前的教学现状， 拟将该课程建设为双语课程。
一、双语教学改革的必要性
“生物医学图像编程实现技术”作为生物医学工程专业硕士生的专业选修课，目的是使学生学会利用VC和ITK等编程工具完成生物医学图像处理的程序设计和相关科研任务。目前Microsoft Visual C++6.0开发平台和ITK开发平台均为英语环境，ITK学习资料和网站亦均使用英语，因此，掌握VC和ITK程序设计中的常见专业术语，具备阅读并编写英文注释的程序代码能力是教学中的一个重要目标。前几轮教学中主要存在以下问题：
第一，学生本科阶段专业背景和英文水平存在差异，在学习以英文为主的教学内容时存在一定困难。北京工业大学（以下简称“我校”）生物医学工程专业研究生大多来自其他各地方院校，很多学生在计算机语言学习和编程操作方面基础较为薄弱，编程水平亟待提高。目前生物医学工程专业开设的研究生课程中，“医学图像处理”仅从基础理论方面论述了生物医学图像处理的内容、模式和发展趋势，学生缺乏利用计算机编程工具实现图像处理算法的技术入门和指导。本课程目前主要以ITK用户学习指导书和Visual C++图像处理参考书作为学生学习的参考资料。ITK指导书和相关学习资料为全英文编写，通常程序开发者使用的VC6.0开发平台为英文版，帮助查询信息也为英文，在一定程度上增加了学生学习编程技术的难度。双语教学的开展成为解决该问题的重要途径。
第二，已有经试用一定时期、教学效果良好的上机指导讲义，但尚无与英文学习资料配套的双语教学讲义。生物医学图像处理的基本概念和相关算法是本课程的理论基础，利用ITK和VC进行编程是学生学习本课程应掌握的基本技能。鉴于在课堂教学中，理论讲授仍是主要教学手段，笔者围绕使用ITK和VC图像编程两条主线来安排课堂教学，精选出能够提高生命科学与生物工程学院（以下简称“我院”）研究生科研水平的课程内容。
目前的课堂教学主要以ITK用户学习指导书和Visual C++图像处理参考书作为学生学习的参考资料，尚无可供使用的正式出版教材。基于前期该课程教学改革建设，笔者编写了该课程的上机编程指导讲义，教学中已试用3轮，学生普遍反映对其学习很有帮助，取得了较好的实验教学效果。然而，单独一本上机指导书或者几本相关参考书无法满足教学中的实际要求。此外，目前编写的上机指导书中缺少英文专业术语，而在实际教学中应当注重专业术语的解释和英汉对照，使学生在掌握专业知识和技能的基础上进一步学会专业词汇的运用，提高其科研能力。因此，教学中亟需使用将基础理论内容与上机操作有效紧密结合的双语教学讲义，使课堂教学中学习资料与上机指导书内容相对应，从而使教学内容系统化，能够同时满足学生理论学习和上机操作的实际需要。
第三，学生自主学习内容来源均为英文资料，尚需教师做中英对照指导。培养学生的创新意识和动手实践能力是研究生教学的基本指导思想。计算机程序设计类课程需要足够的上机操作练习和课后自主学习来巩固学习成效。只强调课堂讲授往往使学生的思路受到限制，不能达到同步跟随讲解掌握编程要点和调试技巧的目的。笔者鼓励学生在自学中利用互联网等现代学习工具，并结合自己在生物医学图像处理领域的科研工作，针对教学内容收集了大量英文文献，在各章节的教学中为学生提供了丰富的英文学习资源。但多数学生在计算机语言学习和编程操作方面基础较为薄弱，且缺乏图像处理方面的先修专业知识，在自学时遇到了较多困难，需要教师对相关专业术语和概念做中英对照解释和指导。因此，课堂讲授和课后师生答疑及作业等均宜采用双语模式。
综合以上分析，本课程在教学中需组织并精选双语教学内容，并在此基础上编写与英文学习资料配套的双语课堂教学讲义，在课堂讲授等环节亦适合采用双语教学模式。双语教学是解决前述几个教学问题的必要手段，也是增强本课程教学效果的重要途径。
二、双语教学建设的具体措施
1.教学内容建设
本课程主要以利用ITK和VC两种工具进行生物医学图像处理的程序设计展开。ITK的学习相对易于掌握和理解，可作为引导和帮助学生形成编程思路和整体框架的基础部分；针对生物医学图像的特点，在ITK对应内容学习的基础上，重点使学生掌握利用VC进行各种处理算法的程序实现。由于课时数的限制，教学内容将紧密联系目前医学图像处理领域的热点问题，参照国内外常用生物医学图像编程软件的基本功能，精选有助于学生今后开展科研工作的内容，在此基础上完成教学内容的中英对照优化。
在目前使用的英文ITK学习指导书、VC图像处理参考书和自编的上机指导讲义中，对于图像文件的读写、图像滤波等内容，是交叉重合的部分，也是教学中的重点内容。因此，可依据学习资料将上述章节的教学内容重新整合，组织成中英双语对照的形式；对于无交叉的内容，如图像配准、统计分析等，以中文参考书为主导，英文指导书相关知识点为参考，通过查阅参考资料，完善该部分的中英对照内容。
2.教学方式建设
双语教学的目的是使学生能够在专业领域进行学习和应用，使外语不再成为专业学习和交流的困难和障碍。因此，双语教学不能仅仅立足于提高学生的外语水平，更应在教学中注重专业术语的解释和英汉对照，使学生在掌握专业知识和技能的基础上进一步学会专业词汇的运用。[1-3]本课程双语教学的目标必须以掌握专业知识及技能为基础，进而培养学生的动手能力和利用编程理解各种理论算法的学习能力。
基于上述教学思想，教学方式主要采取课堂教师讲授与学生同步上机操作相结合的形式。在双语教学过程中充分发挥学生使用英语学习的主动性和创新意识，鼓励团队合作完成较复杂程序的设计。[4，5]针对课堂讲授环节，以英文多媒体课件为依据，在各章节末给出专业术语的中英文对照总结。对基本理论算法采用英语讲解，重点和难点部分用汉语加以强调。
每个专题内容的教学中，首先由教师给出具体的设计任务，以ITK示例程序作为基础理论指导，利用VC演示经典程序的编写调试过程，重点强调编程中的技术要点和中英对照专业术语，并对易错点进行提示。根据设计任务，鼓励学生在实现程序的基本功能基础上，加入自己对算法的理解和功能扩展，并请学生在课堂上对程序设计思路用英语进行讲解和交流。课后程序作业要求学生在程序编写时给出各种函数功能和关键语句的英文注释。
在医学图像配准、分割专题的教学中，让学生分析查阅中英文献资料，结合自己今后的科研方向制作简单的软件实现配准、分割的常用算法。在这些专题中组织学生进行英文口头报告和学术讨论。对于功能模块较复杂的程序，让学生自由分组，注重培养学生团队协作精神和个性特长的发挥。
3.教材建设
目前该课程没有指定的正式出版教材，在实践教学中主要采用自编的上机指导讲义《上机指导说明书》，课堂教学环节中主要从ITK和VC实现图像处理两个方面为学生提供了相应的英文学习资料和参考书。
结合该课程的专业特色和注重上机操作环节的特点，在优化中英对照教学内容的基础上，编写本课程双语教学讲义。讲义内容涉及中英对照的医学图像处理相关基本概念和术语、ITK程序运行步骤及结果分析中文注释、ITK专业术语中英对照详解、VC图像编程技巧要点等。由于该课程实践性强，在编写讲义的同时，对重要的教学内容和教学难点可以制作视频讲解的VCD光盘予以辅助。
三、双语课程建设的可行性
本课程教学内容是在了解学生知识水平和专业背景的前提下，结合我院生物医学工程中心各研究室的研究方向和主要工作而安排的。针对VC开发平台和ITK教学示例程序及注解均为英语的特点，后续教学中可以做到对双语教学内容结构的进一步完善和调整，从而达到提高教学效果的目的。
尽管目前本课程尚无可供使用的正式出版教材，但已有适应学生学习水平的相关中英文参考资料和申请者编写的学生上机实验指导书和讲义，后续建设中编写与中文对照的英文讲义是完全可行的。
选修该课程的生物医学工程专业学生人数相对固定，课堂教学过程便于控制。授课对象具备良好的英语基础和专业知识，具备双语教学的接受水平和理解能力。因此可以探索更为合理的双语教学模式，从而充分发挥学生学习的积极性，培养研究生利用英语查阅文献和学习的研究能力，提高其国际交流水平。充分发挥本课程教学内容和参考资料为英文的优势，让学生在该课程的学习中对利用英语进行科研的训练得以实现。
本课程教学团队的师资力量和业务素质达到了对“生物医学图像编程实现技术”进行双语课程建设的基本要求。笔者曾赴英国华威大学参加了校青年骨干教师出国培训，口语流利，专业基础知识扎实；为生物医学工程专业本科生主讲“Visual Basic程序设计”（双语）课程，具有为该专业学生讲授计算机类课程的双语教学经验，了解该专业学生在学习计算机类课程时的知识水平和心理特点；多年从事生物医学图像处理领域的科研工作，查阅并收集了大量英文文献，在各章节的教学中为学生提供了丰富的英文学习资源。
本课程隶属生物医学工程专业硕士生计算机类选修课。我院设有生物医学工程一级学科博士学位、硕士学位授权点，该学科是北京市重点建设学科。生物医学工程中心下设2个生物电子与仪器研究室，1个生物力学与仿真工程研究室。生物医学图像处理是生物医学工程领域的主要研究方向之一，上述研究室均开展了涉及生物医学图像处理的研究工作，可为本课程的实践教学环节提供科研实践训练环境；此外，产学研基地还可吸纳学生进行与图像处理相关课题的编程创新训练。我院与美国桑利尼亚州立大学签订了联合培养协议，为开展双语教学提供了有利的国际学习和交流条件。
四、展望
为推进国际化教育进程，研究生课程建设应积极做到与国际化接轨。“生物医学图像编程实现技术”以提高学生图像处理的编程水平为基本出发点，结合当前该课程的教学现状，在教学内容和教学方式等方面都有望实现双语化。通过借鉴相关计算机类课程双语教学的宝贵经验，不断进行总结，从而实现预期教学目标，切实提高研究生的实践能力和研究水平。
参考文献：
[1]曹东云.影响高校双语教学效果的学生、教师因素调查研究[J].教育探究，2010，（5）.
[2]饶岚，毛新军，宁洪.双语课程教学模式的研究与实践[J].高等教育研究学报，2010，（33）.
[3]苏晓云.地方高校双语教学课程质量保障体系的研究与实践[J].中国电力教育，2010，（19）.
生物医学工程发展趋势范文第4篇
纵观当今生物医学领域跨学科组织，公认的跨学科研究和教育的先驱和典范当数美国哈佛大学与麻省理工学院(MIT)合作成立的“哈佛-MIT健康科学技术学部”(TheHarvard-MITDivisionorHealthSciencesandTechnology，HST)，现又称为怀特健康科学技术学院［2］。HST是哈佛大学和MIT在生物医药工程等学科方面进行合作而成立的跨学科组织。哈佛大学充分利用MIT交叉学科的优势，以通过跨领域合作改善人类健康为研究宗旨，主要在生物医学成像、生物医学信息与综合生物学、再生和机能生物医学技术等研究领域进行合作。这些领域的合作研究将对生物和健康知识的进步发挥出至关重要的作用。MIT自20世纪60年代进入大规模的跨学科研究时代，如今已拥有70余个跨学科研究中心和研究组织，如雷达研究组织、HST、计算机系统生物学研究所(ComputationalandSystemBiologyInitiative，CSBi)等［3］，并在5个学院内部以及学院之间构成不同形式、不同层次相互交叉的跨学科研究体系，为美国重大战略性科学和技术的创新和发展做出了巨大的贡献。其中，2003年成立的CSBi，作为MIT最具代表性的虚拟跨学科组织，是MIT最大的跨学科组织之一，其教育与科研成果在美国乃至全世界都达到了领先地位。CSBi主要通过特定的技术平台把MIT的三个关键学科领域，即生物学、计算机科学和工学三者交叉融合而展开大型跨学科项目合作研究，运用跨学科研究方法对复杂的生物现象进行系统分析与计算机建模，同时培养相关领域跨学科人才。在世界大学跨学科研究领域，美国斯坦福大学“Bio-X”研究中心(又名“Bio-X”跨学科研究计划)，已经成为跨学科研究的典范，尤其是开启了生物学交叉学科研究的一个新时代，在生命科学跨学科研究领域已成为一个著名“品牌”［4］。
美国斯坦福大学“Bio-X”研究中心创立于1998年的一个跨学科研究和教育项目，主要涉及生物工程、生物医学、生物科学三大领域，跨越文理学院、工程学院和医学院三大学院。其实质就是一个由生命科学与数学、物理、化学、工程学、医学、计算机科学等学科的多学科交叉研究机构［5］。Bio-X研究中心将基础、应用和临床科学中的边缘研究结合在一起，进行从分子到机体各个层次的生物物理学研究，以实现生物工程、生物医学、生命科学等领域新的发现和技术创新。发展至今，研究中心已取得包括成功破译人类遗传基因密码，发展观测人体细胞在人体中如何活动的技术等众多的开创性成果，使硅谷的这所名牌大学在科学发现和教学方面处于领先地位。在欧洲，英国1990年已设立了包括牛津的分子科学与分子医学等17个研究中心［6］。2001年，牛津大学和剑桥大学牵头成立了由英国政府的工程和物理科学研究委员会、生物科学技术研究委员会、医学研究委员会和国防部共同组成的纳米技术跨学科研究伙伴机构(IRC)，开展了前沿生物纳米技术方面的研究。德国慕尼黑工业大学(TUM)以工程、自然科学、生命与食品科学、医学与运动科学等优势领域，建立了与生命科学、营养和食品科学、生命技术学、生物信息学和医学等学科的强有力的跨学科合作。
纵观世界一流大学跨学科组织建设与管理，具有以下共性特点:①政府、学校宏观政策的支持是跨学科组织发展的保障基石。如美国国家科学院协会2004年发表了《促进交叉学科研究》报告;哈佛大学就曾明文对该校跨学科动议项目的政策扶持作了规定。②组织结构与管理合理，强调多学科组织的强强联合、优势互补的组织合作，如MIT与哈佛大学共同合作的“哈佛－MIT健康科学技术学部”。③注重跨学科研究和教育的协同发展，如美国的HST就是主要通过研究影响疾病与保健的基础原理，开发新的药物与仪器，致力于培养医师-科学家，通过跨领域合作改善人类健康。④提供跨学科研究经费，如美国国立卫生研究院(NIH)作为美国联邦政府最大的生物医学研究机构，强调对多学科、跨学科和多机构联合的医学研究项目的资助，如2007年就给9个科学研究联合体提供了2．1亿美元的研究经费［7］。⑤多样化的激励措施，重视奖金发放和提供实践机会等。
2我国大学生物医学跨学科组织建设与发展
我国学科交叉研究萌生于20世纪50年代，而80年代初召开“首届交叉科学学术讨论会”，基本就被认定为我国跨学科研究的全面展开。到20世纪90年代，我国大学关于跨学科研究的建制开始引人关注。特别是我国“985”二期工程，为突出重大科学问题和现实问题引导，凝聚了不同学科背景的研究者开展跨学科研究，着力建设了一批创新平台。目前“985工程”科技创新平台与基地是我国大学跨学科研究的重要组织形式，其中就包括大批生物学与医学创新平台的实体机构。2000年，北京大学成立了生物医学跨学科研究中心。多年来，该中心将基础科学、技术应用和临床科学的前沿研究结合在一起，形成了以单细胞原位实时微纳米检测与表征研究，数字化诊疗仪器技术研究，医学信号与图像分析研究，大气压低温等离子体生物学效应及医学应用研究等四大主要研究方向，建立了跨学科的实验室和研究平台，组织了30余个跨学科研究项目，取得了系列跨学科研究成果［8］。
同时，该中心注重各有关学科优势互补、相互合作，对来自生命科学、物理化学、基础医学等基础学科，以及来自电子学、计算机技术、生物医学工程、临床医学等众多应用和工程学科的研究生，开展生物医学工程跨学科前沿领域的研究和人才培养，形成了新的学科生长点，培养出了具有交叉学科背景的新型人才。2006年，北京大学成立了前沿交叉学科研究院。生物医学跨学科研究中心至此成为前沿交叉学科研究院的研究中心之一。2010年，基于系统生物学的研究现状、发展趋势及其广阔的应用前景和重大的现实意义，北京大学建立了系统生物医学研究所。该研究所注重复杂系统的研究和学科交叉，并且与环境因素相结合，主要针对重大疾病，如肿瘤、心脑血管疾病、代谢性疾病等研究领域作为重点和突破点进行系统生物学研究［9］。2004年，清华大学顺应跨学科研究趋势，改革科研体制，通过将分散于全校各院系的有关生命科学、医学及相关的工程学科统一组织和协调起来，重点支持和建立了包括“清华大学生命科学与医学研究院”在内的若干研究所(或研究平台)，加强和促进生命科学与医学的发展及其与其它工程学科间的交叉合作［10］。
同年，复旦大学组建生物医学研究院。作为国家“985工程”二期建设的科技创新平台，目前研究院以“转化医学”为目标，形成了包括疾病系统生物学、出生缺陷与发育生物学、疾病发生的分子机制、创新药物和结构生物学等主要研究方向和研究团队，建设了功能蛋白质组学、基因组学、癌症研究、心血管研究、分子与细胞生物学、药物与结构以及公共技术平台等10个技术平台，建立了基础科学与临床需求的紧密联系，为重大科研项目的实施和跨学科合作研究工作的开展提供了有力支撑［11］。此外，研究院重点把学校所属上海医学院、生命科学学院、化学系、药学院、公共卫生学院及相关附属医院等院系等有机地穿插在一起，在疾病蛋白质组学、化学生物学、生物化学与分子生物学、肿瘤学、干细胞生物学、分子药理学等专业培养研究生，开展跨学科研究生教育。2000年，上海交通大学成立“Bio-X生命科学研究基地”。2005年，与神经生物与人类造化学研究室重组成立“Bio-X生命科学研究中心”(现改为研究院)，是继美国斯坦福大学后的世界第二个、中国第一个Bio-X研究中心［12］。2007年，学校又成立了系统生物医学研究中心。
该中心是集生物、医学、物理、工程、数学、信息、计算等不同学科，集研究、教育、开发及服务于一体的生物医学研究与开发的公共技术平台。中心立足于以系统生物学的方法为基础，致力于在生物整体水平、细胞和发育生物学以及单细胞分析领域开展多学科交叉融合的系统生物医学研究。同年，随着原上海第二医科大学的并入，上海交通大学成立了Med-X研究院。Med-X研究院主要依托学校临床医学学科和理工科优势，涉及生物医学工程、生物学、影像医学与核医学、材料科学与工程四个研究领域，以解决临床医学问题为目标导向，进行前沿性医学科学研究，开发高尖端领先性医疗技术产品，构建国际化、多学科交融、多资源共享、多方位服务的开放式医学应用研究平台，建立医疗技术产品研发－技术转化－临床应用体系［13］。
3我国大学生物医学跨学科组织建设困境与借鉴
从建设与管理实践看，我国依托大学建立的跨学科研究中心正在遭遇重重困难和种种挑战，并突出体现在跨学科研究的管理体制和运行机制的障碍与缺失，跨学科研究的组织结构障碍与冲突，学科文化障碍与跨学科研究范式的缺失，跨学科研究的资源配置障碍与冲突，跨学科研究评价(利益)的障碍与冲突等方面。在管理体制和运行机制上，大学教师的跨学科研究意识还不强;大学现行的学术管理体制和运行机制对跨学科研究缺乏支撑力和推动力;行政权力与学术权力的失衡，竞争与合作的失衡，缺乏系统的执行架构和机制;缺乏跨学科研究改革与创新的切实措施和效率最大化的管理模式。在组织结构上，各学科仍相对封闭，跨学科研究的合作机制与条件缺失，学科间未能实现协调发展，跨学科组织内各要素尚不能完全产生协同作用，妨碍了跨学科组织系统的有序运行。在研究资源上，资源投入的主体和方式较为单一，力度小，持续性差，分散度较高，
生物医学工程发展趋势范文第5篇
2生物材料的类型与应用生物材料种类繁多,到目前为止,被详细研究过的生物材料已经超过一千种,在医学临床上广泛应用的也有几十种,涉及材料学科各个领域。依据不同的分类标准,可以分为不同的类型。
2.1以材料的生物性能为分类标准根据材料的生物性能,生物材料可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料四类。
2.1.1生物惰性材料生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定,不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料,主要是生物陶瓷类和医用合金类材料。由于在实际中不存在完全惰性的材料,因此生物惰性材料在机体内也只是基本上不发生化学反应,它与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种机械嵌联,即形态结合。生物惰性材料主要包括以下几类:(1)氧化物陶瓷主要包括氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷.氧化铝陶瓷中以纯刚玉及其复合材料的人工关节和人工骨为主,具体包括纯刚玉双杯式人工髋关节;纯刚玉—金属复合型人工股骨头;纯刚玉—聚甲基丙烯酸酯—钴铬钼合金铰链式膝关节,其他人工骨、人工牙根等。(2)玻璃陶瓷该材料主要用来制作部分人工关节。(3)Si3N4陶瓷该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨,目前还不能用作承重材料。(4)医用碳素材料它主要被作为制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人工关节等方面的材料。(5)医用金属材料该类材料是目前人体承重材料中应用最广泛的材料,在其表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性.同时它还能制作各类其他人体骨的替代物。
2.1.2生物活性材料生物活性材料是一类能诱出或调节生物活性的生物医学材料。但是,也有人认为生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质。现在,生物活性材料的概念已建立了牢固的基础,其应用范围也大大扩充.一些生物医用高分子材料,特别是某些天然高分子材料及合成高分子材料都被视为生物活性材料.羟基磷灰石是一种典型的生物活性材料。由于人体骨的主要无机质成分为该材料,故当材料植入体内时不仅能传导成骨,而且能与新骨形成骨键合。在肌肉、韧带或皮下种植时,能与组织密合,无炎症或刺激反应.生物活性材料主要有以下几类:
(1)羟基磷灰石,它是目前研究最多的生物活性材料之一,作为最有代表性的生物活性陶瓷—羟基磷灰石(简称HAP)材料的研究,在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注.羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]是脊椎动物骨和齿的主要无机成分,结构也非常相近,与动物体组织的相容性好、无毒副作用、界面活性优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料。因此可广泛应用于生物硬组织的修复和替换材料,如口腔种植、牙槽脊增高、耳小骨替换、脊椎骨替换等多个方面.另外,在HA生物陶瓷中耳通气引流管、颌面骨、鼻梁、假眼球以及填充用HA颗粒和抑制癌细胞用HA微晶粉方面也有广泛的应用.又因为该材料受到本身脆性高、抗折强度低的限制,因此在承重材料应用方面受到了限制.现在该材料已引起世界各国学者的广泛关注。目前制备多孔陶瓷和复合材料是该材料的重要发展方向,涂层材料也是重要分支之一。该类材料以医用为目的,主要包括制粉、烧结、性能实验和临床应用几部分。
(2)磷酸钙生物活性材料这种材料主要包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类.前者是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料,有望部分取代传统的PMMA有机骨水泥.国内研究抗压强度已达60MPa以上。后者具有一定的机械强度和生物活性,可用于无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料。
(3)磁性材料生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料,它属于功能性活性生物材料的一种。把它植入肿瘤病灶内,在外部交变磁场作用下,产生磁滞热效应,导致磁性材料区域内局部温度升高,借以杀死肿瘤细胞,抑制肿瘤的发展。动物实验效果良好。
(4)生物玻璃生物玻璃主要指微晶玻璃,包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃两类。目前关于该方向的研究已成为生物材料的主要研究方向之一。
2.1.3生物降解材料所谓可降解生物材料是指那些在被植入人体以后,能够不断的发生分解,分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料,主要包括β-TCP生物降解陶瓷和生物陶瓷药物载体两类,前者主要用于修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损,而后者主要用作微药库型载体,可根据要求制成一定形状和大小的中空结构,用于各种骨科疾病。
2.1.4生物复合材料生物复合材料又称为生物医用复合材料,它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料,并且与其所有单体的性能相比,复合材料的性能都有较大程度的提高的材料。制备该类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。该类材料主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造,它除应具有预期的物理化学性质之外,还必须满足生物相容性的要求,这里不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求,而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。按基材分生物复合材料可分为高分子基、金属基和陶瓷基三类,它们既可以作为生物复合材料的基材,又可作为增强体或填料,它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料,利用生物技术,一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医学材料,大大改善了其生物学性能,并可使其具有药物治疗功能,已成为生物医学材料的一个十分重要的发展方向,根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平,它又可分为近于生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等几种类型。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料,生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。
2.2以材料的属性为分类标准
2.2.1生物医用金属材料生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金,又称外科用金属材料或医用金属材料,是一类惰性材料,这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛,及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面,除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外,优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变,前者可能导致毒副作用,后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外,还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。
2.2.2生物医用高分子材料医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料,也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源,该材料除应满足一般的物理、化学性能要求外,还必须具有足够好的生物相容性。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。对于前者,要求其在生物环境中能长期保持稳定,不发生降解、交联或物理磨损等,并具有良好的物理机械性能。并不要求它绝对稳定,但是要求其本身和少量的降解产物不对机体产生明显的毒副作用,同时材料不致发生灾难性破坏。该类材料主要用于人体软、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、粘接剂和管腔制品等方面。这类材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等.而可降解型高分子主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它们可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变,其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外,主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置.按使用的目的或用途,医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组织等修复材料。用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好,不破坏红细胞、血小板,不改变血液中的蛋白并不干扰电解质等。
2.2.3生物医用无机非金属材料或称为生物陶瓷。生物医用非金属材料,又称生物陶瓷。包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定,具有良好的生物相容性。一般来说,生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三类。其中惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷在前面已经简要作了介绍,而功能活性生物陶瓷是近年来提出的一个新概念.随着生物陶瓷材料研究的深入和越来越多医学问题的出现,对生物陶瓷材料的要求也越来越高。原先的生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的,强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性,而现在组织电学适应性和能参与生物体物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。因此,又提出了功能活性生物材料的概念。它主要包括以下两类:(1)模拟性生物陶瓷材料该类材料是将天然有机物(如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等)和无机生物材料复合,来模拟人体硬组织成分和结构,以改善材料的力学性能和手术的可操作性,并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性。(2)带有治疗功能的生物陶瓷复合材料该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点,使压电陶瓷与生物活性陶瓷复合,在进行骨置换的同时,利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。具体来说是由于肿瘤中血管供氧不足,当局部被加热到43~45℃时,癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将铁氧体与生物活性陶瓷复合,填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位,利用外加交变磁场,充填物因磁滞损耗而产生局部发热,杀死癌细胞,又不影响周围正常组织。现在,功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段,临床应用鲜有报道,但其发展应用前景是很光明的。各种不同种类的生物陶瓷的物理、化学和生物性能差别很大,在医学领域用途也不同.尤其是功能活性陶瓷更有不可估量的发展前途.临床应用中,生物陶瓷存在的主要问题是强度和韧性较差.氧化铝、氧化锆陶瓷耐压、耐磨和化学稳定性比金属、有机材料都好,但其脆性的问题也没有得到解决。生物活性陶瓷的强度则很难满足人体承力较大部位的需要。
2.2.4生物医用复合材料此类材料在2.1.4中已有介绍,此处不再详述
2.2.5生物衍生材料生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材
料,也称为生物再生材料.生物组织可取自同种或异种动物体的组织.特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的轻微处理,以及拆散原有构型、重建新的物理形态的强烈处理.由于经过处理的生物组织已失去生命力,生物衍生材料是无生命力的材料.但是,由于生物衍生材料或是具有类似于自然组织的构型和功能,或是其组成类似于自然组织,在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用.主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等.
3.生物材料的性能评价目前关于生物材料性能评价的研究主要集中在生物相容性方面.因为生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题.它是指生命体组织对生物材料产生反应的一种性能,该材料既能是非活性的又能是活性的.一般是指材料与宿主之间的相容性,包括组织相容性和血液相容性.现在普遍认为,生物相容性包括两大原则,一是生物安全性原则,二是生物功能性原则.生物安全性是植入体内的生物材料要满足的首要性能,是材料与宿主之间能否结合完好的关键.关于生物材料生物学评价标准的研究始于20世纪70年代,目前形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架.国际标准化组织(ISO)以10993编号了17个相关标准,同时对生物学评价方法也进行了标准化.迫于现代社会动物保护和减少动物试验的压力,国际上各国专家对体外评价方法进行了大量的研究,同时利用现代分子生物学手段来评价生物材料的安全性、使评价方法从整体动物和细胞水平深入到分子水平.主要在体外细胞毒性试验、遗传性和致癌性试验以及血液相容性评价方法等方面进行了一些研究.但具体评价方法和指标都未统一,更没有标准化.随着对生物材料生物相容性的深入研究,人们发现评价生物材料对生物功能的影响也很重要.关于这一方面的研究主要是体外法。具体来说侧重于对细胞功能的影响和分子生物学评价方面的一些研究。总之,关于生物功能性的原则是提出不久的一个新的生物材料的评价方面,它必将随着研究的不断深入而向前发展.而涉及材料的化学稳定性、疲劳性能、摩擦、磨损性能的生物材料在人体内长期埋植的稳定性是需要开展评价研究的一个重要方面。
4生物材料的发展趋势展望生物材料科学是20世纪新兴学科中最耀眼的新星之一。现在,生物材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关,还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料,以达到与生物组织的有机连接。并随着生命科学和材料科学的发展,生物材料必将走向功能性半生命方向。生物材料的临床应用已从短期的替换和填充发展成永久性牢固种植,并与其它高科技(如电子技术、信息处理技术)相结合,制备富有应用潜力的医疗器械。生物材料的研究在世界各国也日益受到重视.四年一次的世界生物材料大会代表着国际上生物材料研究的发展动态和目前的水平。分析认为,以下几个方面是生物材料今后研究发展的几个主要方向:
(1)发展具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的,能参与人体能量和物质交换产生相互结合的功能性活性生物材料,将成为生物材料研究的主要方向之一。
(2)把生物陶瓷与高分子聚合物或生物玻璃进行二元或多元复合,来制备接近人体骨真实情况的骨修复或替代材料将成为研究的重要方向之一。
(3)制备接近天然人骨形态的、纳微米相结合的、用于承重的、多孔型生物复合材料将成为方向之一。
(4)用于延长药效时间、提高药物效率和稳定性、减少用量及对机体的毒副作用的药物传递材料将成为研究热点之一。
(5)血液相容性人工脏器材料的研究也是突破方向之一。
(6)如何能够制备出纳米尺寸的生物材料的工艺以及纳米生物材料本身将成为研究热点之一。
