生物医学工程(医疗器械)的过去与未来

生物医学工程,结合了电子工程,计算机,数学,物理,化学等学科的边缘交叉学科,致力于开发生物学、医学、药学等生命科学领域的应用技术,最大的应用是医疗器械,也是本文侧重的。生物医学工程从上世纪50年代成立以来,给我们带来了巨大的惊喜(比如你所熟悉的CT、核磁共振等现代医学图像技术),也会让我们对未来充满无限的想象。

要畅想未来,就必须了解历史。2006年,AIMBE(美国医学与生物工程院)评选出了上世纪生物医学工程对人类医学事业最具有价值的医疗技术与设备,以十年为一个阶段,如下图。

生物医学工程(医疗器械)的过去与未来

图片来源于M Kikuchi, PhD

在1960年以前,生物医学工程领域在医疗器械上最大的成就是:X射线成像、人工肾脏、心电图、心脏起搏器、心脏除颤仪等。

在1960年代,生物医学工程领域在医疗器械上最大的成就是:超声设备、人工心脏瓣膜、人工晶体、人工血管、血液透析机等。

在1970年代,生物医学工程领域在医疗器械上最大的成就是:CT(计算机断层扫描)、人工关节、气囊导管、内窥镜等。

在1980年代,生物医学工程领域在医疗器械上最大的成就是:MRI(核磁共振)、激光治疗、、心脏支架、免疫分析仪器等。

从1990年代到现在,生物医学工程领域在医疗器械上最大的成就是:基因分析设备(如PCR等)、PET-CT(正电子发射CT)、分子诊断设备、手术机器人(如达芬奇)等。

21世纪之前的这50年,上述医疗器械给医学带来的变革是无法用言语描述的。人类从来没有这么认清楚过自己的身体,也从来没有发现人体有那么多未解之谜。

当然,这些器械的出世都是建立在电子工程、物理、化学、机械、材料、数学等学科发展之上。结合几年前美国生物医学影像和生物工程研究院(NIBIB)和一些顶尖科学家对生物医学工程未来的设想,以及作者的理解,我们可以大胆的畅想本世纪百年内就会实现的突破:

精密智能手术机器人:手术机器人可根据配套的成像系统和人工智能算法,自动识别病灶、定位,并进行精准的外科手术操作;微型手术机器人可注入体内血管,以体内成像技术诱导,用于清理血栓,修复损伤血管等;纳米手术机器人可以被植入大脑,自动识别损伤的神经元,并进行修复。听起来是不是很疯狂?

生物医学工程(医疗器械)的过去与未来

纳米手术机器人,图片来源BusinessKorea

精细分子/细胞成像:依靠化学染色技术、成像技术等的发展,DNA/RNA等基因表达过程的每一个动态细节都会被捕捉到,如碱基对的结合过程,蛋白质的构象变化过程等等,让人类更清楚的了解自己的生理机制,从而研发相应的药物,解决癌症等难题;细胞成像能准确记录人类大脑在进行不同的思维活动时,各种神经细胞的活动图像,可以用来破解人类意识和思维的奥秘。这可是从古至今都是让人类最困惑的问题!

生物医学工程(医疗器械)的过去与未来

活细胞图像,图片来源于Themo Fisher Scientific

可遥控体内成像:试想吞下一个小胶囊,可以被控制游走在体内的消化系统,清晰的展现你消化通道内每一个细节,而再也用不到痛苦的胃镜、肠镜等;一个纳米相机被注入你的血管,在医生的引导下,即使最细小的血管病灶都会被发现;微型相机被导入泌尿系统,再也不需要超声或CT介导来做穿刺检查膀胱癌等,这些听起来是不是都很exciting?

生物医学工程(医疗器械)的过去与未来

还无法遥控的微成像胶囊,图片来源Pill Cam

精确解析和控制的脑机接口:自从美国脑科学计划提出以来,各国都在赶上步伐,尝试去发现人类认知的奥秘。基于上面所述的精密大脑细胞成像技术以及人工智能算法的发展,把人类的思维精确的转化为可视的电信号,然后精细控制外部设备,做到真正的‘脑控’智能假肢,被用来解决肢体残疾或神经损伤人群的运动问题,是不是够酷?基于对大脑功能的深刻理解,一些非创伤的神经反馈训练穿戴设备被用来治疗老年痴呆、自闭症、多动症等神经功能障碍,是不是仍很多绝望的家庭重燃生活的希望?

生物医学工程(医疗器械)的过去与未来

无线脑控智能假肢,图片来源stories by williams

新型生物传感器:医疗穿戴设备的概念已经被广泛接受,但无奈受制于生物传感器的发展,一直未见起色。试想,如果一个指甲大小的传感器贴到你的胸前,就能实时采集你的心电、呼吸、血氧、血压等信号并无线传输到数据中心,对你的健康状况做24小时的跟踪,是不是很有安全感?如果一个硬币大小的传感器被贴在你的额头,及时监测你的脑电信号,然后传回数据中心,从而分析出你的思维状态,被用于驾驶的疲劳监测(前提是自动驾驶没有完全替代人类),危险工种的注意力提醒,神经疾病的反馈训练等,是不是非常有实际价值?

生物医学工程(医疗器械)的过去与未来

理想的生物传感器,图片来源eyeforpharma

新型生物材料:每当看到烧伤的病人需要大规模的植皮时,都很心痛。一种基于有机化学、物理化学、生物化学、高分子科学的新型生物材料能代替受损皮肤的功能,并会“自我生长”,将会被用于各种皮肤病人。其他的生物材料如人工血细胞,人工神经等等,都将有真正的替代作用。

生物医学工程(医疗器械)的过去与未来

新型生物材料,图片来源engineers journal

科技永无止境,未来可能超出我们的想象。

参考资料:

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

原创内容,转载请联系作者。

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