生物醫學工程（醫療器械）的過去與未來

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生物醫學工程，結合了電子工程，計算機，數學，物理，化學等學科的邊緣學科，致力於開發生物學、醫學、藥學等生命科學領域的應用技術，最大的應用是醫療器械，也是本文側重的。嚴格意義上講，算不上一門傳統意義上的獨立學科。但正是因為它的交叉性，從上世紀50年代成立以來，給我們帶來了巨大的驚喜（比如你所熟悉的CT、超聲等現代醫學圖像技術），也會讓我們對未來充滿無限的想像。

要暢想未來，就必須了解歷史。2006年，AIMBE（美國醫學與生物工程院）評選出了上世紀生物醫學工程對人類醫學事業最具有價值的醫療技術與設備，以十年為一個階段，如下圖。

加上本人的一些理解，增添了一些劃時代的技術和設備：

在1960年以前，生物醫學工程領域在醫療器械上最大的成就是：X射線成像、人工腎臟、心電圖、心臟起搏器、心臟除顫儀等

在1960年代，生物醫學工程領域在醫療器械上最大的成就是：超聲設備、人工心臟瓣膜、人工晶體、人工血管、血液透析機等。

在1970年代，生物醫學工程領域在醫療器械上最大的成就是：CT（計算機斷層掃描）、人工關節、氣囊導管、內窺鏡等。

在1980年代，生物醫學工程領域在醫療器械上最大的成就是：MRI（核磁共振）、激光治療、、心臟支架、免疫分析儀器等。

從1990年代到現在，生物醫學工程領域在醫療器械上最大的成就是：基因分析設備（如PCR等）、PET-CT（正電子發射CT）、分子診斷設備、手術機器人（如達芬奇）等。

21世紀之前的這50年，上述醫療器械給醫學帶來的變革是無法用言語描述的。人類從來沒有這麼認清楚過自己的身體，也從來沒有發現人體有那麼多未解之謎。

這些器械的出世都是建立在電子工程、物理、化學、機械、材料、數學等學科發展之上，使他們可以有體積極小但功能強大的集成電路用於各種醫療電子設備，新的生物兼容材料用於體內植入設備，新的感測器材料和新的光器件用於成像等等。未來生物醫學工程的發展也是要靠這些基礎學科。

分割線區分過去與未來----------------------------------------------------------------

結合幾年前美國生物醫學影像和生物工程研究院(NIBIB)和一些頂尖科學家對生物醫學工程未來的設想，以及個人的理解，我大膽的暢想本世紀百年內就會實現的突破：

精密智能手術機器人：手術機器人可根據配套的成像系統和人工智慧演算法，自動識別病灶、定位，並進行精準的外科手術操作；微型手術機器人可注入體內血管，以體內成像技術誘導，用於清理血栓，修復損傷血管等；納米手術機器人可以被植入大腦，自動識別損傷的神經元，並進行修復。聽起來是不是很crazy？

精細分子/細胞成像：依靠化學染色技術、成像技術等的發展，DNA/RNA等基因表達過程的每一個動態細節都會被捕捉到，如鹼基對的結合過程，蛋白質的構象變化過程等等，讓人類更清楚的了解自己的生理機制，從而研發相應的藥物，解決癌症等難題；細胞成像能準確記錄人類大腦在進行不同的思維活動時，各種神經細胞的活動圖像，可以用來破解人類意識和思維的奧秘。這可是從古至今都是讓人類最困惑的問題！

可遙控體內成像：試想吞下一個小膠囊，可以被控制遊走在體內的消化系統，清晰的展現你消化通道內每一個細節，而再也用不到痛苦的胃鏡、腸鏡等；一個納米相機被注入你的血管，在醫生的引導下，即使最細小的血管病灶都會被發現；微型相機被導入泌尿系統，再也不需要超聲或CT介導來做穿刺檢查膀胱癌等，這些聽起來是不是都很exciting？

腦機介面：自從美國腦科學計劃提出以來，各國都在趕上步伐，嘗試去發現人類認知的奧秘。基於上面所述的精密大腦細胞成像技術以及人工智慧演算法的發展，把人類的思維精確的轉化為可視的電信號，然後精細控制外部設備，做到真正的『腦控』智能假肢，被用來解決肢體殘疾或神經損傷人群的運動問題，是不是夠酷？基於對大腦功能的深刻理解，一些非創傷的神經反饋訓練穿戴設備被用來治療老年痴呆、自閉症、多動症等神經功能障礙，是不是仍很多絕望的家庭重燃生活的希望？

新型生物感測器：醫療穿戴設備的概念已經被廣泛接受，但無奈受制於生物感測器的發展，一直未見起色。試想，如果一個指甲大小的感測器貼到你的胸前，就能實時採集你的心電、呼吸、血氧、血壓等信號並無線傳輸到數據中心，對你的健康狀況做24小時的跟蹤，是不是很有安全感？如果一個硬幣大小的感測器被貼在你的額頭，及時監測你的腦電信號，然後傳回數據中心，從而分析出你的思維狀態，被用於駕駛的疲勞監測（前提是自動駕駛沒有完全替代人類：）），危險工種的注意力提醒，神經疾病的反饋訓練等，是不是非常有實際價值？

新型生物材料：每當看到燒傷的病人需要大規模的植皮時，都很心痛。一種基於有機化學、物理化學、生物化學、高分子科學的新型生物材料能代替受損皮膚的功能，並會「自我生長」，將會被用於各種皮膚病人。其他的生物材料如人工血細胞，人工神經等等，都將有真正的替代作用。

既然是百年內的暢想，也就沒有十足的邏輯。但是基於本人對生物醫學工程的理解，這些都是可能性很大的突破。

希望我的有生之年能看到這些突破，也希望那時候『知乎』還在，大家都還在，在這裡見證我的暢想！

有時間，接著更新。

參考資料：

Status and future prospects of biomedical engineering: a Japanese perspective, M Kikuchi,

Biomedical Imaging and Intervention Journal, 2007

The future of biomedical engineering at a glance, George Truskey, Duke University, Elseiver Journals

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