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走进生物医学工程:新时代

已有 1331 次阅读 2022-6-29 09:16 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

走进生物医学工程:新时代

导语

生物医学工程是“守护人类健康的工程科学”,它是自然科学和工程技术各学科领域与医学深度交叉融合的产物,是依据工程技术手段解决医学和人体健康问题的一个年轻学科,其应用技术主要用于人类疾病的预防、诊断、监护、治疗、保健和康复等各方面的仪器、设备、材料和系统等,是现代医疗器械和医用材料产业的主要支撑学科。接下来将基于书籍《什么是生物医学工程?》(图1)内容,发布《走进生物医学工程》系列文章,带领大家走进生物医学工程。本次内容为生物医学工程的新时代。

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1 《什么是生物医学工程?》书籍

 

影响世界的生物医学工程技术

1. 神经控制新技术:光遗传学

光遗传学(Optogenetics,图2)通过在神经细胞中表达光敏蛋白质,响应不同波长的光的刺激实现对神经功能的调控。该项技术结合光、基因工程和电生理来控制大脑细胞,是人们能够微创、精准地探究特定的神经环路和大脑功能之间的关系。光遗传学在神经科学领域的应用范围将逐步扩大,越来越重要。

 

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2 光遗传学时代

 

2. 新型生物材料:人造皮肤

皮肤是人体面积最大的器官,可以保持人体水分平衡和抵挡许多病原体入侵。人造皮肤(例如图3)对于皮肤移植、皮肤美容需求具有重要意义和价值以及在市场上拥有巨大潜力。目前,科学家已从生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了十多种人造皮肤。

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3 网格水凝胶材料与聚乙烯材料相结合形成的人造皮肤

 

3. 开创精准微创时代:手术机器人

在医疗领域,手术机器人将是未来发展的必然趋势。手术机器人的典型代表是达芬奇手术机器人,它又称内窥镜手术器械控制系统。达芬奇手术机器人是一个以微创的方式复杂外科手术的机器人手术系统,由直觉外科公司开发设计和制造。利用达芬奇手术机器人的立体成像、微创手术刀和控制台,医生可以在相对较短的时间内完成全靠人工同等甚至更专业的手术。手术机器人正在不断更新换代,例如2022年即将挑战达芬奇手术机器人的新款手术机器人,它由日本川崎重工业和大型样本检测设备厂商希森美康对半出资的Medicaroid公司制造(图4)。

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4日本川崎重工业和大型样本检测设备厂商希森美康对半出资的Medicaroid公司制造的手术辅助机器人

 

4. 超越生物学极限:脑机接口技术

脑机接口是在人脑或动物脑与外部设备间建立直接通路,出来的脑电波经过计算机处理获取大脑信息并且将其翻译成计算机语言,进一步反馈给肌体,最终完成脑与机器之间的信息交换(图5)。人类一直迫切想要了解自己的大脑,201342日由奥巴马政府公布了“推进创新神经技术脑研究计划”,简称美国“脑计划“。该计划旨在探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图,并最终开发出针对大脑疾病的疗法。2021916日,科技部网站正式发布科技创新2030“脑科学与类脑研究重大项目2021年度项目申报指南的通知,标志着中国脑计划正式启动。该计划主要包含脑疾病诊治、脑认知功能的神经基础、脑机智能技术等方面研究。其中脑疾病诊治面向脑健康和医疗产业;脑认知功能的神经基础以“介观全脑神经连接图谱国际大科学计划”为平台;脑机智能技术面向类脑智能产业。不管是美国“脑计划”还是中国“脑计划”,脑机接口等新兴技术都将受益。

 

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5 脑机接口信息传递

 

生物医学工程的新时代特征

1. 医学领域的重要基础和支柱

各种检测、诊断和治疗的新方法、新技术、新设备的发明很大程度上提高了医学诊治水平。生物医学工程为医学发展做贡献的历程就是一段交叉创新的历程。生物医学工程与医学相互影响。由于生物医学工程在人类健康和疾病的预防、诊断、治疗、康复服务等多方面发挥越来越大作用,因此它已成为当前医学领域的重要基础和支柱。

 

2. 医疗保健产业的重要基础和动力

医疗器械和医药工业同生物医学工程的研究与应用密切关联,所带动的产业在国民经济中占据重大比例。世界各国对生物医学工程方面的投入也逐年上升。 作为朝阳学科的生物医学工程,未来必将成为医疗保健产业的重要基础和动力。

 

3. 技术发明推动生物医学工程加速发展

生物医学工程的发展离不开技术发明和工程技术的发展,例如显微镜、毛细血管静电计、心电图学等都已成为最基本的临床检测诊断技术。每一次新的技术发明和工程技术对进一步推动生物医学工程跨越式发展。

 

4. 交叉融合成就创新之路

生物医学工程学科本身属于交叉学科,包含的基础学科有物理、化学、生物、电子信息、计算机科学与技术、生命科学等,每一次的交叉融合就将成就创新之路。例如X-CT发明、核磁共振成像技术、超声检测等,都是交叉融合的产物。

 

5. 未来发展趋势

各种诊疗机器人将得到很广泛应用;介入性微创、无创诊疗技术、激光技术、纳米技术、植入型超微机器人将在医疗领域大有作为;形态和功能相结合的新型检测系统将大有发展;生物材料和组织工程将有较大发展;材料和药物相结合的新型给药技术和装置将有很大发展;未来医疗将从治疗型转变为预防型医疗模式。

 

参考文献

[1] 邱天爽,刘蓉,齐莉萍主编. 什么是生物医学工程?大连理工大学出版社. 2021.

 

以往文章推荐

1. 走进生物医学工程:前世今生

 

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