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生物醫學工程應用特色分析:應用型生物醫學工程人才培養模式

摘要：

科研與教學的互動是高校的重要特征，是提高人才培養質量的重要手段。針對當前高校科教融合中所存在的問題以及生物醫學工程學科背景與特色，桂林電子科技大學依托生物醫學工程領域的優勢科研資源，凝聚老師與學生的科教相融的共識，將老師的科學研究與本科教學過程、學生第二課堂緊密結合，培養學生的專業實踐能力，探索并實施科教融合的應用型生物醫學工程人才培養模式，取得了良好的成效。

關鍵詞：

生物醫學工程；科教融合；人才培養模式

全面提高教育教學質量，必須不斷拓展人才培養資源與渠道，將多方面的辦學優勢轉化為人才培養的優勢。人才培養與科學研究是高校的主要職能，實現兩者的有機融合，對于提高人才培養質量具有重要的意義[1，2]。科教融合是指科學研究與教書育人有機地結合，充分發揮高校科學研究的優勢培育高素質專業人才。生物醫學工程是一門理、工、醫高度融合與交叉的學科，應用型生物醫學工程專業主要培養具有扎實的生物醫學、電子技術理論基礎以及醫學與電子信息相結合的工程技術能力，能在醫療器械、醫療衛生等相關行業從事工程技術開發、服務、管理和教育等工作的應用型人才[3]。全面推進科教融合，可以有效地培養生物醫學工程本科生的創新能力和動手實踐能力，進而提高其專業基本能力與素質。但在高校人才培養過程中，科學研究與人才培養往往沒有得到很好地結合，主要表現在三個方面。一是學校重視科研而輕視教學，提升高校科學研究能力與水平，學校可以獲得更多地經費、吸引大量地生源、獲得更高的聲譽。同時，在教師職稱評定、崗位聘任、年終考核，甚至資源分配的過程中，以承擔科研項目的數量、的情況等作為考察重點，而授課內容、課時量甚至教學方式和效果僅僅作為參考方面不起決定性作用。二是老師往往重視科研、忽視教學工作。部分老師教學熱情不夠，為教學而教學，沒有站在人才培養的高度去教學，由于科研任務繁重，占據了大師的工作時間，在教學上面所花的時間與精力相對較少。三是本科生參與科研項目的機會相對較少[4]。一方面大學期間學生的課程學習壓力比較大，很難有地時間參與專業方面的科學研究；另一方面本科期間在專業知識的掌握程度還不高，基礎還不扎實，在老師的科研項目中所起到的作用甚少，老師更希望研究生來參與科研項目。針對當前高校科教融合所存在的普遍的問題以及生物醫學工程學科背景與特色，我校生命與環境科學學院利用廣西生物醫學工程重點學科、八桂學者崗位、廣西工程技術研究中心等生物醫學工程專業相關的優勢學科研究平臺，以及以國家科技支撐計劃項目、國家自然科學基金項目等主要的重大科研項目和以廣西八桂學者為帶頭人的高端師資隊伍為主的科學研究資源，積極制訂相關措施與政策，將學科平臺和科研資源帶入到人才培養過程中去，切實提高人才培養質量。

一、定期舉辦以科教融合為主題的討論活動，凝聚專業老師與學生的共識

科教融合，思想先行。不僅要讓專業老師認識到科教融合的重要性，更要讓學生在思想上認識到科教融合是提升學生專業實踐能力，提高人才培養質量的重要途徑。因為學生是科教融合的主體，只有學生愿意參與，老師愿意參與指導，才可能實質性地提高人才培養質量。學院定期舉辦學院層面的專題討論，圍繞科研服務本科教學的模式與途徑這一主題展開討論，甚至將一些典型案例在會上進行分享。在討論會上，除了專業老師參與外，學生代表也應出席，通過老師與學生面對面的交流，可以逐步凝聚大家對科教融合模式的共識，還可以讓老師與學生進行相互地了解，為更好地貫徹科教融合專業實踐活動奠定基礎。科教融合對于老師與學生雙方面都是受益的。一方面，科教融合可以讓學生接受到最新的前沿專業知識，既可以培養學生創新能力和專業實踐能力，還可以培養學生的社會適應能力，可以成為課堂教學的有效或者不可或缺的補充。另一方面，學生的思維方式比較活躍，跳躍性較強，老師可以在與學生的交流過程中獲得新的科研思路。科教融合的實施不僅是提高人才培養質量的有效途徑，更是推動“大眾創業、萬眾創新”的重要舉措和動力源泉。

二、將老師科研成果引入理論與實踐教學，實現科學研究與教學過程的有機融合

課堂教學是實施專業教育的主要陣地，是教師給學生傳授知識和技能的全過程。要求任課老師在課程教學內容上進行改革，結合自身的科學研究實施課堂教學和專業教育，既可以提高學生的學習興趣，同時增強的課堂教學效果[5]。我校生物醫學工程專業定位于培養生物醫學電子儀器行業的工程應用型人才，在課程教學內容上要求老師圍繞這一核心安排教學內容。在教學計劃的制定和實施中，結合老師的科學研究，充分體現解決醫療器械產業關鍵工程技術問題能力的培養要求，在課程體系設計、教學活動組織、教學方式的探索、學生成績的考核等方面，增加科教融合方面的內容。比如在有限的課時內，改革了生物醫學工程專業基礎課《算法與數據結構》的授課內容，增加與生物醫學儀器研制直接相關的算法方面的知識點，如插值、擬合等，在課程教學過程中結合老師在生物醫學信息檢測方面的科學研究組織教學內容。又比如在《傳感器原理》、《醫學儀器原理》等專業課程的教學中，要求老師有一定的科學研究的經歷，并在醫學儀器的研究中取得了一定的科學研究成果。改革實驗課堂教學和課程設計的組織形式，要求教師在教材的編寫與選擇、教學內容與方法、作業布置與評改等環節與領域貫徹工程實踐能力培養要求，注重理論與實際的緊密結合，特別鼓勵專業老師結合科學研究中的關鍵技術問題設計實驗項目，在實踐教學環節培養學生的科學素養。

三、讓學生參與科研項目研究，實現科學研究與學生第二課堂的有效融合

第二課堂的作用是培養學生專業興趣，拓寬專業知識面，培養專業思維能力、動手能力和創新能力。第二課堂的開展必須遵循適應性、創新性和主體性原則，即第二課堂應當與大學生的專業培養目標相適應，要以提高人才培養質量為目標，同時應注重培養學生的創新性，過程應有一定的挑戰性。老師的科學研究與學生的第二課堂活動有效融合，對于提升學生專業工程實踐能力具有重要的意義[6]。它既體現了“教師主導，學生主體”的指導思想，也由于科研項目本身具有一定的創新性，學生實質性地參與老師科研項目的過程具有一定的挑戰性，對于培養學生創新能力和專業素養具有重大地促進作用。我校生物醫學工程專業的第二課堂活動的開展主要是圍繞學生參與生物醫學傳感與儀器、生物醫學信息處理等方面科研項目的研究。第一，定期向學生公開教師科研課題，讓學生選擇參加老師科研項目。要求老師認真指導學生專業科技活動，讓學生實質參與。要求大學一、二年級的學生以閱讀文獻、參與學術討論等方式參與課題，大三和大四學生可以參與科學實驗、數據分析等項目研究過程。第二，鼓勵老師從科研項目中凝練大學生創新項目由學生承擔，除了承擔國家級和廣西自治區級大學生創新項目外，學院還設立專項經費，定期支持一批院級大學生創新項目，并明確鼓勵學生結合指導老師承擔的科研課題的研究內容組織申報。第三，鼓勵老師從科研項目中根據畢業設計的要求，擬定畢業設計題目，供學生承擔。在2015屆本科畢業設計題目中，有超過50%的題目與老師的科研項目有關，還有20%左右的題目與學生承擔的大學生創新項目有關。第四，積極組織學生參加學校組織的科協協同育人計劃項目。依據我校《科教協同育人計劃項目管理辦法》的規定，學生參與老師主持的科研項目，完成一定的科研工作，通過學校的考核后可以替代部分課程設計、實習甚至畢業設計的學分。一方面大大地激發了學生參與科研項目的興趣，另一方面由于需要完成一定的科研任務才能獲得相應的學分，這給了學生一定的責任與任務，同時也可以協助老師完成科研項目的研究。第五，依托生物醫學電子領域的企業和大型醫院建立完善的專業實習實踐基地，為學生提供更多地來自于生產實際的科研資源，依托合作企業或醫院的專業技術人才，建立指導學生科學研究的專業師資隊伍。加強校企醫合作，充分利用企業和醫院的資源培養學生的專業工程實踐能力，派出學生到企業或者醫院通過實習、做畢業設計等方式實質性參與專業領域的科學研究。

四、擴大學科科研平臺的開放，實現科學研究與人才培養過程的無縫對接

對于生物醫學工程這一工科專業來說，實驗室既是實驗教學的重要陣地，也是培養工程實踐創新人才的基礎平臺。學科科研平臺面向本科生開放，建立健全實驗室開放機制，切實增加學生專業工程實踐的機會，是實施科教融合過程，保障科教融合效果的重要手段[7]。學院立足專業辦學實際情況，加強實驗平臺硬件保障，構建實踐教學共享平臺，出臺了《實驗室開放的管理辦法》，完善了學院的實驗室管理制度，規范了本科生進入實驗室的管理，既為學生進入實驗室從事專業實踐活動提供了方便，也加強了學生的安全責任意識以及實驗室的有序管理。經過近幾年的實踐，已經構建并形成了符合學院學科專業特點的學生進實驗室模式與制度。在周末、在晚上都會有學生在實驗室進行實驗。專業老師經常在實驗里直接指導學生參與專業實踐活動。總之，通過近幾年鼓勵生物醫學工程專業學生融入老師的科研項目研究活動中，取得得了良好的成效，提升了學生的專業實踐能力。學生參與科研項目研究的積極性得到了大大地提高，直接參與老師科研項目的比例達到了30%以上，還有大約40%的學生通過大學生創新項目、畢業設計的形式參與了科學研究。學生在科學研究的過程中取得了良好的研究成果，近3年，本科生發表科研論文30余篇，申請各類專利15件，獲得各類科技競賽獎勵20余人次，而且這些本科生研究成果在逐年提高。

作者：陳洪波 單位：桂林電子科技大學生命與環境科學學院

生物醫學工程應用特色分析:淺探問題驅動法在生物醫學工程專業電子技術課程中的應用

摘 要：針對生物醫學工程專業電子技術課程偏重于理論教學，無法與專業特色相關聯的問題，本文提出將問題驅動的教學模式應用于生物醫學工程專業的電子技術課程，探討了在實施過程中教師需要考慮的問題。

關鍵詞：電子技術；生物醫學工程；問題驅動

1 引言

生物醫學工程是綜合生物學、醫學和工程學的理論和方法而發展起來的新興學科，其主要研究方向是運用工程技術手段，研究和解決生物學和醫學中的有關技術問題保障人類健康為疾病的預防、診斷、治療和康復服務[1]。多學科的交叉使得生物醫學工程不同于那些經典的學科，也有別于生物醫學和純粹的工程學。我校生物醫學工程專業是工程技術為主，醫學知識相結合的專業，以培養能在醫療儀器、醫學信息處理等領域從事研發、教學、管理等工作的人才為目標。電子技術在生物醫學工程研究和醫療儀器開發中有著重要作用，任何一臺現代醫學儀器或設備中都需要電子技術完成信息檢測與處理、系統控制等核心功能[2]。

“電子技術”包括模擬電子技術和數字電子技術兩門主要課程，課程的技術性和實踐性較強。通過理論知識的學習要求學生掌握電子技術的基本概念，基本電路和基本技能，同時相關的實驗培養學生的工程素質、動手能力、創新能力以及自主設計的基本能力[3]。目前，國內很多高校生物醫學工程專業開設的電子技術理論和實驗課程都普遍存在著一些問題：

（1）理論知識和實驗內容與生物醫學工程專業的關聯性不突出；

（2）偏重于理論教學為主，實驗為輔，學生被動的接受知識，學習興趣不高；

（3）實驗內容固定，驗證性實驗過多，缺乏學生自主創新的設計性實驗。因此，探索切實可行的適合于生物醫學工程專業的電子技術課程的教學模式與教學方法已成為提高電子技術課程教學質量的必然要求。

2 問題驅動法

問題驅動式教學方法近年來得到了很多教學人員的關注，在眾多的課程中得到了應用[4-5]。百度百科中定義：問題驅動教學法即基于問題的教學方法（Problem-Based Learning，PBL），區別于傳統的LBL（Lecture-Based learning，LBL）[6]，PBL教學模式是一種以學生為主體、以專業領域內的各種問題為學習起點，以問題為核心規劃學習內容，讓學生圍繞問題尋求解決方案的學習方法。

問題驅動教學法要求學生與教師轉變在傳統LBL教學中的固有地位，學生由被動的知識接受者轉變為主動的信息加工者和知識構建者，教師從知識的灌輸者轉變成為學生主動加工信息、構建知識的引導者。問題驅動教學法大概分為四個步驟：（1）提出問題；（2）分析問題；（3）解決問題；（4）結果評價[7]。教師在教學前期，要明確教學目標，設計執行方案，提出問題。在教學過程中，教師安排學生活動，引導學生自主分析，相互討論和交流。然后在分析的基礎上，讓學生們提出解決問題的方法，進行實踐。最后，對過程和結果進行評價。可以看出，問題驅動法能夠提高學生學習的主動性以及在教學過程中的參與程度，激起學生的求知欲。但是并不意味著教師的參與程度減少了，這種教學方法對教師的要求更高，教師必須具備較強的課堂掌控能力和引導能力。

《電子技術》課程作為是工科專業的基礎必修課，具有理論性和實踐性并重的特點。其課程內容、基本概念、技術術語、電路種類多，學生學習起來比較困難。為了提高電子技術課程的教學質量，很多學校都開展了電子技術課程的教學改革，其中問題驅動法就是選擇的新教學模式之一。但是，由于各種原因，如教學目標的定位、問題驅動法的理解、具體實施過程中的執行力等，基于問題驅動法的教學改革并不是一帆風順的。作為生物醫學工程專業的基礎必修課，《電子技術》又有其特殊性，其課程的教學目標側重于讓學生掌握面向生物醫學及醫學儀器的電子技術，如果理論知識和實驗內容與生物醫學工程專業的關聯性不突出，學生對于課程內容在專業上的應用不甚了解，就會影響到對后續專業課程的學習，甚至影響到將來從事生物醫學工程專業相關工作的能力。因此，有必要研究具有生物醫學工程專業特色的電子技術課程的問題驅動法。

3 問題驅動法的實施

進行問題驅動的教學模式，需要教師有效掌控和恰當引導。下面，主要從教師的角度來闡釋需要注意的問題，對問題驅動法的四個步驟進行分析。

（1）提出問題；在課程開始之前，教師要制定問題，需要其具有全局的概念，考慮各方面因素，包括：教學大綱、培養方案、授課教材等。在問題的選擇上應該考慮以下幾個方面[8]：

1）問題是否和某個單元的教學內容相關；

2）問題是否對學生具有吸引力；

3）問題實施的時間和硬件條件是否能夠保證；

4）問題是否聯系實際，是否與生物醫學工程專業的應用相關；

5）問題之間是否具有連續性，是否具有系統性；

為了突出生物醫學工程專業特點，問題設計必須貼近專業應用。問題之間最好具有關聯性，由小的模塊小的問題，最終組合而成大的模塊大的系統，解決與專業相關的問題。

舉例說明：在模擬電子技術中，所選用的教材為高等教育出版社出版，童詩白、華成英主編的《模擬電子技術基礎第四版》[9]。根據教材中的內容，結合生醫專業應用，可以圍繞心電信號檢測儀的各個模塊展開，設計以下問題：微弱生理信號放大、信號濾波、非矩形波整形為矩形波、直流電源設計。下表1中顯示設計問題與教材章節的知識點對應。從表中可以看出，除了第九章的內容沒有體現，其他章節的知識在問題中均有涉及。由于學時的限制，教材第九章的功率放大電路目前并不在本校生物醫學工程的模擬電子技術教學大綱中。

在布置問題的時候，加入情景帶入，首先向學生講解人體心電信號的特點，心電監測的臨床意義，再提出心電監測儀的采集、放大、濾波、整形、供電問題。其中在信號放大部分，涉及的知識點較多，要對前級放大和后級主放大進行分開設計和說明。隨著課程內容不斷深入，問題不斷得到解決之后，可以將各個模塊組合，并加入右腿驅動電路或50Hz陷波電路，實現簡易的心電信號檢測電路。最后的整體電路進行實際人體測試，用示波器觀察信號，這樣學生在學習模擬

電子技術知識的同時，鍛煉了實踐動手能力，還能與專業應用結合起來，了解電子技術知識在生醫專業中的用武之地，一舉三得。

（2）分析問題；在課程教學中，教師按照進度向學生一一展示問題，引導學生根據所學知識，對問題進行分析。在這個階段，教師需要做到以下幾點：

1）引導學生進行分組，任務分配；

2）引導學生對問題內容進行分析；

3）引導學生將問題與所學知識相關聯；

4）引導學生文獻查閱資料；

由于學生的基礎有限，在這個階段，可能會遇到以下情況：對問題的分析存在偏差，無法與知識點相結合、查閱獲取文獻的能力不足，教師要及時的提供幫助，在學生為主導的前提下，掌控整體過程。

（3）解決問題。在問題分析完成的前提下，學生提出解決問題的方案，并具體實施。教師需要考慮的是：

1）方案是否具有可行性；學生所提出的方法是否合理正確。對于存在問題的方案，是放手讓學生嘗試，還是進行適當的干預提示其改正，需要教師結合具體情況進行操作。

2）方案實施是否順利；方案的實施需要時間與精力的付出，《電子技術》中的問題解決往往需要實際的電路焊接和調試環節，課程的學時如何安排，硬件實驗環境如何保證是教師需要考慮和協調的。此外，對于初次進行電路制作的學生，教師運用經驗為學生提供元器件選擇和購買、電路焊接及調試訓練等實踐方面的幫助，也是必不可少的。

解決問題的整個過程由學生完成，教師不可代辦，但是在適當的時候提供幫助，能夠提高完成效率，保證進度。

（4）結果評價。對于整個過程中學生的表現，需要比較客觀的評價。常用的方法將自我評價、小組互評、教師評價三個方面相結合。

自我評價是學生回顧和反思過程中的得失，對自我形成清楚客觀的認識。小組互評是組間成員根據參與度、貢獻度、工作表現、溝通能力等對組員同學進行分析點評。

雖然在問題驅動的教學模式中，教師的身份發生了轉變，但是并不意味教師的地位和重要性降低了。教師要密切關注學生的狀態和表現，最終對其進行評價。為了激勵學生，幫助學生正確認識自我，樹立學習后續課程的興趣和信心，教師在對學生進行評價的時候要注意以下幾點：

1）評價公正，也不忘因人而異；對待學生的評價要做到客觀中肯，但是也需要考慮學生的差異性。成績優異的學生與基礎較差的學生在小組中的分工不同，貢獻度有區別。為了激發學生的積極性，教師的評價不能采用單一標準，而是應該多元化，從合作精神、交流能力、文獻收集、電路制作、文字編寫等各個方面入手，照顧到各個層面的學生。

2）評價能力，也不忘評價態度；對待學生的評價不光要考慮其知識與技能，還要注重他們在情感、態度方面的表現。課程內容的學習只是一個方面，關注學生知識技能之外的情意發展，有助于其更長遠的進步和成長。

3）評價結果，也不忘評價過程；教師的評價不應該過分關注最終解決問題的結果是否正確，而是要側重于學生在分析問題、解決問題的過程中所表現出來的能力、態度和情感。學生在過程中的提升和收獲，才是教育的主要目的。

4）評價個人，也不忘評價團隊；教師的評價除了針對學生個人，還要涉及到團隊。強調團隊的分工合作，有利于培養學生交流溝通，與人協作的能力。

4 結論

問題驅動法能夠提高學生學習的主動性，激起學生的求知欲，其教學模式十分適合《電子技術》此類工程性和實踐性較強的課程，在許多高校教學改革項目中得到應用。生物醫學工程專業的電子技術課程要與學科特點相結合起來，因此問題驅動法的實施既有與其他課程的共性，也有其自身特點。教師在問題的設計環節，要結合生物醫學工程專業的電子技術應用，讓學生在學習電子技術知識和技能的同時，對專業發展及就業方向有一定的認識，同時也為后續的專業基礎課打下基礎。

生物醫學工程應用特色分析:生物醫學工程學在醫院的應用

1醫學工程學發展歷史

從17世紀列文虎克(Leewenhock)用自己研制的光學顯微鏡發現微生物開始，醫學的每一次重大進展都留下了工程技術的痕跡。200多年前Galvani和Volta兩位科學家在電生理方面的先驅性研究，常為追溯生物醫學工程的發展時提起。現代生物醫學工程孕育于19世紀，其作為一門獨立學科的發展歷史還不過數十年時間。1985年X射線發現后，X光機很快進入醫學臨床，開創了醫學圖像學。以后航天技術、微電子技術、計算機等高技術的飛速發展，為人類研究和改善生命運動過程開辟了新的前景，工程技術與醫學更加廣泛深入地滲透結合，于是逐步形成了多學科與生物醫學交叉融合的生物醫學工程學科。生物醫學工程在20世紀50年代形成學科領域，60年代崛起發展。1953年，德國在ILMENAU大學建立了第一個生物醫學工程系。1964年，世界性的生物醫學工程聯合會(theInternationalFederalofMedicalandBiologicalengineering，IFMBE)成立，到1991年已舉辦九屆世界生物醫學工程大會。1979年，美國物理學家科馬克(A.M.Cormack)和英國的電氣工程師亨斯菲爾德(G.N.Hounsfield)發明了用電子計算機將X射線穿透人體形成重疊影像展開技術，無創傷地取得人體橫斷面圖像，創造了X射線CT，因而獲得諾貝爾生理學與醫學獎，更成為工程技術與醫學交叉融合而對醫學進步產生巨大推動作用的標志。自20世紀60年代以來，美國許多著名大學都開始了生物醫學工程高層次人才的培養，代表了全世界生物醫學教學和研究的前沿。美國生物醫學工程從基礎教育到研究生培養，從理論教學到行業訓練乃至職業培訓，都有一套較為完善的制度，從而在生物醫學工程領域長盛不衰。我國的生物醫學工程學科是1978年由國家科委正式確立的，1980年成立了中國生物醫學工程學會，1986年正式加入世界生物醫學工程聯合會IFMBE。截止2003年，我國已有48所綜合或理工科大學、18所獨立醫科大學設立了生物醫學工程專業，培養從本科到博士各層次專業人才，另有9所專科院校開設了醫療器械專科教育。

2國外醫學工程學科的發展方向

在國外，醫學工程專業已經深入到醫學的各個領域，發揮著重要的作用。主要體現在醫療設備研發、醫療設備管理、醫療設備維護以及醫療設備的質量控制方面。

2.1醫療設備研發

各種醫療設備的研發均源于醫學臨床實踐，國外的醫學生經過4年的理工科大學學習，其醫生均為生物醫學工程和臨床醫學的雙學士。因此，國外醫療設備的研發速度和思路遠大于國內，許多最新的醫療設備發明均源于國外臨床實踐[2]。

2.2醫療設備管理

醫療設備管理主要是通過科學化管理更大效能地發揮醫療設備的作用，為醫療機構創造更大的效益。其中包括醫療設備的采購、醫療設備的監控及醫療設備的效率評價等。

2.3醫療設備維護

醫療設備使用過程當中維護、保養異常重要，因此醫療設備的維護是醫學工程專業在國外醫療機構的主要職能之一。

2.4醫療設備的質量控制

醫療設備若保證其診斷治療質量則必須進行定期的質量控制，包括計量檢測、周期檢驗、強制檢驗和維修后計量修正等，確保醫療設備的性能和準確性[3]。

3國內醫學工程發展情況

國內醫學工程專業起始于20世紀80年代，軍隊主要有第一軍醫大學生物醫學工程系(現更名為南方醫科大學生物工程學院)，每年全國招生40人左右，主要方向是：放射醫學專業和醫學影像專業，突出的成就是研制出了我國第一臺X刀放射治療系統。第四軍醫大學生物醫學工程系每年全國招生20余人，主要方向是：電子工程與計算機智能化，突出成就是全國第一次研制人體阻抗斷層成像。地方大學開設生物醫學工程專業的主要有浙江大學、清華大學、四川大學、天津大學及成都電子科技大學等[4]。地方大學培養生物醫學工程專業與部隊有差別，軍隊主要是以醫科大學為基礎，畢業生的醫學理論基礎較好，但是理工科稍微欠缺；地方大學主要是理工科為基礎，基礎醫學有所欠缺。因此，之后北京大學、四川大學開設生物醫學工程專業時則結合了雙方的優勢，取得了很好的效果。醫學工程專業的人員不深入臨床是無法獲得創新靈感的[5]。就生物醫學工程專業人才分布流向而言，主要是去往大型國外醫療設備公司做銷售、售后服務；去往國內醫療設備公司做研發、銷售；去往各類醫院的設備科、信息科、網絡中心等。

4醫學工程專業在醫院的發展

醫學工程專業是醫院發展的主流方向，醫學工程在醫院雖然屬于輔助科室，但對于醫院的發展實屬不可或缺，其主要工作是設備管理、設備維護、質量保證和設備計量。

4.1醫療設備管理

醫院的醫療設備管理工作非常重要，醫院的核心競爭力是醫院的先進的醫療設備。如何最大限度地發揮醫療設備的作用和醫療設備的全生命周期管理是醫療設備管理的主要目標[6]。(1)設備的購置論證。以購置何種醫療設備最有利于醫院的學科建設和發展為目的，每采購一種醫療設備均需進行嚴格的購置論證。(2)設備的購置管理。設備的購置需要調研、論證及招標等多個環節，購置管理需要采用科學化的方法優化流程、提高效率及避免商業腐敗。(3)設備的檔案管理。醫療設備使用和后期的管理必須進行科學化的醫療設備檔案管理，目前網絡化、電子化檔案管理是發展的趨勢[7]。(4)設備的發放儲存。設備和耗材的發放和儲存是物流管理的范疇之一，如何降低庫存減少資金積壓、提高儲存的質量等需要進行科學、精心的研究[8]。(5)設備的使用監督。醫療設備能否有效使用需要監督和管理，提高設備的使用效率，加強設備的使用監督是醫療設備管理中的重要環節。(6)設備的報廢回收。設備使用一定的時間需要報廢，何種設備符合報廢的標準、報廢的設備如何處置等是醫學工程人員的重要研究范疇。(7)設備的效益評估。何種醫療設備可以繼續購置、何種醫療設備購置后會虧損等是對醫療設備的效益評估，同時也是醫院領導對醫療設備采購決策的主要依據。(8)設備的租賃管理。有些醫療設備沒有必要每個臨床科室都去購買，設備租賃是提高設備的利用率的好辦法。做好醫院內設備的租賃管理，合理高效地調整設備是醫學工程科室的重要管理范疇。4.1.1醫療設備管理目標和原則(1)醫療設備管理目標：設備檢查收益是醫院最大的利潤增長點，應圍繞新技術、新設備開展醫院的新業務，設備管理的目標就是使得設備在醫院收益中發揮最大的作用。(2)醫療設備管理原則：科學化管理，科學化決策，以經濟效益為中心對設備進行科學化評估和決策，避免設備的閑置、浪費、重復性購置，把設備的效益發揮最大化。4.1.2醫療設備管理中存在的問題及對策(1)現階段醫院在設備管理方面存在以下主要問題：①設備采購盲目，事先的評估不足或者評估誤差大；②采購的設備其發揮效能低下，無預先的盈虧控制體系，無法發揮設備的效能；③設備管理混亂，使用率、開機率不足，無法有效調動臨床使用科室的積極性；④設備的監控體系缺乏，無法對具體設備的效益做出定量評估，致使再次采購缺乏依據。(2)針對以上存在的問題可以采取以下的一些對策：①醫學工程科應該承擔起自己的職能，配合院領導做好設備購置的科學決策；②設備管理是科學，決策的原則是效益，圍繞效益做好醫院的設備統籌；③設備管理包括設備的購置、監督、報廢、評估，是醫療設備“全生命周期”的科學管理，是醫學工程學科研究的主要方向；④因地制宜發揮醫療設備的最大效能。

4.2醫療設備維護

設備維護是延長設備使用壽命、提高設備使用率和效率的關鍵[9]。現在的設備維護不同于過去，設備維護主要應做好以下工作：①設備維護從過去的簡單修補到設備的效益保證轉變，能發揮設備的最大效益是核心；②設備維護從簡單的元件維護，到整機的保障，著重強調時間和經濟效益的比例；③設備維護從簡單設備的維修到復雜大型設備的工作保障；④設備安全維護的出發點和立足點是醫院的經濟效益和社會效益；⑤醫療設備維護應該從以往的集中統一維護逐步過渡到專人保養維護，提高設備的使用率，將設備的故障隱患消滅在萌芽狀態之中；⑥醫療設備維護應該從以往的等待設備隨機故障發生后的緊急隨機維修逐步發展到對設備預防性維護保養，充分發揮設備的效能。

4.3醫療設備質量保證

醫療設備的質量保證是發揮醫療設備作用的前提，醫療設備的精度和準確度直接關系到診斷和治療的結果。因此，對醫療設備的質量控制是醫療設備管理的重中之重。國外的大型醫療設備有嚴格的治療控制流程和管理人員。醫療設備的保證已經逐步成為醫學工程學科的一個重要分支。醫院的大型醫療設備必須進行定期的周期檢驗和質量監控。為此，醫療設備質量控制工程師應運而生，成為醫療設備發揮作用的“保護神”[10]。

4.4醫療設備計量

醫療設備計量是保證醫療設備診斷治療準確的前提。設備計量包括：設備使用前的計量檢定；設備維修后的計量檢定[3]。設備的檢定類型：國家強制計量檢定(強檢)；周期性計量檢定(周檢)。《計量法》是醫療設備計量工作的依據。軍隊計量體系規定軍區總醫院建立三級計量站，為醫院醫療設備進行計量的強檢和周檢。醫療設備計量是醫學工程科的重要職責。

5結語

每一次的醫學進步都與工程學息息相關，因此作為醫學工程師應該要深入臨床一線，發現問題解決問題，成為真正的臨床工程師。只有理解了臨床的問題才能有新的思路和新的科研方向。科研創新應該從基礎做起，把握科研發展的方向。應用于臨床診斷數據的獲取、分析的單片機技術以及在醫學中應用的計算機技術是醫學工程飛速發展的基礎；設備管理的自動化和科學化、檢測設備的無創化、小型化及家庭化是科研發展的重要方向。

作者：張虎軍 張超群 張楠楠 蔡峰 顧建文 工作單位：成都軍區總醫院醫務部

生物醫學工程應用特色分析:3D打印技術在生物醫學工程中的研究及應用

摘 要：3D打印正在引發全球制造業革命性變革，它與生物技術結合，可以仿生與個性化地制造、特別是有生命的人體組織與器官，成為支撐第三次產業革命中生物材料科學與產業顛覆性變革的關鍵技術。文章綜述了3D打印技術的分類，三維仿生重構建模技術的發展，以及3D打印技術生物醫學工程中的應用情況。

關鍵詞：3D打印；生物醫學工程；發展現狀

前言

三維打印（Three Dimension Printing，簡稱3DP）屬于一種快速成型（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術，它由計算機輔助設計（CAD）數據通過成型設備以材料逐層堆積的方式實現實體成型。“三維打印”在技術界也叫“增材制造”、“自由成形”、“快速成形”或“分層制造”等[1]。三維打印起源可追溯于上世紀八十年代，1984年查爾斯?赫爾發明了將數字資源打印成三維立體模型的技術，并于1986年成立了3D Systems公司，開發了第一臺商用立體光敏3D打印機，1988年，斯科特?克倫普發明了熔融沉積成型技術（FDM）并于1989年成立了Stratasys公司，隨后在2012年合并以色列3D打印公司Objet。3D Systems和Objet是目前世界上最大、最先進的兩家3D打印公司。我國清華大學顏永年教授于1988開始研究3D打印成型技術，華中科技大學王運贛教授以及西安交通大學盧秉恒院士等，紛紛于上世紀90年代起就開始涉足3D打印成型技術的研究。

1998年，清華大學的顏永年教授又將3D打印成型技術引入生命科學領域，提出生物制造工程學科概念和框架，并于2001年研制出用于生物材料快速成型的3D打印設備，為制造科學提出了一個新的發展方向--生物制造。生物制造的一個重要手段即是生物3D打印。生物三維打印是以活細胞（living cells）、生物活性因子（proteins and bio-molecules）及生物材料 （biomaterials）為基本成形單元，設計制造具有生物活性的人工器官、植入物或細胞三維結構，是制造科學與生物醫學交叉融合的新興學科，它是目前3D打印技術研究的最前沿領域，也是3D打印技術中最具活力和發展前景的方向[2，3]。

1 3D打印技術的分類

目前比較典型的3D打印快速成形技術主要分為三種[4]：

1.1 粉末粘結3D打印光固化材料3D打印與熔融材料3D打印

粉末粘結3D打印是目前應用最為廣泛的3D打印技術，其工藝過程如下：首先，在工作平臺上均勻鋪灑單位厚度的粉末材料；其次，依據實體模型離散層面的數字信息將粘結劑噴射到粉末材料上，使粉末材料粘結，形成單位實體截面層；再次，將工作臺下降一個單位層厚；最后，重復第一步至第三步，逐層堆砌，形成三維打印產品。其存在缺點是，通過粉末粘連成形的零件精度和強度偏低，一般需要后續工藝提高其強度，但后續處理工藝會導致零件體積收縮，變形嚴重。

1.2 光固化3D打印（光敏三維打印）

該技術使用液態光敏樹脂作為原料制作零件模型，光敏材料三維打印成形基于噴射成形技術和光固化成形技術，噴頭沿X方向往復運動，根據零件的截面形狀，選擇性噴射光固化實體材料和光固化支撐材料形成截面輪廓，在紫外光照射下光固化材料邊打印邊固化，層層堆積至制件成形完畢。但其應用于骨骼類產品打印的主要缺點是，當前具有生物活性的骨骼類材料如羥基磷灰石，生物玻璃等材料自身不是光敏性材料，需與光敏材料混合使用，因此影響產品的生物活性在打印后將受到很大影響。

1.3 熔融材料3D打印成形

熔融材料三維打印成形基于熔融涂覆成形（FDM）專利技術，分別加熱兩種絲狀熱塑性材料至熔融態，根據零件截面形狀，選擇性涂覆實體材料和支撐材料形成截面輪廓，并迅速冷卻固化，層層堆積至制件成形完畢，其原理與光敏材料3D打印成形類似 [16]。目前熔融材料三維打印成形，可采用由磷灰石和骨骼所需的有機鹽配置而成的骨水泥，不需要額外添加紫外光照射固化所需的光敏介質，有利于保證材料后續的生物相容性和生物活性。但由于擠壓式噴頭的噴嘴處壓力大，容易造成阻塞現象，因此對噴嘴和材料漿料的粒徑要求較高。

除三維打印外，應用比較廣泛的商業化快速成形工藝還包括立體光刻成形（SLA）、選擇性激光燒結成形（SLS）堆疊、實體制造（LOM）、熔融堆積成形（FDM）等，但這些工藝大多需要配備價格昂貴的激光輔助系統，且成型工藝實質上還是類似于上述三種材料疊加-固化技術。因此，三維打印技術被認為是最具生命力的快速成形技術，發展潛力巨大，在醫學中的應用前景廣闊，其推廣應用將對傳統的醫療產品生產模式帶來顛覆性的影響。

2 三維仿生重構建模技術的發展

基于醫學圖像的三維重構建模技術是生物3D打印技術的重要研究內容之一。3D打印生物構件的實現首先需要在計算機環境下有效重構和建模，生成可用于驅動打印噴頭的指令數據進而操控成型設備實現產品成型。隨著醫學影像技術的發展，人體組織的二維斷層圖像數據可以方便地獲取以進行醫學診斷和治療。但是，二維斷層圖像只是表達了某一截面的解剖信息，醫生可以憑經驗由多幅二維圖像去估計病灶的大小及形狀，“構思”病灶與其周圍組織的三維幾何關系，可三維打印設備卻無法根據這些斷點數據進行立體三維成型，因此，基于醫學圖像的三維重構建模技術是生物3D打印技術的重要前驅步驟。

由于CT或MRI等檢測設備掃描得到的二維圖像信息不能直接用于快速成型，只有通過專用軟件將二維斷層圖像序列重建為三維虛擬模型，并生成為快速成型機可以接受的STL（Stereo Lithography）格式圖形文件，才能最終制造出生物產品三維實體模型。近十多年來，歐美等發達國家的科研機構對于醫學圖像三維重建的研究十分活躍，其技術水平正從后處理向實時跟蹤和交互處理發展，并且已經將超級計算機、光纖高速網、高性能工作站和虛擬現實結合起來，代表著這一技術領域未來的發展方向。

在市場應用領域，國外已經研制了三維醫學影像處理的商品化系統，其中，比較典型的有比利時Materialise公司的Mimics、美國Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在國內，中國科學院自動化研究所醫學影像研究室自主開發的3D Med是基于普通微機的三維醫學影像處理與分析系統，系統能夠接收CT、MRI等主要醫療影像設備的圖像數據，具有數據獲取、數據管理、二維讀片、距離測量、圖像分割以及三維重建等功能。清華大學計算機系研發的人體斷面解剖圖像三維重構系統能給外科手術中的影像診斷提供一定的參考。中國科技大學在應用Delphi開發三維重構軟件的研究上取得了很好的成果。國內企業也研發了一些三維醫學影像處理系統。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高級圖像處理軟件”于2005年4月投入市場。它能對二維醫學圖像進行快速的三維重建，并能對臨床影像的數據進行科學有效的可視化和智能化挖掘和處理，為臨床提供更多有價值的信息。但目前國外優秀軟件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的價格非常昂貴，且其技術嚴格保密。國內的產品大多沒有自主知識產權和成熟的商業應用模式。

3 3D打印技術在生物醫學工程中的應用

3D打印技術在生物醫學工程中應用廣泛，其應用領域大致包括：體外器官模型、仿生模型制造；手術導板、假肢設計；個性化植入體制造；組織工程支架制造；生物活體器件構建以及器官打印；藥物篩選生物模型等。如圖1所示為3D打印在生物醫學工程中的各種應用情況[5-7]。

3.1 體外器官模型、仿生模型制造。該類應用主要用于醫療診斷和外科手術策劃，它能有效地提高診斷和手術水平，縮短時間、節省費用。便于醫生、患者之間的溝通，為診斷和治療提供了直觀、能觸摸的信息，從而使手術者之間、醫生和病人之間的交流更加方便。

3.2 手術導板、假肢設計。該類應用便于訂制精確的個性化假體，實現個性化醫療需求。根據患者缺損組織數據量身訂制的假肢，可提高假肢設計的精確性，提高手術精確度，確保患者的功能恢復，減少患者的痛苦。

3.3 個性化植入體制造。人體許多部位的受損組織，需要個性化定制。如人類面部頜骨（包括上下頜骨） 形態復雜， 極富個性特征， 形成了個體間千差萬別的面貌特點。人類的頭顱骨，需要準確與顱內大腦等軟組織精確匹配扣合，人體的下肢骨、脊柱骨等會嚴重影響患者今后的步態及功能恢復。因此這類修復體可通過3D打印技術實現個性化訂制和精確 “克隆”受損組織部位和形狀。

3.4 組織工程支架制造。如通過3D打印技術設計和制備具有與天然骨類似的材料組分和三維貫通微孔結構，使之高度仿生天然骨組織結構和形態學特征，賦予組織工程支架高度的生物活性和骨修復能力。

3.5 生物活體器件構建以及器官打印。此方面的應用大多涉及活體細胞的生物3D打印技術。細胞三維結構體的3D構建可以通過活細胞及其外基質材料的打印構建活體生物器件。如英國赫瑞瓦特大學和一家干細胞技術公司合作，首次將3D打印拓展到人類胚胎干細胞范圍。這一突破使得利用人類胚胎干細胞來“打造”移植用人體組織和器官成為可能。美國康奈爾大學研究人員最近在其發表的研究論文中稱，他們利用牛耳細胞在3D打印機中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形兒童的器官移植。

3.6 藥物篩選生物模型。藥物篩選指的是采用適當的方法，對可能作為藥物使用的物質（采樣）進行生物活性、藥理作用及藥用價值的評估過程。作為篩選，需要對不同化合物的生理活性做大規模橫向比較，因此有研究人員指出通過3D打印技術，精確設計仿生組織藥物病理作用模型，可以使人們開在短時間內大規模高通量篩選新型高效藥物。最近，四川大學聯合加州大學圣地亞哥分校等科研機構，通過3D打印技術設計了一款肝組織仿生結構藥物解毒模型（如圖1-c），該研究成果發表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究領域的廣泛關注。

3D打印在生物醫學工程中應用：（a）3D打印磷酸鈣骨組織工程支架； （b）3D打印細胞、活體器官構件；（c）3D打印肝組織仿生結構藥物解毒模型。

4 結束語

三維打印技術正處在蓬勃興起的階段，3D打印技術在生物醫學工程中得到了廣泛的應用，其應用以及發展現狀表明：3D打印在體外器官模型、組織工程與再生醫學、個性化醫療以及新藥研發等方面展現出廣闊的應用前景。抓住生物材料及植入器械的三維打印技術新一輪發展浪潮，發展我國生物三維打印技術，對發展我國生物材料醫療器械產業步入國際先進水平具有十分重要的意義。