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大數(shù)據(jù)時代下的生物醫(yī)學工程學科發(fā)展論文
生物醫(yī)學工程學是融合理工科學和生物醫(yī)學的理論和方法逐步成長起來的邊緣性學科，其基本任務是運用理工科原理和工程技術方法，研究和解決醫(yī)學和生物學中的相關問題。作為一門獨立學科發(fā)展的歷史尚不足50年，隨著現(xiàn)代科學技術的進步，生物醫(yī)學工程學科得到了長足的發(fā)展。它在保障人類健康和推進疾病的預防、診斷、治療、康復等技術進步所起的作用日益增強，已經(jīng)成為當前醫(yī)療衛(wèi)生健康發(fā)展的重要基礎和有力技術支撐。
20世紀60年代，美國一些著名大學先后開啟了生物醫(yī)學工程學科的建設，相繼啟動了生物醫(yī)學工程專業(yè)人才的培養(yǎng)。美國的生物醫(yī)學工程教育特點是在技術產(chǎn)業(yè)化需求驅(qū)動建立起來的具有其自身特性，且反映了生物醫(yī)學工程學科建設與發(fā)展的前沿特征。各個學校的本科教育課程雖然具有自己的特色，但在課程設置上大致可以分為科學基礎課程、專業(yè)核心課程、關注領域課程、設計課程、人文與社會科學課程、專業(yè)選修課程及其他選修課程等六類。不同學校本科課程的主要差異體現(xiàn)在專業(yè)選修課程及其他選修課程的設置上，各個學校根據(jù)自身的生物醫(yī)學工程領域的研究方向和研究水平特點開設一些相應的選修課程，并培養(yǎng)學生在相應方向上的研究探索實踐能力。這是美國生物醫(yī)學工程本科教育的基本特點。
我國生物醫(yī)學工程專業(yè)教育起步于20世紀80年代，主要發(fā)源于著名工科院校的信息技術類專業(yè)和力學專業(yè)，進而逐漸形成的生物醫(yī)學工程專業(yè)教育，后來，一些醫(yī)學院校在醫(yī)學物理和醫(yī)用計算機技術的基礎上相繼開展了生物醫(yī)學工程專業(yè)教育，于是在我國基本上形成了這樣兩種類型的生物醫(yī)學工程學科。上述兩類院校的生物醫(yī)學工程學科建設發(fā)展模式各具側(cè)重，遵循了共同的學科基礎，在培養(yǎng)生物醫(yī)學工程專業(yè)人才的應用層面上有顯著特點。相對來說，工科院校的生物醫(yī)學工程培養(yǎng)模式注重工程技術的開發(fā)和功能拓展，醫(yī)科院校則注重醫(yī)學與工程結(jié)合、工程技術在醫(yī)學中的綜合應用。
1.中國生物醫(yī)學工程學科發(fā)展思路
生物醫(yī)學工程是一種交叉學科，交叉的學科基礎及其融合的緊密程度決定了生物醫(yī)學工程學科的發(fā)展水平，交叉的學科發(fā)展推動著生物醫(yī)學工程學科的發(fā)展，并且使得生物醫(yī)學工程學科研究領域變得十分廣泛，而且處在不斷發(fā)展之中。
1.1 學科發(fā)展軌跡
在中國，基于電子信息工程發(fā)展而來的生物醫(yī)學工程學科，主要包括生物醫(yī)學儀器、生物醫(yī)學信號檢測與處理、生物醫(yī)學信息計算分析、生物醫(yī)學成像及圖像處理分析、生物醫(yī)學系統(tǒng)建模與仿真、臨床治療與康復的工程優(yōu)化方法、手術規(guī)劃圖像仿真以及圖像導引手術及放療優(yōu)化等；有基于力學發(fā)展而來的生物醫(yī)學工程學科，主要包括生物流體力學、生物固體力學、運動生物力學、計算生物力學和微觀尺度的細胞生物力學等；基于化學材料工程發(fā)展而來的生物醫(yī)學工程學科，主要包括生物材料學、組織工程與人工器官、物理因子的生物化學效應等。
1.2 學科發(fā)展特點
作為交叉學科的生物醫(yī)學工程學科，其發(fā)展的關鍵在于交叉學科間的交叉融合。構(gòu)建一種良好的交叉結(jié)構(gòu)，對推動交叉學科的發(fā)展具有至關重要的作用。約翰霍普金斯大學對于生物醫(yī)學工程這樣的交叉學科的描述有一個形象的說法：交叉學科如同在不同學科之間建立起連接橋梁，如果在河兩岸沒有堅實的基礎，橋是無法建立好的，對于生物醫(yī)學工程這樣一座建立在兩個不同學科之間的橋來說，它的發(fā)展要求具有堅實的交叉學科基礎和交叉學科緊密融合深度。那么在生物醫(yī)學工程學科構(gòu)建良好的交叉結(jié)構(gòu)，需要選取具有理論支撐和技術支撐的主干學科進行交叉，凝練學科方向，不能大而全，過于寬泛。
目前，醫(yī)學儀器和醫(yī)學成像技術具有良好的應用和發(fā)展前景，應該成為生物醫(yī)學工程學科的重點發(fā)展方向。醫(yī)學儀器和醫(yī)學成像設備能有力推動醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。醫(yī)療儀器和醫(yī)學成像設備是現(xiàn)代醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)中的主流產(chǎn)品，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起著主導和引領作用。其發(fā)展水平已成為一個國家綜合經(jīng)濟技術實力與水平的重要標志之一。產(chǎn)業(yè)化驅(qū)動也是學科發(fā)展的一種動力，也為學生未來職業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎�；卺t(yī)療衛(wèi)生健康事業(yè)的需求和生命科學發(fā)展的大趨勢，生物醫(yī)學工程學科應大力促進醫(yī)學儀器和醫(yī)學成像方法的學科建設，從而提升整個學科的發(fā)展水平。
生物醫(yī)學工程學科的建設離不開一流的學術研究和學術成果的應用。一流的學術研究不但能提升學科的發(fā)展水平，而且能開拓學科縱深發(fā)展，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益，進而增強學科服務社會發(fā)展的能力。學術研究的前瞻性和創(chuàng)新性將確保學科建設的發(fā)展動力和趨勢以及學科發(fā)展的活力。
交叉學科往往具有不同程度的可替代性。可替代性程度越高，交叉學科存在的必要性就越小。如何減小生物醫(yī)學工程學科可替代性的程度是需要深入思考的，是需要提升學科的特異性的。生物醫(yī)學工程學的學術研究主要包括應用理論研究和理論應用研究，應用理論研究主要涉及生物醫(yī)學工程領域所需要解決的科學問題，開展新理論、新方法的研究。理論應用研究主要涉及生物醫(yī)學工程領域所需要解決的科學和技術問題，借助理工科的相關理論和方法開展應用基礎研究和應用研究。應用理論研究是理論驅(qū)動型的學術研究，理論應用研究是應用驅(qū)動型的學術研究。理論驅(qū)動型和應用驅(qū)動型是生物醫(yī)學工程學科學術研究的兩種主要模式。理工科大學具有良好的理論創(chuàng)新基礎和強大的交叉的學科背景，開展理論驅(qū)動型研究具有自身優(yōu)勢。醫(yī)學院校具有豐富的醫(yī)學資源，面臨著大量需要應用理工知識解決的醫(yī)學問題，開展應用驅(qū)動型研究，將很好地實現(xiàn)與醫(yī)學的應用融合，具有較好的臨床應用價值，有力推進醫(yī)學的進步與發(fā)展。各自的學術優(yōu)勢將有利于生物醫(yī)學工程學科特色發(fā)展，從而增強其不可替代的程度，實現(xiàn)學科可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。
1.3 學科體系
作為一級學科的生物醫(yī)學工程，包含學科的理論體系和技術體系，且該體系離不開所交叉的學科的理論體系和技術體系的支撐，此外生物醫(yī)學工程學科理論體系和技術體系既要有學科自身的特色，又要具有可持續(xù)發(fā)展和一定程度上的不可替代性，這樣學科才會有旺盛的生命力。要面向醫(yī)療衛(wèi)生、生物科學所涉及的重大、重要技術理論問題及基礎應用開展學術研究。實現(xiàn)良好的學術研究定位，形成自己的理論體系和技術體系。
2.大數(shù)據(jù)時代的生物醫(yī)學工程學科發(fā)展
守正創(chuàng)新是生物醫(yī)學工程學科發(fā)展的必由之路，人類已進入大數(shù)據(jù)時代，所謂大數(shù)據(jù)（bigdata），或稱海量數(shù)據(jù)，是指由于數(shù)據(jù)容量太龐大和數(shù)據(jù)來源過于復雜，無法在一定時間內(nèi)用常規(guī)工具軟件對其內(nèi)容進行獲取、管理、存儲、檢索、共享、傳輸、挖掘和分析處理的數(shù)據(jù)集。大數(shù)據(jù)具有“4V”特征：
�、贁�(shù)據(jù)容量（volume）大；
�、跀�(shù)據(jù)種類（variety）多，常常具有不同的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)來源；
�、蹌討B(tài)變化快，如各種動態(tài)數(shù)據(jù)，非平穩(wěn)數(shù)據(jù)，時效性要求高；
�、芸茖W價值（value）大，盡管目前利用率低，卻常常蘊藏著新知識和重要特征價值或具有重要預測價值。大數(shù)據(jù)是需要新的分析處理模式才能挖掘分析出其蘊藏的重要特征信息[6。
人體生老病死的生命過程就是一個不斷涌現(xiàn)的生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)發(fā)生源，這種源源不斷的生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)的檢測、處理與分析，將給生物醫(yī)學工程學科的建設與發(fā)展帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。模式識別、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘和機器學習的發(fā)展將帶動大數(shù)據(jù)處理技術的進步。生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)廣泛涉及人類醫(yī)療衛(wèi)生健康相關的各個領域：臨床醫(yī)療、基礎醫(yī)學、公共衛(wèi)生、醫(yī)藥研發(fā)、臨床工程、心里、行為與情緒、人類遺傳學與組學、基因和蛋白質(zhì)組學、遠程醫(yī)療、健康網(wǎng)絡信息等，可謂包羅萬象，紛繁復雜。生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)中蘊藏了種種有科學價值的信息，研究有效的大數(shù)據(jù)挖掘的新理論、新技術和新方法，對生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)進行關聯(lián)和融合計算分析，充分挖掘生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)中的信息關聯(lián)和特征關聯(lián)和數(shù)據(jù)空間映射關聯(lián)，既能為疾病的預防、發(fā)生發(fā)展、診斷和治療康復提供系統(tǒng)化的全新的認識，有利于深入疾病機理研究分析，開展個性化診療。還可以通過整合系統(tǒng)生物學與臨床數(shù)據(jù)，更準確地預測個體患病風險和預后，有針對性地實施預防和治療。
生物醫(yī)學工程學科所面臨的生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)主要包括多模態(tài)醫(yī)學影像數(shù)據(jù)、多種類醫(yī)學信號數(shù)據(jù)以及基因和蛋白質(zhì)組學的生物信息數(shù)據(jù)。生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)在生物醫(yī)學工程學科領域內(nèi)有著廣泛深遠的應用前景，從三個方面應用將推動生物醫(yī)學工程學科的發(fā)展。
（1）開展多模態(tài)影像大數(shù)據(jù)計算分析。醫(yī)學影像學科的發(fā)展從早期看得到，到看得清，目前的看得準，未來的趨勢是看得早。只有看得準和看得早才有利于臨床早期干預，提高治療預期。醫(yī)學影像大數(shù)據(jù)計算分析在影像診斷、手術計劃、圖像導引、遠程醫(yī)療和病程跟蹤將發(fā)揮越來越大的作用。
建立新的醫(yī)學影像大數(shù)據(jù)計算分析模型和數(shù)值計算方法，挖掘多模態(tài)影像數(shù)據(jù)的特征數(shù)據(jù)和特征關聯(lián)，將會提供強有力的影像診斷分析手段，極大地推動影像技術的發(fā)展，具有重要的臨床應用價值和科學價值。
（2）開展多種類醫(yī)學信號大數(shù)據(jù)計算分析。醫(yī)學信號大多直接產(chǎn)生于生理和病理過程中的信號，能在不同層面上表達生理和病理相關機制特征。融合多種醫(yī)學信號的大數(shù)據(jù)計算分析，能對生理病理過程進行更好更全面的闡釋，不僅能深入了解生理病理的狀態(tài)特征和過程特征，而且能實現(xiàn)個體健康監(jiān)測和管理�？梢院芎玫亻_展回顧性研究和前瞻性研究，推進系統(tǒng)化的醫(yī)學應用研究。實現(xiàn)強大的多種醫(yī)學信號數(shù)據(jù)的特征挖掘及特征關聯(lián)計算分析。大數(shù)據(jù)挖掘能夠增加準確度和發(fā)現(xiàn)弱關聯(lián)的能力，能更好地認識生理病理現(xiàn)象和本質(zhì)。
（3）開展基因和蛋白質(zhì)組學的生物信息大數(shù)據(jù)計算分析。基因組學、蛋白質(zhì)組學、系統(tǒng)生物學和比較基因組學的不斷發(fā)展涌現(xiàn)了海量的需要計算分析的生物信息數(shù)據(jù)，已進入計算系統(tǒng)生物學的時代。開展生物信息大數(shù)據(jù)計算分析，可以拓展組學研究及不同組學間的關聯(lián)研究。從環(huán)境交互、個體生活方式、心里行為等暴露組學，至細胞分子水平上的基因組學、表觀組學、轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學、基因蛋白質(zhì)調(diào)控網(wǎng)絡，再到人類健康和疾病狀態(tài)的表型組學等不同層面不同方向上實現(xiàn)大規(guī)模的關聯(lián)計算分析，可以全面闡述生命過程機制，挖掘生命過程特征及關聯(lián)特征。
3.結(jié)論
醫(yī)學和生命科學的不斷進步與發(fā)展，需要生物醫(yī)學工程學科的深度介入和支撐。開展理論驅(qū)動型和應用驅(qū)動型生物醫(yī)學工程學科學研究，將更好地促進生物醫(yī)學工程學科發(fā)展，增強生物醫(yī)學工程學科的生命力。發(fā)揮工程優(yōu)勢，加強醫(yī)工結(jié)合，支撐醫(yī)學發(fā)展，將增強生物醫(yī)學工程學科的科學價值和醫(yī)學價值，更好地開展生物醫(yī)學工程技術向更深層的臨床醫(yī)學基礎醫(yī)學實踐服務，進一步推動臨床醫(yī)學診療及康復水平的提高。生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)時代的到來，迫切需要生物醫(yī)學工程學科的特色發(fā)展。在大數(shù)據(jù)時代生物醫(yī)學工程學科的科學研究方式將從假設驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動，將有利于醫(yī)學和生命科學的數(shù)據(jù)特征關聯(lián)研究。
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