關(guān)于對生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展與應(yīng)用前景的幾點思考

黃汗青

摘要：隨著生物學(xué)、醫(yī)學(xué)理論以及工程技術(shù)的發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域，發(fā)揮了巨大技術(shù)經(jīng)濟效益和社會效益，并在上世紀末期正式被列為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科（BME）。近年來，隨著人類社會信息化的深度發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域面臨著：舊的理論與方法局限性問題、工程技術(shù)發(fā)展遭遇瓶頸以及人類社會與自身的發(fā)展不均衡等問題，BME作為一門新興的交叉性學(xué)科，應(yīng)放眼未來、立足于現(xiàn)在，從深度與寬度兩個方向進一步豐富、拓展研究領(lǐng)域，為這些問題提供一套可行的解決方案。

關(guān)鍵字：生物醫(yī)學(xué)工程;摩爾定律;信息能力

生物醫(yī)學(xué)工程（BiomedicalEngineering，簡稱BME）是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、計算機技術(shù)、電子信息科學(xué)、自動化等多個專業(yè)相結(jié)合的交叉性學(xué)科，目的是通過現(xiàn)代生物工程、材料工程、自動化與信息工程技術(shù)的理論和方法解決生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)問題，其研究涉及的范圍較為廣泛，包括生物醫(yī)學(xué)材料制品、（生物）人工器官、醫(yī)學(xué)影像和診斷設(shè)備、醫(yī)學(xué)電子儀器和監(jiān)護裝置、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)治療設(shè)備、醫(yī)學(xué)信息技術(shù)、康復(fù)工程技術(shù)和裝置等[1]。生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展，可以為人類的醫(yī)療診斷、治療康復(fù)、器官移植甚至人機結(jié)合提供解決方案。

1生物醫(yī)學(xué)工程的應(yīng)用與發(fā)展歷史

生物醫(yī)學(xué)工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用由來已久，從早期伽利略發(fā)明的溫度計、脈搏計，胡克的顯微鏡，雷納克的聽診器等醫(yī)學(xué)測量儀器，到現(xiàn)代的心臟搭橋、血管支架以及智能穿戴設(shè)備等，隨著工程及材料技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了一個由簡單初級到復(fù)雜高級、由單一醫(yī)學(xué)診斷到多元綜合應(yīng)用的發(fā)展過程。

按照生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展與應(yīng)用的程度，大致可以分為輔助檢驗與醫(yī)學(xué)介入兩個時代。

1.1輔助檢驗時代

得益于文藝復(fù)興時期生物學(xué)、醫(yī)學(xué)理論的蓬勃發(fā)展，人類的醫(yī)療手段不再滿足于根據(jù)案例進行經(jīng)驗判斷，1592年，伽利略將溫度計、脈搏計應(yīng)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(fā)現(xiàn)了細菌，1816年法國醫(yī)生雷納克于創(chuàng)造聽診器，用于聆聽人體內(nèi)部的聲音，1894年荷蘭生理學(xué)家愛因托芬開始使用心電描記儀，1895年德國物理學(xué)家倫琴用X光得到了人類第一張醫(yī)學(xué)影像……

這些不過是工程技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的小試牛刀，就一下子就把人類的醫(yī)療技術(shù)從經(jīng)驗主義時代帶入到了科學(xué)定量時代，從此，醫(yī)學(xué)與神學(xué)徹底分離。

1.2醫(yī)學(xué)介入時代

在輔助檢驗時代，工程技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域初步應(yīng)用即極大地推動醫(yī)學(xué)生物學(xué)的發(fā)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(xué)發(fā)現(xiàn)最多的時代，尤其是物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)或生理學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域，無論是在理論體系還是在工程應(yīng)用方面均有長足的進步，物理學(xué)、工程學(xué)以前所未有的速度被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人們不滿足生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)止步于檢驗診斷的范疇，工程師與醫(yī)生的合作日益密切，很快進入到了局部醫(yī)學(xué)介入時代。

這個時期最為顯著的特點是各類新材料、新技術(shù)被大膽使用于人體器官的手術(shù)治療、功能修復(fù)甚至是部分替代。尤其是上個世紀第二次世界大戰(zhàn)以后，生物醫(yī)學(xué)材料、人工器官、新型診療技術(shù)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(shù)、心臟起搏器等[2]。

2生物醫(yī)學(xué)工程當前面臨的問題

2.1生物醫(yī)學(xué)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(guān)系是割裂的、分離的，對生命的本質(zhì)、整體性以及各部分之間、人與環(huán)境之間的相互作用等問題，還缺乏深層次的、系統(tǒng)性的認知。各大科研機構(gòu)以及醫(yī)院診所在現(xiàn)有理論指導(dǎo)下，基本上都實行了嚴格的分科體系，還原論、排除法、大數(shù)據(jù)比對法等醫(yī)學(xué)理論與方法還不能指導(dǎo)醫(yī)生準確地對病情進行診斷與治療[3]。

據(jù)統(tǒng)計，從1950年至今，國內(nèi)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(yī)療質(zhì)量》雜志（Patient safety &quality healthcare）上的分析中，估計全美每年死于醫(yī)療事故的人數(shù)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(shù)的局限

失效的“摩爾定律”。眾所周知，發(fā)生于上世紀末期的第四次科技革命是以系統(tǒng)科學(xué)的興起到系統(tǒng)生物科學(xué)的形成為標志，系統(tǒng)科學(xué)、計算機科學(xué)、納米科學(xué)與生命科學(xué)的理論與技術(shù)整合，形成系統(tǒng)生物科學(xué)與技術(shù)體系。其中信息技術(shù)作為科技革命中的關(guān)鍵技術(shù)，其基礎(chǔ)載體就是集成電路，近五十年來，構(gòu)成集成電路的半導(dǎo)體技術(shù)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(fā)展，但是，從2013年以來這個規(guī)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(dǎo)體的物理極限，再也難以縮小下去了。而新的代替技術(shù)如碳納米管、高溫超導(dǎo)材料等新技術(shù)還遠遠沒有達到工業(yè)應(yīng)用級水平。

另一個“摩爾定律”，自工業(yè)革命以來，隨著工程技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，人類便展現(xiàn)出對自然環(huán)境強大的改造能力與驚人的破壞力，無節(jié)制增長的需求驅(qū)動生產(chǎn)力的持續(xù)提升，豐富的物質(zhì)供給與醫(yī)療技術(shù)的進步為人口增長再創(chuàng)造條件，如此循環(huán)往復(fù)，又形成了人口與環(huán)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(yīng)該是人類產(chǎn)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(jīng)濟、文化、科技，甚至是戰(zhàn)爭。人們普遍認為產(chǎn)生“幸福與快樂”的關(guān)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(xué)技術(shù)帶來的財富增長與民主文明帶來的和平穩(wěn)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(nèi)”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(yī)學(xué)工程學(xué)科的新課題。

另一個“潘多拉的魔盒”。生物信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，也面臨諸多倫理、道德、安全等不確定性問題。根據(jù)人民網(wǎng)的報道，2018年11月26日，來自中國深圳的科學(xué)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(jīng)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(fā)布后，在世界各國的官方、科學(xué)界、醫(yī)學(xué)界、宗教界以及民間引起軒然大波，對于其倫理性引發(fā)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(guān)閉、又會在何時以哪種方式開啟，也是影響未來生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的重要因素。

3生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)未來發(fā)展與應(yīng)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(yī)學(xué)工程發(fā)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(fā)展的未來，從技術(shù)應(yīng)用的角度上分析，生物醫(yī)學(xué)工程將圍繞“信息能力”和“健康長生”兩個方向發(fā)展。

3.1信息無限的智能穿戴設(shè)備

信息的獲取能力是人作為學(xué)習(xí)者、勞動者、創(chuàng)造者的基礎(chǔ)，從某種意義上講，現(xiàn)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(shè)備一定不會止步于現(xiàn)在手機、手環(huán)、計步器這些簡單的應(yīng)用，隨著芯片微型化、柔性電路板、VAR虛擬現(xiàn)實、人工智能等核心技術(shù)的成熟，以生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)為基礎(chǔ)的智能穿戴將會向高度智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、個性化、虛擬化方向發(fā)展;各類關(guān)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(guān)鍵信息數(shù)據(jù)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(shè)備的普及，將徹底抹平人們在生理上以及經(jīng)濟條件上的差異，實現(xiàn)信息獲取上的平等待遇;未來的智能穿戴設(shè)備將最大程度地與人類的生理特點相結(jié)合，毫無負擔地成為人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ髦胁豢苫蛉钡牟糠帧?/p>

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(chuàng)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(jīng)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(jīng)系統(tǒng)與外部信息網(wǎng)絡(luò)之間建立以一座可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自由交換的橋梁，需要以神經(jīng)生物學(xué)、計算神經(jīng)科學(xué)等基礎(chǔ)腦科學(xué)與腦型計算機技術(shù)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(xué)的前沿領(lǐng)域，生理學(xué)家與信息工程師已經(jīng)在細胞和分子水平的神經(jīng)學(xué)、視覺腦機制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)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(yīng)用級階段，這將是生物醫(yī)學(xué)工程在未來作為一個極其重要的學(xué)科走向成熟的標志。

可以預(yù)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(xué)習(xí)能力、記憶能力、知識創(chuàng)新能力得到了極大地發(fā)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(xué)技術(shù)將一日千里地加速前進。生物醫(yī)學(xué)工程將生物學(xué)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(yī)學(xué)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(yī)學(xué)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(yīng)各種惡劣的環(huán)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(xiàn)自由穿梭，也并非夢想。與此同時，一切存在于現(xiàn)今社會的各種政治、經(jīng)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(xué)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(xiàn)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(yī)學(xué)工程學(xué)概論[M]，北京：科學(xué)出版社，1994：1-40。

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

[3]樊艷平.生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展史與方法論研究[J]，太原理工大學(xué)， 2015。

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