發布時間：2024-01-05 14:57:04
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的生物醫學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，請盡情閱讀。
20世紀60年代，美國一些著名大學先后開啟了生物醫學工程學科的建設，相繼啟動了生物醫學工程專業人才的培養。美國的生物醫學工程教育特點是在技術產業化需求驅動建立起來的具有其自身特性，且反映了生物醫學工程學科建設與發展的前沿特征。各個學校的本科教育課程雖然具有自己的特色，但在課程設置上大致可以分為科學基礎課程、專業核心課程、關注領域課程、設計課程、人文與社會科學課程、專業選修課程及其他選修課程等六類。不同學校本科課程的主要差異體現在專業選修課程及其他選修課程的設置上，各個學校根據自身的生物醫學工程領域的研究方向和研究水平特點開設一些相應的選修課程，并培養學生在相應方向上的研究探索實踐能力。這是美國生物醫學工程本科教育的基本特點。
我國生物醫學工程專業教育起步于20世紀80年代，主要發源于著名工科院校的信息技術類專業和力學專業，進而逐漸形成的生物醫學工程專業教育，后來，一些醫學院校在醫學物理和醫用計算機技術的基礎上相繼開展了生物醫學工程專業教育，于是在我國基本上形成了這樣兩種類型的生物醫學工程學科。上述兩類院校的生物醫學工程學科建設發展模式各具側重，遵循了共同的學科基礎，在培養生物醫學工程專業人才的應用層面上有顯著特點。相對來說，工科院校的生物醫學工程培養模式注重工程技術的開發和功能拓展，醫科院校則注重醫學與工程結合、工程技術在醫學中的綜合應用。
1.中國生物醫學工程學科發展思路
生物醫學工程是一種交叉學科，交叉的學科基礎及其融合的緊密程度決定了生物醫學工程學科的發展水平，交叉的學科發展推動著生物醫學工程學科的發展，并且使得生物醫學工程學科研究領域變得十分廣泛，而且處在不斷發展之中。
1.1 學科發展軌跡
在中國，基于電子信息工程發展而來的生物醫學工程學科，主要包括生物醫學儀器、生物醫學信號檢測與處理、生物醫學信息計算分析、生物醫學成像及圖像處理分析、生物醫學系統建模與仿真、臨床治療與康復的工程優化方法、手術規劃圖像仿真以及圖像導引手術及放療優化等；有基于力學發展而來的生物醫學工程學科，主要包括生物流體力學、生物固體力學、運動生物力學、計算生物力學和微觀尺度的細胞生物力學等；基于化學材料工程發展而來的生物醫學工程學科，主要包括生物材料學、組織工程與人工器官、物理因子的生物化學效應等。
1.2 學科發展特點
作為交叉學科的生物醫學工程學科，其發展的關鍵在于交叉學科間的交叉融合。構建一種良好的交叉結構，對推動交叉學科的發展具有至關重要的作用。約翰霍普金斯大學對于生物醫學工程這樣的交叉學科的描述有一個形象的說法：交叉學科如同在不同學科之間建立起連接橋梁，如果在河兩岸沒有堅實的基礎，橋是無法建立好的，對于生物醫學工程這樣一座建立在兩個不同學科之間的橋來說，它的發展要求具有堅實的交叉學科基礎和交叉學科緊密融合深度。那么在生物醫學工程學科構建良好的交叉結構，需要選取具有理論支撐和技術支撐的主干學科進行交叉，凝練學科方向，不能大而全，過于寬泛。
目前，醫學儀器和醫學成像技術具有良好的應用和發展前景，應該成為生物醫學工程學科的重點發展方向。醫學儀器和醫學成像設備能有力推動醫療產業的發展。醫療儀器和醫學成像設備是現代醫療器械產業中的主流產品，在產業發展中起著主導和引領作用。其發展水平已成為一個國家綜合經濟技術實力與水平的重要標志之一。產業化驅動也是學科發展的一種動力，也為學生未來職業發展奠定良好的基礎。基于醫療衛生健康事業的需求和生命科學發展的大趨勢，生物醫學工程學科應大力促進醫學儀器和醫學成像方法的學科建設，從而提升整個學科的發展水平。
生物醫學工程學科的建設離不開一流的學術研究和學術成果的應用。一流的學術研究不但能提升學科的發展水平，而且能開拓學科縱深發展，產生良好的經濟效益和社會效益，進而增強學科服務社會發展的能力。學術研究的前瞻性和創新性將確保學科建設的發展動力和趨勢以及學科發展的活力。
交叉學科往往具有不同程度的可替代性。可替代性程度越高，交叉學科存在的必要性就越小。如何減小生物醫學工程學科可替代性的程度是需要深入思考的，是需要提升學科的特異性的。生物醫學工程學的學術研究主要包括應用理論研究和理論應用研究，應用理論研究主要涉及生物醫學工程領域所需要解決的科學問題，開展新理論、新方法的研究。理論應用研究主要涉及生物醫學工程領域所需要解決的科學和技術問題，借助理工科的相關理論和方法開展應用基礎研究和應用研究。應用理論研究是理論驅動型的學術研究，理論應用研究是應用驅動型的學術研究。理論驅動型和應用驅動型是生物醫學工程學科學術研究的兩種主要模式。理工科大學具有良好的理論創新基礎和強大的交叉的學科背景，開展理論驅動型研究具有自身優勢。醫學院校具有豐富的醫學資源，面臨著大量需要應用理工知識解決的醫學問題，開展應用驅動型研究，將很好地實現與醫學的應用融合，具有較好的臨床應用價值，有力推進醫學的進步與發展。各自的學術優勢將有利于生物醫學工程學科特色發展，從而增強其不可替代的程度，實現學科可持續創新發展。
1.3 學科體系
作為一級學科的生物醫學工程，包含學科的理論體系和技術體系，且該體系離不開所交叉的學科的理論體系和技術體系的支撐，此外生物醫學工程學科理論體系和技術體系既要有學科自身的特色，又要具有可持續發展和一定程度上的不可替代性，這樣學科才會有旺盛的生命力。要面向醫療衛生、生物科學所涉及的重大、重要技術理論問題及基礎應用開展學術研究。實現良好的學術研究定位，形成自己的理論體系和技術體系。
2.大數據時代的生物醫學工程學科發展
守正創新是生物醫學工程學科發展的必由之路，人類已進入大數據時代，所謂大數據（bigdata），或稱海量數據，是指由于數據容量太龐大和數據來源過于復雜，無法在一定時間內用常規工具軟件對其內容進行獲取、管理、存儲、檢索、共享、傳輸、挖掘和分析處理的數據集。大數據具有“4V”特征：①數據容量（volume）大；②數據種類（variety）多，常常具有不同的數據類型和數據來源；③動態變化快，如各種動態數據，非平穩數據，時效性要求高；④科學價值（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測價值。大數據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的生物醫學大數據發生源，這種源源不斷的生物醫學大數據的檢測、處理與分析，將給生物醫學工程學科的建設與發展帶來新的機遇和挑戰。模式識別、人工智能、數據挖掘和機器學習的發展將帶動大數據處理技術的進步。生物醫學大數據廣泛涉及人類醫療衛生健康相關的各個領域：臨床醫療、基礎醫學、公共衛生、醫藥研發、臨床工程、心里、行為與情緒、人類遺傳學與組學、基因和蛋白質組學、遠程醫療、健康網絡信息等，可謂包羅萬象，紛繁復雜。生物醫學大數據中蘊藏了種種有科學價值的信息，研究有效的大數據挖掘的新理論、新技術和新方法，對生物醫學大數據進行關聯和融合計算分析，充分挖掘生物醫學大數據中的信息關聯和特征關聯和數據空間映射關聯，既能為疾病的預防、發生發展、診斷和治療康復提供系統化的全新的認識，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生物學與臨床數據，更準確地預測個體患病風險和預后，有針對性地實施預防和治療。
生物醫學工程學科所面臨的生物醫學大數據主要包括多模態醫學影像數據、多種類醫學信號數據以及基因和蛋白質組學的生物信息數據。生物醫學大數據在生物醫學工程學科領域內有著廣泛深遠的應用前景，從三個方面應用將推動生物醫學工程學科的發展。
（1）開展多模態影像大數據計算分析。醫學影像學科的發展從早期看得到，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，提高治療預期。醫學影像大數據計算分析在影像診斷、手術計劃、圖像導引、遠程醫療和病程跟蹤將發揮越來越大的作用。
建立新的醫學影像大數據計算分析模型和數值計算方法，挖掘多模態影像數據的特征數據和特征關聯，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的發展，具有重要的臨床應用價值和科學價值。
（2）開展多種類醫學信號大數據計算分析。醫學信號大多直接產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機制特征。融合多種醫學信號的大數據計算分析，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特征和過程特征，而且能實現個體健康監測和管理。可以很好地開展回顧性研究和前瞻性研究，推進系統化的醫學應用研究。實現強大的多種醫學信號數據的特征挖掘及特征關聯計算分析。大數據挖掘能夠增加準確度和發現弱關聯的能力，能更好地認識生理病理現象和本質。
（3）開展基因和蛋白質組學的生物信息大數據計算分析。基因組學、蛋白質組學、系統生物學和比較基因組學的不斷發展涌現了海量的需要計算分析的生物信息數據，已進入計算系統生物學的時代。開展生物信息大數據計算分析，可以拓展組學研究及不同組學間的關聯研究。從環境交互、個體生活方式、心里行為等暴露組學，至細胞分子水平上的基因組學、表觀組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、基因蛋白質調控網絡，再到人類健康和疾病狀態的表型組學等不同層面不同方向上實現大規模的關聯計算分析，可以全面闡述生命過程機制，挖掘生命過程特征及關聯特征。
3.結論
關鍵詞：工科院校；生物醫學工程專業；生物實踐教學；教學改革
生物醫學工程（BiologyMedicalEngineering，BMI）是綜合生物學、醫學和工程學的理論和方法而發展起來的，其主要是運用現代自然科學和工程技術的原理和方法，從工程學的角度，在多層次上研究人體的結構、功能及其相互關系，揭示生命現象，為防病、治病提供新的技術手段的一門綜合性、高技術的學科，多學科的高度綜合交叉是生物醫學工程的特點[1]。自上世紀70年代末以來，國內許多醫學院校、綜合性大學、理工科大學及相關科研機構都設立了生物醫學工程專業，涵蓋了生物信息、醫療儀器、生物材料、生物工程等多個專業方向，課程設置主要包括工程類課程和醫學類課程，旨在培養具有各方面能力的復合型人才[2]。在生物醫學工程專業的培養體系中，實踐教學是培養大學生的創新意識、創新思維和創新精神、提高整體教學質量的根本保證和有效途徑[3]。南京郵電大學生物醫學工程專業是在學校原來的信號與信息處理等優勢學科的支撐下發展起來的，因此在醫學信號處理、醫學圖像處理、生物傳感和生物信息學等領域積累了雄厚的師資和科研力量，上述領域的實踐教學體系完善、教學平備。比較而言，學校在生物醫學領域的教學和科研上相對薄弱，特別是在生物醫學方面的實踐教學有明顯的不足，存在著師資力量缺乏、教學平臺薄弱、課時有限等問題。針對上述問題，我們從師資隊伍建設、資源優化配置、教學內容改革和教學方式更新等方面入手，對生物醫學工程專業的生物學實踐教學提出一系列改革措施，取得一定的效果。
一、生物學實踐教學存在的問題
南京郵電大學是傳統的工科院校，信息學科是學校的辦學特色。在工學為主體，以及“大信息”的背景下，學校的通信、電子、圖像和計算機等學科的科研氛圍濃厚、師資力量較強，相關課程的教學體系成熟、教學特點鮮明。上述相關學科的實踐教學已經構建了包括課內實驗、專題實驗、綜合訓練和生產實習一系列完善的實踐教學體系結構。但隨著我國生物醫學工程學科建設工作的開展，以及生物醫學領域研究和應用的快速發展，迫切的需要將更多的生物醫學知識融入到工程學知識中。為了擴展生物醫學工程專業學生在生物醫學領域的知識，激發學生的學習興趣，在生物學教學方面，我校目前開設了幾門生物學領域的課程，包括現代生物學、定量生理學和解剖生理學等。由于學校在生物醫學相關學科的科研和教學缺乏基礎，因此這些課程的師資力量較為缺乏，實驗教學平臺也比較薄弱。此外，生物醫學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個學時，實驗課也需要51個學時[4，5]。但我校生物醫學工程專業大綱，對解剖與生理課程只設置了36個學時的理論課以及4個學時的實驗課。因此，在這些課程的理論課教學上，需要大幅的調整以適應本專業學生的培養要求[4，5]。在實驗教學上，由于課時的限制，大多為演示實驗或參觀，學生缺乏動手實踐機會[6]。筆者在調研學生對解剖與生理課程興趣、期望和要求時，有68.1%的同學表示對這門課程感興趣或非常感興趣，并且有30%的同學希望能有動手實踐的機會（表2）。但我校目前現有的師資力量、實驗教學平臺和課時設置都不能滿足學生的這一要求，因此，必須采取有效的改進措施提高教學平水，滿足學生的學習要求。
二、生物醫學實驗教學改進辦法
1.培養專任教師隊伍。為了提高我校生物醫學領域的教學和科研水平，近幾年來，已引進多個生物醫學相關專業的博士和高級人才，構建了一個高學歷的教師隊伍。教師的專業和研究方向包括了分子生物學、蛋白質工程以及納米材料毒理等，這些教師的專業背景和知識體系完全滿足了現有的生物課程教學和實驗教學的需要。
2.完善實驗教學條件。為了提高實驗教學水平，同時為了滿足學校科研項目發展的需要，我校已于近幾年建設完成了生物醫學實驗室。實驗室的建設目標是建立一個以生物技術為核心，結合醫學診斷以及生物信息處理的多層次性和綜合性實驗基地，使學生系統化地學習和掌握全面的生命科學綜合實驗技能，以培養生物醫學工程領域創新性人才，同時為生物醫學工程專業的師生提供一個高水平的細胞、分子生物學實驗研究平臺，以加強不同學科間的合作交流，做出一流的科研工作。目前已建立了分子生物學、細胞生物學操作平臺和蛋白結構測試和信息處理的表征平臺。在此平臺上，我們為學生設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。讓學生走進實驗室，觀看并親自動手操作，極大激發了學生的對生物學課程的學習興趣。
3.改革實驗教學內容和方法。除了加強教師隊伍和實驗平臺的建設，我們還通過多種教學方法和途徑改革實驗教學內容。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域的熱點方向開設了一系列的開放實驗項目，通過開放性實驗，讓學生走進實驗室和動物房，讓學生跟著老師學習一些基本的生物學實驗以及動物實驗的操作技能和方法[7-9]。在教學中，教師積極鼓勵對生物醫學相關實驗有興趣并且有能力的本科生申報創新項目，鼓勵教師和學生并將畢業設計與創新項目相結合，以教師的科研項目為載體，讓學生在實踐中創新[10]。實踐以學生為主體，讓學生獨立查閱中外文獻，了解項目最新的國內外研究進展，設計實驗方案，學習各種新的實驗技術，掌握科學研究方法，這不僅有利于學生自主學習、解決問題的能力，培養創新思維，同時還加深例如學生對各種專業課程的理解以及對生物工程專業的認識。實踐證明，上述教學方法激發了學生的學習興趣，提高了學生的動手能力和操作能力，并培養了學生的團隊精神，取得了良好的教學效果。同時學校還積極與南京大學、南京中醫藥大學、江蘇省中醫院等單位建立合作關系，帶領學生參觀實驗室，讓學生對生物醫學各領域的實驗室構成、具體運作有更直觀的認識。通過在大學和醫院等實習基地的參觀和關系，讓學生充分認識到生物醫學工程專業的學習目的和專業知識的應用價值。生物醫學工程專業作為一門為生物學和醫學服務的交叉學科，生物學實驗課對生物醫學知識的學習和理解掌握領域非常重要。針對我校生物醫學工程專業的生物學實驗教學中存在的問題，我們開展一系列的教學改革與實踐，取得了很好的效果。極大地激發了學生的學習興趣，調動了學生的參與熱情，提高學生的實踐能力，并且為學生今后的工作和科研奠定了堅實的基礎。希望能在此基礎上，繼續完善現有的生物學實驗教學體系和教學方法，從而更好地促進生物學實驗課程建設和發展。
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[關鍵詞]生物醫學工程 應用型 人才培養模式
[中圖分類號] G640 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）22-0019-03
生物醫學工程（Biomedical Engineering，簡稱BME）是運用現代自然科學和工程技術的原理和方法，從工程學的角度，在多層次上研究人體的結構、功能及其相互關系，揭示其生命現象，為防病、治病提供新的技術手段的一門綜合性、高技術的學科。BME的研究方向較多，如生物信息學、醫療儀器、醫學圖像、圖像處理、生理信號處理、生物力學、生物材料、系統分析、三維建模等。在每個方向上又有著非常寬廣的內容。因此，BME領域將是今后的研究熱門之一，具有廣闊的發展前景。
廣東藥學院醫藥信息工程學院2005年開始招收生物醫學工程專業本科生，并成立了生物醫學工程系。為了使BME專業更好地融入醫藥信息工程學院的醫藥信息背景平臺，我們先后三次對人才培養方案進行了修改和完善。目前本專業有兩個方向――生物醫學電子儀器方向和醫學影像技術方向。
在8年教學實踐的基礎上，我們根據學生的學習狀況和社會需求，從明確培養目標、設置合理的課程體系、強調實踐環節教學和加強實習基地建設、雙師型教師隊伍建設四個方面對生物醫學工程專業應用型人才培養模式進行了探索研究。
一、明確人才培養目標
從社會需求和畢業生就業的角度考慮，我院BME本科教育培養方向定位于應用型人才，專業領域為醫療儀器，即培養大型醫療設備的操作、維修及管理人員。
根據這個專業定位，我院BME本科教育的培養目標為：培養面向生物醫學工程技術及醫學儀器領域從事科學研究、系統設計、質量管理、維修銷售的高級工程技術人才，具備生命科學、電子技術、計算機技術及信息科學有關的基礎知識和基本技能，具有本學科及跨學科技術開發與應用的基本能力，適應社會需求的應用型人才。
為了實現上述培養目標，拓寬就業渠道，我們要求本專業的學生要具備以下的知識和能力：首先，精通本專業領域的技術基礎理論知識，尤其是電子技術、醫學信號的獲取、處理的基本理論和一般方法，具有BME應用研究和產品設計、維護和管理的基本能力；其次，了解本專業所需要的醫學知識和生命科學知識；再次，了解醫療產業的基本方針、政策法規、醫療設備企業管理的基本知識；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，具有研究與開發新系統及新技術的初步能力。
二、設置合理的課程體系
課程設置是人才培養的核心，其合理與否直接影響畢業生的質量。課程設置的知識模塊不應是封閉的“金字塔”形狀，而應該是開放的“知識樹”狀態。合理的課程體系應是以社會需求為導向的，緊密結合生產和科技發展變化的需要，并堅持技術知識本位、知識能力本位和做人本位的有機統一，及時調整課程設置，不斷更新課程內容使學生能夠盡快地接受新技術與信息。
根據廣東藥學院建設高水平應用型大學的目標，針對BME專業在數字信號處理、醫學影像設備、電子學等方面的學科優勢，重視醫學課程與工程技術課程知識的相互滲透，實現醫、工的有機結合。據此，我們在深入分析BME學科性質和特點的基礎上，學習借鑒國內外同類專業的辦學經驗，經過3次修訂教學計劃，逐步建立完善了BME專業的課程體系。在課程設置上做到既重視基礎知識課程，包括專業基礎知識課程和醫學知識課程，又突出專業特色，開設了醫學電子儀器原理與設計、醫學儀器故障診斷與維修、生物醫學儀器與醫療器械、醫用X線機與CT成像技術、MRI與醫學超聲技術、核醫學與放射治療技術、醫療器械營銷、醫療器械質量體系與法規等課程。圍繞生物醫學工程專業的培養目標、專業技術重點來設置各課程在整個專業教學計劃中的比重。在突出主干課程的同時，盡可能多地開設前沿選修課，讓學生了解該領域的研究熱點。具體需做到以下幾點：
第一，在專業課程設置中注意突出應用型本科課程設計要求和特點，加大實踐課的比重。以學分制為例，目前本專業開設的實踐課學分21分（含課外實踐學分），占課程總學分160分的13.13%，應當進一步加大實踐課的比重。
第二，重視醫學、理工兩大學科基礎知識的加強。在構建課程體系時，重點加強生理學、人體解剖學、臨床醫學概論、電子技術、計算機基礎課程，以公共基礎課和專業基礎課作為支柱，形成寬口徑學科教育平臺。
第三，重視實踐能力和創新意識的培養。教學要求強化實驗、實訓、實習等實踐教學環節，通過適當增加課程設計、綜合實驗、大學生課外科技活動及競技活動、建立創新實驗室等多途徑給學生創設動手訓練的機會，提高專業技能，使學生畢業后能迅速適應工作崗位。目前，我院實驗課、實訓課開出率達到100%，建立了生物醫學工程創新實驗室，多次組織學生參加國家級和省級等各類級別的電子設計競賽等。
第四，把國內外知名的網絡教育品牌引入學院的教學中。在美國紐交所上市的安博教育集團已經與我院簽約合作培養醫藥軟件及服務外包人才，使同學們有機會接觸到最前沿的信息技術知識與技能。
三、強調實踐環節教學，加強實習基地建設
第一，加強專業實驗室建設。目前雖建有生物醫學工程專業實驗室，但僅能開展信號與系統實驗和醫用傳感器實驗，像醫學影像設備原理、醫學電子儀器原理與設計、醫學儀器故障診斷與維修、生物醫學儀器與醫療器械、醫用X線機與CT成像技術、MRI與醫學超聲技術、核醫學與放射治療技術等課程所需的實驗儀器和設備因所需資金較大，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，開設第二課堂。全院所有教學實驗室和大部分科研實驗室向學生開放，接受高年級學生進行科研訓練和創新性實踐，并要求承擔了省廳級科研項目的教師積極吸收學生進實驗室，參與課題研究。同時，鼓勵學生參加各類型的科技創新競賽活動，并屢創佳績，有數十人獲得國家及省部級獎項，其中，我系學生分獲2008、2009年全國電子設計大賽廣東省二等獎、三等獎；2010年全國電子設計大賽廣東賽區二等獎； 2010、2011年全國文科類大學生計算機設計大賽二等獎； 2011年全國電子設計大賽廣東省二等獎、三等獎等。
第三，在醫療設備生產企業和醫院之間建立長期穩定的實習基地。在企業實習過程中，要求學生下到車間參與生產過程，并對醫療設備的技術發展動向和市場狀況有明確的認知；在醫院實習過程中，要求學生輪換到各個相關科室工作，了解常用醫療儀器的使用、操作和維修方法，掌握其原理和關鍵技術，并熟悉醫療設備的管理和維護方法。如廣東藥學院第一附屬醫院、第二附屬醫院和廣東藥學院附屬中山醫院（中山市人民醫院）均可作為生物醫學工程專業的實踐教學基地，為本專業的相關課程（如醫學影像設備原理、醫用X線機與CT成像技術、MRI與醫學超聲技術、核醫學與放射治療技術、醫學電子儀器原理與設計、醫學儀器故障診斷與維修、生物醫學儀器與醫療器械等）提供見習、實驗條件。
第四，學院多次舉辦學生與醫藥企事業的交流活動，請政府官員、企業老總到學校給學生做學術報告，帶領學生參觀醫療設備企業、參加各種學術研討會，舉辦模擬招聘會，給學生提供廣泛接觸企業的機會。讓學生在交流活動中展現自己的學識、能力與才華，了解醫療設備行業的發展趨勢和珠三角地區醫療設備行業的發展布局，了解自己學習的專業方向與今后就業的聯系，了解企業的經營范圍、產品開發流程、運作模式、感受企業文化。
四、建設“雙師型”教師隊伍
“雙師型”教師隊伍建設是落實人才培養模式的關鍵，是提高應用型本科教育教學質量的關鍵。我院的教育理念是“重實踐，強能力”，力爭培養“上手快、善溝通、動手能力強”的應用型醫藥衛生人才，因此要求我們建立一支敬業愛崗，教風嚴謹，既有理論又能實踐，既能從事學院教學，又能從事在職員工培訓，既肯刻苦學習專業前沿技術，又富于改革創新精神，既搞教學又搞科研的“雙師型”教師隊伍。
我院生物醫學工程系現有專任教師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歷的教師6名，占專任教師的40.0%；從附屬第一醫院、安博教育集團、廣東凱通軟件開發有限公司、廣州中星網絡技術有限公司等聘請10余位兼職教師。基本形成了一支結構合理、素質高、專兼職相結合的師資隊伍。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：
第一，組織教師深入醫藥和醫療設備企業一線了解人才需求情況，制訂培養目標。積極鼓勵教師開展經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相關的企業建立長期的聯系，不斷學習企業的先進技術和管理思想，并將其應用到教學與培訓中來，同時利用自己的專業知識幫助企業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的情況下在相關企業中兼職，為企業提供咨詢服務活動，通過這項活動，教師積累了大量來自醫藥和醫療設備企業的教學案例，使理論教學更加結合實際，受到學生的歡迎。另外，在實踐教學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指導中來，目前，BME專業中不但實驗課、實訓課開出率達到100%，而且實驗、實訓課的指導全部由任課教師擔任。
第二，指導數學建模、電子設計大賽等。積極參加每年的全國大學生數學建模比賽與電子設計大賽，學院各級領導與多名教師參與各類競賽的組織、輔導、參賽等工作，均取得了優異的成績。從中既鍛煉了學生的理論實際應用能力，又使參賽教師的業務水平得到了提高。
第三，教研室內形成良好的學習、教學氛圍。在教師隊伍建設方面，及時總結推廣教研室或教師的先進經驗，按照計劃、實施、檢查、總結這四個階段，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、素質培養體現充分，并將常規教研活動與專題教研活動和創造發揮型教研活動有機結合，在活動中實現教師間的相互交流和共同提高，創設一種青年教師成長、中年教師進步、老年教師提高的良好氛圍，努力提高“雙師型”教師業務水平，建設成為一支穩定的“雙師型”教師隊伍。
五、結束語
我院自2005年開設生物醫學工程專業以來，目前已有五屆畢業生，就業情況良好，就業前景十分廣闊。用人單位普遍反映畢業生的思想品德優秀、專業基礎扎實、實踐能力強以及適應性好，具有良好的綜合素質，用人單位對本專業畢業學生的滿意率達到95%以上。今后，我們將繼續秉承培養“上手快、善溝通、動手能力強”的應用型醫藥衛生人才的辦學方針，在人才培養模式上不斷調整和完善，培養高素質的創新型應用技術人才。
[ 參 考 文 獻 ]
[1] 王能河，鄒衛東，梅賢臣.生物醫學工程專業課程體系建設與應用型人才培養質量保障[J].咸寧學院學報，2009，29（2）：104-106.
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關鍵詞：3D打印；生物醫學工程；發展現狀
前言
三維打印（Three Dimension Printing，簡稱3DP）屬于一種快速成型（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術，它由計算機輔助設計（CAD）數據通過成型設備以材料逐層堆積的方式實現實體成型。“三維打印”在技術界也叫“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?赫爾發明了將數字資源打印成三維立體模型的技術，并于1986年成立了3D Systems公司，開發了第一臺商用立體光敏3D打印機，1988年，斯科特?克倫普發明了熔融沉積成型技術（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。我國清華大學顏永年教授于1988開始研究3D打印成型技術，華中科技大學王運贛教授以及西安交通大學盧秉恒院士等，紛紛于上世紀90年代起就開始涉足3D打印成型技術的研究。
1998年，清華大學的顏永年教授又將3D打印成型技術引入生命科學領域，提出生物制造工程學科概念和框架，并于2001年研制出用于生物材料快速成型的3D打印設備，為制造科學提出了一個新的發展方向--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，設計制造具有生物活性的人工器官、植入物或細胞三維結構，是制造科學與生物醫學交叉融合的新興學科，它是目前3D打印技術研究的最前沿領域，也是3D打印技術中最具活力和發展前景的方向[2，3]。
1 3D打印技術的分類
目前比較典型的3D打印快速成形技術主要分為三種[4]：
1.1 粉末粘結3D打印光固化材料3D打印與熔融材料3D打印
粉末粘結3D打印是目前應用最為廣泛的3D打印技術，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，依據實體模型離散層面的數字信息將粘結劑噴射到粉末材料上，使粉末材料粘結，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，重復第一步至第三步，逐層堆砌，形成三維打印產品。其存在缺點是，通過粉末粘連成形的零件精度和強度偏低，一般需要后續工藝提高其強度，但后續處理工藝會導致零件體積收縮，變形嚴重。
1.2 光固化3D打印（光敏三維打印）
該技術使用液態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和光固化成形技術，噴頭沿X方向往復運動，根據零件的截面形狀，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。但其應用于骨骼類產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，分別加熱兩種絲狀熱塑性材料至熔融態，根據零件截面形狀，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，有利于保證材料后續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，應用比較廣泛的商業化快速成形工藝還包括立體光刻成形（SLA）、選擇性激光燒結成形（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，且成型工藝實質上還是類似于上述三種材料疊加-固化技術。因此，三維打印技術被認為是最具生命力的快速成形技術，發展潛力巨大，在醫學中的應用前景廣闊，其推廣應用將對傳統的醫療產品生產模式帶來顛覆性的影響。
2 三維仿生重構建模技術的發展
基于醫學圖像的三維重構建模技術是生物3D打印技術的重要研究內容之一。3D打印生物構件的實現首先需要在計算機環境下有效重構和建模，生成可用于驅動打印噴頭的指令數據進而操控成型設備實現產品成型。隨著醫學影像技術的發展，人體組織的二維斷層圖像數據可以方便地獲取以進行醫學診斷和治療。但是，二維斷層圖像只是表達了某一截面的解剖信息，醫生可以憑經驗由多幅二維圖像去估計病灶的大小及形狀，“構思”病灶與其周圍組織的三維幾何關系，可三維打印設備卻無法根據這些斷點數據進行立體三維成型，因此，基于醫學圖像的三維重構建模技術是生物3D打印技術的重要前驅步驟。
由于CT或MRI等檢測設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品三維實體模型。近十多年來，歐美等發達國家的科研機構對于醫學圖像三維重建的研究十分活躍，其技術水平正從后處理向實時跟蹤和交互處理發展，并且已經將超級計算機、光纖高速網、高性能工作站和虛擬現實結合起來，代表著這一技術領域未來的發展方向。
在市場應用領域，國外已經研制了三維醫學影像處理的商品化系統，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，中國科學院自動化研究所醫學影像研究室自主開發的3D Med是基于普通微機的三維醫學影像處理與分析系統，系統能夠接收CT、MRI等主要醫療影像設備的圖像數據，具有數據獲取、數據管理、二維讀片、距離測量、圖像分割以及三維重建等功能。清華大學計算機系研發的人體斷面解剖圖像三維重構系統能給外科手術中的影像診斷提供一定的參考。中國科技大學在應用Delphi開發三維重構軟件的研究上取得了很好的成果。國內企業也研發了一些三維醫學影像處理系統。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。它能對二維醫學圖像進行快速的三維重建，并能對臨床影像的數據進行科學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。但目前國外優秀軟件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的價格非常昂貴，且其技術嚴格保密。國內的產品大多沒有自主知識產權和成熟的商業應用模式。
3 3D打印技術在生物醫學工程中的應用
3D打印技術在生物醫學工程中應用廣泛，其應用領域大致包括：體外器官模型、仿生模型制造；手術導板、假肢設計；個性化植入體制造；組織工程支架制造；生物活體器件構建以及器官打印；藥物篩選生物模型等。如圖1所示為3D打印在生物醫學工程中的各種應用情況[5-7]。
3.1 體外器官模型、仿生模型制造。該類應用主要用于醫療診斷和外科手術策劃，它能有效地提高診斷和手術水平，縮短時間、節省費用。便于醫生、患者之間的溝通，為診斷和治療提供了直觀、能觸摸的信息，從而使手術者之間、醫生和病人之間的交流更加方便。
3.2 手術導板、假肢設計。該類應用便于訂制精確的個性化假體，實現個性化醫療需求。根據患者缺損組織數據量身訂制的假肢，可提高假肢設計的精確性，提高手術精確度，確保患者的功能恢復，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） 形態復雜， 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及功能恢復。因此這類修復體可通過3D打印技術實現個性化訂制和精確 “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打印技術設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構，使之高度仿生天然骨組織結構和形態學特征，賦予組織工程支架高度的生物活性和骨修復能力。
3.5 生物活體器件構建以及器官打印。此方面的應用大多涉及活體細胞的生物3D打印技術。細胞三維結構體的3D構建可以通過活細胞及其外基質材料的打印構建活體生物器件。如英國赫瑞瓦特大學和一家干細胞技術公司合作，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。美國康奈爾大學研究人員最近在其發表的研究論文中稱，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的方法，對可能作為藥物使用的物質（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模橫向比較，因此有研究人員指出通過3D打印技術，精確設計仿生組織藥物病理作用模型，可以使人們開在短時間內大規模高通量篩選新型高效藥物。最近，四川大學聯合加州大學圣地亞哥分校等科研機構，通過3D打印技術設計了一款肝組織仿生結構藥物解毒模型（如圖1-c），該研究成果發表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究領域的廣泛關注。
3D打印在生物醫學工程中應用：（a）3D打印磷酸鈣骨組織工程支架； （b）3D打印細胞、活體器官構件；（c）3D打印肝組織仿生結構藥物解毒模型。
4 結束語
三維打印技術正處在蓬勃興起的階段，3D打印技術在生物醫學工程中得到了廣泛的應用，其應用以及發展現狀表明：3D打印在體外器官模型、組織工程與再生醫學、個性化醫療以及新藥研發等方面展現出廣闊的應用前景。抓住生物材料及植入器械的三維打印技術新一輪發展浪潮，發展我國生物三維打印技術，對發展我國生物材料醫療器械產業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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生物醫學光子學是作為生命科學和醫學研究的輔助手段而發展起來的,它以生物或醫學樣品為研究對象,以醫學、生物學和光學工程等學科的基礎知識的充分融合為基礎,通過工程技術手段為生物醫學研究或臨床應用提供檢測或監控儀器和方法,所以生物醫學光子學的發展和成功應用除了對生物或醫學學科本身的發展具有促進作用外,對工程學、物理學、化學、材料學等學科也提出了新的要求,并客觀上推動和促進了這些學科的交叉和技術的融合[4]。生物醫學光子學可分為生物光子學和醫學光子學兩個部分,分屬于生物學和醫學領域,但二者的研究內容并無嚴格界限。也可以根據應用目的的不同,將生物醫學光子學劃分為光子診斷醫學技術和光子治療醫學技術兩個領域[5]。由于生物醫學光子學的學科跨度大,不能明確界定在某一單一學科領域內,所以并無生物醫學光子學專業,而是根據導師隸屬單位情況和科研項目需要,在光學工程、電子工程、生物醫學工程、生物技術、臨床醫學等一級學科下設置該研究方向,招收并培養研究生。
2當前生物醫學光子學研究生培養面臨的困難和問題
生物醫學光子學的研究需要生物醫學和工程技術兩方面多學科知識的交融,需要生物學、醫學、藥理學、病理學、腦科學、光學、電子學、圖形圖像學、信號處理等多學科專家學者的參與,因而具有復雜性和綜合性的特色。這種特點促使我們在生物醫學光子學專業研究生培養時需要特殊的學術環境,需要觀念上的轉變和政策上的支持,更需要高水平的導師隊伍和先進的培養模式來保證。目前,生物醫學光子學方向的研究生培養還面臨以下問題。
2.1缺乏新技術和新知識的傳授,知識培養體系亟需完善
生物醫學光子學的理論知識和技術更新都很快,不斷有新的應用領域和市場需求出現,國家和社會要求我們培養具有更強創新意識和應用實踐能力的研究生,可以在某一行業領域擔當領頭人。但當前的研究生培養,對新技術和新知識的傳授不足,教材內容嚴重滯后,缺乏讓學生開拓視野、跟隨學科領域發展前沿的綜合交叉性課程。
2.2研究生培養環節缺乏規范性
從事生物醫學光子學交叉學科的研究生,其本身的專業背景多屬于傳統的單一學科范圍,攻讀的研究生學位也多屬于此范圍等。由于生物醫學光子學這門交叉學科涉及的知識內容非常廣博,而導師的科研課題又非常具體,使這種以導師科研課題作為研究生培養載體的方式,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的學習,未能在研究生對知識的綜合—消化—應用方面下足功夫,在研究生的科研培訓和能力培養環節缺乏系統性和規范性。
2.3研究生的培養質量受限于導師的研究課題
當前生物醫學光子學的研究生培養大多依托于導師現有科研項目,因此在培養過程中存在一系列問題,如:以完成特定生物醫學光子學研究課題為目標的研究生培養,對培養目標以及培養過程等沒有清晰明確的認識,無法讓學生既具備合理的知識結構,又具備綜合多學科知識的素質和能力;有的導師的研究課題僅是借用了其它學科的名詞和概念,而未真正開展跨學科領域的研究內容,結果是研究生的理解、認識混亂,甚至出現概念錯誤等現象;還有研究課題僅僅是生物醫學和光學內容的簡單疊加,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,不但不能產生創新成果,反而影響了研究生培養質量,阻礙了研究生的學術水平提高。
2.4現行的教學管理體制難以滿足學科交叉研究和研究生培養的需要世界各國對交叉學科研究極為重視。英、美等發達國家都相繼成立了生物醫學相關的交叉研究中心,便于來自不同學科背景的科研人員相互交流和溝通,為前沿學科建設開辟道路。反觀國內,只有少數幾所重點大學或中科院的研究所設立了專門從事生物醫學相關領域的交叉學科研究院或研究中心,如,北京大學的前沿交叉學科研究院建立的生物醫學跨學科研究中心,而大部分學校院、系劃分都是長時間不變的。從事生物醫學光子學研究方向的教師要有確定的學科“歸屬”才具有所在學科的資源(包括經費和科研設施等)使用權,而研究生也是通過某一特定學科的入學考試內容,遵循其培養方案和培養目標進行學習和科研培訓[6]。嚴格的學科界限使生物醫學光子學研究方向的導師無法合理整合校內資源為交叉學科研究服務,是開展交叉學科研究生培養的直接障礙。
3生物醫學光子學研究生培養模式的探索和建議
完善培養和管理工作是生物醫學光子學方向研究生培養順利進行的保證,我們需要在人才輸入(招生)—人才培養—人才輸出(學位授予)這三個方面都留有足夠的空間,給予適當的政策傾斜,并完善配套的管理運行機制。
3.1采取靈活的招生政策,鼓勵跨學科招生
招生機制是人才培養機制三步曲中的第一步,高質量的生源是高水平人才培養的第一關。我們的目標是選擇合適的人,創造適合的環境,讓通過適當的機制選拔進來的人能在這樣的環境中成為優秀的交叉學科人才[7]。因此,為發展生物醫學光子學交叉學科研究,調動導師在交叉學科培養研究生的積極性,調動學生從事交叉學科研究的熱情和興趣,學校對交叉學科研究生的招生工作應采取特殊的政策:首先,對交叉學科的招生名額分配有傾斜政策,以支持交叉學科的學科發展和人才培養;第二,鼓勵跨學科招生和報考,例如,光學工程專業生物醫學光子學方向招生,即可以招生簡章中列出歡迎生物、醫學相關學科研究生報考,并增加相應的入學考試可選科目;第三,學校保留部分名額優先錄取優秀的跨學科學生或接收跨學科推免生等。
3.2規范研究生培養和管理環節
(1)設立跨學科聯合指導教師小組。目前的研究生培養主要采取導師責任制,是一對一的責任關系。但對生物醫學光子學研究生而言,應結合科研需要、本單位研究特色以及研究生的專業背景,合理配置跨學科聯合指導老師小組,整合本校內的優勢力量,實行多對一或多對多的師生關系,如,以生物顯微成像為特色的單位,應配備細胞生物學、光學工程和圖像處理技術方面的導師隊伍,以光學醫療儀器為特色的單位,應配備光學、測控技術和臨床醫學方面的導師組。來自相關學科的高水平教師共同培養交叉學科的人才,對研究生相關學科知識結構的建構和高水平研究課題的選定都具有重要作用,同時,研究生也可以在導師組的指導下以補修和自學等方式學習欠缺的跨學科知識。
(2)嚴把培養環節質量關。導師指導小組要對研究生從入學、選課、選題、科研實踐、、畢業答辯各個培養環節全面負責,將知識傳授和能力培養相結合。首先,入學之初,指導小組即對每個研究生的學科背景和能力進行評估,針對學生的背景和興趣初步確定科研方向,并制訂課程學習計劃,為學生完成生物醫學光子學交叉學科研究課題儲備必要的專業知識,同時鼓勵學生選修具有“新興、前沿和交叉”特點的課程;其次,安排跨學科的學生補修部分相關學科的本科生課程,以補充知識上的欠缺;第三,指導小組要為學生提供參與科研實踐的平臺,在未正式進入課題之前,指導學生參與短期(2～3個月)科研輪訓,使學生對本學科方向正在進行的科研內容有所了解,進而因勢利導明確研究課題;第四,導師指導組應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和調整,保證培養過程的順利進行。
(3)構建科研大平臺,引導研究生學術成長。良好的科研環境是個人學術成長的關鍵因素。構建生物醫學光子學科研大平臺,吸引更多相關學科優秀的科研人員加入到導師隊伍中來,是提高研究生培養質量的重要舉措,不同學科學術思想的熏陶,不同思維方式的影響以及多學科導師在科學研究方面的通力合作和團隊精神也會對研究生產生潛移默化的影響,有利于其學術成長;此外,導師要充分調動研究生的積極性,保護研究生跨學科研究的科研熱情,重視研究生個人的主觀能動性和興趣,只要使用正確、合理的引導方式,不同專業背景的研究生與導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)多途徑培養創新人才,完善知識體系。在當今這個多元化的時代,人才培養的途徑也是多種多樣的。為了適應生物醫學光子學領域對創新型人才的需求,學校應設立專項基金,支持和鼓勵研究生從事學術交流,如吸引學生參加國際會議、科技競賽、制作大賽等活動,激發學生主動學習的興趣,引導學生掌握正確、科學的學習方法,尤其是適應自身特點的學習方法及獲取知識的能力,引導學生學會用所學的知識創造性地解決實際問題,提升學生實踐能力與創新精神。此外,針對課程設置方面存在的問題,建議在專業培養目標指導下,從師資隊伍、課程內容、實驗教學資源全方位的整合。鼓勵老師多開設前沿性課程,邀請本領域國外專家為研究生開設講座類課程;通過汲取國內外相關領域的先進經驗,結合科研和實驗教學資源,建設生物醫學光子學交叉學科系統、完善的知識體系,重視課程內容的系統性、前沿性及與本單位研究特色的相關性,重視學生集成—融合—應用能力的培養。
3.3正確把握學位內涵,嚴格學位授予工作
學位是評價個人學術水平的一種尺度,是表明個人學術水平的資格證書,是在某一學科、專業上達到一定標準的憑證。具體到生物醫學光子學方向,完成研究生教學環節,達到生物醫學光子學方向研究生學位授予要求的研究生,是表明該研究生在生物醫學光子學領域達到一定學術水平標志,應具備以下特點:了解本學科的研究現狀和前沿問題,能夠在相應的學術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術意義和社會意義;明確自己研究問題的難度和解決問題的關鍵之所在,能夠在導師指導下提出可行的研究方案和周密的實施計劃;能夠在導師的指導下獨立研究問題、解決問題,獨立完成實驗,能夠做到理論與實踐的有機結合,并將結果整理成規范的學術論文。因此,研究生培養單位、尤其是研究生導師組,除在入學之初對學生進行必要的引導外,更應加強對研究生培養過程中各環節的檢查與監督,嚴格課程教學、論文選題、答辯等方面的工作,嚴審研究生畢業資格,扭轉學生重結果輕過程的心態,真正為社會輸送合格的、具有革新和創造力的生物醫學光子學人才。
關鍵詞關鍵詞：腦神經外科手術導航系統；手術刀；VTK；三維動態顯示
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，浙江工業大學學生，研究方向為醫學圖像處理、三維建模；劉衍志（1990-），男，浙江工業大學學生，研究方向為醫學圖像處理、三維建模；陳蒙奇（1990-），男，浙江工業大學學生，研究方向為醫學圖像處理、三維建模；白雪琛（1991-），男，浙江工業大學學生，研究方向為醫學圖像處理、三維建模。
0 引言
神經外科疾病是一類發病率很高，難以徹底根治的惡性疾病，包括癲癇、帕金森病、腦腫瘤等。據統計，我國神經外科類疾病患者達千萬以上，僅北京地壇醫院，每年進行的神經外科手術就達一萬多次，全國每年進行的神經外科手術達20萬次。
神經外科手術導航系統是圖像處理技術、生物醫學工程技術和空間定位技術的產物。近十年來，手術導航在臨床手術等領域中的應用越來越廣泛，在提高手術可靠性，減少手術風險等方面發揮了重要作用，取得了巨大的進步。
本文基于腦神經外科導航系統項目，對實際手術機器人模型進行研究，對手術機器人的手術刀進行三維動態顯示，對于醫生訓練和醫生在手術進行過程中的手術刀實時情況進行實時顯示，有助于醫生把握手術的路徑，從而提高手術的成功率。
1 手術刀三維動態原理
腦神經外科手術機器人具有6個自由度，要求三維動態顯示時手術刀具有6個變換矩陣，每一個矩陣對應一個自由度。基于這點，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、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。
作為內蒙古農業大學生命科學學院的副院長，張峰教授向記者介紹說，納米生物醫學是利用納米技術解決生物醫學問題的交叉研究學科。近年來，他的主要研究方向為納米生物醫學，張峰在開發新型細胞內離子探針、超靈敏側向層析試紙、藥物及肥料的納米包裹控釋，以及利用農業副產品制備功能納米材料等方面都正在做著不懈的努力。
是金子總會發光
2006年，張峰以優秀畢業生的成績從中科院上海應用物理研究所博士畢業，并在當年獲得了他科研生涯中第一筆經費：國家自然科學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域。
在上海應用物理研究所期間，張峰一直從事納米生物交叉學科的研究。他利用納米領域的利器――“原子力顯微鏡”研究了疾病相關多肽在無機襯底表面的自組裝行為，相關結果不僅揭示了當前神經退行性疾病中蛋白質淀粉樣纖維化的機制，而且對生物分子人工納米結構的制造有重要啟示作用，所發表的ACIE（影響因子13.734）文章引發了納米水膜對生命分子的作用研究，相關結果發表于著名JPCB雜志，成為當月十大熱門文章。由于其突出的科研表現，張峰在上海應物所留任助理研究員，2007年中科院將劉永齡獎學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年的博士后訓練，用他本人的話講相當于攻讀了第二個博士學位，進入了一個全新的領域――無機納米顆粒的合成及其生物醫學方面的應用研究。俗話說的好，“是金子總會發光”，中科院的刻苦磨練所打下的深厚科研基礎使張峰很快熟悉了這個領域并取得了一系列新的成就。如張峰在國際權威納米雜志Small上發表了多篇關于離子探針結合常數在帶電納米顆粒表面的可控調節機理的研究結果，并參與發表了頂級雜志文章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，張峰受到了家鄉母校內蒙古大學和內蒙古農業大學的校長的熱情接待，最終作為高層次引進人才先后受聘于內蒙古大學化學化工學院和內蒙古農業大學的生命科學學院，并在這一年同時獲得了兩個國家自然科學基金的資助，這在內蒙尚屬首例。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，并于今年當選內蒙古農業大學生命科學院副院長，目前還受邀擔任《基因組學與應用生物學》雜志的編委。
讓思想傳播的更遠
關鍵詞：數字圖像處理 計算機三維重建 應用
中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0066-01
數字圖像處理技術是指應用計算機對數字圖像信息進行處理，涵蓋了計算機科學與技術、數學、光物理學等多個領域。數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，因此在生物醫學工程、工業、農牧業、國防軍事、多媒體等方面都有著十分廣泛的應用。物體三維重建是數字圖像處理的重要內容。人眼看到的世界是三維立體的，但是傳統照相機、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。這種二維成像系統限制了人類對真實世界中復雜的物體的感知和理解的能力。計算機三維重建的出現，突破了傳統二維成像系統的局限，重建后的圖像直觀、逼真，可任意旋轉、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字圖像處理技術根據真實場景的數據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。這些精確的三維模型，不僅能用于場景可視化和虛擬漫游，還可以滿足數據的存檔、測量和分析等更高層次的需求，尤其適用于輔助教學、生物醫學工程、醫學診斷、航天、工業測量、地理信息、數字文物和古建筑、電子商務等多種領域。
計算機三維重建方法有兩種：一種是利用精密的硬件設備，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，但是設備要求極高，因此極大地限制了該技術的使用。另一種是通過相機或攝像機獲得二維數字圖像，然后通過數學模型計算出物體的三維結構。后一種方法數字圖像容易獲得，但重建結果易受到其他因素的影響，本文就此方法展開研究。
2 二維數字圖像的三維重建
2.1 二維數字圖像的獲取
二維數字圖像的獲取包括物體外觀圖像的獲取和物體內部圖像的獲取。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。物體內部圖像的獲取，通常為斷層掃描或連續切片成像，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、生物標本連續切片的顯微成像等。
2.2 二維數字圖像的預處理
二維數字圖像通過三維成像軟件來處理，不同領域有各自適用的軟件，比如：3D Studio Max，適用于廣告、影視、工業和建筑設計、游戲的三維成像和動畫；Amira，Mimics，適用于識別生命科學和生物醫學數據；Oasis montaj，適用于地球物理勘探、鉆探、地球化學勘探等。軟件對圖像經過增強、圖像定位校正和圖像分割等預處理后進行三維重建。
圖像增強：現在的數字成像技術，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用中，人們往往僅對圖像中的某些特定的、具有獨特性質的區域感興趣，這些區域稱為目標或前景（其他部分稱為背景）。可根據灰度、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域，并使這些特征在同一區域內呈現出相似性，而在不同區域間呈現出明顯的差異性。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
二維數字圖像的三維重建技術有兩種：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部的結構如發動機，這是表面繪制；假設汽車和車內中的結構都是半透明的，就可以同時看到所有的細節，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。它是從數字圖像中抽取一系列相關表面，并用多邊形擬合近似后，再通過傳統的圖形學算法顯示出來。體繪制是依據三維體數據，將所有體細節同時展現在二維圖片上，可以在一幅圖像中顯示多種物質的綜合分布情況，并且可以通過不透明度的控制，反應等值面的情況。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據圖像的生成，產生的圖像真實感強。
3 面臨的問題
二維數字圖像的三維重建是數字圖像處理技術十分活躍的研究方向，雖然這一領域的發展十分迅速，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，然后通過數學方法來實現，這涉及到個人知識熟悉程度和計算精度，如果個人經驗不足，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據運算，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，必須加強交叉學科間的聯合研究，才能夠在推廣應用上取得進步。
參考文獻
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