大數(shù)據(jù)時(shí)代下的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展論文

　　生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是融合理工科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的理論和方法逐步成長(zhǎng)起來的邊緣性學(xué)科，其基本任務(wù)是運(yùn)用理工科原理和工程技術(shù)方法，研究和解決醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中的相關(guān)問題。作為一門獨(dú)立學(xué)科發(fā)展的歷史尚不足50年，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。它在保障人類健康和推進(jìn)疾病的預(yù)防、診斷、治療、康復(fù)等技術(shù)進(jìn)步所起的作用日益增強(qiáng)，已經(jīng)成為當(dāng)前醫(yī)療衛(wèi)生健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)和有力技術(shù)支撐。

　　20世紀(jì)60年代，美國(guó)一些著名大學(xué)先后開啟了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的建設(shè)，相繼啟動(dòng)了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)。美國(guó)的生物醫(yī)學(xué)工程教育特點(diǎn)是在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化需求驅(qū)動(dòng)建立起來的具有其自身特性，且反映了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的前沿特征。各個(gè)學(xué)校的本科教育課程雖然具有自己的特色，但在課程設(shè)置上大致可以分為科學(xué)基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程、關(guān)注領(lǐng)域課程、設(shè)計(jì)課程、人文與社會(huì)科學(xué)課程、專業(yè)選修課程及其他選修課程等六類。不同學(xué)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(shè)置上，各個(gè)學(xué)校根據(jù)自身的生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究方向和研究水平特點(diǎn)開設(shè)一些相應(yīng)的選修課程，并培養(yǎng)學(xué)生在相應(yīng)方向上的研究探索實(shí)踐能力。這是美國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程本科教育的基本特點(diǎn)。

　　我國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育起步于20世紀(jì)80年代，主要發(fā)源于著名工科院校的信息技術(shù)類專業(yè)和力學(xué)專業(yè)，進(jìn)而逐漸形成的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育，后來，一些醫(yī)學(xué)院校在醫(yī)學(xué)物理和醫(yī)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上相繼開展了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育，于是在我國(guó)基本上形成了這樣兩種類型的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科。上述兩類院校的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科建設(shè)發(fā)展模式各具側(cè)重，遵循了共同的學(xué)科基礎(chǔ)，在培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的應(yīng)用層面上有顯著特點(diǎn)。相對(duì)來說，工科院校的生物醫(yī)學(xué)工程培養(yǎng)模式注重工程技術(shù)的開發(fā)和功能拓展，醫(yī)科院校則注重醫(yī)學(xué)與工程結(jié)合、工程技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的綜合應(yīng)用。

　　1.中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展思路

　　生物醫(yī)學(xué)工程是一種交叉學(xué)科，交叉的學(xué)科基礎(chǔ)及其融合的緊密程度決定了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展水平，交叉的學(xué)科發(fā)展推動(dòng)著生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展，并且使得生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究領(lǐng)域變得十分廣泛，而且處在不斷發(fā)展之中。

　　1.1 學(xué)科發(fā)展軌跡

　　在中國(guó)，基于電子信息工程發(fā)展而來的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，主要包括生物醫(yī)學(xué)儀器、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理、生物醫(yī)學(xué)信息計(jì)算分析、生物醫(yī)學(xué)成像及圖像處理分析、生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)建模與仿真、臨床治療與康復(fù)的工程優(yōu)化方法、手術(shù)規(guī)劃圖像仿真以及圖像導(dǎo)引手術(shù)及放療優(yōu)化等；有基于力學(xué)發(fā)展而來的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，主要包括生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、計(jì)算生物力學(xué)和微觀尺度的細(xì)胞生物力學(xué)等；基于化學(xué)材料工程發(fā)展而來的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，主要包括生物材料學(xué)、組織工程與人工器官、物理因子的生物化學(xué)效應(yīng)等。

　　1.2 學(xué)科發(fā)展特點(diǎn)

　　作為交叉學(xué)科的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，其發(fā)展的關(guān)鍵在于交叉學(xué)科間的交叉融合。構(gòu)建一種良好的交叉結(jié)構(gòu)，對(duì)推動(dòng)交叉學(xué)科的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。約翰霍普金斯大學(xué)對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程這樣的交叉學(xué)科的描述有一個(gè)形象的說法：交叉學(xué)科如同在不同學(xué)科之間建立起連接橋梁，如果在河兩岸沒有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，橋是無法建立好的，對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程這樣一座建立在兩個(gè)不同學(xué)科之間的橋來說，它的發(fā)展要求具有堅(jiān)實(shí)的交叉學(xué)科基礎(chǔ)和交叉學(xué)科緊密融合深度。那么在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)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(shù)支撐的主干學(xué)科進(jìn)行交叉，凝練學(xué)科方向，不能大而全，過于寬泛。

　　目前，醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景，應(yīng)該成為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的重點(diǎn)發(fā)展方向。醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)成像設(shè)備能有力推動(dòng)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。醫(yī)療儀器和醫(yī)學(xué)成像設(shè)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(dǎo)和引領(lǐng)作用。其發(fā)展水平已成為一個(gè)國(guó)家綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)實(shí)力與水平的重要標(biāo)志之一。產(chǎn)業(yè)化驅(qū)動(dòng)也是學(xué)科發(fā)展的一種動(dòng)力，也為學(xué)生未來職業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)�；�于醫(yī)療衛(wèi)生健康事業(yè)的需求和生命科學(xué)發(fā)展的大趨勢(shì)，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科應(yīng)大力促進(jìn)醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)成像方法的學(xué)科建設(shè)，從而提升整個(gè)學(xué)科的發(fā)展水平。

　　生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的建設(shè)離不開一流的學(xué)術(shù)研究和學(xué)術(shù)成果的應(yīng)用。一流的學(xué)術(shù)研究不但能提升學(xué)科的發(fā)展水平，而且能開拓學(xué)科縱深發(fā)展，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)科服務(wù)社會(huì)發(fā)展的能力。學(xué)術(shù)研究的前瞻性和創(chuàng)新性將確保學(xué)科建設(shè)的發(fā)展動(dòng)力和趨勢(shì)以及學(xué)科發(fā)展的活力。

　　交叉學(xué)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(xué)科存在的必要性就越小。如何減小生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科可替代性的程度是需要深入思考的，是需要提升學(xué)科的特異性的。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的學(xué)術(shù)研究主要包括應(yīng)用理論研究和理論應(yīng)用研究，應(yīng)用理論研究主要涉及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域所需要解決的科學(xué)問題，開展新理論、新方法的研究。理論應(yīng)用研究主要涉及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域所需要解決的科學(xué)和技術(shù)問題，借助理工科的相關(guān)理論和方法開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。應(yīng)用理論研究是理論驅(qū)動(dòng)型的學(xué)術(shù)研究，理論應(yīng)用研究是應(yīng)用驅(qū)動(dòng)型的學(xué)術(shù)研究。理論驅(qū)動(dòng)型和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)型是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科學(xué)術(shù)研究的兩種主要模式。理工科大學(xué)具有良好的理論創(chuàng)新基礎(chǔ)和強(qiáng)大的交叉的學(xué)科背景，開展理論驅(qū)動(dòng)型研究具有自身優(yōu)勢(shì)。醫(yī)學(xué)院校具有豐富的醫(yī)學(xué)資源，面臨著大量需要應(yīng)用理工知識(shí)解決的醫(yī)學(xué)問題，開展應(yīng)用驅(qū)動(dòng)型研究，將很好地實(shí)現(xiàn)與醫(yī)學(xué)的應(yīng)用融合，具有較好的臨床應(yīng)用價(jià)值，有力推進(jìn)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展。各自的學(xué)術(shù)優(yōu)勢(shì)將有利于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科特色發(fā)展，從而增強(qiáng)其不可替代的程度，實(shí)現(xiàn)學(xué)科可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。

　　1.3 學(xué)科體系

　　作為一級(jí)學(xué)科的生物醫(yī)學(xué)工程，包含學(xué)科的理論體系和技術(shù)體系，且該體系離不開所交叉的學(xué)科的理論體系和技術(shù)體系的支撐，此外生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科理論體系和技術(shù)體系既要有學(xué)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(xué)科才會(huì)有旺盛的生命力。要面向醫(yī)療衛(wèi)生、生物科學(xué)所涉及的重大、重要技術(shù)理論問題及基礎(chǔ)應(yīng)用開展學(xué)術(shù)研究。實(shí)現(xiàn)良好的學(xué)術(shù)研究定位，形成自己的理論體系和技術(shù)體系。

　　2.大數(shù)據(jù)時(shí)代的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展

　　守正創(chuàng)新是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的必由之路，人類已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)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(fù)雜，無法在一定時(shí)間內(nèi)用常規(guī)工具軟件對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行獲取、管理、存儲(chǔ)、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�(dòng)態(tài)變化快，如各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，非平穩(wěn)數(shù)據(jù)，時(shí)效性要求高；

　　④科學(xué)價(jià)值（value）大，盡管目前利用率低，卻常常蘊(yùn)藏著新知識(shí)和重要特征價(jià)值或具有重要預(yù)測(cè)價(jià)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(yùn)藏的重要特征信息[6。

　　人體生老病死的生命過程就是一個(gè)不斷涌現(xiàn)的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)發(fā)生源，這種源源不斷的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的檢測(cè)、處理與分析，將給生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。模式識(shí)別、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展將帶動(dòng)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步。生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)廣泛涉及人類醫(yī)療衛(wèi)生健康相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域：臨床醫(yī)療、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、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(xué)與組學(xué)、基因和蛋白質(zhì)組學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、健康網(wǎng)絡(luò)信息等，可謂包羅萬象，紛繁復(fù)雜。生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏了種種有科學(xué)價(jià)值的信息，研究有效的大數(shù)據(jù)挖掘的新理論、新技術(shù)和新方法，對(duì)生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合計(jì)算分析，充分挖掘生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中的信息關(guān)聯(lián)和特征關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)空間映射關(guān)聯(lián)，既能為疾病的預(yù)防、發(fā)生發(fā)展、診斷和治療康復(fù)提供系統(tǒng)化的全新的認(rèn)識(shí)，有利于深入疾病機(jī)理研究分析，開展個(gè)性化診療。還可以通過整合系統(tǒng)生物學(xué)與臨床數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)個(gè)體患病風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)后，有針對(duì)性地實(shí)施預(yù)防和治療。

　　生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科所面臨的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)主要包括多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)、多種類醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)以及基因和蛋白質(zhì)組學(xué)的生物信息數(shù)據(jù)。生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景，從三個(gè)方面應(yīng)用將推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展。

　　（1）開展多模態(tài)影像大數(shù)據(jù)計(jì)算分析。醫(yī)學(xué)影像學(xué)科的發(fā)展從早期看得到，到看得清，目前的看得準(zhǔn)，未來的趨勢(shì)是看得早。只有看得準(zhǔn)和看得早才有利于臨床早期干預(yù)，提高治療預(yù)期。醫(yī)學(xué)影像大數(shù)據(jù)計(jì)算分析在影像診斷、手術(shù)計(jì)劃、圖像導(dǎo)引、遠(yuǎn)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(xué)影像大數(shù)據(jù)計(jì)算分析模型和數(shù)值計(jì)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(guān)聯(lián)，將會(huì)提供強(qiáng)有力的影像診斷分析手段，極大地推動(dòng)影像技術(shù)的發(fā)展，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。

　　（2）開展多種類醫(yī)學(xué)信號(hào)大數(shù)據(jù)計(jì)算分析。醫(yī)學(xué)信號(hào)大多直接產(chǎn)生于生理和病理過程中的信號(hào)，能在不同層面上表達(dá)生理和病理相關(guān)機(jī)制特征。融合多種醫(yī)學(xué)信號(hào)的大數(shù)據(jù)計(jì)算分析，能對(duì)生理病理過程進(jìn)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(shí)現(xiàn)個(gè)體健康監(jiān)測(cè)和管理。可以很好地開展回顧性研究和前瞻性研究，推進(jìn)系統(tǒng)化的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的多種醫(yī)學(xué)信號(hào)數(shù)據(jù)的特征挖掘及特征關(guān)聯(lián)計(jì)算分析。大數(shù)據(jù)挖掘能夠增加準(zhǔn)確度和發(fā)現(xiàn)弱關(guān)聯(lián)的能力，能更好地認(rèn)識(shí)生理病理現(xiàn)象和本質(zhì)。

　　（3）開展基因和蛋白質(zhì)組學(xué)的生物信息大數(shù)據(jù)計(jì)算分析。基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和比較基因組學(xué)的不斷發(fā)展涌現(xiàn)了海量的需要計(jì)算分析的生物信息數(shù)據(jù)，已進(jìn)入計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)的時(shí)代。開展生物信息大數(shù)據(jù)計(jì)算分析，可以拓展組學(xué)研究及不同組學(xué)間的關(guān)聯(lián)研究。從環(huán)境交互、個(gè)體生活方式、心里行為等暴露組學(xué)，至細(xì)胞分子水平上的基因組學(xué)、表觀組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、基因蛋白質(zhì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，再到人類健康和疾病狀態(tài)的表型組學(xué)等不同層面不同方向上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的關(guān)聯(lián)計(jì)算分析，可以全面闡述生命過程機(jī)制，挖掘生命過程特征及關(guān)聯(lián)特征。

　　3.結(jié)論

　　醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，需要生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的深度介入和支撐。開展理論驅(qū)動(dòng)型和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)型生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科學(xué)研究，將更好地促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展，增強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的生命力。發(fā)揮工程優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)醫(yī)工結(jié)合，支撐醫(yī)學(xué)發(fā)展，將增強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的科學(xué)價(jià)值和醫(yī)學(xué)價(jià)值，更好地開展生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)向更深層的臨床醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)踐服務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)臨床醫(yī)學(xué)診療及康復(fù)水平的提高。生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，迫切需要生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的特色發(fā)展。在大數(shù)據(jù)時(shí)代生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的科學(xué)研究方式將從假設(shè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，將有利于醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的數(shù)據(jù)特征關(guān)聯(lián)研究。

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