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生物医学工程(BME)这个专业到底是学什么的?

虽然不是那四所名校的,但被BME坑了的科研狗忍不住作答~~

本科生物技术;硕士生物医学工程;博士生物光学……

正如前面@墨尘 的答案所说, 生物医学工程是用工程领域的原理和技术来解决生物医学——主要是医学的问题 。核心思想是把生物体或人体及其某一部分,用工程师的眼光和角度看成一个系统,继而用工程学的手段进行研究或改造。

众所周知,工程学发展到现在,已经分化出来很多领域。生物医学与不同领域的工程学结合,就出现了不同的分支。例如:

生物医学与电子工程结合,出现了生物医学电子学;

生物医学与软件工程结合,出现了生物信息学;

生物医学与系统控制相结合,出现了系统生物学;

生物医学与机械工程、热力学工程,甚至土木工程相结合,出现了生物力学;

生物医学与化学工程、材料工程相结合,出现了生物医学材料学……

注:以上结合只是大概划分,有时候生物医学与工程类各分支的结合不是那么单一也不是那么界限分明,望轻喷~~

以下稍微展开说一下:

1) 生物医学电子(包括生物医学影像)学 。正如前面@万陆 的答案所说,这是一个在生物医学工程领域发展得相对成熟的传统分支。据我所知,国内的生物医学工程专业也大都是这个分支(除了山东大学似乎有侧重于生物力学的……)。正因为发展得相对成熟,同时电子工程又是一个分支很多的学科,所以生物医学与不同分支的电子工程相结合就又出现了不同的……亚分支。例如:

生物医学与电子信号处理、模式识别、光电信号处理相结合,产生了神经-运动控制芯片、人工耳蜗、人工眼……这个分支其实可以理解成把目前人们已经越来越熟悉的智能机器人、指纹/瞳孔识别等基于单片机、集成电路等工程环境的技术挪用到更加“生物”或者更加“人体”的一个环境中。

这一部分的 核心基础 是“ 生物,尤其是人类的神经系统主要是通过电信号的生成和传播(暂时忽略神经递质等化学途径)来实现其生理功能的,而且其编码机理基本符合我们已经在成熟应用的0/1编码系统 ”。现在需要解决的核心问题是搞清楚人体环境中神经电信号的编码机制;并尽可能模拟其编码机制进行感应和控制,从而与真实的神经系统实现无缝衔接(至少是功能上的)。比如目前在这个领域发展得相对比较成熟的人工耳蜗,就是用人工电子分析和控制系统模拟了耳蜗将声音信号(机械振动)转化为电信号;并同时模拟人类听觉神经的编码方式,将外界声音的音量以及内部包含的声源位置、音频以及内部包含的语音元素等信息编入电信号中;再将这些包含着信息的电信号发送给听觉神经等等一整套功能。然而到目前为止其对于音频信息的编码还不够好——戴着人工耳蜗很难获得原始音色和精确的音高。所以戴着人工耳蜗还听不了音乐。但相比于人工眼的只能看到一些边界模糊的有色光点,人工耳蜗还是已经领先太多。目前这个领域的桎梏还是在于人类对于自身神经系统的精确编码机制没有完全搞清楚。因此,以我个人的观点,这一部分可以直接叫做神经电子信息学或神经电子信息工程。

生物医学与偏重影像设备的电子工程或者光电工程但不偏重信号处理的分支,或者干脆与物理光学、物理电学相结合,产生了生物影像分支。这个领域又可以按照不同的成像技术再加细分:PET、CT、MRI、OCT(光学相干断层成像)、US(超声成像)、PAI(光声成像)……

这一部分的 核心基础 是“ 生物组织的不同组分,以及相同组分的不同状态(正常状态/病理状态)与外来的电磁场、声波、质子、光子等会发生不同的、可预见的相互作用,并释放可检测、可分辨的信号 ”。现在需要解决的核心问题是将更多生物组织的不同组分,以及相同组分不同状态与其释放的更多信号特征尽量一一对应起来。比如,在正常和失语状态下,人体脑组织主管语言功能的一些区域的血流量和血氧含量,会与功能性MRI的外加电磁场产生什么样的不同作用,从而产生什么样不同的信号?这个领域目前来说没有特别统一、重大的桎梏,只是组织组分的类型和状态太多;可用的成像技术手段也太多;产生的信号也可以根据不同的分析算法解析出太多不同的信息;而这些庞杂信息与可能的生理、病理的解释的对应关系又太复杂……大部分这个领域的生物医学工程科研工作者都在做建立生理、病理状态与检测到的信号所包含信息之间的对应关系的问题。开发新的成像技术和改进成像设备是纯工程师的工作,跟生物医学工程关系不大。

2) 生物信息学 。这个分支我不太熟悉,看到知乎上很多大神都说这个领域前途和待遇都不错,很怀疑自己之前对于生物信息学的理解是否正确。我对于生物信息学的理解是用不同的高大上的编程算法(比如数据挖掘),针对生物体内一些富含信息的分子进行解析。而生物体内富含信息的分子最典型的莫过于携带遗传信息的DNA、RNA和携带功能信息(主要是免疫功能信息)的蛋白质。因此对于DNA、RNA的碱基序列的变化和包含信息的解析,以及对于蛋白质四级结构(我猜主要应该还是氨基酸序列)的变化和包含信息的解析应该是生物信息学的主要内容。

更多的还请生物信息学领域大神补充更正。

3) 系统生物学 。虽然生物体从结构、功能等等各种角度可以分为若干不同的系统,但真正起到系统控制作用的是信号系统。信号系统又包含了神经信号系统和激素信号系统,以及免疫信号系统等等。神经信号系统由于主要是电信号,编码特点又基本符合0/1编码,因此交给了电子工程师们去研究。而激素信号系统和免疫信号系统的基本作用方式是生物化学反应,而且编码方式不是0/1编码,而是基于特定的分子结构,因此交给系统控制工程来研究。

这一部分的 核心基础 是“ 人体内的生物化学信号系统是通过生物化学反应来实现对机体功能的控制;而且这些生物化学反应的反应速率、反应率及其随不同环境条件(温度、pH值、酶活性)的变化是可知的;从而其导致的最终效果是可以通过系统控制分析和计算来预测的 ”。目前这个领域的核心问题还是在于揭示更多信号分子在不同环境条件下的反应规律和相关路径。但我个人感觉这个领域的研究有一个硬伤在于一次只能抽取整个信号系统的一部分来研究。那么即使这一部分的作用规律和效果都被研究透彻了,一旦放回到整个大系统中,其作用规律和效果是不是又会统统变化了呢?而一次研究整个大系统又是目前的技术水平(包括实验数据和计算、分析技术等)所不允许的。那么在现阶段就只能先将人体的整个信号系统划分为若干分系统——比如Wnt细胞凋亡信号路径系统;PTH导致骨质疏松信号路径系统;等等。然后再假设不同的分系统之间相互影响可以忽略。这个假设可能在很多时候成立,但我个人不太相信其在所有时候都能成立。

这个分支可以说是生物医学工程领域里最“生物”的一个分支。 生化反应路径(也就是生化信号转导路径)系统的建立和生化反应数据的取得都可以看做是生物范畴。工程领域要做的事基本就是拿MATLAB、C,或者其它什么软件建立个数学模型,然后放到超级计算机上跑一跑得到个结果。结果仍然是要用生化的知识和原理来分析。

4) 生物力学 。生物力学主要的研究对象是人体内的固体受力情况、流体受力情况,体内的电磁场及其导致的力学效应,以及体内的热力学。基本上就是用机械工程师或者土木工程师的眼光来看待人体内的骨骼、软骨、肌肉、血管、内脏(参与固体力学和热力学)和血液(参与流体力学)。

这个分支的 核心基础 是“ 生物体内的一切力学、电磁学和热学作用都符合经典物理中的相关定律和原理 ”。而这个分支的核心问题是建立更精确的有限元模型来模拟体内的力学、电磁学和热学作用。由于生物体不是如同一根钢筋、一块砖那样拥有均匀的材质和规则的结构,因此对于生物体的受力、受热分析需要基于有限元建模。而不同的建模算法和数据直接会导致不同的模型精确度及可靠性——因此,通过加深对生物体相关结构的认识,提取更多数据,才可以改进相应的模型。比如要设计一个人工心脏,就需要对一个人的血液循环系统,尤其是心脏部位关于血液的流体力学、关于血管和心肌的固体力学,以及相关的神经电信号控制(这属于生物医学电子领域)有很精确的模拟。比如要设计一个心血管支架,就需要对一个人的心血管血液的流体力学、血管壁的固体力学及血管壁在各种受力条件下的生理反应,以及这些反应所带来的血管壁固体力学性质的进一步改变有很精确的模拟。比如要设计青光眼的治疗方案,就需要对青光眼患者眼内压(流体力学和固体力学)的病理性改变有很精确的模拟……

5) 生物医学材料学 。对于这个分支我不太清楚。根据我粗浅的了解,应该主要是在清楚了生物体内某些器官或组分的材料学要求(例如:皮肤的弹性、硬度、对水、脂、气体等各种分子的通透度,及其随温度、pH值等环境因素的变化程度;血液的粘稠度、氧结合能力、对于糖等分子的溶解能力,及其随温度、pH值等环境因素的变化程度 等)之后,用化学工程的方法实现对仿生材料的人工合成。而这些仿生材料可能用于人体环境以替代原先天然的生物材料;也可能用于非人体环境以求其在体外实现生物材料的一些功能。

综上所述,生物医学工程的本质还是工程——无论是核心思想、研究手段还是所需的知识和技术储备,基本都是工程的。生物、生理和医学的知识和实验技术需要量很少——到了硕博,甚至是进了实验室再学也完全来得及。如果不做科研说不定都用不上什么生物知识了。因此,完全同意之前@龙运的说法,本科阶段千万不要早早地“交叉”了!本科阶段是打专业基础的阶段,一定要深入下去。知识的广度在本科阶段一点儿也不重要——以后用到什么还不一定呢!至于本科阶段是学工程还是学生物医学……废话!

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