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大數據時(shí)代下的生物醫學(xué)工程學(xué)科發(fā)展論文
生物醫學(xué)工程學(xué)是融合理工科學(xué)和生物醫學(xué)的理論和方法逐步成長(cháng)起來(lái)的邊緣性學(xué)科，其基本任務(wù)是運用理工科原理和工程技術(shù)方法，研究和解決醫學(xué)和生物學(xué)中的相關(guān)問(wèn)題。作為一門(mén)獨立學(xué)科發(fā)展的歷史尚不足50年，隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，生物醫學(xué)工程學(xué)科得到了長(cháng)足的發(fā)展。它在保障人類(lèi)健康和推進(jìn)疾病的預防、診斷、治療、康復等技術(shù)進(jìn)步所起的作用日益增強，已經(jīng)成為當前醫療衛生健康發(fā)展的重要基礎和有力技術(shù)支撐。
20世紀60年代，美國一些著(zhù)名大學(xué)先后開(kāi)啟了生物醫學(xué)工程學(xué)科的建設，相繼啟動(dòng)了生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)人才的培養。美國的生物醫學(xué)工程教育特點(diǎn)是在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化需求驅動(dòng)建立起來(lái)的具有其自身特性，且反映了生物醫學(xué)工程學(xué)科建設與發(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，但在課程設置上大致可以分為科學(xué)基礎課程、專(zhuān)業(yè)核心課程、關(guān)注領(lǐng)域課程、設計課程、人文與社會(huì )科學(xué)課程、專(zhuān)業(yè)選修課程及其他選修課程等六類(lèi)。不同學(xué)校本科課程的主要差異體現在專(zhuān)業(yè)選修課程及其他選修課程的設置上，各個(gè)學(xué)校根據自身的生物醫學(xué)工程領(lǐng)域的研究方向和研究水平特點(diǎn)開(kāi)設一些相應的選修課程，并培養學(xué)生在相應方向上的研究探索實(shí)踐能力。這是美國生物醫學(xué)工程本科教育的基本特點(diǎn)。
我國生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)教育起步于20世紀80年代，主要發(fā)源于著(zhù)名工科院校的信息技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)和力學(xué)專(zhuān)業(yè)，進(jìn)而逐漸形成的生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)教育，后來(lái)，一些醫學(xué)院校在醫學(xué)物理和醫用計算機技術(shù)的基礎上相繼開(kāi)展了生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)教育，于是在我國基本上形成了這樣兩種類(lèi)型的生物醫學(xué)工程學(xué)科。上述兩類(lèi)院校的生物醫學(xué)工程學(xué)科建設發(fā)展模式各具側重，遵循了共同的學(xué)科基礎，在培養生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)人才的應用層面上有顯著(zhù)特點(diǎn)。相對來(lái)說(shuō)，工科院校的生物醫學(xué)工程培養模式注重工程技術(shù)的開(kāi)發(fā)和功能拓展，醫科院校則注重醫學(xué)與工程結合、工程技術(shù)在醫學(xué)中的綜合應用。
1.中國生物醫學(xué)工程學(xué)科發(fā)展思路
生物醫學(xué)工程是一種交叉學(xué)科，交叉的學(xué)科基礎及其融合的緊密程度決定了生物醫學(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(zhù)生物醫學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展，并且使得生物醫學(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，基于電子信息工程發(fā)展而來(lái)的生物醫學(xué)工程學(xué)科，主要包括生物醫學(xué)儀器、生物醫學(xué)信號檢測與處理、生物醫學(xué)信息計算分析、生物醫學(xué)成像及圖像處理分析、生物醫學(xué)系統建模與仿真、臨床治療與康復的工程優(yōu)化方法、手術(shù)規劃圖像仿真以及圖像導引手術(shù)及放療優(yōu)化等；有基于力學(xué)發(fā)展而來(lái)的生物醫學(xué)工程學(xué)科，主要包括生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)、運動(dòng)生物力學(xué)、計算生物力學(xué)和微觀(guān)尺度的細胞生物力學(xué)等；基于化學(xué)材料工程發(fā)展而來(lái)的生物醫學(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)效應等。
1.2 學(xué)科發(fā)展特點(diǎn)
作為交叉學(xué)科的生物醫學(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。構建一種良好的交叉結構，對推動(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)對于生物醫學(xué)工程這樣的交叉學(xué)科的描述有一個(gè)形象的說(shuō)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(méi)有堅實(shí)的基礎，橋是無(wú)法建立好的，對于生物醫學(xué)工程這樣一座建立在兩個(gè)不同學(xué)科之間的橋來(lái)說(shuō)，它的發(fā)展要求具有堅實(shí)的交叉學(xué)科基礎和交叉學(xué)科緊密融合深度。那么在生物醫學(xué)工程學(xué)科構建良好的交叉結構，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(guò)于寬泛。
目前，醫學(xué)儀器和醫學(xué)成像技術(shù)具有良好的應用和發(fā)展前景，應該成為生物醫學(xué)工程學(xué)科的重點(diǎn)發(fā)展方向。醫學(xué)儀器和醫學(xué)成像設備能有力推動(dòng)醫療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。醫療儀器和醫學(xué)成像設備是現代醫療器械產(chǎn)業(yè)中的主流產(chǎn)品，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起著(zhù)主導和引領(lǐng)作用。其發(fā)展水平已成為一個(gè)國家綜合經(jīng)濟技術(shù)實(shí)力與水平的重要標志之一。產(chǎn)業(yè)化驅動(dòng)也是學(xué)科發(fā)展的一種動(dòng)力，也為學(xué)生未來(lái)職業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎�；卺t療衛生健康事業(yè)的需求和生命科學(xué)發(fā)展的大趨勢，生物醫學(xué)工程學(xué)科應大力促進(jìn)醫學(xué)儀器和醫學(xué)成像方法的學(xué)科建設，從而提升整個(gè)學(xué)科的發(fā)展水平。
生物醫學(xué)工程學(xué)科的建設離不開(kāi)一流的學(xué)術(shù)研究和學(xué)術(shù)成果的應用。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(kāi)拓學(xué)科縱深發(fā)展，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，進(jìn)而增強學(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)科建設的發(fā)展動(dòng)力和趨勢以及學(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�？商娲猿潭仍礁�，交叉學(xué)科存在的必要性就越小。如何減小生物醫學(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。生物醫學(xué)工程學(xué)的學(xué)術(shù)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學(xué)工程領(lǐng)域所需要解決的科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展新理論、新方法的研究。理論應用研究主要涉及生物醫學(xué)工程領(lǐng)域所需要解決的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，借助理工科的相關(guān)理論和方法開(kāi)展應用基礎研究和應用研究。應用理論研究是理論驅動(dòng)型的學(xué)術(shù)研究，理論應用研究是應用驅動(dòng)型的學(xué)術(shù)研究。理論驅動(dòng)型和應用驅動(dòng)型是生物醫學(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 )新基礎和強大的交叉的學(xué)科背景，開(kāi)展理論驅動(dòng)型研究具有自身優(yōu)勢。醫學(xué)院校具有豐富的醫學(xué)資源，面臨著(zhù)大量需要應用理工知識解決的醫學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展應用驅動(dòng)型研究，將很好地實(shí)現與醫學(xué)的應用融合，具有較好的臨床應用價(jià)值，有力推進(jìn)醫學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展。各自的學(xué)術(shù)優(yōu)勢將有利于生物醫學(xué)工程學(xué)科特色發(fā)展，從而增強其不可替代的程度，實(shí)現學(xué)科可持續創(chuàng )新發(fā)展。
1.3 學(xué)科體系
作為一級學(xué)科的生物醫學(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(kāi)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。要面向醫療衛生、生物科學(xué)所涉及的重大、重要技術(shù)理論問(wèn)題及基礎應用開(kāi)展學(xué)術(shù)研究。實(shí)現良好的學(xué)術(shù)研究定位，形成自己的理論體系和技術(shù)體系。
2.大數據時(shí)代的生物醫學(xué)工程學(xué)科發(fā)展
守正創(chuàng )新是生物醫學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的必由之路，人類(lèi)已進(jìn)入大數據時(shí)代，所謂大數據（bigdata），或稱(chēng)海量數據，是指由于數據容量太龐大和數據來(lái)源過(guò)于復雜，無(wú)法在一定時(shí)間內用常規工具軟件對其內容進(jìn)行獲取、管理、存儲、檢索、共享、傳輸、挖掘和分析處理的數據集。大數據具有“4V”特征：
�、贁祿萘浚╲olume）大；
�、跀祿N類(lèi)（variety）多，常常具有不同的數據類(lèi)型和數據來(lái)源；
�、蹌�(dòng)態(tài)變化快，如各種動(dòng)態(tài)數據，非平穩數據，時(shí)效性要求高；
�、芸茖W(xué)價(jià)值（value）大，盡管目前利用率低，卻常常蘊藏著(zhù)新知識和重要特征價(jià)值或具有重要預測價(jià)值。大數據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(guò)程就是一個(gè)不斷涌現的生物醫學(xué)大數據發(fā)生源，這種源源不斷的生物醫學(xué)大數據的檢測、處理與分析，將給生物醫學(xué)工程學(xué)科的建設與發(fā)展帶來(lái)新的機遇和挑戰。模式識別、人工智能、數據挖掘和機器學(xué)習的發(fā)展將帶動(dòng)大數據處理技術(shù)的進(jìn)步。生物醫學(xué)大數據廣泛涉及人類(lèi)醫療衛生健康相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域：臨床醫療、基礎醫學(xué)、公共衛生、醫藥研發(fā)、臨床工程、心里、行為與情緒、人類(lèi)遺傳學(xué)與組學(xué)、基因和蛋白質(zhì)組學(xué)、遠程醫療、健康網(wǎng)絡(luò )信息等，可謂包羅萬(wàn)象，紛繁復雜。生物醫學(xué)大數據中蘊藏了種種有科學(xué)價(jià)值的信息，研究有效的大數據挖掘的新理論、新技術(shù)和新方法，對生物醫學(xué)大數據進(jìn)行關(guān)聯(lián)和融合計算分析，充分挖掘生物醫學(xué)大數據中的信息關(guān)聯(lián)和特征關(guān)聯(lián)和數據空間映射關(guān)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化的全新的認識，有利于深入疾病機理研究分析，開(kāi)展個(gè)性化診療。還可以通過(guò)整合系統生物學(xué)與臨床數據，更準確地預測個(gè)體患病風(fēng)險和預后，有針對性地實(shí)施預防和治療。
生物醫學(xué)工程學(xué)科所面臨的生物醫學(xué)大數據主要包括多模態(tài)醫學(xué)影像數據、多種類(lèi)醫學(xué)信號數據以及基因和蛋白質(zhì)組學(xué)的生物信息數據。生物醫學(xué)大數據在生物醫學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域內有著(zhù)廣泛深遠的應用前景，從三個(gè)方面應用將推動(dòng)生物醫學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展。
（1）開(kāi)展多模態(tài)影像大數據計算分析。醫學(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，未來(lái)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。醫學(xué)影像大數據計算分析在影像診斷、手術(shù)計劃、圖像導引、遠程醫療和病程跟蹤將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
建立新的醫學(xué)影像大數據計算分析模型和數值計算方法，挖掘多模態(tài)影像數據的特征數據和特征關(guān)聯(lián)，將會(huì )提供強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，具有重要的臨床應用價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。
（2）開(kāi)展多種類(lèi)醫學(xué)信號大數據計算分析。醫學(xué)信號大多直接產(chǎn)生于生理和病理過(guò)程中的信號，能在不同層面上表達生理和病理相關(guān)機制特征。融合多種醫學(xué)信號的大數據計算分析，能對生理病理過(guò)程進(jìn)行更好更全面的闡釋?zhuān)粌H能深入了解生理病理的狀態(tài)特征和過(guò)程特征，而且能實(shí)現個(gè)體健康監測和管理�？梢院芎玫亻_(kāi)展回顧性研究和前瞻性研究，推進(jìn)系統化的醫學(xué)應用研究。實(shí)現強大的多種醫學(xué)信號數據的特征挖掘及特征關(guān)聯(lián)計算分析。大數據挖掘能夠增加準確度和發(fā)現弱關(guān)聯(lián)的能力，能更好地認識生理病理現象和本質(zhì)。
（3）開(kāi)展基因和蛋白質(zhì)組學(xué)的生物信息大數據計算分析。基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、系統生物學(xué)和比較基因組學(xué)的不斷發(fā)展涌現了海量的需要計算分析的生物信息數據，已進(jìn)入計算系統生物學(xué)的時(shí)代。開(kāi)展生物信息大數據計算分析，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)，至細胞分子水平上的基因組學(xué)、表觀(guān)組學(xué)、轉錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、基因蛋白質(zhì)調控網(wǎng)絡(luò )，再到人類(lèi)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)現大規模的關(guān)聯(lián)計算分析，可以全面闡述生命過(guò)程機制，挖掘生命過(guò)程特征及關(guān)聯(lián)特征。
3.結論
醫學(xué)和生命科學(xué)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，需要生物醫學(xué)工程學(xué)科的深度介入和支撐。開(kāi)展理論驅動(dòng)型和應用驅動(dòng)型生物醫學(xué)工程學(xué)科學(xué)研究，將更好地促進(jìn)生物醫學(xué)工程學(xué)科發(fā)展，增強生物醫學(xué)工程學(xué)科的生命力。發(fā)揮工程優(yōu)勢，加強醫工結合，支撐醫學(xué)發(fā)展，將增強生物醫學(xué)工程學(xué)科的科學(xué)價(jià)值和醫學(xué)價(jià)值，更好地開(kāi)展生物醫學(xué)工程技術(shù)向更深層的臨床醫學(xué)基礎醫學(xué)實(shí)踐服務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)臨床醫學(xué)診療及康復水平的提高。生物醫學(xué)大數據時(shí)代的到來(lái)，迫切需要生物醫學(xué)工程學(xué)科的特色發(fā)展。在大數據時(shí)代生物醫學(xué)工程學(xué)科的科學(xué)研究方式將從假設驅動(dòng)轉變?yōu)閿祿寗?dòng)，將有利于醫學(xué)和生命科學(xué)的數據特征關(guān)聯(lián)研究。
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