關于對生物醫學工程發展與應用前景的幾點思考

黃汗青

摘要：隨著生物學、醫學理論以及工程技術的發展，生物醫學工程技術已經越來越廣泛地應用于醫療健康領域，發揮了巨大技術經濟效益和社會效益，并在上世紀末期正式被列為生物醫學工程學科（BME）。近年來，隨著人類社會信息化的深度發展，生物醫學領域面臨著：舊的理論與方法局限性問題、工程技術發展遭遇瓶頸以及人類社會與自身的發展不均衡等問題，BME作為一門新興的交叉性學科，應放眼未來、立足于現在，從深度與寬度兩個方向進一步豐富、拓展研究領域，為這些問題提供一套可行的解決方案。

關鍵字：生物醫學工程;摩爾定律;信息能力

生物醫學工程（BiomedicalEngineering，簡稱BME）是生物學、醫學、計算機技術、電子信息科學、自動化等多個專業相結合的交叉性學科，目的是通過現代生物工程、材料工程、自動化與信息工程技術的理論和方法解決生命醫學領域的相關問題，其研究涉及的范圍較為廣泛，包括生物醫學材料制品、（生物）人工器官、醫學影像和診斷設備、醫學電子儀器和監護裝置、現代醫學治療設備、醫學信息技術、康復工程技術和裝置等[1]。生物醫學工程的發展，可以為人類的醫療診斷、治療康復、器官移植甚至人機結合提供解決方案。

1生物醫學工程的應用與發展歷史

生物醫學工程在醫學領域的應用由來已久，從早期伽利略發明的溫度計、脈搏計，胡克的顯微鏡，雷納克的聽診器等醫學測量儀器，到現代的心臟搭橋、血管支架以及智能穿戴設備等，隨著工程及材料技術的發展，經歷了一個由簡單初級到復雜高級、由單一醫學診斷到多元綜合應用的發展過程。

按照生物醫學工程發展與應用的程度，大致可以分為輔助檢驗與醫學介入兩個時代。

1.1輔助檢驗時代

得益于文藝復興時期生物學、醫學理論的蓬勃發展，人類的醫療手段不再滿足于根據案例進行經驗判斷，1592年，伽利略將溫度計、脈搏計應用于測量人體體溫與心臟跳動頻次，1666年胡克在顯微鏡下發現了細菌，1816年法國醫生雷納克于創造聽診器，用于聆聽人體內部的聲音，1894年荷蘭生理學家愛因托芬開始使用心電描記儀，1895年德國物理學家倫琴用X光得到了人類第一張醫學影像……

這些不過是工程技術在醫學領域的小試牛刀，就一下子就把人類的醫療技術從經驗主義時代帶入到了科學定量時代，從此，醫學與神學徹底分離。

1.2醫學介入時代

在輔助檢驗時代，工程技術在醫學領域初步應用即極大地推動醫學生物學的發展，但人類科技進步的步伐不會就此停止。事實上，20世紀是人類有史以來重大科學發現最多的時代，尤其是物理學、化學、醫學或生理學等自然科學領域，無論是在理論體系還是在工程應用方面均有長足的進步，物理學、工程學以前所未有的速度被應用于醫學領域，人們不滿足生物醫學工程技術止步于檢驗診斷的范疇，工程師與醫生的合作日益密切，很快進入到了局部醫學介入時代。

這個時期最為顯著的特點是各類新材料、新技術被大膽使用于人體器官的手術治療、功能修復甚至是部分替代。尤其是上個世紀第二次世界大戰以后，生物醫學材料、人工器官、新型診療技術開始研制與廣泛使用。如硅橡膠、聚氨脂;人工腎、人工肺、人工心瓣膜、人工晶體、心臟搭橋手術、心臟起搏器等[2]。

2生物醫學工程當前面臨的問題

2.1生物醫學的局限

到目前為止，人類對生命和疾病的認識與分析還只是局部的、片面的，各部分之間的關系是割裂的、分離的，對生命的本質、整體性以及各部分之間、人與環境之間的相互作用等問題，還缺乏深層次的、系統性的認知。各大科研機構以及醫院診所在現有理論指導下，基本上都實行了嚴格的分科體系，還原論、排除法、大數據比對法等醫學理論與方法還不能指導醫生準確地對病情進行診斷與治療[3]。

據統計，從1950年至今，國內外對于誤診的研究顯示，誤診率都在30%左右。而在2013年美國《病人安全與醫療質量》雜志（Patient safety &quality healthcare）上的分析中，估計全美每年死于醫療事故的人數為21-44萬，成為美國人第三大死因，僅次于心血管疾病和癌癥。可見問題之嚴重。

2.2工程技術的局限

失效的“摩爾定律”。眾所周知，發生于上世紀末期的第四次科技革命是以系統科學的興起到系統生物科學的形成為標志，系統科學、計算機科學、納米科學與生命科學的理論與技術整合，形成系統生物科學與技術體系。其中信息技術作為科技革命中的關鍵技術，其基礎載體就是集成電路，近五十年來，構成集成電路的半導體技術一直按照“摩爾定律”的法則，以約每隔18-24個月性能提升一倍的速度發展，但是，從2013年以來這個規律不再有效，因為高溫、漏電問題，集成電路的制程越來越接近半導體的物理極限，再也難以縮小下去了。而新的代替技術如碳納米管、高溫超導材料等新技術還遠遠沒有達到工業應用級水平。

另一個“摩爾定律”，自工業革命以來，隨著工程技術的發展與應用，人類便展現出對自然環境強大的改造能力與驚人的破壞力，無節制增長的需求驅動生產力的持續提升，豐富的物質供給與醫療技術的進步為人口增長再創造條件，如此循環往復，又形成了人口與環境的另一個“摩爾定律”，這個“摩爾定律”失效的時間在什么時候呢，而新的替代方案又是什么？這些問題還有待未來給出答案。

2.3人類秩序的困惑

無法滿足的欲望。“幸福與快樂”應該是人類產生以來最沒有爭議、最為久遠的追求了，為了爭取更多“幸福與快樂”，一切能夠為人類所利用的東西都會被用上了，包括政治、經濟、文化、科技，甚至是戰爭。人們普遍認為產生“幸福與快樂”的關鍵在于對于自身欲望的滿足感，進而專注于那些更加直接和明確的目標。科學技術帶來的財富增長與民主文明帶來的和平穩定——這些“外在”的努力到達了一定程度以后，并不能為人們爭取更多“幸福與快樂”。因為，人類自身的生理、心理機制在很多情況下制約了“幸福與快樂”增長[4]。

未來，如何“向內”挖掘人類自身的潛力，從而獲得更多的“幸福與快樂”，也是生物醫學工程學科的新課題。

另一個“潘多拉的魔盒”。生物信息技術的發展與應用，也面臨諸多倫理、道德、安全等不確定性問題。根據人民網的報道，2018年11月26日，來自中國深圳的科學家賀建奎在第二屆國際人類基因組編輯峰會召開前一天宣布，一對名為露露和娜娜的基因編輯嬰兒于11月在中國健康誕生。這對雙胞胎的一個基因經過修改，使她們出生后即能天然抵抗艾滋病。如果這一消息屬實，這是世界首例免疫艾滋病的基因編輯嬰兒。消息發布后，在世界各國的官方、科學界、醫學界、宗教界以及民間引起軒然大波，對于其倫理性引發了眾多討論，其中更多是嚴厲的道德譴責、甚至法律制裁。基因編輯——這個潘多拉的魔盒能否被永久關閉、又會在何時以哪種方式開啟，也是影響未來生物醫學工程學科發展的重要因素。

3生物醫學工程技術未來發展與應用展望

毫無疑問，人類對健康、長生、幸福與快樂的追求永遠不會停止，未來生物醫學工程發展的步伐也不會停歇，只會朝向更加高級、更加貼近人們需求的方向前進。筆者認為，在信息化社會高度發展的未來，從技術應用的角度上分析，生物醫學工程將圍繞“信息能力”和“健康長生”兩個方向發展。

3.1信息無限的智能穿戴設備

信息的獲取能力是人作為學習者、勞動者、創造者的基礎，從某種意義上講，現在從一部小小的手機上所能夠獲取的信息量，就遠遠超過以往的“讀萬卷書、行萬里路”的信息總量了。未來的智能穿戴設備一定不會止步于現在手機、手環、計步器這些簡單的應用，隨著芯片微型化、柔性電路板、VAR虛擬現實、人工智能等核心技術的成熟，以生物醫學工程技術為基礎的智能穿戴將會向高度智能化、集成化、網絡化、個性化、虛擬化方向發展;各類關于政治、軍事、科技、文化、知識、娛樂、健康狀況、生理活動等方面關鍵信息數據的獲取將變得極其簡單、方便而且廉價無比;隨著智能穿戴設備的普及，將徹底抹平人們在生理上以及經濟條件上的差異，實現信息獲取上的平等待遇;未來的智能穿戴設備將最大程度地與人類的生理特點相結合，毫無負擔地成為人們日常生活、工作中不可或缺的部分。

3.2人工智能參與大腦信息處理

在信息獲取不受制約的情況下，信息污染、信息處理、信息創造等問題將成為困擾人類的下一個難題，人工智能參與人類大腦的信息處理將會變得十分必要，因為人腦的信息處理能力已經大幅落后于信息量的大幅增長了。但是，解決這一問題顯然要比前者困難得多，這將意味著要在大腦神經系統與外部信息網絡之間建立以一座可以實現數據自由交換的橋梁，需要以神經生物學、計算神經科學等基礎腦科學與腦型計算機技術獲得重大突破為前提，不過這一切也并非遙不可及，在腦科學的前沿領域，生理學家與信息工程師已經在細胞和分子水平的神經學、視覺腦機制、人工神經網絡等領域取得了重大進展，并得到了世界各國政府的高度重視與普遍支持，一旦條件成熟進入應用級階段，這將是生物醫學工程在未來作為一個極其重要的學科走向成熟的標志。

可以預見，在人工智能的參與下，大腦的信息處理能力將于得到極大的提升，人類的智慧將達到空前的高度，人的學習能力、記憶能力、知識創新能力得到了極大地發展，“過目不忘、一目十行”將是人人均能夠做到的“家常便飯”，整個社會效率將大幅提升，科學技術將一日千里地加速前進。生物醫學工程將生物學意義上的人變成了超級人類，再一次將人類社會向前推進一大步。

3.3人機深度融合

當人類的在自身能力方面取得重大進展后，“健康與長生”問題的解決將是水到渠成的事情，這也是生物醫學工程的天然使命。由于身體的疾病、勞損與衰老是不可避免事情，作為承載人類存在的血肉之軀必將退出歷史的舞臺，可以想見，如果人工器官更加美觀、靈活、耐用，未來的人們將不再拒絕它們（排異），而是將其作為自身的一部分或者全部。

生物醫學工程再次將人類送到一個不可想象的時代。

人類的存在，只需要消耗極少的能量維持生命，能夠適應各種惡劣的環境，無需遮風擋雨的建筑物，對自然資源的消耗大幅減少;具備各種超級能力的器官非常耐用、廉價而且方便獲得;甚至克服時空的制約實現自由穿梭，也并非夢想。與此同時，一切存在于現今社會的各種政治、經濟、軍事、社會矛盾也將全部被化解于無形。

只是，到了這個時代，當人類再度審視自己的時候，又該如何定義自己呢？

3.4再回到“我是誰”的問題

大約2400年前，古希臘哲學家柏拉圖（Plato，公元前427年-公元前347年）留下了一個著名的命題——我是誰？從哪里來？到哪里去？

是的，自然孕育了人類，而人類改造了自己，最終實現了富裕和平、健康長生的夢想，至于“下一步再走向何方”這個問題的答案就交給漫長的未來去解答吧！

參考文獻：

[1]董秀珍，俞夢孫.生物醫學工程學概論[M]，北京：科學出版社，1994：1-40。

[2]陳錚.天塹變通途——探秘心臟搭橋手術[J]，首都醫藥，2008，5：50-51。

[3]樊艷平.生物醫學工程發展史與方法論研究[J]，太原理工大學， 2015。

[4]Yuwall Noah Harari，未來簡史[M]。林俊宏，譯。北京：中信出版社，2017：26-35。