生物医学工程应用特色分析

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生物医学工程应用特色分析:应用型生物医学工程人才培养模式

摘要：

科研与教学的互动是高校的重要特征，是提高人才培养质量的重要手段。针对当前高校科教融合中所存在的问题以及生物医学工程学科背景与特色，桂林电子科技大学依托生物医学工程领域的优势科研资源，凝聚老师与学生的科教相融的共识，将老师的科学研究与本科教学过程、学生第二课堂紧密结合，培养学生的专业实践能力，探索并实施科教融合的应用型生物医学工程人才培养模式，取得了良好的成效。

关键词：

生物医学工程；科教融合；人才培养模式

全面提高教育教学质量，必须不断拓展人才培养资源与渠道，将多方面的办学优势转化为人才培养的优势。人才培养与科学研究是高校的主要职能，实现两者的有机融合，对于提高人才培养质量具有重要的意义[1，2]。科教融合是指科学研究与教书育人有机地结合，充分发挥高校科学研究的优势培育高素质专业人才。生物医学工程是一门理、工、医高度融合与交叉的学科，应用型生物医学工程专业主要培养具有扎实的生物医学、电子技术理论基础以及医学与电子信息相结合的工程技术能力，能在医疗器械、医疗卫生等相关行业从事工程技术开发、服务、管理和教育等工作的应用型人才[3]。全面推进科教融合，可以有效地培养生物医学工程本科生的创新能力和动手实践能力，进而提高其专业基本能力与素质。但在高校人才培养过程中，科学研究与人才培养往往没有得到很好地结合，主要表现在三个方面。一是学校重视科研而轻视教学，提升高校科学研究能力与水平，学校可以获得更多地经费、吸引大量地生源、获得更高的声誉。同时，在教师职称评定、岗位聘任、年终考核，甚至资源分配的过程中，以承担科研项目的数量、的情况等作为考察重点，而授课内容、课时量甚至教学方式和效果仅仅作为参考方面不起决定性作用。二是老师往往重视科研、忽视教学工作。部分老师教学热情不够，为教学而教学，没有站在人才培养的高度去教学，由于科研任务繁重，占据了大师的工作时间，在教学上面所花的时间与精力相对较少。三是本科生参与科研项目的机会相对较少[4]。一方面大学期间学生的课程学习压力比较大，很难有地时间参与专业方面的科学研究；另一方面本科期间在专业知识的掌握程度还不高，基础还不扎实，在老师的科研项目中所起到的作用甚少，老师更希望研究生来参与科研项目。针对当前高校科教融合所存在的普遍的问题以及生物医学工程学科背景与特色，我校生命与环境科学学院利用广西生物医学工程重点学科、八桂学者岗位、广西工程技术研究中心等生物医学工程专业相关的优势学科研究平台，以及以国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金项目等主要的重大科研项目和以广西八桂学者为带头人的高端师资队伍为主的科学研究资源，积极制订相关措施与政策，将学科平台和科研资源带入到人才培养过程中去，切实提高人才培养质量。

一、定期举办以科教融合为主题的讨论活动，凝聚专业老师与学生的共识

科教融合，思想先行。不仅要让专业老师认识到科教融合的重要性，更要让学生在思想上认识到科教融合是提升学生专业实践能力，提高人才培养质量的重要途径。因为学生是科教融合的主体，只有学生愿意参与，老师愿意参与指导，才可能实质性地提高人才培养质量。学院定期举办学院层面的专题讨论，围绕科研服务本科教学的模式与途径这一主题展开讨论，甚至将一些典型案例在会上进行分享。在讨论会上，除了专业老师参与外，学生代表也应出席，通过老师与学生面对面的交流，可以逐步凝聚大家对科教融合模式的共识，还可以让老师与学生进行相互地了解，为更好地贯彻科教融合专业实践活动奠定基础。科教融合对于老师与学生双方面都是受益的。一方面，科教融合可以让学生接受到最新的前沿专业知识，既可以培养学生创新能力和专业实践能力，还可以培养学生的社会适应能力，可以成为课堂教学的有效或者不可或缺的补充。另一方面，学生的思维方式比较活跃，跳跃性较强，老师可以在与学生的交流过程中获得新的科研思路。科教融合的实施不仅是提高人才培养质量的有效途径，更是推动“大众创业、万众创新”的重要举措和动力源泉。

二、将老师科研成果引入理论与实践教学，实现科学研究与教学过程的有机融合

课堂教学是实施专业教育的主要阵地，是教师给学生传授知识和技能的全过程。要求任课老师在课程教学内容上进行改革，结合自身的科学研究实施课堂教学和专业教育，既可以提高学生的学习兴趣，同时增强的课堂教学效果[5]。我校生物医学工程专业定位于培养生物医学电子仪器行业的工程应用型人才，在课程教学内容上要求老师围绕这一核心安排教学内容。在教学计划的制定和实施中，结合老师的科学研究，充分体现解决医疗器械产业关键工程技术问题能力的培养要求，在课程体系设计、教学活动组织、教学方式的探索、学生成绩的考核等方面，增加科教融合方面的内容。比如在有限的课时内，改革了生物医学工程专业基础课《算法与数据结构》的授课内容，增加与生物医学仪器研制直接相关的算法方面的知识点，如插值、拟合等，在课程教学过程中结合老师在生物医学信息检测方面的科学研究组织教学内容。又比如在《传感器原理》、《医学仪器原理》等专业课程的教学中，要求老师有一定的科学研究的经历，并在医学仪器的研究中取得了一定的科学研究成果。改革实验课堂教学和课程设计的组织形式，要求教师在教材的编写与选择、教学内容与方法、作业布置与评改等环节与领域贯彻工程实践能力培养要求，注重理论与实际的紧密结合，特别鼓励专业老师结合科学研究中的关键技术问题设计实验项目，在实践教学环节培养学生的科学素养。

三、让学生参与科研项目研究，实现科学研究与学生第二课堂的有效融合

第二课堂的作用是培养学生专业兴趣，拓宽专业知识面，培养专业思维能力、动手能力和创新能力。第二课堂的开展必须遵循适应性、创新性和主体性原则，即第二课堂应当与大学生的专业培养目标相适应，要以提高人才培养质量为目标，同时应注重培养学生的创新性，过程应有一定的挑战性。老师的科学研究与学生的第二课堂活动有效融合，对于提升学生专业工程实践能力具有重要的意义[6]。它既体现了“教师主导，学生主体”的指导思想，也由于科研项目本身具有一定的创新性，学生实质性地参与老师科研项目的过程具有一定的挑战性，对于培养学生创新能力和专业素养具有重大地促进作用。我校生物医学工程专业的第二课堂活动的开展主要是围绕学生参与生物医学传感与仪器、生物医学信息处理等方面科研项目的研究。第一，定期向学生公开教师科研课题，让学生选择参加老师科研项目。要求老师认真指导学生专业科技活动，让学生实质参与。要求大学一、二年级的学生以阅读文献、参与学术讨论等方式参与课题，大三和大四学生可以参与科学实验、数据分析等项目研究过程。第二，鼓励老师从科研项目中凝练大学生创新项目由学生承担，除了承担国家级和广西自治区级大学生创新项目外，学院还设立专项经费，定期支持一批院级大学生创新项目，并明确鼓励学生结合指导老师承担的科研课题的研究内容组织申报。第三，鼓励老师从科研项目中根据毕业设计的要求，拟定毕业设计题目，供学生承担。在2015届本科毕业设计题目中，有超过50%的题目与老师的科研项目有关，还有20%左右的题目与学生承担的大学生创新项目有关。第四，积极组织学生参加学校组织的科协协同育人计划项目。依据我校《科教协同育人计划项目管理办法》的规定，学生参与老师主持的科研项目，完成一定的科研工作，通过学校的考核后可以替代部分课程设计、实习甚至毕业设计的学分。一方面大大地激发了学生参与科研项目的兴趣，另一方面由于需要完成一定的科研任务才能获得相应的学分，这给了学生一定的责任与任务，同时也可以协助老师完成科研项目的研究。第五，依托生物医学电子领域的企业和大型医院建立完善的专业实习实践基地，为学生提供更多地来自于生产实际的科研资源，依托合作企业或医院的专业技术人才，建立指导学生科学研究的专业师资队伍。加强校企医合作，充分利用企业和医院的资源培养学生的专业工程实践能力，派出学生到企业或者医院通过实习、做毕业设计等方式实质性参与专业领域的科学研究。

四、扩大学科科研平台的开放，实现科学研究与人才培养过程的无缝对接

对于生物医学工程这一工科专业来说，实验室既是实验教学的重要阵地，也是培养工程实践创新人才的基础平台。学科科研平台面向本科生开放，建立健全实验室开放机制，切实增加学生专业工程实践的机会，是实施科教融合过程，保障科教融合效果的重要手段[7]。学院立足专业办学实际情况，加强实验平台硬件保障，构建实践教学共享平台，出台了《实验室开放的管理办法》，完善了学院的实验室管理制度，规范了本科生进入实验室的管理，既为学生进入实验室从事专业实践活动提供了方便，也加强了学生的安全责任意识以及实验室的有序管理。经过近几年的实践，已经构建并形成了符合学院学科专业特点的学生进实验室模式与制度。在周末、在晚上都会有学生在实验室进行实验。专业老师经常在实验里直接指导学生参与专业实践活动。总之，通过近几年鼓励生物医学工程专业学生融入老师的科研项目研究活动中，取得得了良好的成效，提升了学生的专业实践能力。学生参与科研项目研究的积极性得到了大大地提高，直接参与老师科研项目的比例达到了30%以上，还有大约40%的学生通过大学生创新项目、毕业设计的形式参与了科学研究。学生在科学研究的过程中取得了良好的研究成果，近3年，本科生发表科研论文30余篇，申请各类专利15件，获得各类科技竞赛奖励20余人次，而且这些本科生研究成果在逐年提高。

作者：陈洪波 单位：桂林电子科技大学生命与环境科学学院

生物医学工程应用特色分析:浅探问题驱动法在生物医学工程专业电子技术课程中的应用

摘 要：针对生物医学工程专业电子技术课程偏重于理论教学，无法与专业特色相关联的问题，本文提出将问题驱动的教学模式应用于生物医学工程专业的电子技术课程，探讨了在实施过程中教师需要考虑的问题。

关键词：电子技术；生物医学工程；问题驱动

1 引言

生物医学工程是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的新兴学科，其主要研究方向是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关技术问题保障人类健康为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务[1]。多学科的交叉使得生物医学工程不同于那些经典的学科，也有别于生物医学和纯粹的工程学。我校生物医学工程专业是工程技术为主，医学知识相结合的专业，以培养能在医疗仪器、医学信息处理等领域从事研发、教学、管理等工作的人才为目标。电子技术在生物医学工程研究和医疗仪器开发中有着重要作用，任何一台现代医学仪器或设备中都需要电子技术完成信息检测与处理、系统控制等核心功能[2]。

“电子技术”包括模拟电子技术和数字电子技术两门主要课程，课程的技术性和实践性较强。通过理论知识的学习要求学生掌握电子技术的基本概念，基本电路和基本技能，同时相关的实验培养学生的工程素质、动手能力、创新能力以及自主设计的基本能力[3]。目前，国内很多高校生物医学工程专业开设的电子技术理论和实验课程都普遍存在着一些问题：

（1）理论知识和实验内容与生物医学工程专业的关联性不突出；

（2）偏重于理论教学为主，实验为辅，学生被动的接受知识，学习兴趣不高；

（3）实验内容固定，验证性实验过多，缺乏学生自主创新的设计性实验。因此，探索切实可行的适合于生物医学工程专业的电子技术课程的教学模式与教学方法已成为提高电子技术课程教学质量的必然要求。

2 问题驱动法

问题驱动式教学方法近年来得到了很多教学人员的关注，在众多的课程中得到了应用[4-5]。百度百科中定义：问题驱动教学法即基于问题的教学方法（Problem-Based Learning，PBL），区别于传统的LBL（Lecture-Based learning，LBL）[6]，PBL教学模式是一种以学生为主体、以专业领域内的各种问题为学习起点，以问题为核心规划学习内容，让学生围绕问题寻求解决方案的学习方法。

问题驱动教学法要求学生与教师转变在传统LBL教学中的固有地位，学生由被动的知识接受者转变为主动的信息加工者和知识构建者，教师从知识的灌输者转变成为学生主动加工信息、构建知识的引导者。问题驱动教学法大概分为四个步骤：（1）提出问题；（2）分析问题；（3）解决问题；（4）结果评价[7]。教师在教学前期，要明确教学目标，设计执行方案，提出问题。在教学过程中，教师安排学生活动，引导学生自主分析，相互讨论和交流。然后在分析的基础上，让学生们提出解决问题的方法，进行实践。最后，对过程和结果进行评价。可以看出，问题驱动法能够提高学生学习的主动性以及在教学过程中的参与程度，激起学生的求知欲。但是并不意味着教师的参与程度减少了，这种教学方法对教师的要求更高，教师必须具备较强的课堂掌控能力和引导能力。

《电子技术》课程作为是工科专业的基础必修课，具有理论性和实践性并重的特点。其课程内容、基本概念、技术术语、电路种类多，学生学习起来比较困难。为了提高电子技术课程的教学质量，很多学校都开展了电子技术课程的教学改革，其中问题驱动法就是选择的新教学模式之一。但是，由于各种原因，如教学目标的定位、问题驱动法的理解、具体实施过程中的执行力等，基于问题驱动法的教学改革并不是一帆风顺的。作为生物医学工程专业的基础必修课，《电子技术》又有其特殊性，其课程的教学目标侧重于让学生掌握面向生物医学及医学仪器的电子技术，如果理论知识和实验内容与生物医学工程专业的关联性不突出，学生对于课程内容在专业上的应用不甚了解，就会影响到对后续专业课程的学习，甚至影响到将来从事生物医学工程专业相关工作的能力。因此，有必要研究具有生物医学工程专业特色的电子技术课程的问题驱动法。

3 问题驱动法的实施

进行问题驱动的教学模式，需要教师有效掌控和恰当引导。下面，主要从教师的角度来阐释需要注意的问题，对问题驱动法的四个步骤进行分析。

（1）提出问题；在课程开始之前，教师要制定问题，需要其具有全局的概念，考虑各方面因素，包括：教学大纲、培养方案、授课教材等。在问题的选择上应该考虑以下几个方面[8]：

1）问题是否和某个单元的教学内容相关；

2）问题是否对学生具有吸引力；

3）问题实施的时间和硬件条件是否能够保证；

4）问题是否联系实际，是否与生物医学工程专业的应用相关；

5）问题之间是否具有连续性，是否具有系统性；

为了突出生物医学工程专业特点，问题设计必须贴近专业应用。问题之间最好具有关联性，由小的模块小的问题，最终组合而成大的模块大的系统，解决与专业相关的问题。

举例说明：在模拟电子技术中，所选用的教材为高等教育出版社出版，童诗白、华成英主编的《模拟电子技术基础第四版》[9]。根据教材中的内容，结合生医专业应用，可以围绕心电信号检测仪的各个模块展开，设计以下问题：微弱生理信号放大、信号滤波、非矩形波整形为矩形波、直流电源设计。下表1中显示设计问题与教材章节的知识点对应。从表中可以看出，除了第九章的内容没有体现，其他章节的知识在问题中均有涉及。由于学时的限制，教材第九章的功率放大电路目前并不在本校生物医学工程的模拟电子技术教学大纲中。

在布置问题的时候，加入情景带入，首先向学生讲解人体心电信号的特点，心电监测的临床意义，再提出心电监测仪的采集、放大、滤波、整形、供电问题。其中在信号放大部分，涉及的知识点较多，要对前级放大和后级主放大进行分开设计和说明。随着课程内容不断深入，问题不断得到解决之后，可以将各个模块组合，并加入右腿驱动电路或50Hz陷波电路，实现简易的心电信号检测电路。最后的整体电路进行实际人体测试，用示波器观察信号，这样学生在学习模拟

电子技术知识的同时，锻炼了实践动手能力，还能与专业应用结合起来，了解电子技术知识在生医专业中的用武之地，一举三得。

（2）分析问题；在课程教学中，教师按照进度向学生一一展示问题，引导学生根据所学知识，对问题进行分析。在这个阶段，教师需要做到以下几点：

1）引导学生进行分组，任务分配；

2）引导学生对问题内容进行分析；

3）引导学生将问题与所学知识相关联；

4）引导学生文献查阅资料；

由于学生的基础有限，在这个阶段，可能会遇到以下情况：对问题的分析存在偏差，无法与知识点相结合、查阅获取文献的能力不足，教师要及时的提供帮助，在学生为主导的前提下，掌控整体过程。

（3）解决问题。在问题分析完成的前提下，学生提出解决问题的方案，并具体实施。教师需要考虑的是：

1）方案是否具有可行性；学生所提出的方法是否合理正确。对于存在问题的方案，是放手让学生尝试，还是进行适当的干预提示其改正，需要教师结合具体情况进行操作。

2）方案实施是否顺利；方案的实施需要时间与精力的付出，《电子技术》中的问题解决往往需要实际的电路焊接和调试环节，课程的学时如何安排，硬件实验环境如何保证是教师需要考虑和协调的。此外，对于初次进行电路制作的学生，教师运用经验为学生提供元器件选择和购买、电路焊接及调试训练等实践方面的帮助，也是必不可少的。

解决问题的整个过程由学生完成，教师不可代办，但是在适当的时候提供帮助，能够提高完成效率，保证进度。

（4）结果评价。对于整个过程中学生的表现，需要比较客观的评价。常用的方法将自我评价、小组互评、教师评价三个方面相结合。

自我评价是学生回顾和反思过程中的得失，对自我形成清楚客观的认识。小组互评是组间成员根据参与度、贡献度、工作表现、沟通能力等对组员同学进行分析点评。

虽然在问题驱动的教学模式中，教师的身份发生了转变，但是并不意味教师的地位和重要性降低了。教师要密切关注学生的状态和表现，最终对其进行评价。为了激励学生，帮助学生正确认识自我，树立学习后续课程的兴趣和信心，教师在对学生进行评价的时候要注意以下几点：

1）评价公正，也不忘因人而异；对待学生的评价要做到客观中肯，但是也需要考虑学生的差异性。成绩优异的学生与基础较差的学生在小组中的分工不同，贡献度有区别。为了激发学生的积极性，教师的评价不能采用单一标准，而是应该多元化，从合作精神、交流能力、文献收集、电路制作、文字编写等各个方面入手，照顾到各个层面的学生。

2）评价能力，也不忘评价态度；对待学生的评价不光要考虑其知识与技能，还要注重他们在情感、态度方面的表现。课程内容的学习只是一个方面，关注学生知识技能之外的情意发展，有助于其更长远的进步和成长。

3）评价结果，也不忘评价过程；教师的评价不应该过分关注最终解决问题的结果是否正确，而是要侧重于学生在分析问题、解决问题的过程中所表现出来的能力、态度和情感。学生在过程中的提升和收获，才是教育的主要目的。

4）评价个人，也不忘评价团队；教师的评价除了针对学生个人，还要涉及到团队。强调团队的分工合作，有利于培养学生交流沟通，与人协作的能力。

4 结论

问题驱动法能够提高学生学习的主动性，激起学生的求知欲，其教学模式十分适合《电子技术》此类工程性和实践性较强的课程，在许多高校教学改革项目中得到应用。生物医学工程专业的电子技术课程要与学科特点相结合起来，因此问题驱动法的实施既有与其他课程的共性，也有其自身特点。教师在问题的设计环节，要结合生物医学工程专业的电子技术应用，让学生在学习电子技术知识和技能的同时，对专业发展及就业方向有一定的认识，同时也为后续的专业基础课打下基础。

生物医学工程应用特色分析:生物医学工程学在医院的应用

1医学工程学发展历史

从17世纪列文虎克(Leewenhock)用自己研制的光学显微镜发现微生物开始，医学的每一次重大进展都留下了工程技术的痕迹。200多年前Galvani和Volta两位科学家在电生理方面的先驱性研究，常为追溯生物医学工程的发展时提起。现代生物医学工程孕育于19世纪，其作为一门独立学科的发展历史还不过数十年时间。1985年X射线发现后，X光机很快进入医学临床，开创了医学图像学。以后航天技术、微电子技术、计算机等高技术的飞速发展，为人类研究和改善生命运动过程开辟了新的前景，工程技术与医学更加广泛深入地渗透结合，于是逐步形成了多学科与生物医学交叉融合的生物医学工程学科。生物医学工程在20世纪50年代形成学科领域，60年代崛起发展。1953年，德国在ILMENAU大学建立了第一个生物医学工程系。1964年，世界性的生物医学工程联合会(theInternationalFederalofMedicalandBiologicalengineering，IFMBE)成立，到1991年已举办九届世界生物医学工程大会。1979年，美国物理学家科马克(A.M.Cormack)和英国的电气工程师亨斯菲尔德(G.N.Hounsfield)发明了用电子计算机将X射线穿透人体形成重叠影像展开技术，无创伤地取得人体横断面图像，创造了X射线CT，因而获得诺贝尔生理学与医学奖，更成为工程技术与医学交叉融合而对医学进步产生巨大推动作用的标志。自20世纪60年代以来，美国许多著名大学都开始了生物医学工程高层次人才的培养，代表了全世界生物医学教学和研究的前沿。美国生物医学工程从基础教育到研究生培养，从理论教学到行业训练乃至职业培训，都有一套较为完善的制度，从而在生物医学工程领域长盛不衰。我国的生物医学工程学科是1978年由国家科委正式确立的，1980年成立了中国生物医学工程学会，1986年正式加入世界生物医学工程联合会IFMBE。截止2003年，我国已有48所综合或理工科大学、18所独立医科大学设立了生物医学工程专业，培养从本科到博士各层次专业人才，另有9所专科院校开设了医疗器械专科教育。

2国外医学工程学科的发展方向

在国外，医学工程专业已经深入到医学的各个领域，发挥着重要的作用。主要体现在医疗设备研发、医疗设备管理、医疗设备维护以及医疗设备的质量控制方面。

2.1医疗设备研发

各种医疗设备的研发均源于医学临床实践，国外的医学生经过4年的理工科大学学习，其医生均为生物医学工程和临床医学的双学士。因此，国外医疗设备的研发速度和思路远大于国内，许多最新的医疗设备发明均源于国外临床实践[2]。

2.2医疗设备管理

医疗设备管理主要是通过科学化管理更大效能地发挥医疗设备的作用，为医疗机构创造更大的效益。其中包括医疗设备的采购、医疗设备的监控及医疗设备的效率评价等。

2.3医疗设备维护

医疗设备使用过程当中维护、保养异常重要，因此医疗设备的维护是医学工程专业在国外医疗机构的主要职能之一。

2.4医疗设备的质量控制

医疗设备若保证其诊断治疗质量则必须进行定期的质量控制，包括计量检测、周期检验、强制检验和维修后计量修正等，确保医疗设备的性能和准确性[3]。

3国内医学工程发展情况

国内医学工程专业起始于20世纪80年代，军队主要有第一军医大学生物医学工程系(现更名为南方医科大学生物工程学院)，每年全国招生40人左右，主要方向是：放射医学专业和医学影像专业，突出的成就是研制出了我国第一台X刀放射治疗系统。第四军医大学生物医学工程系每年全国招生20余人，主要方向是：电子工程与计算机智能化，突出成就是全国第一次研制人体阻抗断层成像。地方大学开设生物医学工程专业的主要有浙江大学、清华大学、四川大学、天津大学及成都电子科技大学等[4]。地方大学培养生物医学工程专业与部队有差别，军队主要是以医科大学为基础，毕业生的医学理论基础较好，但是理工科稍微欠缺；地方大学主要是理工科为基础，基础医学有所欠缺。因此，之后北京大学、四川大学开设生物医学工程专业时则结合了双方的优势，取得了很好的效果。医学工程专业的人员不深入临床是无法获得创新灵感的[5]。就生物医学工程专业人才分布流向而言，主要是去往大型国外医疗设备公司做销售、售后服务；去往国内医疗设备公司做研发、销售；去往各类医院的设备科、信息科、网络中心等。

4医学工程专业在医院的发展

医学工程专业是医院发展的主流方向，医学工程在医院虽然属于辅助科室，但对于医院的发展实属不可或缺，其主要工作是设备管理、设备维护、质量保证和设备计量。

4.1医疗设备管理

医院的医疗设备管理工作非常重要，医院的核心竞争力是医院的先进的医疗设备。如何最大限度地发挥医疗设备的作用和医疗设备的全生命周期管理是医疗设备管理的主要目标[6]。(1)设备的购置论证。以购置何种医疗设备最有利于医院的学科建设和发展为目的，每采购一种医疗设备均需进行严格的购置论证。(2)设备的购置管理。设备的购置需要调研、论证及招标等多个环节，购置管理需要采用科学化的方法优化流程、提高效率及避免商业腐败。(3)设备的档案管理。医疗设备使用和后期的管理必须进行科学化的医疗设备档案管理，目前网络化、电子化档案管理是发展的趋势[7]。(4)设备的发放储存。设备和耗材的发放和储存是物流管理的范畴之一，如何降低库存减少资金积压、提高储存的质量等需要进行科学、精心的研究[8]。(5)设备的使用监督。医疗设备能否有效使用需要监督和管理，提高设备的使用效率，加强设备的使用监督是医疗设备管理中的重要环节。(6)设备的报废回收。设备使用一定的时间需要报废，何种设备符合报废的标准、报废的设备如何处置等是医学工程人员的重要研究范畴。(7)设备的效益评估。何种医疗设备可以继续购置、何种医疗设备购置后会亏损等是对医疗设备的效益评估，同时也是医院领导对医疗设备采购决策的主要依据。(8)设备的租赁管理。有些医疗设备没有必要每个临床科室都去购买，设备租赁是提高设备的利用率的好办法。做好医院内设备的租赁管理，合理高效地调整设备是医学工程科室的重要管理范畴。4.1.1医疗设备管理目标和原则(1)医疗设备管理目标：设备检查收益是医院最大的利润增长点，应围绕新技术、新设备开展医院的新业务，设备管理的目标就是使得设备在医院收益中发挥最大的作用。(2)医疗设备管理原则：科学化管理，科学化决策，以经济效益为中心对设备进行科学化评估和决策，避免设备的闲置、浪费、重复性购置，把设备的效益发挥最大化。4.1.2医疗设备管理中存在的问题及对策(1)现阶段医院在设备管理方面存在以下主要问题：①设备采购盲目，事先的评估不足或者评估误差大；②采购的设备其发挥效能低下，无预先的盈亏控制体系，无法发挥设备的效能；③设备管理混乱，使用率、开机率不足，无法有效调动临床使用科室的积极性；④设备的监控体系缺乏，无法对具体设备的效益做出定量评估，致使再次采购缺乏依据。(2)针对以上存在的问题可以采取以下的一些对策：①医学工程科应该承担起自己的职能，配合院领导做好设备购置的科学决策；②设备管理是科学，决策的原则是效益，围绕效益做好医院的设备统筹；③设备管理包括设备的购置、监督、报废、评估，是医疗设备“全生命周期”的科学管理，是医学工程学科研究的主要方向；④因地制宜发挥医疗设备的最大效能。

4.2医疗设备维护

设备维护是延长设备使用寿命、提高设备使用率和效率的关键[9]。现在的设备维护不同于过去，设备维护主要应做好以下工作：①设备维护从过去的简单修补到设备的效益保证转变，能发挥设备的最大效益是核心；②设备维护从简单的元件维护，到整机的保障，着重强调时间和经济效益的比例；③设备维护从简单设备的维修到复杂大型设备的工作保障；④设备安全维护的出发点和立足点是医院的经济效益和社会效益；⑤医疗设备维护应该从以往的集中统一维护逐步过渡到专人保养维护，提高设备的使用率，将设备的故障隐患消灭在萌芽状态之中；⑥医疗设备维护应该从以往的等待设备随机故障发生后的紧急随机维修逐步发展到对设备预防性维护保养，充分发挥设备的效能。

4.3医疗设备质量保证

医疗设备的质量保证是发挥医疗设备作用的前提，医疗设备的精度和准确度直接关系到诊断和治疗的结果。因此，对医疗设备的质量控制是医疗设备管理的重中之重。国外的大型医疗设备有严格的治疗控制流程和管理人员。医疗设备的保证已经逐步成为医学工程学科的一个重要分支。医院的大型医疗设备必须进行定期的周期检验和质量监控。为此，医疗设备质量控制工程师应运而生，成为医疗设备发挥作用的“保护神”[10]。

4.4医疗设备计量

医疗设备计量是保证医疗设备诊断治疗准确的前提。设备计量包括：设备使用前的计量检定；设备维修后的计量检定[3]。设备的检定类型：国家强制计量检定(强检)；周期性计量检定(周检)。《计量法》是医疗设备计量工作的依据。军队计量体系规定军区总医院建立三级计量站，为医院医疗设备进行计量的强检和周检。医疗设备计量是医学工程科的重要职责。

5结语

每一次的医学进步都与工程学息息相关，因此作为医学工程师应该要深入临床一线，发现问题解决问题，成为真正的临床工程师。只有理解了临床的问题才能有新的思路和新的科研方向。科研创新应该从基础做起，把握科研发展的方向。应用于临床诊断数据的获取、分析的单片机技术以及在医学中应用的计算机技术是医学工程飞速发展的基础；设备管理的自动化和科学化、检测设备的无创化、小型化及家庭化是科研发展的重要方向。

作者：张虎军 张超群 张楠楠 蔡峰 顾建文 工作单位：成都军区总医院医务部

生物医学工程应用特色分析:3D打印技术在生物医学工程中的研究及应用

摘 要：3D打印正在引发全球制造业革命性变革，它与生物技术结合，可以仿生与个性化地制造、特别是有生命的人体组织与器官，成为支撑第三次产业革命中生物材料科学与产业颠覆性变革的关键技术。文章综述了3D打印技术的分类，三维仿生重构建模技术的发展，以及3D打印技术生物医学工程中的应用情况。

关键词：3D打印；生物医学工程；发展现状

前言

三维打印（Three Dimension Printing，简称3DP）属于一种快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术，它由计算机辅助设计（CAD）数据通过成型设备以材料逐层堆积的方式实现实体成型。“三维打印”在技术界也叫“增材制造”、“自由成形”、“快速成形”或“分层制造”等[1]。三维打印起源可追溯于上世纪八十年代，1984年查尔斯・赫尔发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，并于1986年成立了3D Systems公司，开发了第一台商用立体光敏3D打印机，1988年，斯科特・克伦普发明了熔融沉积成型技术（FDM）并于1989年成立了Stratasys公司，随后在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、最先进的两家3D打印公司。我国清华大学颜永年教授于1988开始研究3D打印成型技术，华中科技大学王运赣教授以及西安交通大学卢秉恒院士等，纷纷于上世纪90年代起就开始涉足3D打印成型技术的研究。

1998年，清华大学的颜永年教授又将3D打印成型技术引入生命科学领域，提出生物制造工程学科概念和框架，并于2001年研制出用于生物材料快速成型的3D打印设备，为制造科学提出了一个新的发展方向--生物制造。生物制造的一个重要手段即是生物3D打印。生物三维打印是以活细胞（living cells）、生物活性因子（proteins and bio-molecules）及生物材料 （biomaterials）为基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构，是制造科学与生物医学交叉融合的新兴学科，它是目前3D打印技术研究的最前沿领域，也是3D打印技术中最具活力和发展前景的方向[2，3]。

1 3D打印技术的分类

目前比较典型的3D打印快速成形技术主要分为三种[4]：

1.1 粉末粘结3D打印光固化材料3D打印与熔融材料3D打印

粉末粘结3D打印是目前应用最为广泛的3D打印技术，其工艺过程如下：首先，在工作平台上均匀铺洒单位厚度的粉末材料；其次，依据实体模型离散层面的数字信息将粘结剂喷射到粉末材料上，使粉末材料粘结，形成单位实体截面层；再次，将工作台下降一个单位层厚；最后，重复第一步至第三步，逐层堆砌，形成三维打印产品。其存在缺点是，通过粉末粘连成形的零件精度和强度偏低，一般需要后续工艺提高其强度，但后续处理工艺会导致零件体积收缩，变形严重。

1.2 光固化3D打印（光敏三维打印）

该技术使用液态光敏树脂作为原料制作零件模型，光敏材料三维打印成形基于喷射成形技术和光固化成形技术，喷头沿X方向往复运动，根据零件的截面形状，选择性喷射光固化实体材料和光固化支撑材料形成截面轮廓，在紫外光照射下光固化材料边打印边固化，层层堆积至制件成形完毕。但其应用于骨骼类产品打印的主要缺点是，当前具有生物活性的骨骼类材料如羟基磷灰石，生物玻璃等材料自身不是光敏性材料，需与光敏材料混合使用，因此影响产品的生物活性在打印后将受到很大影响。

1.3 熔融材料3D打印成形

熔融材料三维打印成形基于熔融涂覆成形（FDM）专利技术，分别加热两种丝状热塑性材料至熔融态，根据零件截面形状，选择性涂覆实体材料和支撑材料形成截面轮廓，并迅速冷却固化，层层堆积至制件成形完毕，其原理与光敏材料3D打印成形类似 [16]。目前熔融材料三维打印成形，可采用由磷灰石和骨骼所需的有机盐配置而成的骨水泥，不需要额外添加紫外光照射固化所需的光敏介质，有利于保证材料后续的生物相容性和生物活性。但由于挤压式喷头的喷嘴处压力大，容易造成阻塞现象，因此对喷嘴和材料浆料的粒径要求较高。

除三维打印外，应用比较广泛的商业化快速成形工艺还包括立体光刻成形（SLA）、选择性激光烧结成形（SLS）堆叠、实体制造（LOM）、熔融堆积成形（FDM）等，但这些工艺大多需要配备价格昂贵的激光辅助系统，且成型工艺实质上还是类似于上述三种材料叠加-固化技术。因此，三维打印技术被认为是最具生命力的快速成形技术，发展潜力巨大，在医学中的应用前景广阔，其推广应用将对传统的医疗产品生产模式带来颠覆性的影响。

2 三维仿生重构建模技术的发展

基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要研究内容之一。3D打印生物构件的实现首先需要在计算机环境下有效重构和建模，生成可用于驱动打印喷头的指令数据进而操控成型设备实现产品成型。随着医学影像技术的发展，人体组织的二维断层图像数据可以方便地获取以进行医学诊断和治疗。但是，二维断层图像只是表达了某一截面的解剖信息，医生可以凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，可三维打印设备却无法根据这些断点数据进行立体三维成型，因此，基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要前驱步骤。

由于CT或MRI等检测设备扫描得到的二维图像信息不能直接用于快速成型，只有通过专用软件将二维断层图像序列重建为三维虚拟模型，并生成为快速成型机可以接受的STL（Stereo Lithography）格式图形文件，才能最终制造出生物产品三维实体模型。近十多年来，欧美等发达国家的科研机构对于医学图像三维重建的研究十分活跃，其技术水平正从后处理向实时跟踪和交互处理发展，并且已经将超级计算机、光纤高速网、高性能工作站和虚拟现实结合起来，代表着这一技术领域未来的发展方向。

在市场应用领域，国外已经研制了三维医学影像处理的商品化系统，其中，比较典型的有比利时Materialise公司的Mimics、美国Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在国内，中国科学院自动化研究所医学影像研究室自主开发的3D Med是基于普通微机的三维医学影像处理与分析系统，系统能够接收CT、MRI等主要医疗影像设备的图像数据，具有数据获取、数据管理、二维读片、距离测量、图像分割以及三维重建等功能。清华大学计算机系研发的人体断面解剖图像三维重构系统能给外科手术中的影像诊断提供一定的参考。中国科技大学在应用Delphi开发三维重构软件的研究上取得了很好的成果。国内企业也研发了一些三维医学影像处理系统。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高级图像处理软件”于2005年4月投入市场。它能对二维医学图像进行快速的三维重建，并能对临床影像的数据进行科学有效的可视化和智能化挖掘和处理，为临床提供更多有价值的信息。但目前国外优秀软件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的价格非常昂贵，且其技术严格保密。国内的产品大多没有自主知识产权和成熟的商业应用模式。

3 3D打印技术在生物医学工程中的应用

3D打印技术在生物医学工程中应用广泛，其应用领域大致包括：体外器官模型、仿生模型制造；手术导板、假肢设计；个性化植入体制造；组织工程支架制造；生物活体器件构建以及器官打印；药物筛选生物模型等。如图1所示为3D打印在生物医学工程中的各种应用情况[5-7]。

3.1 体外器官模型、仿生模型制造。该类应用主要用于医疗诊断和外科手术策划，它能有效地提高诊断和手术水平，缩短时间、节省费用。便于医生、患者之间的沟通，为诊断和治疗提供了直观、能触摸的信息，从而使手术者之间、医生和病人之间的交流更加方便。

3.2 手术导板、假肢设计。该类应用便于订制精确的个性化假体，实现个性化医疗需求。根据患者缺损组织数据量身订制的假肢，可提高假肢设计的精确性，提高手术精确度，确保患者的功能恢复，减少患者的痛苦。

3.3 个性化植入体制造。人体许多部位的受损组织，需要个性化定制。如人类面部颌骨（包括上下颌骨） 形态复杂， 极富个性特征， 形成了个体间千差万别的面貌特点。人类的头颅骨，需要准确与颅内大脑等软组织精确匹配扣合，人体的下肢骨、脊柱骨等会严重影响患者今后的步态及功能恢复。因此这类修复体可通过3D打印技术实现个性化订制和精确 “克隆”受损组织部位和形状。

3.4 组织工程支架制造。如通过3D打印技术设计和制备具有与天然骨类似的材料组分和三维贯通微孔结构，使之高度仿生天然骨组织结构和形态学特征，赋予组织工程支架高度的生物活性和骨修复能力。

3.5 生物活体器件构建以及器官打印。此方面的应用大多涉及活体细胞的生物3D打印技术。细胞三维结构体的3D构建可以通过活细胞及其外基质材料的打印构建活体生物器件。如英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作，首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能。美国康奈尔大学研究人员最近在其发表的研究论文中称，他们利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植。

3.6 药物筛选生物模型。药物筛选指的是采用适当的方法，对可能作为药物使用的物质（采样）进行生物活性、药理作用及药用价值的评估过程。作为筛选，需要对不同化合物的生理活性做大规模横向比较，因此有研究人员指出通过3D打印技术，精确设计仿生组织药物病理作用模型，可以使人们开在短时间内大规模高通量筛选新型高效药物。最近，四川大学联合加州大学圣地亚哥分校等科研机构，通过3D打印技术设计了一款肝组织仿生结构药物解毒模型（如图1-c），该研究成果发表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究领域的广泛关注。

3D打印在生物医学工程中应用：（a）3D打印磷酸钙骨组织工程支架； （b）3D打印细胞、活体器官构件；（c）3D打印肝组织仿生结构药物解毒模型。

4 结束语

三维打印技术正处在蓬勃兴起的阶段，3D打印技术在生物医学工程中得到了广泛的应用，其应用以及发展现状表明：3D打印在体外器官模型、组织工程与再生医学、个性化医疗以及新药研发等方面展现出广阔的应用前景。抓住生物材料及植入器械的三维打印技术新一轮发展浪潮，发展我国生物三维打印技术，对发展我国生物材料医疗器械产业步入国际先进水平具有十分重要的意义。