中國醫工結合發展現狀與對策研究報告(2019年版)

王 璐, 馬 崢, 許曉陽, 劉亞麗

(中國科學技術信息研究所, 北京, 100038)

20世紀70年代，哈佛大學、麻省理工學院等一批世界一流大學通過制定交叉學科政策并建立交叉性研究所，揭開了科研機構著手重視推進醫工結合發展的序幕[1]。20世紀80年代，中國通過將理工科大學與醫科類院校合并以及設立生物醫學工程專業而推進了醫工結合工作。隨著現代學科之間相互交叉的需求不斷增加，醫工結合逐漸作為引領未來醫學創新的主導方向。中國高校、醫學院等科研機構對醫工結合給予了很大的重視。醫工結合被越來越多的高校列入創建世界一流大學的戰略規劃中[2]。很多科研機構對自身的醫工結合現狀進行了研究和分析，如王永權等[3]通過對復旦大學臨床醫學學科重點項目的績效分析得出應積極推進臨床學科與基礎學科、醫學學科與理工科學科的交叉和滲透；上海交通大學科學技術發展研究院和同濟大學口腔醫學院科研處分別[4-5]結合自身高校的醫工結合科研情況總結歸納醫工結合的發展方向，論述了應從項目投入的視角加強學校對醫工結合項目的管理；新疆醫科大學第一附屬醫院的季學聞等[6]基于新疆醫療現狀論述了當前醫工多學科交叉形勢下工程學科與醫學交叉的必要性和可能性；以及西安交通大學第一附屬醫院的姚紅梅等[7]提出運用SWOT法分析醫工理學科交叉發展的優勢、劣勢、機遇和威脅，結合高校實際探索科學有效的醫工集合發展戰略，推動醫工交叉學科的健康發展等。

1 醫工結合概念內涵逐漸豐富

隨著現代醫學向綜合化趨勢發展，醫工結合的內涵從醫學與工程技術的交叉融合進行了擴展和延伸。廣泛意義上的醫工結合指圍繞醫學實際需求，將醫學和醫學以外的理工科廣泛學科范疇進行交叉融合、協同創新的方式[8]。隨著科學技術的飛速發展，醫工結合的研究內容不斷擴展，如基于3D打印技術的藥物和醫療器械的研發，基于人工智能技術的健康監控和診療系統，以及利用電磁學和力學解決臨床上的診治問題等都是醫工結合的實踐成果。中國目前醫工結合前沿技術和熱點應用領域見圖1。

圖1 醫工結合前沿技術和熱點應用領域

1.1 藥物研發

藥物研發是利用藥學、工程學、生物學及化學學科知識交叉融合形成的醫工結合的重要研究領域，如中藥制藥、微生物制藥、抗菌素研制等。目前，3D打印技術是藥物研發中醫工結合的研究熱點之一。2015年采用3D打印技術制備的左乙拉西坦(SPRITAM)片被美國食品藥品監督管理局(FDA)批準上市，是3D打印技術向制藥領域邁進的里程碑[9]。3D技術本身是一種以數字模型文件為基礎，運用金屬、塑料、有機物等材料，通過逐層打印的方式來構造物體的智能制造技術。該技術最初應用于制造業、航空航天及工業設計等領域，隨著技術逐漸成熟，開始應用于藥物合成、藥物分析和藥物研發試驗等醫藥制造行業[10-11]。隨著基因工程技術的發展和分子生物學、分子免疫學領域研究的進步，疫苗研制涉及到許多高新技術的支持，如利用生物信息學來分析基因組、轉錄組及蛋白質組學中產生的海量數據，預測可成為疫苗候選抗原的基因，利用生物芯片技術為疫苗研制提供高通量平臺等。

1.2 醫用材料研發

醫用材料的研發是醫學、材料學、物理學、生物學等多學科交叉融合的產物，每一種醫用材料產品的推出都需要科研人員、醫生、企業工程師等各類人員參與調研、認證、開發。醫用材料從用途的角度可以分為3類: 第一類是可以替代損害的器官和組織，如人體骨骼和人造心臟瓣膜等; 第二類是改善和恢復組織器官的功能，如心臟起搏器和隱形眼鏡等; 第三類是用于輔助治療過程，如介入性治療血管支架和藥物載體等。中國在醫用材料研發方面有很多成果，如鈦合金粉末打印的人體骨骼、人造血管、人造心臟等[12], 基于計算機輔助與加工技術定制膝、肩、肘、踝、骨盆等部位的人工關節來滿足各種臨床需求[13], 膠原蛋白等生物高分子材料的提取等[14], 推廣二維納米材料石墨烯用于靶向藥物運輸、細胞成像、生物監測、腫瘤治療等[15]。

1.3 醫療設備研發

醫療儀器的研發是醫工結合的重要領域，一般基于醫學、機械與動力工程、物理學等學科知識體系的交叉融合，如可用于血管吻合、腸管吻合、膽管吻合的稀土釹鐵硼磁壓榨手術器械、微創手術中便攜使用的手術導航眼鏡、外科手術照明攝像系統、基于結構光光學三維傳感測量的骨骼或口腔牙齒的建模系統、用于外科手術的醫用射流分離系統以及可單獨使用或與儀器、設備或系統組合使用的體外診斷試劑等[16]。目前，人工智能和大數據分析在醫療設備研發中受到關注，如斯坦福機器學習研究團隊與公司聯合研究開發的手術機器人DaVincisi, 基于卷積神經網絡的疾病診斷算法[17], 以及中國國產的外科機器人Remebot、便攜式內窺鏡視頻系統等[18]。2015年5月19日，國務院正式印發《中國制造2025》，生物醫藥及高性能醫療器械作為《中國制造2025》明確的10個重點發展領域之一，表明醫工結合將在未來10年引領醫學技術的不斷創新。醫學影像設備、臨床檢驗設備、先進治療設備、健康監測、遠程醫療和康復設備等重點產品的研發都體現出醫工結合的價值和重要性。

1.4 智慧醫療

智慧醫療通過物聯網等信息化技術實現患者與醫務人員、醫療機構、醫療設備之間的互動，從而達到提高醫療效率和質量的目的。智慧醫療包括對病患診療信息的收集、存儲、處理、提取及數據交換，智能儀器對病患生命體征的監控和報警，遠程會診，智慧處方、遠程圖像傳輸等內容。醫學專家系統是醫學知識工程和人工智能研究中一個重要的應用分支領域[19], 如斯坦福大學研制的診斷治療細菌感染病的專家咨詢系統MYCIN[20], 通過病人病史和化驗數據推理診斷，匹茲堡大學的Internist-Ⅰ內科計算機輔助診斷系統根據構建的疾病癥狀知識庫進行診斷[21], 中國的中醫專家系統[22]、十二指腸潰瘍診斷專家系統[23]、胃癌診斷專家系統[24]等。提出的基于卷積神經網絡甲狀腺結節檢測方法將人工智能應用到醫學圖像識別，通過醫院3 414張圖片的驗證，判斷準確率、靈敏度和特異性均達到90%以上，該研究工作可有效減少醫生的工作量[25]。此外，人工智能和大數據分析技術對于中醫診斷和護理也起到了積極的促進作用，如結合人工智能技術開發了中醫舌象分析儀和中醫按摩機器人等。

2 醫工結合學科邊界不斷外延

醫工結合已成為現代醫學發展的必然趨勢。醫學與生物學、物理學、材料科學、計算機科學與工程等多學科領域交叉研究形成了具有醫工結合特色的交叉學科。熱門醫工結合交叉學科及研究應用熱點見圖2。

2.1 生物醫學工程學

生物醫學工程學[26]是基于醫學、生物學和工程學的理論和方法發展形成的交叉學科，該學科以應用基礎性研究為主，運用工程技術手段，研究和解決醫學和生物學中的問題，如生物系統的仿真與建模、創新精密醫學儀器設備、物理因子的生物效應、生物醫學信號的檢測與傳感器原理、生物醫學信號處理方法等。

圖2 醫工結合交叉學科及成果應用

醫學影像學[27]是生物醫學工程學領域中的一個重要分支，是借助于X射線、電磁場、超聲波等介質與人體相互作用，以影像方式表現出來人體內部組織器官結構和密度，供醫師對人體健康狀況進行評判的學科。醫學影像學與圖像處理，計算機視覺，模式識別技術的結合又衍生了醫學圖像處理的研究方向，主要用途有影像診斷、介入放射等。

2.2 數字醫學

數字醫學[28]是醫學與信息科學相結合形成的以數字醫療診斷技術、治療技術和檢測技術為主要特征的交叉學科。數字醫學借助信息技術、通信技術、人工智能[29]、虛擬現實等技術挖掘醫學領域新理論、新機制、新技術和新產品。智慧醫療是數字醫學的典型形式。數字醫學包括對數字人與數字解剖學的相關研究，計算機輔助設計、制造、分析技術智能儀器的研究，遠程醫療會診，數字化醫院的建設與管理等。

2.3 再生醫學

再生醫學[30-31]是應用生命科學、材料科學、臨床醫學、計算機科學和工程學等學科的原理和方法，研究和開發用于替代、修復、重建或再生人體各種組織器官的理論和技術的新型學科和前沿交叉領域。再生醫學通過移植細胞懸浮體或聚合體、生物化人工組織或器官植入、對損傷組織進行藥物再生誘導等途徑，為心血管疾病、惡性腫瘤、先天性遺傳缺陷等疾病和各種組織器官損傷進行治療。再生醫學包括組織工程、細胞和細胞因子治療、基因治療和微生態治療等。

2.4 轉化醫學

轉化醫學倡導建立從“實驗臺到病床旁”和“從病床旁到實驗臺”的雙向通道，是將基礎醫學研究和臨床治療連接起來的一種新型醫學研究分支[32-33]。該學科通過融合以生物樣本庫、組學芯片等為基礎的生物信息學和自動化通訊技術打破基礎醫學與藥物研發的固有屏障，加快科學研究向工程應用轉變的產業化過程。轉化醫學需要基礎研究人才與臨床工作者密切合作，發揮各自優勢，縮短治療方法到臨床應用的時間，從而快速提高醫療水平。

2.5 災難醫學

災難醫學[34]是理、工、農、醫多學科相互交叉滲透的一門新興交叉學科，興起于20世紀80年代。災難醫學是研究在各種災難情況下實施緊急醫學救治、疾病預防和衛生保障的綜合性學科，主要研究內容包括災難預防、災難現場急救、救援的組織指揮管理和災后恢復重建等，涉及到信息通訊、城市規劃、電力能源等多方面的知識和技術，比如構建基于信息建設和通訊的救援系統、面對災難救助的災難倫理研究等。

2.6 微能量醫學

微能量醫學同樣興起于20世紀80年代，是利用體外設備產生的機械波或電磁波對疾病或亞健康狀態進行預防和治療的新興學科，涉及到與物理學、生物醫學、工程學等多學科領域的交叉融合，有極為廣闊的應用前景[35]。微能量醫學是研究安全、綠色、無創治療方式的學科。微能量醫學利用超聲波、沖擊波和磁場等能量介質，借助機械效應、電磁效應和溫熱效應，非侵入性地起到抗炎、增強細胞膜信號傳導、提高基因表達、改善局部血流、增強酶活性、刺激膠原成熟和骨組織改建等多種生物學機制作用[36-37]。

3 中國醫工結合進一步發展面臨的問題

醫工結合的協同創新過程是一個完整的流程，該系統由科研機構、企業、產品三種元素構成。科研機構指高校、醫療機構、科研院所等主要承擔研究任務的各類角色; 企業指在醫工結合過程中提供研發需求、生產力的企業平臺; 產品指醫療器械、醫療系統、智能醫用材料等在醫工結合創新研究成果轉化后的各類產品。本文將醫工結合看作是醫工協同創新的全過程，從醫工結合的基礎研究階段開始，經過應用研究階段，到成果轉化形成產品階段的整個協同創新過程，見圖3。從醫工結合整個創新過程的不同階段來看，目前中國醫工結合存在如下問題。

圖3 醫工結合協同創新過程

3.1 基礎研究階段醫工結合學科融合不充分

醫學與理工學科尚難以實現充分的融合。以2016年scopus收錄的中國科技文獻為例，由中國醫療機構作為第一機構發表的科技文獻共計52 744篇，其中醫工結合文獻1 784篇，占3.38%。醫工結合的交叉研究多集中于組織工程與組織工程材料、生物醫學材料、生物醫學電子與儀器等領域，醫學研究方面的重點領域優勢并不突出[38]。由于醫學和理工學科在學科內涵和方法論上存在著本質上的區別，導致雙方科研人員在合作的過程中存在溝通上的障礙，在一定程度上降低了雙方合作研究交流的積極性，難以實現強強聯合、優勢互補的目標。同時，科研機構對醫工結合交叉學科的資助力度和方式有限，也給醫工結合的基礎研究增加了障礙。

3.2 應用研究階段臨床應用需求互動少

運用理工科的技術手段解決臨床需求是醫工結合最重要的目標之一。在應用研究階段，研發人員在不了解醫學臨床需求的前提下展開研究，容易造成研究結果的脫節，不能高效地解決臨床應用需求。雖然目前中國部分機構在醫工結合的體制改革方面做出了很多舉措，但由于學科共識的不同容易導致研究成果較難對接臨床需求。基于2016年中國上市公司年報數據庫統計，只有105家醫療機構的名稱出現在上市公司年報所報道的人員任職、重大項目、重要事項等內容中，一定程度上反映出在應用研究階段科研機構與企業的溝通不夠，需求把握不準。

3.3 科研成果轉化難

醫工結合科研成果轉化滯后、應用不足。優秀的研究成果需要形成產業化，通過將科學研究的新理論和新方法迅速、有效的轉化為新技術、新產品，來解決臨床上的各種診療難題。現有的醫工結合協作創新受限于項目的單一合作，很多研究成果停留在科研設計層面，距離市場產業化較遠，難以轉化和普及。研究成果轉化到臨床的時效性以及推廣性有待提高。同時，大部分科研機構以論文產出為考核指標而不是科研成果的轉化率，引導了科研人員只關注基礎研究和應用研究的階段成果產出，而忽略科研成果的轉化是否可行。

3.4 產學研用全鏈條不貫通

從根本上來說，中國醫工結合進一步發展面臨的主要問題就是產學研用的全鏈條還未貫通。由于不同科研機構在醫工結合理念的普及、資源建設、合作關系擴展以及學科建設上的規劃不同，導致科研機構的管理部門在管理模式上以偏概全，沒有打通產學研用的全鏈條。大部分科研機構存在尚未搭建有效的醫工結合平臺和完整的醫工結合產學研轉化鏈，不具備醫工結合長效溝通平臺，以及未建立醫工結合科技創新激勵保障機制等問題。這些問題在很大程度上阻礙了科研機構醫工結合的發展。

4 對策和建議

醫工結合是推動現代醫學發展和進步的重要方式。高校、醫院等科研機構作為醫工結合的中堅力量，積極開展醫工結合研究具有重要的意義。中國的科研機構應結合自身實際情況，分析在醫工結合創新過程各個階段的優勢和不足。有針對性的利用優勢、發揮潛力、解決困難、彌補不足，探索醫工結合發展路徑，實現醫學與其他學科間的強強聯合，優勢互補，提升醫工結合創新水平，最終促進中國醫工深度融合和共贏發展。

4.1 科研引領，加大科研投入和政策激勵

科研機構應進一步加強醫工結合方面的科研投入，促進醫工理交叉學科的建設與可持續發展。對于醫工結合的項目經費投入方面，中國部分科研機構已經設立了專項基金和專家委員會來支持優秀項目，但在支持范圍和力度上還需要通過各學科領域專家探討應用需求和發展方向，形成系統規范的項目申報指南和項目評審指南，并在是否具有較高的應用價值以及成果能否推廣應用等問題上把好關。同時，科研機構應積極構建醫工結合學術交流平臺并針對醫工結合創新研究制定合理的激勵政策，有效整合科研機構內部部門、科研機構之間的科技成果資源，調動領域人才和復合型人才進行醫學和理工科交叉學科研究的主動性和積極性。

4.2 以應用為導向，加強與企業的溝通互動

科研機構應以實際應用為導向，構建醫工結合應用實踐平臺，與企業建立醫工結合溝通機制，開展實質性戰略合作。培養具備醫學與理工科相交叉、醫學理論和實踐操作相結合的優秀人才。在加強醫、理工學科專業教育的同時，探索多渠道學科交叉聯合培養的醫工結合創新人才培養模式，培養能適應交叉學科應用研究的復合型人才。加強醫工結合隊伍組建，充分集中不同學科領域專家和企業研發人員的力量，形成具有廣闊學科視野和應用實踐的研究團隊，加強醫工結合研究實力。在實踐中不斷探索和完善應用研究溝通互動機制。

4.3 以成果轉化為目標，關注成果推廣的社會效益和經濟效益

在合作項目開始之前做好充分的調研，同時通過充分挖掘自身潛力和整合醫、工的各類資源，以臨床實際需求為導向，科研機構、企業、醫院之間建立醫工結合協同發展的長效機制，建立創新研究成果轉化平臺。從成果推廣的社會效益和經濟效益最大化出發開展多方合作，研究出真正能夠推廣使用并具有較高社會效益和經濟效益的成果，從根本上實現從傳統科研模式向以科研成果轉化為目標驅動的研究模式的轉變。

4.4 打通醫工結合全流程，完善醫工結合創新能力評價機制

基于醫工結合協同創新的全過程，構建針對高校、醫院等科研機構的醫工結合能力評價體系，引導科研機構關注自身醫工協同創新的不足和潛力。醫工結合體現在基礎研究階段、企業需求導向的應用研究階段、成果轉化形成產品階段等創新過程中的不同階段，因此從整個創新過程中的不同階段遴選指標定量分析科研機構醫工結合創新能力。幫助科研機構把握自身醫工結合能力和水平，發現其在不同階段過程中的特點和不足，調整醫工結合發展方向，促進醫工交叉的產學研轉化鏈的形成，打通醫工結合全流程，引導促進醫工結合和現代醫學的健康發展。