淺談大數(shù)據(jù)時(shí)代下的生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展趨勢(shì)

邵帥 汪鵬飛

摘要：隨著我國(guó)越來(lái)越強(qiáng)大，中國(guó)經(jīng)濟(jì)也在發(fā)展，科技信息技術(shù)不斷發(fā)展，中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)對(duì)社會(huì)的各個(gè)方面產(chǎn)生了巨大的影響，并擴(kuò)展到了各個(gè)領(lǐng)域。在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域呈現(xiàn)出新的面貌并不斷發(fā)展。

關(guān)鍵詞：淺談;大數(shù)據(jù)時(shí)代;生物醫(yī)學(xué)工程;發(fā)展趨勢(shì)

1生物醫(yī)學(xué)工程概述

生物醫(yī)學(xué)技術(shù)是連接現(xiàn)代生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)和技術(shù)的一門新興邊緣學(xué)科。它的發(fā)展主要得益于物理、化學(xué)和工程技術(shù)的不同原理和方法在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用，為了提高醫(yī)療設(shè)備、材料和研究工具的質(zhì)量，充分滿足醫(yī)療行業(yè)臨床診療的實(shí)際需要。近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也獲得了許多醫(yī)療產(chǎn)品，為中國(guó)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。20世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)圖像的診斷和功能形成方法迅速發(fā)展，出現(xiàn)了幾種新的醫(yī)療方法，并使用了基于新材料的輔助醫(yī)療設(shè)備[1]。根據(jù)研究目標(biāo)，生物醫(yī)學(xué)工程可分為四個(gè)領(lǐng)域：生物醫(yī)學(xué)材料、生物醫(yī)學(xué)工程器械、生物醫(yī)學(xué)康復(fù)和遠(yuǎn)程診斷與治療系統(tǒng)。這亦需要不斷更新醫(yī)生在醫(yī)學(xué)方面的知識(shí)，以應(yīng)付現(xiàn)階段對(duì)這方面專業(yè)人才的真正需求。

2生物醫(yī)學(xué)工程與大數(shù)據(jù)的密切聯(lián)系

2.1生物醫(yī)學(xué)工程的基本概念及其應(yīng)用技術(shù)

生物醫(yī)學(xué)工程是一系列更廣泛的學(xué)科，包括生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子和材料工程的理論和方法。主要目的是利用工程技術(shù)和方法研究生物和醫(yī)學(xué)問(wèn)題，以期加以解決。所采用的技術(shù)主要包括生物醫(yī)學(xué)傳感器、信號(hào)處理和檢測(cè)方法、醫(yī)學(xué)圖像處理方法，臨床處理和實(shí)驗(yàn)室分析方法[2]。

2.2生物醫(yī)學(xué)工程數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

生物醫(yī)學(xué)工程數(shù)據(jù)主要包括生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程等。這些數(shù)據(jù)有五個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

2.2.1有相當(dāng)大數(shù)量的數(shù)據(jù)：這些數(shù)據(jù)來(lái)自多個(gè)方面，因此收集的數(shù)據(jù)情況復(fù)雜多樣;

2.2.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同：主要原因是在數(shù)據(jù)庫(kù)中表示非建設(shè)性數(shù)據(jù)不太方便;

2.2.3數(shù)據(jù)無(wú)法合理量化：主要原因是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)特征無(wú)法用定義的公式表示;

2.2.4數(shù)據(jù)冗余會(huì)導(dǎo)致冗余數(shù)據(jù)量增加，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)毫無(wú)意義，并非所有數(shù)據(jù)都很重要;

2.2.5數(shù)據(jù)的總體準(zhǔn)確性相對(duì)較低：在收集生物信號(hào)時(shí)，空氣中的噪聲污染無(wú)法很好地避免，這將導(dǎo)致差生數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤[3]。

3生物醫(yī)學(xué)工程的數(shù)據(jù)挖掘方法

3.1基于大數(shù)據(jù)大量、多樣特征的NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)

NoSQL即NotOnlySQL，它不再是傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的領(lǐng)先存儲(chǔ)庫(kù)，這種關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)快速增長(zhǎng)、互不關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)。這種類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不需要對(duì)表結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，也不會(huì)導(dǎo)致表連接或水平分割。

NoSQL支持非關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（如下圖），不需要?jiǎng)?chuàng)建完整的數(shù)據(jù)字段，并且必須始終提前搜索有效的存儲(chǔ)。但是，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，很難添加或刪除完整的字段。例如，在提供有效數(shù)據(jù)收集的生物醫(yī)學(xué)過(guò)程中，大量數(shù)據(jù)沒(méi)有特定的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，這時(shí)，就體現(xiàn)了大數(shù)據(jù)和非建設(shè)性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的重要性。

3.2基于大數(shù)據(jù)高速、價(jià)值特征的Hadoop技術(shù)

Hadoop是一個(gè)處理大量數(shù)據(jù)的軟件框架，主要包括兩個(gè)方面：（1）Hadoop分布式文件系統(tǒng)：它主要用作存儲(chǔ)系統(tǒng)。其主要工作方式是將源數(shù)據(jù)復(fù)制并分發(fā)到服務(wù)器集群點(diǎn)，然后使用一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序?qū)?jié)點(diǎn)進(jìn)行分析和處理;（2）MapReducer建立的軟件框架和編程模型可以在很大程度上管理分布式應(yīng)用程序。

4大數(shù)據(jù)時(shí)代下生物醫(yī)學(xué)工程在影像及介入醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

4.1影像介入技術(shù)

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)影像學(xué)也在發(fā)展（如圖所示），特別是在有前途的微創(chuàng)新技術(shù)方面。根據(jù)透射器件的不同，結(jié)合大數(shù)據(jù)，微透視方法主要包括：X射線/CT、超聲和磁共振治療。介入超聲由于其設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)便、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，深受醫(yī)護(hù)人員及病人歡迎。

4.2介入放射學(xué)

介入放射學(xué)技術(shù)在1895年血管造影后提出并應(yīng)用，引起了全世界醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。從那時(shí)起，全世界的研究和應(yīng)用都在增加。其范圍正在擴(kuò)大。

介入放射學(xué)具有創(chuàng)傷小、療效好的特點(diǎn)。世界上大多數(shù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)都建立了不同規(guī)模的獨(dú)立干預(yù)部門。介入放射學(xué)技術(shù)外科治療已變得司空見(jiàn)慣，甚至取代了國(guó)內(nèi)外對(duì)某些疾病的外科治療[5]。

4.3CT引導(dǎo)下的微創(chuàng)

隨著數(shù)字技術(shù)、大數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)的融合，生物醫(yī)學(xué)不僅在診斷和治療設(shè)備方面取得了重大進(jìn)展，也在徹底改變?cè)\治方法。它包括基于CT的組織穿刺活檢、腦血腫切除和腰椎間盤突出癥定位等立體定位方法。

4.4超聲引導(dǎo)微創(chuàng)技術(shù)

在中國(guó)，半個(gè)多世紀(jì)前，超聲被應(yīng)用于臨床診斷。與其他醫(yī)學(xué)圖像相比，超聲具有許多優(yōu)點(diǎn)（如無(wú)放射性、無(wú)創(chuàng)傷、成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單、比率快、便于更多的隨訪等），而且還可以動(dòng)態(tài)觀察身體或器官，更直觀地了解身體的病理變化，因此，此外，在超聲手段的作用下，在治療甲狀腺、乳腺、肝臟等疾病方面取得了良好的效果。目前，在臨床治療中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在小腫瘤的治療中，可以獲得超聲治療。它不僅反映了21世紀(jì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展方向，而且以精確的定義論證了其醫(yī)學(xué)發(fā)展模式。介入超聲手段的臨床應(yīng)用使其成為最具發(fā)展前景和學(xué)術(shù)性的醫(yī)療體系。近十年來(lái)，這項(xiàng)由超聲成像和醫(yī)學(xué)工作專家創(chuàng)造和開(kāi)發(fā)的新的主題技術(shù)，應(yīng)用于泌尿外科、肝膽外科、血管外科、麻醉和骨科等多個(gè)診所，這不僅加速了這一手術(shù)的推廣和認(rèn)可，此外，腫瘤和各種技術(shù)的全球應(yīng)用取得了巨大進(jìn)展，生物醫(yī)學(xué)工程在臨床實(shí)踐中的重要作用也得到了證實(shí)。

5生物醫(yī)學(xué)工程在臨床中的應(yīng)用及發(fā)展

5.1微創(chuàng)技術(shù)

“微創(chuàng)技術(shù)”貫穿于整個(gè)醫(yī)學(xué)發(fā)展過(guò)程。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析，這是未來(lái)醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向。其概念是基于微創(chuàng)手術(shù)的概念，其實(shí)質(zhì)是內(nèi)窺鏡技術(shù)。它是一種通過(guò)微創(chuàng)手段達(dá)到最佳治療效果，這是傳統(tǒng)手段所不具備的，被歸類為“微創(chuàng)方法”，如超聲介入、放射學(xué)、內(nèi)鏡檢查、內(nèi)鏡檢查和顯微手術(shù)。這些創(chuàng)新和發(fā)明得到了生物、工程、醫(yī)學(xué)和其他學(xué)科整合的補(bǔ)充。

5.2內(nèi)鏡技術(shù)

在中國(guó)，內(nèi)鏡技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速。目前，纖維內(nèi)窺鏡已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)臨床工作。隨著科學(xué)技術(shù)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，內(nèi)鏡得到了不同程度的發(fā)展和改進(jìn)。診斷和治療過(guò)程變得越來(lái)越簡(jiǎn)單和微創(chuàng)。這是最全面、最先進(jìn)的新型微創(chuàng)技術(shù)。例如，有更輕的膠囊內(nèi)窺鏡，反映了生物醫(yī)學(xué)工程的重要性。

5.3腔鏡技術(shù)

上世紀(jì)80年代末，腔鏡技術(shù)的發(fā)展取得了質(zhì)的飛躍，最重要的是腹腔境技術(shù)的發(fā)展。1992年，荀祖武第一次開(kāi)始做膽囊腹腔鏡手術(shù)后，腔鏡技術(shù)發(fā)展迅速。到目前為止，腔鏡技術(shù)已廣泛應(yīng)用于外科的各個(gè)領(lǐng)域，并且目前，三維腹腔鏡和達(dá)芬奇機(jī)器人操作在國(guó)內(nèi)外廣泛存在。

6生物醫(yī)學(xué)工程展望

6.1生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)與其他學(xué)科的多學(xué)科合作

微創(chuàng)新技術(shù)需要不斷的研究，這就需要我們形成臨床思維，即微創(chuàng)技術(shù)的創(chuàng)新——微創(chuàng)醫(yī)學(xué)的長(zhǎng)期發(fā)展;在微觀層面，利用偉大的國(guó)家衛(wèi)生改革政策，有望在未來(lái)五年內(nèi)，將繼續(xù)發(fā)展和推廣微型創(chuàng)新技術(shù)，例如作為對(duì)現(xiàn)有非侵入性技術(shù)的綜合系統(tǒng)改進(jìn)，整合各種技術(shù)，創(chuàng)新發(fā)展新技術(shù)。但是，微創(chuàng)醫(yī)學(xué)的發(fā)展今天仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，特別是學(xué)科間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，醫(yī)療資源配置和專業(yè)優(yōu)勢(shì)可以體現(xiàn)。因此，我們不僅要進(jìn)一步加快科學(xué)和人才的發(fā)展，還要在預(yù)防醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展多邊合作，進(jìn)一步加快生物醫(yī)學(xué)工程步伐，創(chuàng)造新的醫(yī)學(xué)方法，生產(chǎn)新的設(shè)備，最終造福于所有學(xué)科、患者和醫(yī)生。

6.2通過(guò)數(shù)據(jù)完成醫(yī)療整合

近年來(lái)，隨著臨床亞專業(yè)和亞專科的進(jìn)一步完善，醫(yī)學(xué)發(fā)展模式在診斷和治療水平上有了一定程度的提高，但伴隨著醫(yī)學(xué)知識(shí)和診斷和治療方法的碎片化和機(jī)械化，還是改變不了“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的問(wèn)題。許多著名醫(yī)學(xué)學(xué)者和專家在中國(guó)綜合醫(yī)學(xué)大會(huì)上的發(fā)言中指出，要通過(guò)大數(shù)據(jù)，整合醫(yī)學(xué)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，這決定著未來(lái)醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向。對(duì)保護(hù)人類健康有著積極的意義，而不是像今天這樣簡(jiǎn)單地“看醫(yī)生”。

6.3應(yīng)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)醫(yī)療

美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬在2015年1月30日的國(guó)情咨文中表示，美國(guó)正式啟動(dòng)了“精確醫(yī)學(xué)”計(jì)劃。從2011年初開(kāi)始，美國(guó)科學(xué)院工程研究所國(guó)家衛(wèi)生研究所和美國(guó)科學(xué)委員會(huì)聯(lián)合發(fā)起了“精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)”倡議。前四個(gè)研究機(jī)構(gòu)在大數(shù)據(jù)支持下的聯(lián)合舉措，指出了未來(lái)醫(yī)學(xué)的方向，代表了未來(lái)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展方向。以往的研究模式都是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，不但不涉及臨床問(wèn)題，根本不符合臨床需要。一種新的臨床驅(qū)動(dòng)醫(yī)學(xué)模式目前提供了精確的醫(yī)學(xué)。精確醫(yī)學(xué)的發(fā)展旨在應(yīng)用更精確的醫(yī)療工具和設(shè)備，通過(guò)大數(shù)據(jù)的加持，完成生物醫(yī)學(xué)工程和其他學(xué)科的整合，最后達(dá)到精準(zhǔn)醫(yī)療的目的。

6.4診療遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化

在醫(yī)院診斷過(guò)程中，遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)主要是指醫(yī)生在遠(yuǎn)程醫(yī)療的基礎(chǔ)上，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)患者進(jìn)行體檢。同時(shí)，通過(guò)檢查獲得的診斷數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸，并存儲(chǔ)在醫(yī)療報(bào)告中，以確保正確執(zhí)行某些操作。此外，通過(guò)醫(yī)療管理信息平臺(tái)，還可以將原紙病例轉(zhuǎn)化為電子病例，大大提高了所有病例的保存概率，減少了損失。同時(shí)，使用電子日歷也可以方便醫(yī)生就醫(yī)，病人可以檢查自己的病情，從而提供更方便的與醫(yī)生溝通，處理醫(yī)生與患者之間的關(guān)系。

6.5醫(yī)療儀器智能小型化

新診斷工具的出現(xiàn)，體積小，智能，適應(yīng)人體結(jié)構(gòu)，使醫(yī)生能夠方便快捷地控制患者。例如，當(dāng)患者佩戴智能手環(huán)時(shí)，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)跟蹤人體的微小變化，包括血糖水平的變化，血壓、血液蛋白等，并提出合理的建議和解決方案，將其與普通人體相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

總的來(lái)說(shuō)，生物醫(yī)學(xué)工程是一門新興的科學(xué)，它充分利用了現(xiàn)代工程研究的成果來(lái)解決與醫(yī)學(xué)有關(guān)的問(wèn)題。滲透到自然科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的工程技術(shù)是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域。它已成為推動(dòng)醫(yī)學(xué)發(fā)展的日益強(qiáng)大的動(dòng)力，醫(yī)學(xué)的發(fā)展又有利于生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展。二者形成了相互依存、相輔相成的關(guān)系。因此，要取得科研成果，必須以養(yǎng)護(hù)為基礎(chǔ)，以科研為先導(dǎo)，走科學(xué)、工程、醫(yī)學(xué)全球化發(fā)展的道路。只有這樣，才能促進(jìn)其鞏固和發(fā)展，占據(jù)其學(xué)術(shù)地位，促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展和創(chuàng)新。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，生物醫(yī)學(xué)工程將得到更快的發(fā)展，使人類健康發(fā)展，合理配置醫(yī)院資源和設(shè)備，有利于最大限度地利用醫(yī)院資源，確保醫(yī)院的良好發(fā)展。

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