关于对生物医学工程发展与应用前景的几点思考

黄汗青

摘要：随着生物学、医学理论以及工程技术的发展，生物医学工程技术已经越来越广泛地应用于医疗健康领域，发挥了巨大技术经济效益和社会效益，并在上世纪末期正式被列为生物医学工程学科（BME）。近年来，随着人类社会信息化的深度发展，生物医学领域面临着：旧的理论与方法局限性问题、工程技术发展遭遇瓶颈以及人类社会与自身的发展不均衡等问题，BME作为一门新兴的交叉性学科，应放眼未来、立足于现在，从深度与宽度两个方向进一步丰富、拓展研究领域，为这些问题提供一套可行的解决方案。

关键字：生物医学工程;摩尔定律;信息能力

生物医学工程（BiomedicalEngineering，简称BME）是生物学、医学、计算机技术、电子信息科学、自动化等多个专业相结合的交叉性学科，目的是通过现代生物工程、材料工程、自动化与信息工程技术的理论和方法解决生命医学领域的相关问题，其研究涉及的范围较为广泛，包括生物医学材料制品、（生物）人工器官、医学影像和诊断设备、医学电子仪器和监护装置、现代医学治疗设备、医学信息技术、康复工程技术和装置等[1]。生物医学工程的发展，可以为人类的医疗诊断、治疗康复、器官移植甚至人机结合提供解决方案。

1生物医学工程的应用与发展历史

生物医学工程在医学领域的应用由来已久，从早期伽利略发明的温度计、脉搏计，胡克的显微镜，雷纳克的听诊器等医学测量仪器，到现代的心脏搭桥、血管支架以及智能穿戴设备等，随着工程及材料技术的发展，经历了一个由简单初级到复杂高级、由单一医学诊断到多元综合应用的发展过程。

按照生物医学工程发展与应用的程度，大致可以分为辅助检验与医学介入两个时代。

1.1辅助检验时代

得益于文艺复兴时期生物学、医学理论的蓬勃发展，人类的医疗手段不再满足于根据案例进行经验判断，1592年，伽利略将温度计、脉搏计应用于测量人体體温与心脏跳动频次，1666年胡克在显微镜下发现了细菌，1816年法国医生雷纳克于创造听诊器，用于聆听人体内部的声音，1894年荷兰生理学家爱因托芬开始使用心电描记仪，1895年德国物理学家伦琴用X光得到了人类第一张医学影像……

这些不过是工程技术在医学领域的小试牛刀，就一下子就把人类的医疗技术从经验主义时代带入到了科学定量时代，从此，医学与神学彻底分离。

1.2医学介入时代

在辅助检验时代，工程技术在医学领域初步应用即极大地推动医学生物学的发展，但人类科技进步的步伐不会就此停止。事实上，20世纪是人类有史以来重大科学发现最多的时代，尤其是物理学、化学、医学或生理学等自然科学领域，无论是在理论体系还是在工程应用方面均有长足的进步，物理学、工程学以前所未有的速度被应用于医学领域，人们不满足生物医学工程技术止步于检验诊断的范畴，工程师与医生的合作日益密切，很快进入到了局部医学介入时代。

这个时期最为显著的特点是各类新材料、新技术被大胆使用于人体器官的手术治疗、功能修复甚至是部分替代。尤其是上个世纪第二次世界大战以后，生物医学材料、人工器官、新型诊疗技术开始研制与广泛使用。如硅橡胶、聚氨脂;人工肾、人工肺、人工心瓣膜、人工晶体、心脏搭桥手术、心脏起搏器等[2]。

2生物医学工程当前面临的问题

2.1生物医学的局限

到目前为止，人类对生命和疾病的认识与分析还只是局部的、片面的，各部分之间的关系是割裂的、分离的，对生命的本质、整体性以及各部分之间、人与环境之间的相互作用等问题，还缺乏深层次的、系统性的认知。各大科研机构以及医院诊所在现有理论指导下，基本上都实行了严格的分科体系，还原论、排除法、大数据比对法等医学理论与方法还不能指导医生准确地对病情进行诊断与治疗[3]。

据统计，从1950年至今，国内外对于误诊的研究显示，误诊率都在30%左右。而在2013年美国《病人安全与医疗质量》杂志（Patient safety &quality healthcare）上的分析中，估计全美每年死于医疗事故的人数为21-44万，成为美国人第三大死因，仅次于心血管疾病和癌症。可见问题之严重。

2.2工程技术的局限

失效的“摩尔定律”。众所周知，发生于上世纪末期的第四次科技革命是以系统科学的兴起到系统生物科学的形成为标志，系统科学、计算机科学、纳米科学与生命科学的理论与技术整合，形成系统生物科学与技术体系。其中信息技术作为科技革命中的关键技术，其基础载体就是集成电路，近五十年来，构成集成电路的半导体技术一直按照“摩尔定律”的法则，以约每隔18-24个月性能提升一倍的速度发展，但是，从2013年以来这个规律不再有效，因为高温、漏电问题，集成电路的制程越来越接近半导体的物理极限，再也难以缩小下去了。而新的代替技术如碳纳米管、高温超导材料等新技术还远远没有达到工业应用级水平。

另一个“摩尔定律”，自工业革命以来，随着工程技术的发展与应用，人类便展现出对自然环境强大的改造能力与惊人的破坏力，无节制增长的需求驱动生产力的持续提升，丰富的物质供给与医疗技术的进步为人口增长再创造条件，如此循环往复，又形成了人口与环境的另一个“摩尔定律”，这个“摩尔定律”失效的时间在什么时候呢，而新的替代方案又是什么？这些问题还有待未来给出答案。

2.3人类秩序的困惑

无法满足的欲望。“幸福与快乐”应该是人类产生以来最没有争议、最为久远的追求了，为了争取更多“幸福与快乐”，一切能够为人类所利用的东西都会被用上了，包括政治、经济、文化、科技，甚至是战争。人们普遍认为产生“幸福与快乐”的关键在于对于自身欲望的满足感，进而专注于那些更加直接和明确的目标。科学技术带来的财富增长与民主文明带来的和平稳定——这些“外在”的努力到达了一定程度以后，并不能为人们争取更多“幸福与快乐”。因为，人类自身的生理、心理机制在很多情况下制约了“幸福与快乐”增长[4]。

未来，如何“向内”挖掘人类自身的潜力，从而获得更多的“幸福与快乐”，也是生物医学工程学科的新课题。

另一个“潘多拉的魔盒”。生物信息技术的发展与应用，也面临诸多伦理、道德、安全等不确定性问题。根据人民网的报道，2018年11月26日，来自中国深圳的科学家贺建奎在第二届国际人类基因组编辑峰会召开前一天宣布，一对名为露露和娜娜的基因编辑婴儿于11月在中国健康诞生。这对双胞胎的一个基因经过修改，使她们出生后即能天然抵抗艾滋病。如果这一消息属实，这是世界首例免疫艾滋病的基因编辑婴儿。消息发布后，在世界各国的官方、科学界、医学界、宗教界以及民间引起轩然大波，对于其伦理性引发了众多讨论，其中更多是严厉的道德谴责、甚至法律制裁。基因编辑——这个潘多拉的魔盒能否被永久关闭、又会在何时以哪种方式开启，也是影响未来生物医学工程学科发展的重要因素。

3生物医学工程技术未来发展与应用展望

毫无疑问，人类对健康、长生、幸福与快乐的追求永远不会停止，未来生物医学工程发展的步伐也不会停歇，只会朝向更加高级、更加贴近人们需求的方向前进。笔者认为，在信息化社会高度发展的未来，从技术应用的角度上分析，生物医学工程将围绕“信息能力”和“健康长生”两个方向发展。

3.1信息无限的智能穿戴设备

信息的获取能力是人作为学习者、劳动者、创造者的基础，从某种意义上讲，现在从一部小小的手机上所能够获取的信息量，就远远超过以往的“读万卷书、行万里路”的信息总量了。未来的智能穿戴设备一定不会止步于现在手机、手环、计步器这些简单的应用，随着芯片微型化、柔性电路板、VAR虚拟现实、人工智能等核心技术的成熟，以生物医学工程技术为基础的智能穿戴将会向高度智能化、集成化、网络化、个性化、虚拟化方向发展;各类关于政治、军事、科技、文化、知识、娱乐、健康状况、生理活动等方面关键信息数据的获取将变得极其简单、方便而且廉价无比;随着智能穿戴设备的普及，将彻底抹平人们在生理上以及经济条件上的差异，实现信息获取上的平等待遇;未来的智能穿戴设备将最大程度地与人类的生理特点相结合，毫无负担地成为人们日常生活、工作中不可或缺的部分。

3.2人工智能参与大脑信息处理

在信息获取不受制约的情况下，信息污染、信息处理、信息创造等问题将成为困扰人类的下一个难题，人工智能参与人类大脑的信息处理将会变得十分必要，因为人脑的信息处理能力已经大幅落后于信息量的大幅增长了。但是，解决这一问题显然要比前者困难得多，这将意味着要在大脑神经系统与外部信息网络之间建立以一座可以实现数据自由交换的桥梁，需要以神经生物学、计算神经科学等基础脑科学与脑型计算机技术获得重大突破为前提，不过这一切也并非遥不可及，在脑科学的前沿领域，生理学家与信息工程师已经在细胞和分子水平的神经学、视觉脑机制、人工神经网络等领域取得了重大进展，并得到了世界各国政府的高度重视与普遍支持，一旦条件成熟进入应用级阶段，这将是生物医学工程在未来作为一个极其重要的学科走向成熟的标志。

可以预见，在人工智能的参与下，大脑的信息处理能力将于得到极大的提升，人类的智慧将达到空前的高度，人的学习能力、记忆能力、知识创新能力得到了极大地发展，“过目不忘、一目十行”将是人人均能够做到的“家常便饭”，整个社会效率将大幅提升，科学技术将一日千里地加速前进。生物医学工程将生物学意义上的人变成了超级人类，再一次将人类社会向前推进一大步。

3.3人机深度融合

当人类的在自身能力方面取得重大进展后，“健康与长生”问题的解决将是水到渠成的事情，这也是生物医学工程的天然使命。由于身体的疾病、劳损与衰老是不可避免事情，作为承载人类存在的血肉之躯必将退出历史的舞台，可以想见，如果人工器官更加美观、灵活、耐用，未来的人们将不再拒绝它们（排异），而是将其作为自身的一部分或者全部。

生物醫学工程再次将人类送到一个不可想象的时代。

人类的存在，只需要消耗极少的能量维持生命，能够适应各种恶劣的环境，无需遮风挡雨的建筑物，对自然资源的消耗大幅减少;具备各种超级能力的器官非常耐用、廉价而且方便获得;甚至克服时空的制约实现自由穿梭，也并非梦想。与此同时，一切存在于现今社会的各种政治、经济、军事、社会矛盾也将全部被化解于无形。

只是，到了这个时代，当人类再度审视自己的时候，又该如何定义自己呢？

3.4再回到“我是谁”的问题

大约2400年前，古希腊哲学家柏拉图（Plato，公元前427年-公元前347年）留下了一个著名的命题——我是谁？从哪里来？到哪里去？

是的，自然孕育了人类，而人类改造了自己，最终实现了富裕和平、健康长生的梦想，至于“下一步再走向何方”这个问题的答案就交给漫长的未来去解答吧！

参考文献：

[1]董秀珍，俞梦孙.生物医学工程学概论[M]，北京：科学出版社，1994：1-40。

[2]陈铮.天堑变通途——探秘心脏搭桥手术[J]，首都医药，2008，5：50-51。

[3]樊艳平.生物医学工程发展史与方法论研究[J]，太原理工大学， 2015。

[4]Yuwall Noah Harari，未来简史[M]。林俊宏，译。北京：中信出版社，2017：26-35。