發(fā)布時間：2024-01-05 14:57:04
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的生物醫(yī)學(xué)工程的研究方向樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
20世紀60年代，美國一些著名大學(xué)先后開啟了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的建設(shè)，相繼啟動了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)。美國的生物醫(yī)學(xué)工程教育特點是在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化需求驅(qū)動建立起來的具有其自身特性，且反映了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科建設(shè)與發(fā)展的前沿特征。各個學(xué)校的本科教育課程雖然具有自己的特色，但在課程設(shè)置上大致可以分為科學(xué)基礎(chǔ)課程、專業(yè)核心課程、關(guān)注領(lǐng)域課程、設(shè)計課程、人文與社會科學(xué)課程、專業(yè)選修課程及其他選修課程等六類。不同學(xué)校本科課程的主要差異體現(xiàn)在專業(yè)選修課程及其他選修課程的設(shè)置上，各個學(xué)校根據(jù)自身的生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究方向和研究水平特點開設(shè)一些相應(yīng)的選修課程，并培養(yǎng)學(xué)生在相應(yīng)方向上的研究探索實踐能力。這是美國生物醫(yī)學(xué)工程本科教育的基本特點。
我國生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育起步于20世紀80年代，主要發(fā)源于著名工科院校的信息技術(shù)類專業(yè)和力學(xué)專業(yè)，進而逐漸形成的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育，后來，一些醫(yī)學(xué)院校在醫(yī)學(xué)物理和醫(yī)用計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上相繼開展了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育，于是在我國基本上形成了這樣兩種類型的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科。上述兩類院校的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科建設(shè)發(fā)展模式各具側(cè)重，遵循了共同的學(xué)科基礎(chǔ)，在培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的應(yīng)用層面上有顯著特點。相對來說，工科院校的生物醫(yī)學(xué)工程培養(yǎng)模式注重工程技術(shù)的開發(fā)和功能拓展，醫(yī)科院校則注重醫(yī)學(xué)與工程結(jié)合、工程技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的綜合應(yīng)用。
1.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展思路
生物醫(yī)學(xué)工程是一種交叉學(xué)科，交叉的學(xué)科基礎(chǔ)及其融合的緊密程度決定了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展水平，交叉的學(xué)科發(fā)展推動著生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展，并且使得生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究領(lǐng)域變得十分廣泛，而且處在不斷發(fā)展之中。
1.1 學(xué)科發(fā)展軌跡
在中國，基于電子信息工程發(fā)展而來的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，主要包括生物醫(yī)學(xué)儀器、生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理、生物醫(yī)學(xué)信息計算分析、生物醫(yī)學(xué)成像及圖像處理分析、生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)建模與仿真、臨床治療與康復(fù)的工程優(yōu)化方法、手術(shù)規(guī)劃圖像仿真以及圖像導(dǎo)引手術(shù)及放療優(yōu)化等；有基于力學(xué)發(fā)展而來的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，主要包括生物流體力學(xué)、生物固體力學(xué)、運動生物力學(xué)、計算生物力學(xué)和微觀尺度的細胞生物力學(xué)等；基于化學(xué)材料工程發(fā)展而來的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，主要包括生物材料學(xué)、組織工程與人工器官、物理因子的生物化學(xué)效應(yīng)等。
1.2 學(xué)科發(fā)展特點
作為交叉學(xué)科的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，其發(fā)展的關(guān)鍵在于交叉學(xué)科間的交叉融合。構(gòu)建一種良好的交叉結(jié)構(gòu)，對推動交叉學(xué)科的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。約翰霍普金斯大學(xué)對于生物醫(yī)學(xué)工程這樣的交叉學(xué)科的描述有一個形象的說法：交叉學(xué)科如同在不同學(xué)科之間建立起連接橋梁，如果在河兩岸沒有堅實的基礎(chǔ)，橋是無法建立好的，對于生物醫(yī)學(xué)工程這樣一座建立在兩個不同學(xué)科之間的橋來說，它的發(fā)展要求具有堅實的交叉學(xué)科基礎(chǔ)和交叉學(xué)科緊密融合深度。那么在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科構(gòu)建良好的交叉結(jié)構(gòu)，需要選取具有理論支撐和技術(shù)支撐的主干學(xué)科進行交叉，凝練學(xué)科方向，不能大而全，過于寬泛。
目前，醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)成像技術(shù)具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景，應(yīng)該成為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的重點發(fā)展方向。醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)成像設(shè)備能有力推動醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。醫(yī)療儀器和醫(yī)學(xué)成像設(shè)備是現(xiàn)代醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)中的主流產(chǎn)品，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起著主導(dǎo)和引領(lǐng)作用。其發(fā)展水平已成為一個國家綜合經(jīng)濟技術(shù)實力與水平的重要標志之一。產(chǎn)業(yè)化驅(qū)動也是學(xué)科發(fā)展的一種動力，也為學(xué)生未來職業(yè)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)?；卺t(yī)療衛(wèi)生健康事業(yè)的需求和生命科學(xué)發(fā)展的大趨勢，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科應(yīng)大力促進醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)成像方法的學(xué)科建設(shè)，從而提升整個學(xué)科的發(fā)展水平。
生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的建設(shè)離不開一流的學(xué)術(shù)研究和學(xué)術(shù)成果的應(yīng)用。一流的學(xué)術(shù)研究不但能提升學(xué)科的發(fā)展水平，而且能開拓學(xué)科縱深發(fā)展，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益，進而增強學(xué)科服務(wù)社會發(fā)展的能力。學(xué)術(shù)研究的前瞻性和創(chuàng)新性將確保學(xué)科建設(shè)的發(fā)展動力和趨勢以及學(xué)科發(fā)展的活力。
交叉學(xué)科往往具有不同程度的可替代性?？商娲猿潭仍礁撸徊鎸W(xué)科存在的必要性就越小。如何減小生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科可替代性的程度是需要深入思考的，是需要提升學(xué)科的特異性的。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的學(xué)術(shù)研究主要包括應(yīng)用理論研究和理論應(yīng)用研究，應(yīng)用理論研究主要涉及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域所需要解決的科學(xué)問題，開展新理論、新方法的研究。理論應(yīng)用研究主要涉及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域所需要解決的科學(xué)和技術(shù)問題，借助理工科的相關(guān)理論和方法開展應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。應(yīng)用理論研究是理論驅(qū)動型的學(xué)術(shù)研究，理論應(yīng)用研究是應(yīng)用驅(qū)動型的學(xué)術(shù)研究。理論驅(qū)動型和應(yīng)用驅(qū)動型是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科學(xué)術(shù)研究的兩種主要模式。理工科大學(xué)具有良好的理論創(chuàng)新基礎(chǔ)和強大的交叉的學(xué)科背景，開展理論驅(qū)動型研究具有自身優(yōu)勢。醫(yī)學(xué)院校具有豐富的醫(yī)學(xué)資源，面臨著大量需要應(yīng)用理工知識解決的醫(yī)學(xué)問題，開展應(yīng)用驅(qū)動型研究，將很好地實現(xiàn)與醫(yī)學(xué)的應(yīng)用融合，具有較好的臨床應(yīng)用價值，有力推進醫(yī)學(xué)的進步與發(fā)展。各自的學(xué)術(shù)優(yōu)勢將有利于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科特色發(fā)展，從而增強其不可替代的程度，實現(xiàn)學(xué)科可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。
1.3 學(xué)科體系
作為一級學(xué)科的生物醫(yī)學(xué)工程，包含學(xué)科的理論體系和技術(shù)體系，且該體系離不開所交叉的學(xué)科的理論體系和技術(shù)體系的支撐，此外生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科理論體系和技術(shù)體系既要有學(xué)科自身的特色，又要具有可持續(xù)發(fā)展和一定程度上的不可替代性，這樣學(xué)科才會有旺盛的生命力。要面向醫(yī)療衛(wèi)生、生物科學(xué)所涉及的重大、重要技術(shù)理論問題及基礎(chǔ)應(yīng)用開展學(xué)術(shù)研究。實現(xiàn)良好的學(xué)術(shù)研究定位，形成自己的理論體系和技術(shù)體系。
2.大數(shù)據(jù)時代的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展
守正創(chuàng)新是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展的必由之路，人類已進入大數(shù)據(jù)時代，所謂大數(shù)據(jù)（bigdata），或稱海量數(shù)據(jù)，是指由于數(shù)據(jù)容量太龐大和數(shù)據(jù)來源過于復(fù)雜，無法在一定時間內(nèi)用常規(guī)工具軟件對其內(nèi)容進行獲取、管理、存儲、檢索、共享、傳輸、挖掘和分析處理的數(shù)據(jù)集。大數(shù)據(jù)具有“4V”特征：①數(shù)據(jù)容量（volume）大；②數(shù)據(jù)種類（variety）多，常常具有不同的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)來源；③動態(tài)變化快，如各種動態(tài)數(shù)據(jù)，非平穩(wěn)數(shù)據(jù)，時效性要求高；④科學(xué)價值（value）大，盡管目前利用率低，卻常常蘊藏著新知識和重要特征價值或具有重要預(yù)測價值。大數(shù)據(jù)是需要新的分析處理模式才能挖掘分析出其蘊藏的重要特征信息[6。
人體生老病死的生命過程就是一個不斷涌現(xiàn)的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)發(fā)生源，這種源源不斷的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的檢測、處理與分析，將給生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。模式識別、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)的發(fā)展將帶動大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進步。生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)廣泛涉及人類醫(yī)療衛(wèi)生健康相關(guān)的各個領(lǐng)域：臨床醫(yī)療、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、公共衛(wèi)生、醫(yī)藥研發(fā)、臨床工程、心里、行為與情緒、人類遺傳學(xué)與組學(xué)、基因和蛋白質(zhì)組學(xué)、遠程醫(yī)療、健康網(wǎng)絡(luò)信息等，可謂包羅萬象，紛繁復(fù)雜。生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中蘊藏了種種有科學(xué)價值的信息，研究有效的大數(shù)據(jù)挖掘的新理論、新技術(shù)和新方法，對生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)和融合計算分析，充分挖掘生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)中的信息關(guān)聯(lián)和特征關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)空間映射關(guān)聯(lián)，既能為疾病的預(yù)防、發(fā)生發(fā)展、診斷和治療康復(fù)提供系統(tǒng)化的全新的認識，有利于深入疾病機理研究分析，開展個性化診療。還可以通過整合系統(tǒng)生物學(xué)與臨床數(shù)據(jù)，更準確地預(yù)測個體患病風(fēng)險和預(yù)后，有針對性地實施預(yù)防和治療。
生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科所面臨的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)主要包括多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)、多種類醫(yī)學(xué)信號數(shù)據(jù)以及基因和蛋白質(zhì)組學(xué)的生物信息數(shù)據(jù)。生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)在生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛深遠的應(yīng)用前景，從三個方面應(yīng)用將推動生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展。
（1）開展多模態(tài)影像大數(shù)據(jù)計算分析。醫(yī)學(xué)影像學(xué)科的發(fā)展從早期看得到，到看得清，目前的看得準，未來的趨勢是看得早。只有看得準和看得早才有利于臨床早期干預(yù)，提高治療預(yù)期。醫(yī)學(xué)影像大數(shù)據(jù)計算分析在影像診斷、手術(shù)計劃、圖像導(dǎo)引、遠程醫(yī)療和病程跟蹤將發(fā)揮越來越大的作用。
建立新的醫(yī)學(xué)影像大數(shù)據(jù)計算分析模型和數(shù)值計算方法，挖掘多模態(tài)影像數(shù)據(jù)的特征數(shù)據(jù)和特征關(guān)聯(lián)，將會提供強有力的影像診斷分析手段，極大地推動影像技術(shù)的發(fā)展，具有重要的臨床應(yīng)用價值和科學(xué)價值。
（2）開展多種類醫(yī)學(xué)信號大數(shù)據(jù)計算分析。醫(yī)學(xué)信號大多直接產(chǎn)生于生理和病理過程中的信號，能在不同層面上表達生理和病理相關(guān)機制特征。融合多種醫(yī)學(xué)信號的大數(shù)據(jù)計算分析，能對生理病理過程進行更好更全面的闡釋，不僅能深入了解生理病理的狀態(tài)特征和過程特征，而且能實現(xiàn)個體健康監(jiān)測和管理?？梢院芎玫亻_展回顧性研究和前瞻性研究，推進系統(tǒng)化的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。實現(xiàn)強大的多種醫(yī)學(xué)信號數(shù)據(jù)的特征挖掘及特征關(guān)聯(lián)計算分析。大數(shù)據(jù)挖掘能夠增加準確度和發(fā)現(xiàn)弱關(guān)聯(lián)的能力，能更好地認識生理病理現(xiàn)象和本質(zhì)。
（3）開展基因和蛋白質(zhì)組學(xué)的生物信息大數(shù)據(jù)計算分析?；蚪M學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、系統(tǒng)生物學(xué)和比較基因組學(xué)的不斷發(fā)展涌現(xiàn)了海量的需要計算分析的生物信息數(shù)據(jù)，已進入計算系統(tǒng)生物學(xué)的時代。開展生物信息大數(shù)據(jù)計算分析，可以拓展組學(xué)研究及不同組學(xué)間的關(guān)聯(lián)研究。從環(huán)境交互、個體生活方式、心里行為等暴露組學(xué)，至細胞分子水平上的基因組學(xué)、表觀組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、基因蛋白質(zhì)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，再到人類健康和疾病狀態(tài)的表型組學(xué)等不同層面不同方向上實現(xiàn)大規(guī)模的關(guān)聯(lián)計算分析，可以全面闡述生命過程機制，挖掘生命過程特征及關(guān)聯(lián)特征。
3.結(jié)論
關(guān)鍵詞：工科院校；生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)；生物實踐教學(xué)；教學(xué)改革
生物醫(yī)學(xué)工程（BiologyMedicalEngineering，BMI）是綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的理論和方法而發(fā)展起來的，其主要是運用現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法，從工程學(xué)的角度，在多層次上研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系，揭示生命現(xiàn)象，為防病、治病提供新的技術(shù)手段的一門綜合性、高技術(shù)的學(xué)科，多學(xué)科的高度綜合交叉是生物醫(yī)學(xué)工程的特點[1]。自上世紀70年代末以來，國內(nèi)許多醫(yī)學(xué)院校、綜合性大學(xué)、理工科大學(xué)及相關(guān)科研機構(gòu)都設(shè)立了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，涵蓋了生物信息、醫(yī)療儀器、生物材料、生物工程等多個專業(yè)方向，課程設(shè)置主要包括工程類課程和醫(yī)學(xué)類課程，旨在培養(yǎng)具有各方面能力的復(fù)合型人才[2]。在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)體系中，實踐教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新精神、提高整體教學(xué)質(zhì)量的根本保證和有效途徑[3]。南京郵電大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是在學(xué)校原來的信號與信息處理等優(yōu)勢學(xué)科的支撐下發(fā)展起來的，因此在醫(yī)學(xué)信號處理、醫(yī)學(xué)圖像處理、生物傳感和生物信息學(xué)等領(lǐng)域積累了雄厚的師資和科研力量，上述領(lǐng)域的實踐教學(xué)體系完善、教學(xué)平備。比較而言，學(xué)校在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)和科研上相對薄弱，特別是在生物醫(yī)學(xué)方面的實踐教學(xué)有明顯的不足，存在著師資力量缺乏、教學(xué)平臺薄弱、課時有限等問題。針對上述問題，我們從師資隊伍建設(shè)、資源優(yōu)化配置、教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)方式更新等方面入手，對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的生物學(xué)實踐教學(xué)提出一系列改革措施，取得一定的效果。
一、生物學(xué)實踐教學(xué)存在的問題
南京郵電大學(xué)是傳統(tǒng)的工科院校，信息學(xué)科是學(xué)校的辦學(xué)特色。在工學(xué)為主體，以及“大信息”的背景下，學(xué)校的通信、電子、圖像和計算機等學(xué)科的科研氛圍濃厚、師資力量較強，相關(guān)課程的教學(xué)體系成熟、教學(xué)特點鮮明。上述相關(guān)學(xué)科的實踐教學(xué)已經(jīng)構(gòu)建了包括課內(nèi)實驗、專題實驗、綜合訓(xùn)練和生產(chǎn)實習(xí)一系列完善的實踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)。但隨著我國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科建設(shè)工作的開展，以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的快速發(fā)展，迫切的需要將更多的生物醫(yī)學(xué)知識融入到工程學(xué)知識中。為了擴展生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在生物學(xué)教學(xué)方面，我校目前開設(shè)了幾門生物學(xué)領(lǐng)域的課程，包括現(xiàn)代生物學(xué)、定量生理學(xué)和解剖生理學(xué)等。由于學(xué)校在生物醫(yī)學(xué)相關(guān)學(xué)科的科研和教學(xué)缺乏基礎(chǔ)，因此這些課程的師資力量較為缺乏，實驗教學(xué)平臺也比較薄弱。此外，生物醫(yī)學(xué)課程多屬于理論加上實驗的課程，要求課時較多。以解剖與生理為例，理論課要講51個學(xué)時，實驗課也需要51個學(xué)時[4，5]。但我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)大綱，對解剖與生理課程只設(shè)置了36個學(xué)時的理論課以及4個學(xué)時的實驗課。因此，在這些課程的理論課教學(xué)上，需要大幅的調(diào)整以適應(yīng)本專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)要求[4，5]。在實驗教學(xué)上，由于課時的限制，大多為演示實驗或參觀，學(xué)生缺乏動手實踐機會[6]。筆者在調(diào)研學(xué)生對解剖與生理課程興趣、期望和要求時，有68.1%的同學(xué)表示對這門課程感興趣或非常感興趣，并且有30%的同學(xué)希望能有動手實踐的機會（表2）。但我校目前現(xiàn)有的師資力量、實驗教學(xué)平臺和課時設(shè)置都不能滿足學(xué)生的這一要求，因此，必須采取有效的改進措施提高教學(xué)平水，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。
二、生物醫(yī)學(xué)實驗教學(xué)改進辦法
1.培養(yǎng)專任教師隊伍。為了提高我校生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的教學(xué)和科研水平，近幾年來，已引進多個生物醫(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)的博士和高級人才，構(gòu)建了一個高學(xué)歷的教師隊伍。教師的專業(yè)和研究方向包括了分子生物學(xué)、蛋白質(zhì)工程以及納米材料毒理等，這些教師的專業(yè)背景和知識體系完全滿足了現(xiàn)有的生物課程教學(xué)和實驗教學(xué)的需要。
2.完善實驗教學(xué)條件。為了提高實驗教學(xué)水平，同時為了滿足學(xué)?？蒲许椖堪l(fā)展的需要，我校已于近幾年建設(shè)完成了生物醫(yī)學(xué)實驗室。實驗室的建設(shè)目標是建立一個以生物技術(shù)為核心，結(jié)合醫(yī)學(xué)診斷以及生物信息處理的多層次性和綜合性實驗基地，使學(xué)生系統(tǒng)化地學(xué)習(xí)和掌握全面的生命科學(xué)綜合實驗技能，以培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域創(chuàng)新性人才，同時為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的師生提供一個高水平的細胞、分子生物學(xué)實驗研究平臺，以加強不同學(xué)科間的合作交流，做出一流的科研工作。目前已建立了分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)操作平臺和蛋白結(jié)構(gòu)測試和信息處理的表征平臺。在此平臺上，我們?yōu)閷W(xué)生設(shè)立了核酸分離和檢測，核黃素、丙二醛和超氧化物歧化酶等生化指標測定等一系列的實驗。讓學(xué)生走進實驗室，觀看并親自動手操作，極大激發(fā)了學(xué)生的對生物學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣。
3.改革實驗教學(xué)內(nèi)容和方法。除了加強教師隊伍和實驗平臺的建設(shè)，我們還通過多種教學(xué)方法和途徑改革實驗教學(xué)內(nèi)容。針對生物類課程實驗課時不足的問題，許多教師針對生物領(lǐng)域的熱點方向開設(shè)了一系列的開放實驗項目，通過開放性實驗，讓學(xué)生走進實驗室和動物房，讓學(xué)生跟著老師學(xué)習(xí)一些基本的生物學(xué)實驗以及動物實驗的操作技能和方法[7-9]。在教學(xué)中，教師積極鼓勵對生物醫(yī)學(xué)相關(guān)實驗有興趣并且有能力的本科生申報創(chuàng)新項目，鼓勵教師和學(xué)生并將畢業(yè)設(shè)計與創(chuàng)新項目相結(jié)合，以教師的科研項目為載體，讓學(xué)生在實踐中創(chuàng)新[10]。實踐以學(xué)生為主體，讓學(xué)生獨立查閱中外文獻，了解項目最新的國內(nèi)外研究進展，設(shè)計實驗方案，學(xué)習(xí)各種新的實驗技術(shù)，掌握科學(xué)研究方法，這不僅有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，同時還加深例如學(xué)生對各種專業(yè)課程的理解以及對生物工程專業(yè)的認識。實踐證明，上述教學(xué)方法激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的動手能力和操作能力，并培養(yǎng)了學(xué)生的團隊精神，取得了良好的教學(xué)效果。同時學(xué)校還積極與南京大學(xué)、南京中醫(yī)藥大學(xué)、江蘇省中醫(yī)院等單位建立合作關(guān)系，帶領(lǐng)學(xué)生參觀實驗室，讓學(xué)生對生物醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域的實驗室構(gòu)成、具體運作有更直觀的認識。通過在大學(xué)和醫(yī)院等實習(xí)基地的參觀和關(guān)系，讓學(xué)生充分認識到生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)習(xí)目的和專業(yè)知識的應(yīng)用價值。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)作為一門為生物學(xué)和醫(yī)學(xué)服務(wù)的交叉學(xué)科，生物學(xué)實驗課對生物醫(yī)學(xué)知識的學(xué)習(xí)和理解掌握領(lǐng)域非常重要。針對我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的生物學(xué)實驗教學(xué)中存在的問題，我們開展一系列的教學(xué)改革與實踐，取得了很好的效果。極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生的參與熱情，提高學(xué)生的實踐能力，并且為學(xué)生今后的工作和科研奠定了堅實的基礎(chǔ)。希望能在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)完善現(xiàn)有的生物學(xué)實驗教學(xué)體系和教學(xué)方法，從而更好地促進生物學(xué)實驗課程建設(shè)和發(fā)展。
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[關(guān)鍵詞]生物醫(yī)學(xué)工程 應(yīng)用型 人才培養(yǎng)模式
[中圖分類號] G640 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）22-0019-03
生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering，簡稱BME）是運用現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法，從工程學(xué)的角度，在多層次上研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系，揭示其生命現(xiàn)象，為防病、治病提供新的技術(shù)手段的一門綜合性、高技術(shù)的學(xué)科。BME的研究方向較多，如生物信息學(xué)、醫(yī)療儀器、醫(yī)學(xué)圖像、圖像處理、生理信號處理、生物力學(xué)、生物材料、系統(tǒng)分析、三維建模等。在每個方向上又有著非常寬廣的內(nèi)容。因此，BME領(lǐng)域?qū)⑹墙窈蟮难芯繜衢T之一，具有廣闊的發(fā)展前景。
廣東藥學(xué)院醫(yī)藥信息工程學(xué)院2005年開始招收生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生，并成立了生物醫(yī)學(xué)工程系。為了使BME專業(yè)更好地融入醫(yī)藥信息工程學(xué)院的醫(yī)藥信息背景平臺，我們先后三次對人才培養(yǎng)方案進行了修改和完善。目前本專業(yè)有兩個方向――生物醫(yī)學(xué)電子儀器方向和醫(yī)學(xué)影像技術(shù)方向。
在8年教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，我們根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和社會需求，從明確培養(yǎng)目標、設(shè)置合理的課程體系、強調(diào)實踐環(huán)節(jié)教學(xué)和加強實習(xí)基地建設(shè)、雙師型教師隊伍建設(shè)四個方面對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式進行了探索研究。
一、明確人才培養(yǎng)目標
從社會需求和畢業(yè)生就業(yè)的角度考慮，我院BME本科教育培養(yǎng)方向定位于應(yīng)用型人才，專業(yè)領(lǐng)域為醫(yī)療儀器，即培養(yǎng)大型醫(yī)療設(shè)備的操作、維修及管理人員。
根據(jù)這個專業(yè)定位，我院BME本科教育的培養(yǎng)目標為：培養(yǎng)面向生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)及醫(yī)學(xué)儀器領(lǐng)域從事科學(xué)研究、系統(tǒng)設(shè)計、質(zhì)量管理、維修銷售的高級工程技術(shù)人才，具備生命科學(xué)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)及信息科學(xué)有關(guān)的基礎(chǔ)知識和基本技能，具有本學(xué)科及跨學(xué)科技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的基本能力，適應(yīng)社會需求的應(yīng)用型人才。
為了實現(xiàn)上述培養(yǎng)目標，拓寬就業(yè)渠道，我們要求本專業(yè)的學(xué)生要具備以下的知識和能力：首先，精通本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)理論知識，尤其是電子技術(shù)、醫(yī)學(xué)信號的獲取、處理的基本理論和一般方法，具有BME應(yīng)用研究和產(chǎn)品設(shè)計、維護和管理的基本能力；其次，了解本專業(yè)所需要的醫(yī)學(xué)知識和生命科學(xué)知識；再次，了解醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的基本方針、政策法規(guī)、醫(yī)療設(shè)備企業(yè)管理的基本知識；最后，熟悉文獻檢索和資料查詢的基本方法，了解BME理論前沿，具有研究與開發(fā)新系統(tǒng)及新技術(shù)的初步能力。
二、設(shè)置合理的課程體系
課程設(shè)置是人才培養(yǎng)的核心，其合理與否直接影響畢業(yè)生的質(zhì)量。課程設(shè)置的知識模塊不應(yīng)是封閉的“金字塔”形狀，而應(yīng)該是開放的“知識樹”狀態(tài)。合理的課程體系應(yīng)是以社會需求為導(dǎo)向的，緊密結(jié)合生產(chǎn)和科技發(fā)展變化的需要，并堅持技術(shù)知識本位、知識能力本位和做人本位的有機統(tǒng)一，及時調(diào)整課程設(shè)置，不斷更新課程內(nèi)容使學(xué)生能夠盡快地接受新技術(shù)與信息。
根據(jù)廣東藥學(xué)院建設(shè)高水平應(yīng)用型大學(xué)的目標，針對BME專業(yè)在數(shù)字信號處理、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備、電子學(xué)等方面的學(xué)科優(yōu)勢，重視醫(yī)學(xué)課程與工程技術(shù)課程知識的相互滲透，實現(xiàn)醫(yī)、工的有機結(jié)合。據(jù)此，我們在深入分析BME學(xué)科性質(zhì)和特點的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)借鑒國內(nèi)外同類專業(yè)的辦學(xué)經(jīng)驗，經(jīng)過3次修訂教學(xué)計劃，逐步建立完善了BME專業(yè)的課程體系。在課程設(shè)置上做到既重視基礎(chǔ)知識課程，包括專業(yè)基礎(chǔ)知識課程和醫(yī)學(xué)知識課程，又突出專業(yè)特色，開設(shè)了醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計、醫(yī)學(xué)儀器故障診斷與維修、生物醫(yī)學(xué)儀器與醫(yī)療器械、醫(yī)用X線機與CT成像技術(shù)、MRI與醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)、核醫(yī)學(xué)與放射治療技術(shù)、醫(yī)療器械營銷、醫(yī)療器械質(zhì)量體系與法規(guī)等課程。圍繞生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標、專業(yè)技術(shù)重點來設(shè)置各課程在整個專業(yè)教學(xué)計劃中的比重。在突出主干課程的同時，盡可能多地開設(shè)前沿選修課，讓學(xué)生了解該領(lǐng)域的研究熱點。具體需做到以下幾點：
第一，在專業(yè)課程設(shè)置中注意突出應(yīng)用型本科課程設(shè)計要求和特點，加大實踐課的比重。以學(xué)分制為例，目前本專業(yè)開設(shè)的實踐課學(xué)分21分（含課外實踐學(xué)分），占課程總學(xué)分160分的13.13%，應(yīng)當進一步加大實踐課的比重。
第二，重視醫(yī)學(xué)、理工兩大學(xué)科基礎(chǔ)知識的加強。在構(gòu)建課程體系時，重點加強生理學(xué)、人體解剖學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)概論、電子技術(shù)、計算機基礎(chǔ)課程，以公共基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課作為支柱，形成寬口徑學(xué)科教育平臺。
第三，重視實踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。教學(xué)要求強化實驗、實訓(xùn)、實習(xí)等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過適當增加課程設(shè)計、綜合實驗、大學(xué)生課外科技活動及競技活動、建立創(chuàng)新實驗室等多途徑給學(xué)生創(chuàng)設(shè)動手訓(xùn)練的機會，提高專業(yè)技能，使學(xué)生畢業(yè)后能迅速適應(yīng)工作崗位。目前，我院實驗課、實訓(xùn)課開出率達到100%，建立了生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新實驗室，多次組織學(xué)生參加國家級和省級等各類級別的電子設(shè)計競賽等。
第四，把國內(nèi)外知名的網(wǎng)絡(luò)教育品牌引入學(xué)院的教學(xué)中。在美國紐交所上市的安博教育集團已經(jīng)與我院簽約合作培養(yǎng)醫(yī)藥軟件及服務(wù)外包人才，使同學(xué)們有機會接觸到最前沿的信息技術(shù)知識與技能。
三、強調(diào)實踐環(huán)節(jié)教學(xué)，加強實習(xí)基地建設(shè)
第一，加強專業(yè)實驗室建設(shè)。目前雖建有生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實驗室，但僅能開展信號與系統(tǒng)實驗和醫(yī)用傳感器實驗，像醫(yī)學(xué)影像設(shè)備原理、醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計、醫(yī)學(xué)儀器故障診斷與維修、生物醫(yī)學(xué)儀器與醫(yī)療器械、醫(yī)用X線機與CT成像技術(shù)、MRI與醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)、核醫(yī)學(xué)與放射治療技術(shù)等課程所需的實驗儀器和設(shè)備因所需資金較大，所以目前只能開展模擬實驗，效果不是很好，這是我們需要改進的地方。
第二，開設(shè)第二課堂。全院所有教學(xué)實驗室和大部分科研實驗室向?qū)W生開放，接受高年級學(xué)生進行科研訓(xùn)練和創(chuàng)新性實踐，并要求承擔了省廳級科研項目的教師積極吸收學(xué)生進實驗室，參與課題研究。同時，鼓勵學(xué)生參加各類型的科技創(chuàng)新競賽活動，并屢創(chuàng)佳績，有數(shù)十人獲得國家及省部級獎項，其中，我系學(xué)生分獲2008、2009年全國電子設(shè)計大賽廣東省二等獎、三等獎；2010年全國電子設(shè)計大賽廣東賽區(qū)二等獎； 2010、2011年全國文科類大學(xué)生計算機設(shè)計大賽二等獎； 2011年全國電子設(shè)計大賽廣東省二等獎、三等獎等。
第三，在醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)和醫(yī)院之間建立長期穩(wěn)定的實習(xí)基地。在企業(yè)實習(xí)過程中，要求學(xué)生下到車間參與生產(chǎn)過程，并對醫(yī)療設(shè)備的技術(shù)發(fā)展動向和市場狀況有明確的認知；在醫(yī)院實習(xí)過程中，要求學(xué)生輪換到各個相關(guān)科室工作，了解常用醫(yī)療儀器的使用、操作和維修方法，掌握其原理和關(guān)鍵技術(shù)，并熟悉醫(yī)療設(shè)備的管理和維護方法。如廣東藥學(xué)院第一附屬醫(yī)院、第二附屬醫(yī)院和廣東藥學(xué)院附屬中山醫(yī)院（中山市人民醫(yī)院）均可作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的實踐教學(xué)基地，為本專業(yè)的相關(guān)課程（如醫(yī)學(xué)影像設(shè)備原理、醫(yī)用X線機與CT成像技術(shù)、MRI與醫(yī)學(xué)超聲技術(shù)、核醫(yī)學(xué)與放射治療技術(shù)、醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計、醫(yī)學(xué)儀器故障診斷與維修、生物醫(yī)學(xué)儀器與醫(yī)療器械等）提供見習(xí)、實驗條件。
第四，學(xué)院多次舉辦學(xué)生與醫(yī)藥企事業(yè)的交流活動，請政府官員、企業(yè)老總到學(xué)校給學(xué)生做學(xué)術(shù)報告，帶領(lǐng)學(xué)生參觀醫(yī)療設(shè)備企業(yè)、參加各種學(xué)術(shù)研討會，舉辦模擬招聘會，給學(xué)生提供廣泛接觸企業(yè)的機會。讓學(xué)生在交流活動中展現(xiàn)自己的學(xué)識、能力與才華，了解醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的發(fā)展趨勢和珠三角地區(qū)醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的發(fā)展布局，了解自己學(xué)習(xí)的專業(yè)方向與今后就業(yè)的聯(lián)系，了解企業(yè)的經(jīng)營范圍、產(chǎn)品開發(fā)流程、運作模式、感受企業(yè)文化。
四、建設(shè)“雙師型”教師隊伍
“雙師型”教師隊伍建設(shè)是落實人才培養(yǎng)模式的關(guān)鍵，是提高應(yīng)用型本科教育教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。我院的教育理念是“重實踐，強能力”，力爭培養(yǎng)“上手快、善溝通、動手能力強”的應(yīng)用型醫(yī)藥衛(wèi)生人才，因此要求我們建立一支敬業(yè)愛崗，教風(fēng)嚴謹，既有理論又能實踐，既能從事學(xué)院教學(xué)，又能從事在職員工培訓(xùn)，既肯刻苦學(xué)習(xí)專業(yè)前沿技術(shù)，又富于改革創(chuàng)新精神，既搞教學(xué)又搞科研的“雙師型”教師隊伍。
我院生物醫(yī)學(xué)工程系現(xiàn)有專任教師15名，具有高級職稱的教師4名，占專任教師的26.7%；具有博士研究生以上學(xué)歷的教師6名，占專任教師的40.0%；從附屬第一醫(yī)院、安博教育集團、廣東凱通軟件開發(fā)有限公司、廣州中星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司等聘請10余位兼職教師?；拘纬闪艘恢ЫY(jié)構(gòu)合理、素質(zhì)高、專兼職相結(jié)合的師資隊伍。當然，我們做得還遠遠不夠，接下來將在以下方面進一步加強“雙師型”隊伍的建設(shè)：
第一，組織教師深入醫(yī)藥和醫(yī)療設(shè)備企業(yè)一線了解人才需求情況，制訂培養(yǎng)目標。積極鼓勵教師開展經(jīng)常性的下廠實踐活動，讓每一位教師都與一個或幾個與本專業(yè)相關(guān)的企業(yè)建立長期的聯(lián)系，不斷學(xué)習(xí)企業(yè)的先進技術(shù)和管理思想，并將其應(yīng)用到教學(xué)與培訓(xùn)中來，同時利用自己的專業(yè)知識幫助企業(yè)解決實際工作中遇到的問題。我們鼓勵教師在不影響正常教學(xué)的情況下在相關(guān)企業(yè)中兼職，為企業(yè)提供咨詢服務(wù)活動，通過這項活動，教師積累了大量來自醫(yī)藥和醫(yī)療設(shè)備企業(yè)的教學(xué)案例，使理論教學(xué)更加結(jié)合實際，受到學(xué)生的歡迎。另外，在實踐教學(xué)過程中打破了理論課教師與實踐課教師的界限，積極鼓勵理論課教師參與到實踐課教學(xué)指導(dǎo)中來，目前，BME專業(yè)中不但實驗課、實訓(xùn)課開出率達到100%，而且實驗、實訓(xùn)課的指導(dǎo)全部由任課教師擔任。
第二，指導(dǎo)數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計大賽等。積極參加每年的全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模比賽與電子設(shè)計大賽，學(xué)院各級領(lǐng)導(dǎo)與多名教師參與各類競賽的組織、輔導(dǎo)、參賽等工作，均取得了優(yōu)異的成績。從中既鍛煉了學(xué)生的理論實際應(yīng)用能力，又使參賽教師的業(yè)務(wù)水平得到了提高。
第三，教研室內(nèi)形成良好的學(xué)習(xí)、教學(xué)氛圍。在教師隊伍建設(shè)方面，及時總結(jié)推廣教研室或教師的先進經(jīng)驗，按照計劃、實施、檢查、總結(jié)這四個階段，使教研室工作計劃保證落實，固定教研活動時間，明確科研課題，教改目標到位，對教師能力、素質(zhì)培養(yǎng)體現(xiàn)充分，并將常規(guī)教研活動與專題教研活動和創(chuàng)造發(fā)揮型教研活動有機結(jié)合，在活動中實現(xiàn)教師間的相互交流和共同提高，創(chuàng)設(shè)一種青年教師成長、中年教師進步、老年教師提高的良好氛圍，努力提高“雙師型”教師業(yè)務(wù)水平，建設(shè)成為一支穩(wěn)定的“雙師型”教師隊伍。
五、結(jié)束語
我院自2005年開設(shè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)以來，目前已有五屆畢業(yè)生，就業(yè)情況良好，就業(yè)前景十分廣闊。用人單位普遍反映畢業(yè)生的思想品德優(yōu)秀、專業(yè)基礎(chǔ)扎實、實踐能力強以及適應(yīng)性好，具有良好的綜合素質(zhì)，用人單位對本專業(yè)畢業(yè)學(xué)生的滿意率達到95%以上。今后，我們將繼續(xù)秉承培養(yǎng)“上手快、善溝通、動手能力強”的應(yīng)用型醫(yī)藥衛(wèi)生人才的辦學(xué)方針，在人才培養(yǎng)模式上不斷調(diào)整和完善，培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型應(yīng)用技術(shù)人才。
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關(guān)鍵詞：3D打??；生物醫(yī)學(xué)工程；發(fā)展現(xiàn)狀
前言
三維打?。═hree Dimension Printing，簡稱3DP）屬于一種快速成型（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術(shù)，它由計算機輔助設(shè)計（CAD）數(shù)據(jù)通過成型設(shè)備以材料逐層堆積的方式實現(xiàn)實體成型?！叭S打印”在技術(shù)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(fā)明了將數(shù)字資源打印成三維立體模型的技術(shù)，并于1986年成立了3D Systems公司，開發(fā)了第一臺商用立體光敏3D打印機，1988年，斯科特?克倫普發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù)（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(xué)顏永年教授于1988開始研究3D打印成型技術(shù)，華中科技大學(xué)王運贛教授以及西安交通大學(xué)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(shù)的研究。
1998年，清華大學(xué)的顏永年教授又將3D打印成型技術(shù)引入生命科學(xué)領(lǐng)域，提出生物制造工程學(xué)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(shè)備，為制造科學(xué)提出了一個新的發(fā)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(shè)計制造具有生物活性的人工器官、植入物或細胞三維結(jié)構(gòu)，是制造科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)交叉融合的新興學(xué)科，它是目前3D打印技術(shù)研究的最前沿領(lǐng)域，也是3D打印技術(shù)中最具活力和發(fā)展前景的方向[2，3]。
1 3D打印技術(shù)的分類
目前比較典型的3D打印快速成形技術(shù)主要分為三種[4]：
1.1 粉末粘結(jié)3D打印光固化材料3D打印與熔融材料3D打印
粉末粘結(jié)3D打印是目前應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)，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(jù)實體模型離散層面的數(shù)字信息將粘結(jié)劑噴射到粉末材料上，使粉末材料粘結(jié)，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(fù)第一步至第三步，逐層堆砌，形成三維打印產(chǎn)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(xù)工藝提高其強度，但后續(xù)處理工藝會導(dǎo)致零件體積收縮，變形嚴重。
1.2 光固化3D打?。ü饷羧S打?。?/p>
該技術(shù)使用液態(tài)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(shù)和光固化成形技術(shù)，噴頭沿X方向往復(fù)運動，根據(jù)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(yīng)用于骨骼類產(chǎn)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(chǎn)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(shù)，分別加熱兩種絲狀熱塑性材料至熔融態(tài)，根據(jù)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(zhì)，有利于保證材料后續(xù)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(xiàn)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(yīng)用比較廣泛的商業(yè)化快速成形工藝還包括立體光刻成形（SLA）、選擇性激光燒結(jié)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(tǒng)，且成型工藝實質(zhì)上還是類似于上述三種材料疊加-固化技術(shù)。因此，三維打印技術(shù)被認為是最具生命力的快速成形技術(shù)，發(fā)展?jié)摿薮?，在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景廣闊，其推廣應(yīng)用將對傳統(tǒng)的醫(yī)療產(chǎn)品生產(chǎn)模式帶來顛覆性的影響。
2 三維仿生重構(gòu)建模技術(shù)的發(fā)展
基于醫(yī)學(xué)圖像的三維重構(gòu)建模技術(shù)是生物3D打印技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一。3D打印生物構(gòu)件的實現(xiàn)首先需要在計算機環(huán)境下有效重構(gòu)和建模，生成可用于驅(qū)動打印噴頭的指令數(shù)據(jù)進而操控成型設(shè)備實現(xiàn)產(chǎn)品成型。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，人體組織的二維斷層圖像數(shù)據(jù)可以方便地獲取以進行醫(yī)學(xué)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(yī)生可以憑經(jīng)驗由多幅二維圖像去估計病灶的大小及形狀，“構(gòu)思”病灶與其周圍組織的三維幾何關(guān)系，可三維打印設(shè)備卻無法根據(jù)這些斷點數(shù)據(jù)進行立體三維成型，因此，基于醫(yī)學(xué)圖像的三維重構(gòu)建模技術(shù)是生物3D打印技術(shù)的重要前驅(qū)步驟。
由于CT或MRI等檢測設(shè)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(chǎn)品三維實體模型。近十多年來，歐美等發(fā)達國家的科研機構(gòu)對于醫(yī)學(xué)圖像三維重建的研究十分活躍，其技術(shù)水平正從后處理向?qū)崟r跟蹤和交互處理發(fā)展，并且已經(jīng)將超級計算機、光纖高速網(wǎng)、高性能工作站和虛擬現(xiàn)實結(jié)合起來，代表著這一技術(shù)領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。
在市場應(yīng)用領(lǐng)域，國外已經(jīng)研制了三維醫(yī)學(xué)影像處理的商品化系統(tǒng)，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(nèi)，中國科學(xué)院自動化研究所醫(yī)學(xué)影像研究室自主開發(fā)的3D Med是基于普通微機的三維醫(yī)學(xué)影像處理與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠接收CT、MRI等主要醫(yī)療影像設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)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(xué)計算機系研發(fā)的人體斷面解剖圖像三維重構(gòu)系統(tǒng)能給外科手術(shù)中的影像診斷提供一定的參考。中國科技大學(xué)在應(yīng)用Delphi開發(fā)三維重構(gòu)軟件的研究上取得了很好的成果。國內(nèi)企業(yè)也研發(fā)了一些三維醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng)。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(yī)學(xué)圖像進行快速的三維重建，并能對臨床影像的數(shù)據(jù)進行科學(xué)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(yōu)秀軟件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的價格非常昂貴，且其技術(shù)嚴格保密。國內(nèi)的產(chǎn)品大多沒有自主知識產(chǎn)權(quán)和成熟的商業(yè)應(yīng)用模式。
3 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用
3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域大致包括：體外器官模型、仿生模型制造；手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計；個性化植入體制造；組織工程支架制造；生物活體器件構(gòu)建以及器官打?。凰幬锖Y選生物模型等。如圖1所示為3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中的各種應(yīng)用情況[5-7]。
3.1 體外器官模型、仿生模型制造。該類應(yīng)用主要用于醫(yī)療診斷和外科手術(shù)策劃，它能有效地提高診斷和手術(shù)水平，縮短時間、節(jié)省費用。便于醫(yī)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(shù)者之間、醫(yī)生和病人之間的交流更加方便。
3.2 手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計。該類應(yīng)用便于訂制精確的個性化假體，實現(xiàn)個性化醫(yī)療需求。根據(jù)患者缺損組織數(shù)據(jù)量身訂制的假肢，可提高假肢設(shè)計的精確性，提高手術(shù)精確度，確保患者的功能恢復(fù)，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(tài)復(fù)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(nèi)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(tài)及功能恢復(fù)。因此這類修復(fù)體可通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)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(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)，使之高度仿生天然骨組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)特征，賦予組織工程支架高度的生物活性和骨修復(fù)能力。
3.5 生物活體器件構(gòu)建以及器官打印。此方面的應(yīng)用大多涉及活體細胞的生物3D打印技術(shù)。細胞三維結(jié)構(gòu)體的3D構(gòu)建可以通過活細胞及其外基質(zhì)材料的打印構(gòu)建活體生物器件。如英國赫瑞瓦特大學(xué)和一家干細胞技術(shù)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(xué)研究人員最近在其發(fā)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?shù)姆椒?，對可能作為藥物使用的物質(zhì)（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(guī)模橫向比較，因此有研究人員指出通過3D打印技術(shù)，精確設(shè)計仿生組織藥物病理作用模型，可以使人們開在短時間內(nèi)大規(guī)模高通量篩選新型高效藥物。最近，四川大學(xué)聯(lián)合加州大學(xué)圣地亞哥分校等科研機構(gòu)，通過3D打印技術(shù)設(shè)計了一款肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型（如圖1-c），該研究成果發(fā)表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。
3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)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(gòu)件；（c）3D打印肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型。
4 結(jié)束語
三維打印技術(shù)正處在蓬勃興起的階段，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用以及發(fā)展現(xiàn)狀表明：3D打印在體外器官模型、組織工程與再生醫(yī)學(xué)、個性化醫(yī)療以及新藥研發(fā)等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。抓住生物材料及植入器械的三維打印技術(shù)新一輪發(fā)展浪潮，發(fā)展我國生物三維打印技術(shù)，對發(fā)展我國生物材料醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)步入國際先進水平具有十分重要的意義。
參考文獻
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生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)是作為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究的輔助手段而發(fā)展起來的,它以生物或醫(yī)學(xué)樣品為研究對象,以醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和光學(xué)工程等學(xué)科的基礎(chǔ)知識的充分融合為基礎(chǔ),通過工程技術(shù)手段為生物醫(yī)學(xué)研究或臨床應(yīng)用提供檢測或監(jiān)控儀器和方法,所以生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的發(fā)展和成功應(yīng)用除了對生物或醫(yī)學(xué)學(xué)科本身的發(fā)展具有促進作用外,對工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科也提出了新的要求,并客觀上推動和促進了這些學(xué)科的交叉和技術(shù)的融合[4]。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)可分為生物光子學(xué)和醫(yī)學(xué)光子學(xué)兩個部分,分屬于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,但二者的研究內(nèi)容并無嚴格界限。也可以根據(jù)應(yīng)用目的的不同,將生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)劃分為光子診斷醫(yī)學(xué)技術(shù)和光子治療醫(yī)學(xué)技術(shù)兩個領(lǐng)域[5]。由于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的學(xué)科跨度大,不能明確界定在某一單一學(xué)科領(lǐng)域內(nèi),所以并無生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)專業(yè),而是根據(jù)導(dǎo)師隸屬單位情況和科研項目需要,在光學(xué)工程、電子工程、生物醫(yī)學(xué)工程、生物技術(shù)、臨床醫(yī)學(xué)等一級學(xué)科下設(shè)置該研究方向,招收并培養(yǎng)研究生。
2當前生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究生培養(yǎng)面臨的困難和問題
生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究需要生物醫(yī)學(xué)和工程技術(shù)兩方面多學(xué)科知識的交融,需要生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、病理學(xué)、腦科學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、圖形圖像學(xué)、信號處理等多學(xué)科專家學(xué)者的參與,因而具有復(fù)雜性和綜合性的特色。這種特點促使我們在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)專業(yè)研究生培養(yǎng)時需要特殊的學(xué)術(shù)環(huán)境,需要觀念上的轉(zhuǎn)變和政策上的支持,更需要高水平的導(dǎo)師隊伍和先進的培養(yǎng)模式來保證。目前,生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方向的研究生培養(yǎng)還面臨以下問題。
2.1缺乏新技術(shù)和新知識的傳授,知識培養(yǎng)體系亟需完善
生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的理論知識和技術(shù)更新都很快,不斷有新的應(yīng)用領(lǐng)域和市場需求出現(xiàn),國家和社會要求我們培養(yǎng)具有更強創(chuàng)新意識和應(yīng)用實踐能力的研究生,可以在某一行業(yè)領(lǐng)域擔當領(lǐng)頭人。但當前的研究生培養(yǎng),對新技術(shù)和新知識的傳授不足,教材內(nèi)容嚴重滯后,缺乏讓學(xué)生開拓視野、跟隨學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展前沿的綜合交叉性課程。
2.2研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)缺乏規(guī)范性
從事生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)交叉學(xué)科的研究生,其本身的專業(yè)背景多屬于傳統(tǒng)的單一學(xué)科范圍,攻讀的研究生學(xué)位也多屬于此范圍等。由于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)這門交叉學(xué)科涉及的知識內(nèi)容非常廣博,而導(dǎo)師的科研課題又非常具體,使這種以導(dǎo)師科研課題作為研究生培養(yǎng)載體的方式,具有較大的不確定性和隨意性,無法兼顧研究生的專業(yè)背景、科研興趣和科研課題幾方面的因素,常常是為了完成課題而進行相應(yīng)的學(xué)習(xí),未能在研究生對知識的綜合—消化—應(yīng)用方面下足功夫,在研究生的科研培訓(xùn)和能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)缺乏系統(tǒng)性和規(guī)范性。
2.3研究生的培養(yǎng)質(zhì)量受限于導(dǎo)師的研究課題
當前生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究生培養(yǎng)大多依托于導(dǎo)師現(xiàn)有科研項目,因此在培養(yǎng)過程中存在一系列問題,如:以完成特定生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究課題為目標的研究生培養(yǎng),對培養(yǎng)目標以及培養(yǎng)過程等沒有清晰明確的認識,無法讓學(xué)生既具備合理的知識結(jié)構(gòu),又具備綜合多學(xué)科知識的素質(zhì)和能力;有的導(dǎo)師的研究課題僅是借用了其它學(xué)科的名詞和概念,而未真正開展跨學(xué)科領(lǐng)域的研究內(nèi)容,結(jié)果是研究生的理解、認識混亂,甚至出現(xiàn)概念錯誤等現(xiàn)象;還有研究課題僅僅是生物醫(yī)學(xué)和光學(xué)內(nèi)容的簡單疊加,缺乏真正的融合和借鑒,研究生在課題研究中無法深入下去。以上種種,不但不能產(chǎn)生創(chuàng)新成果,反而影響了研究生培養(yǎng)質(zhì)量,阻礙了研究生的學(xué)術(shù)水平提高。
2.4現(xiàn)行的教學(xué)管理體制難以滿足學(xué)科交叉研究和研究生培養(yǎng)的需要世界各國對交叉學(xué)科研究極為重視。英、美等發(fā)達國家都相繼成立了生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的交叉研究中心,便于來自不同學(xué)科背景的科研人員相互交流和溝通,為前沿學(xué)科建設(shè)開辟道路。反觀國內(nèi),只有少數(shù)幾所重點大學(xué)或中科院的研究所設(shè)立了專門從事生物醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的交叉學(xué)科研究院或研究中心,如,北京大學(xué)的前沿交叉學(xué)科研究院建立的生物醫(yī)學(xué)跨學(xué)科研究中心,而大部分學(xué)校院、系劃分都是長時間不變的。從事生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究方向的教師要有確定的學(xué)科“歸屬”才具有所在學(xué)科的資源(包括經(jīng)費和科研設(shè)施等)使用權(quán),而研究生也是通過某一特定學(xué)科的入學(xué)考試內(nèi)容,遵循其培養(yǎng)方案和培養(yǎng)目標進行學(xué)習(xí)和科研培訓(xùn)[6]。嚴格的學(xué)科界限使生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究方向的導(dǎo)師無法合理整合校內(nèi)資源為交叉學(xué)科研究服務(wù),是開展交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)的直接障礙。
3生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究生培養(yǎng)模式的探索和建議
完善培養(yǎng)和管理工作是生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方向研究生培養(yǎng)順利進行的保證,我們需要在人才輸入(招生)—人才培養(yǎng)—人才輸出(學(xué)位授予)這三個方面都留有足夠的空間,給予適當?shù)恼邇A斜,并完善配套的管理運行機制。
3.1采取靈活的招生政策,鼓勵跨學(xué)科招生
招生機制是人才培養(yǎng)機制三步曲中的第一步,高質(zhì)量的生源是高水平人才培養(yǎng)的第一關(guān)。我們的目標是選擇合適的人,創(chuàng)造適合的環(huán)境,讓通過適當?shù)臋C制選拔進來的人能在這樣的環(huán)境中成為優(yōu)秀的交叉學(xué)科人才[7]。因此,為發(fā)展生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)交叉學(xué)科研究,調(diào)動導(dǎo)師在交叉學(xué)科培養(yǎng)研究生的積極性,調(diào)動學(xué)生從事交叉學(xué)科研究的熱情和興趣,學(xué)校對交叉學(xué)科研究生的招生工作應(yīng)采取特殊的政策:首先,對交叉學(xué)科的招生名額分配有傾斜政策,以支持交叉學(xué)科的學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng);第二,鼓勵跨學(xué)科招生和報考,例如,光學(xué)工程專業(yè)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方向招生,即可以招生簡章中列出歡迎生物、醫(yī)學(xué)相關(guān)學(xué)科研究生報考,并增加相應(yīng)的入學(xué)考試可選科目;第三,學(xué)校保留部分名額優(yōu)先錄取優(yōu)秀的跨學(xué)科學(xué)生或接收跨學(xué)科推免生等。
3.2規(guī)范研究生培養(yǎng)和管理環(huán)節(jié)
(1)設(shè)立跨學(xué)科聯(lián)合指導(dǎo)教師小組。目前的研究生培養(yǎng)主要采取導(dǎo)師責任制,是一對一的責任關(guān)系。但對生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究生而言,應(yīng)結(jié)合科研需要、本單位研究特色以及研究生的專業(yè)背景,合理配置跨學(xué)科聯(lián)合指導(dǎo)老師小組,整合本校內(nèi)的優(yōu)勢力量,實行多對一或多對多的師生關(guān)系,如,以生物顯微成像為特色的單位,應(yīng)配備細胞生物學(xué)、光學(xué)工程和圖像處理技術(shù)方面的導(dǎo)師隊伍,以光學(xué)醫(yī)療儀器為特色的單位,應(yīng)配備光學(xué)、測控技術(shù)和臨床醫(yī)學(xué)方面的導(dǎo)師組。來自相關(guān)學(xué)科的高水平教師共同培養(yǎng)交叉學(xué)科的人才,對研究生相關(guān)學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的建構(gòu)和高水平研究課題的選定都具有重要作用,同時,研究生也可以在導(dǎo)師組的指導(dǎo)下以補修和自學(xué)等方式學(xué)習(xí)欠缺的跨學(xué)科知識。
(2)嚴把培養(yǎng)環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān)。導(dǎo)師指導(dǎo)小組要對研究生從入學(xué)、選課、選題、科研實踐、、畢業(yè)答辯各個培養(yǎng)環(huán)節(jié)全面負責,將知識傳授和能力培養(yǎng)相結(jié)合。首先,入學(xué)之初,指導(dǎo)小組即對每個研究生的學(xué)科背景和能力進行評估,針對學(xué)生的背景和興趣初步確定科研方向,并制訂課程學(xué)習(xí)計劃,為學(xué)生完成生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)交叉學(xué)科研究課題儲備必要的專業(yè)知識,同時鼓勵學(xué)生選修具有“新興、前沿和交叉”特點的課程;其次,安排跨學(xué)科的學(xué)生補修部分相關(guān)學(xué)科的本科生課程,以補充知識上的欠缺;第三,指導(dǎo)小組要為學(xué)生提供參與科研實踐的平臺,在未正式進入課題之前,指導(dǎo)學(xué)生參與短期(2～3個月)科研輪訓(xùn),使學(xué)生對本學(xué)科方向正在進行的科研內(nèi)容有所了解,進而因勢利導(dǎo)明確研究課題;第四,導(dǎo)師指導(dǎo)組應(yīng)隨時跟進研究生的科研進度,在研究生論文選題和中期檢查時對所開展科研工作進行正確的引導(dǎo)和調(diào)整,保證培養(yǎng)過程的順利進行。
(3)構(gòu)建科研大平臺,引導(dǎo)研究生學(xué)術(shù)成長。良好的科研環(huán)境是個人學(xué)術(shù)成長的關(guān)鍵因素。構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)科研大平臺,吸引更多相關(guān)學(xué)科優(yōu)秀的科研人員加入到導(dǎo)師隊伍中來,是提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量的重要舉措,不同學(xué)科學(xué)術(shù)思想的熏陶,不同思維方式的影響以及多學(xué)科導(dǎo)師在科學(xué)研究方面的通力合作和團隊精神也會對研究生產(chǎn)生潛移默化的影響,有利于其學(xué)術(shù)成長;此外,導(dǎo)師要充分調(diào)動研究生的積極性,保護研究生跨學(xué)科研究的科研熱情,重視研究生個人的主觀能動性和興趣,只要使用正確、合理的引導(dǎo)方式,不同專業(yè)背景的研究生與導(dǎo)師之間可以碰撞出很多新的思想火花,獲得意想不到的收獲。
(4)多途徑培養(yǎng)創(chuàng)新人才,完善知識體系。在當今這個多元化的時代,人才培養(yǎng)的途徑也是多種多樣的。為了適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域?qū)?chuàng)新型人才的需求,學(xué)校應(yīng)設(shè)立專項基金,支持和鼓勵研究生從事學(xué)術(shù)交流,如吸引學(xué)生參加國際會議、科技競賽、制作大賽等活動,激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣,引導(dǎo)學(xué)生掌握正確、科學(xué)的學(xué)習(xí)方法,尤其是適應(yīng)自身特點的學(xué)習(xí)方法及獲取知識的能力,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會用所學(xué)的知識創(chuàng)造性地解決實際問題,提升學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新精神。此外,針對課程設(shè)置方面存在的問題,建議在專業(yè)培養(yǎng)目標指導(dǎo)下,從師資隊伍、課程內(nèi)容、實驗教學(xué)資源全方位的整合。鼓勵老師多開設(shè)前沿性課程,邀請本領(lǐng)域國外專家為研究生開設(shè)講座類課程;通過汲取國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的先進經(jīng)驗,結(jié)合科研和實驗教學(xué)資源,建設(shè)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)交叉學(xué)科系統(tǒng)、完善的知識體系,重視課程內(nèi)容的系統(tǒng)性、前沿性及與本單位研究特色的相關(guān)性,重視學(xué)生集成—融合—應(yīng)用能力的培養(yǎng)。
3.3正確把握學(xué)位內(nèi)涵,嚴格學(xué)位授予工作
學(xué)位是評價個人學(xué)術(shù)水平的一種尺度,是表明個人學(xué)術(shù)水平的資格證書,是在某一學(xué)科、專業(yè)上達到一定標準的憑證。具體到生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方向,完成研究生教學(xué)環(huán)節(jié),達到生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方向研究生學(xué)位授予要求的研究生,是表明該研究生在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)領(lǐng)域達到一定學(xué)術(shù)水平標志,應(yīng)具備以下特點:了解本學(xué)科的研究現(xiàn)狀和前沿問題,能夠在相應(yīng)的學(xué)術(shù)背景之中提出和確定具體的研究課題,能夠論證該課題的學(xué)術(shù)意義和社會意義;明確自己研究問題的難度和解決問題的關(guān)鍵之所在,能夠在導(dǎo)師指導(dǎo)下提出可行的研究方案和周密的實施計劃;能夠在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立研究問題、解決問題,獨立完成實驗,能夠做到理論與實踐的有機結(jié)合,并將結(jié)果整理成規(guī)范的學(xué)術(shù)論文。因此,研究生培養(yǎng)單位、尤其是研究生導(dǎo)師組,除在入學(xué)之初對學(xué)生進行必要的引導(dǎo)外,更應(yīng)加強對研究生培養(yǎng)過程中各環(huán)節(jié)的檢查與監(jiān)督,嚴格課程教學(xué)、論文選題、答辯等方面的工作,嚴審研究生畢業(yè)資格,扭轉(zhuǎn)學(xué)生重結(jié)果輕過程的心態(tài),真正為社會輸送合格的、具有革新和創(chuàng)造力的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)人才。
關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：腦神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)；手術(shù)刀；VTK；三維動態(tài)顯示
中圖分類號：TP317.4 文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2013）008014303
作者簡介作者簡介：葉峰（1991-），男，浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)生，研究方向為醫(yī)學(xué)圖像處理、三維建模；劉衍志（1990-），男，浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)生，研究方向為醫(yī)學(xué)圖像處理、三維建模；陳蒙奇（1990-），男，浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)生，研究方向為醫(yī)學(xué)圖像處理、三維建模；白雪?。?991-），男，浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)生，研究方向為醫(yī)學(xué)圖像處理、三維建模。
0 引言
神經(jīng)外科疾病是一類發(fā)病率很高，難以徹底根治的惡性疾病，包括癲癇、帕金森病、腦腫瘤等。據(jù)統(tǒng)計，我國神經(jīng)外科類疾病患者達千萬以上，僅北京地壇醫(yī)院，每年進行的神經(jīng)外科手術(shù)就達一萬多次，全國每年進行的神經(jīng)外科手術(shù)達20萬次。
神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)是圖像處理技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)和空間定位技術(shù)的產(chǎn)物。近十年來，手術(shù)導(dǎo)航在臨床手術(shù)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，在提高手術(shù)可靠性，減少手術(shù)風(fēng)險等方面發(fā)揮了重要作用，取得了巨大的進步。
本文基于腦神經(jīng)外科導(dǎo)航系統(tǒng)項目，對實際手術(shù)機器人模型進行研究，對手術(shù)機器人的手術(shù)刀進行三維動態(tài)顯示，對于醫(yī)生訓(xùn)練和醫(yī)生在手術(shù)進行過程中的手術(shù)刀實時情況進行實時顯示，有助于醫(yī)生把握手術(shù)的路徑，從而提高手術(shù)的成功率。
1 手術(shù)刀三維動態(tài)原理
腦神經(jīng)外科手術(shù)機器人具有6個自由度，要求三維動態(tài)顯示時手術(shù)刀具有6個變換矩陣，每一個矩陣對應(yīng)一個自由度?；谶@點，下面對三維圖形的變換矩陣進行簡單介紹。
1.1 三維圖形變換矩陣
一般三維圖形變換矩陣：
其中，①、②、③、④為子矩陣，他們的作用分別是：①的作用是局部比例、對稱、旋轉(zhuǎn)、錯切；②用于平移；③用于圖形透視；④的作用是整體放大與縮小。
作為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的副院長，張峰教授向記者介紹說，納米生物醫(yī)學(xué)是利用納米技術(shù)解決生物醫(yī)學(xué)問題的交叉研究學(xué)科。近年來，他的主要研究方向為納米生物醫(yī)學(xué)，張峰在開發(fā)新型細胞內(nèi)離子探針、超靈敏側(cè)向?qū)游鲈嚰?、藥物及肥料的納米包裹控釋，以及利用農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品制備功能納米材料等方面都正在做著不懈的努力。
是金子總會發(fā)光
2006年，張峰以優(yōu)秀畢業(yè)生的成績從中科院上海應(yīng)用物理研究所博士畢業(yè)，并在當年獲得了他科研生涯中第一筆經(jīng)費：國家自然科學(xué)青年基金的三年資助。也就是從那時起，他開始正式踏入科研領(lǐng)域。
在上海應(yīng)用物理研究所期間，張峰一直從事納米生物交叉學(xué)科的研究。他利用納米領(lǐng)域的利器――“原子力顯微鏡”研究了疾病相關(guān)多肽在無機襯底表面的自組裝行為，相關(guān)結(jié)果不僅揭示了當前神經(jīng)退行性疾病中蛋白質(zhì)淀粉樣纖維化的機制，而且對生物分子人工納米結(jié)構(gòu)的制造有重要啟示作用，所發(fā)表的ACIE（影響因子13.734）文章引發(fā)了納米水膜對生命分子的作用研究，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于著名JPCB雜志，成為當月十大熱門文章。由于其突出的科研表現(xiàn)，張峰在上海應(yīng)物所留任助理研究員，2007年中科院將劉永齡獎學(xué)金的特別獎授予了張峰。
為了進一步拓展和提高自己，張峰在德國和美國做了近5年的博士后訓(xùn)練，用他本人的話講相當于攻讀了第二個博士學(xué)位，進入了一個全新的領(lǐng)域――無機納米顆粒的合成及其生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用研究。俗話說的好，“是金子總會發(fā)光”，中科院的刻苦磨練所打下的深厚科研基礎(chǔ)使張峰很快熟悉了這個領(lǐng)域并取得了一系列新的成就。如張峰在國際權(quán)威納米雜志Small上發(fā)表了多篇關(guān)于離子探針結(jié)合常數(shù)在帶電納米顆粒表面的可控調(diào)節(jié)機理的研究結(jié)果，并參與發(fā)表了頂級雜志文章Nature Nanotechnology（影響因子31.170），還成為了眾多國際知名雜志如CC、Biomaterials、ACS Nano等的審稿人。
為祖國做貢獻
歷經(jīng)國際上兩大科技強國的磨練后，張峰不僅在科研技能上得到了提高，而且在教學(xué)和如何做科研帶頭人方面也收獲頗豐，但這些并沒有讓張峰淡忘他一直想為祖國的科技進步盡一份自己力量的想法。
在2011年大年回家探親期間，張峰受到了家鄉(xiāng)母校內(nèi)蒙古大學(xué)和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的校長的熱情接待，最終作為高層次引進人才先后受聘于內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院和內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的生命科學(xué)學(xué)院，并在這一年同時獲得了兩個國家自然科學(xué)基金的資助，這在內(nèi)蒙尚屬首例。由于他在科研上的貢獻，張峰榮獲了“草原英才”、新世紀“321人才”等殊榮，并于今年當選內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)院副院長，目前還受邀擔任《基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué)》雜志的編委。
讓思想傳播的更遠
關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理 計算機三維重建 應(yīng)用
中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0066-01
數(shù)字圖像處理技術(shù)是指應(yīng)用計算機對數(shù)字圖像信息進行處理，涵蓋了計算機科學(xué)與技術(shù)、數(shù)學(xué)、光物理學(xué)等多個領(lǐng)域。數(shù)字圖像可以小到電子顯微鏡的圖像，大到遙感圖像、航空照片或者天文望遠鏡的圖像，因此在生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)、國防軍事、多媒體等方面都有著十分廣泛的應(yīng)用。物體三維重建是數(shù)字圖像處理的重要內(nèi)容。人眼看到的世界是三維立體的，但是傳統(tǒng)照相機、CCD或者CMOS圖像傳感器獲取的圖像都是二維平面的，不具備深度信息。這種二維成像系統(tǒng)限制了人類對真實世界中復(fù)雜的物體的感知和理解的能力。計算機三維重建的出現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)二維成像系統(tǒng)的局限，重建后的圖像直觀、逼真，可任意旋轉(zhuǎn)、逐層剝離以及定量分析，顯著提高了人類對世界的認識理解能力。
1 計算機三維重建
計算機三維重建是利用計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)根據(jù)真實場景的數(shù)據(jù)重建出具有準確幾何信息和照片真實感的三維模型，并可進行多角度顯示的技術(shù)。這些精確的三維模型，不僅能用于場景可視化和虛擬漫游，還可以滿足數(shù)據(jù)的存檔、測量和分析等更高層次的需求，尤其適用于輔助教學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)診斷、航天、工業(yè)測量、地理信息、數(shù)字文物和古建筑、電子商務(wù)等多種領(lǐng)域。
計算機三維重建方法有兩種：一種是利用精密的硬件設(shè)備，如激光掃描儀、深度掃描儀等，直接測量出物體表面點的三維坐標。這種方法是直接對三維物體的空間信息進行處理，精度較高，但是設(shè)備要求極高，因此極大地限制了該技術(shù)的使用。另一種是通過相機或攝像機獲得二維數(shù)字圖像，然后通過數(shù)學(xué)模型計算出物體的三維結(jié)構(gòu)。后一種方法數(shù)字圖像容易獲得，但重建結(jié)果易受到其他因素的影響，本文就此方法展開研究。
2 二維數(shù)字圖像的三維重建
2.1 二維數(shù)字圖像的獲取
二維數(shù)字圖像的獲取包括物體外觀圖像的獲取和物體內(nèi)部圖像的獲取。物體外觀圖像的獲取通常通過2臺以上照相機或攝像機從不同角度拍攝，比如3D電影的制作。物體內(nèi)部圖像的獲取，通常為斷層掃描或連續(xù)切片成像，比如計算機X射線斷層掃描（CT）、激光掃描共聚焦顯微鏡（CLSM）成像、生物標本連續(xù)切片的顯微成像等。
2.2 二維數(shù)字圖像的預(yù)處理
二維數(shù)字圖像通過三維成像軟件來處理，不同領(lǐng)域有各自適用的軟件，比如：3D Studio Max，適用于廣告、影視、工業(yè)和建筑設(shè)計、游戲的三維成像和動畫；Amira，Mimics，適用于識別生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)；Oasis montaj，適用于地球物理勘探、鉆探、地球化學(xué)勘探等。軟件對圖像經(jīng)過增強、圖像定位校正和圖像分割等預(yù)處理后進行三維重建。
圖像增強：現(xiàn)在的數(shù)字成像技術(shù)，基本可以得到分辨率高、清晰度好的圖像，但如果前期成像較模糊，可以通過對比度增強、Gamma校正、銳化或噪聲消除等方法進行處理，以突出目飼域。
定位校正：多臺相機或攝像機從不同角度拍攝的物體外觀圖像、生物標本連續(xù)切片的顯微成像由于不能準確定位，還需進行圖像定位校正。
圖像分割：在對圖像的研究和應(yīng)用中，人們往往僅對圖像中的某些特定的、具有獨特性質(zhì)的區(qū)域感興趣，這些區(qū)域稱為目標或前景（其他部分稱為背景）?？筛鶕?jù)灰度、顏色、紋理和形狀等提取感興趣目標，從而把圖像分割成若干互不交迭的區(qū)域，并使這些特征在同一區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)出相似性，而在不同區(qū)域間呈現(xiàn)出明顯的差異性。常用的分割方法有：基于灰度閾值的圖像分割、交互式圖像分割、基于活動輪廓或者形變模型的分割等等。針對不一樣的圖像和待分割的圖像特點，可以選擇不一樣的分割方法。圖像分割是圖像處理的基本前提，同時也是一個經(jīng)典難題，到目前為止還沒有一種圖像分割方法是通用的。
2.3 圖像的三維重建
二維數(shù)字圖像的三維重建技術(shù)有兩種：表面繪制和體繪制。舉例而言，你站在一輛汽車前，只能看到外觀，但無法觀察到車子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如發(fā)動機，這是表面繪制；假設(shè)汽車和車內(nèi)中的結(jié)構(gòu)都是半透明的，就可以同時看到所有的細節(jié)，這就是體繪制所要達到的效果，即三維透視。表面繪制是表示三維物體形狀最基本的方法，可以提供三維物體形狀的全面信息。它是從數(shù)字圖像中抽取一系列相關(guān)表面，并用多邊形擬合近似后，再通過傳統(tǒng)的圖形學(xué)算法顯示出來。體繪制是依據(jù)三維體數(shù)據(jù)，將所有體細節(jié)同時展現(xiàn)在二維圖片上，可以在一幅圖像中顯示多種物質(zhì)的綜合分布情況，并且可以通過不透明度的控制，反應(yīng)等值面的情況。該方法特別適合于云霧、流體、大腦軟組織、氣體等無固定形狀的體數(shù)據(jù)圖像的生成，產(chǎn)生的圖像真實感強。
3 面臨的問題
二維數(shù)字圖像的三維重建是數(shù)字圖像處理技術(shù)十分活躍的研究方向，雖然這一領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，但仍有一些方面是需要進一步提高。（1）提高計算精度：圖像分割是人工手動完成，然后通過數(shù)學(xué)方法來實現(xiàn)，這涉及到個人知識熟悉程度和計算精度，如果個人經(jīng)驗不足，或者計算精度不夠，則圖像效果不符合客觀實際，不一定能夠達到人眼識別的舒適度。因此，基于專業(yè)知識的圖像分割標準化方面還有待進一步研究。（2）計算精度和處理速度之間的矛盾：圖像處理需要巨大的數(shù)據(jù)運算，運算量遠大于文本處理，所以在提高運算精度的同時還要考慮提高運算速度。（3）計算機三維重建是研究工具，必須加強交叉學(xué)科間的聯(lián)合研究，才能夠在推廣應(yīng)用上取得進步。
參考文獻
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