淺談大數(shù)據(jù)時代下的生物醫(yī)學工程發(fā)展趨勢

邵帥 汪鵬飛

摘要：隨著我國越來越強大，中國經(jīng)濟也在發(fā)展，科技信息技術(shù)不斷發(fā)展，中國已經(jīng)進入了大數(shù)據(jù)時代。大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)對社會的各個方面產(chǎn)生了巨大的影響，并擴展到了各個領(lǐng)域。在大數(shù)據(jù)時代背景下，生物醫(yī)學工程領(lǐng)域呈現(xiàn)出新的面貌并不斷發(fā)展。

關(guān)鍵詞：淺談;大數(shù)據(jù)時代;生物醫(yī)學工程;發(fā)展趨勢

1生物醫(yī)學工程概述

生物醫(yī)學技術(shù)是連接現(xiàn)代生命科學、醫(yī)學和技術(shù)的一門新興邊緣學科。它的發(fā)展主要得益于物理、化學和工程技術(shù)的不同原理和方法在醫(yī)療行業(yè)的應用，為了提高醫(yī)療設備、材料和研究工具的質(zhì)量，充分滿足醫(yī)療行業(yè)臨床診療的實際需要。近年來，隨著我國科學技術(shù)的發(fā)展，一些技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域得到了廣泛的應用，同時也獲得了許多醫(yī)療產(chǎn)品，為中國醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻。20世紀以來，我國圖像的診斷和功能形成方法迅速發(fā)展，出現(xiàn)了幾種新的醫(yī)療方法，并使用了基于新材料的輔助醫(yī)療設備[1]。根據(jù)研究目標，生物醫(yī)學工程可分為四個領(lǐng)域：生物醫(yī)學材料、生物醫(yī)學工程器械、生物醫(yī)學康復和遠程診斷與治療系統(tǒng)。這亦需要不斷更新醫(yī)生在醫(yī)學方面的知識，以應付現(xiàn)階段對這方面專業(yè)人才的真正需求。

2生物醫(yī)學工程與大數(shù)據(jù)的密切聯(lián)系

2.1生物醫(yī)學工程的基本概念及其應用技術(shù)

生物醫(yī)學工程是一系列更廣泛的學科，包括生物學、醫(yī)學、電子和材料工程的理論和方法。主要目的是利用工程技術(shù)和方法研究生物和醫(yī)學問題，以期加以解決。所采用的技術(shù)主要包括生物醫(yī)學傳感器、信號處理和檢測方法、醫(yī)學圖像處理方法，臨床處理和實驗室分析方法[2]。

2.2生物醫(yī)學工程數(shù)據(jù)的特點

生物醫(yī)學工程數(shù)據(jù)主要包括生物學、醫(yī)學、工程等。這些數(shù)據(jù)有五個主要優(yōu)點：

2.2.1有相當大數(shù)量的數(shù)據(jù)：這些數(shù)據(jù)來自多個方面，因此收集的數(shù)據(jù)情況復雜多樣;

2.2.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同：主要原因是在數(shù)據(jù)庫中表示非建設性數(shù)據(jù)不太方便;

2.2.3數(shù)據(jù)無法合理量化：主要原因是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)特征無法用定義的公式表示;

2.2.4數(shù)據(jù)冗余會導致冗余數(shù)據(jù)量增加，導致大量數(shù)據(jù)毫無意義，并非所有數(shù)據(jù)都很重要;

2.2.5數(shù)據(jù)的總體準確性相對較低：在收集生物信號時，空氣中的噪聲污染無法很好地避免，這將導致差生數(shù)據(jù)中的錯誤[3]。

3生物醫(yī)學工程的數(shù)據(jù)挖掘方法

3.1基于大數(shù)據(jù)大量、多樣特征的NoSQL數(shù)據(jù)庫

NoSQL即NotOnlySQL，它不再是傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的領(lǐng)先存儲庫，這種關(guān)系數(shù)據(jù)庫是一個快速增長、互不關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫。這種類型的數(shù)據(jù)存儲不需要對表結(jié)構(gòu)進行初步設計，也不會導致表連接或水平分割。

NoSQL支持非關(guān)系型數(shù)據(jù)存儲（如下圖），不需要創(chuàng)建完整的數(shù)據(jù)字段，并且必須始終提前搜索有效的存儲。但是，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，很難添加或刪除完整的字段。例如，在提供有效數(shù)據(jù)收集的生物醫(yī)學過程中，大量數(shù)據(jù)沒有特定的存儲結(jié)構(gòu)，這時，就體現(xiàn)了大數(shù)據(jù)和非建設性數(shù)據(jù)的存儲的重要性。

3.2基于大數(shù)據(jù)高速、價值特征的Hadoop技術(shù)

Hadoop是一個處理大量數(shù)據(jù)的軟件框架，主要包括兩個方面：（1）Hadoop分布式文件系統(tǒng)：它主要用作存儲系統(tǒng)。其主要工作方式是將源數(shù)據(jù)復制并分發(fā)到服務器集群點，然后使用一個或多個應用程序?qū)?jié)點進行分析和處理;（2）MapReducer建立的軟件框架和編程模型可以在很大程度上管理分布式應用程序。

4大數(shù)據(jù)時代下生物醫(yī)學工程在影像及介入醫(yī)學的應用

4.1影像介入技術(shù)

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，計算機影像學也在發(fā)展（如圖所示），特別是在有前途的微創(chuàng)新技術(shù)方面。根據(jù)透射器件的不同，結(jié)合大數(shù)據(jù)，微透視方法主要包括：X射線/CT、超聲和磁共振治療。介入超聲由于其設備輕便、操作簡便、無輻射等優(yōu)點，深受醫(yī)護人員及病人歡迎。

4.2介入放射學

介入放射學技術(shù)在1895年血管造影后提出并應用，引起了全世界醫(yī)學界的廣泛關(guān)注。從那時起，全世界的研究和應用都在增加。其范圍正在擴大。

介入放射學具有創(chuàng)傷小、療效好的特點。世界上大多數(shù)醫(yī)療機構(gòu)都建立了不同規(guī)模的獨立干預部門。介入放射學技術(shù)外科治療已變得司空見慣，甚至取代了國內(nèi)外對某些疾病的外科治療[5]。

4.3CT引導下的微創(chuàng)

隨著數(shù)字技術(shù)、大數(shù)據(jù)和醫(yī)學的融合，生物醫(yī)學不僅在診斷和治療設備方面取得了重大進展，也在徹底改變診治方法。它包括基于CT的組織穿刺活檢、腦血腫切除和腰椎間盤突出癥定位等立體定位方法。

4.4超聲引導微創(chuàng)技術(shù)

在中國，半個多世紀前，超聲被應用于臨床診斷。與其他醫(yī)學圖像相比，超聲具有許多優(yōu)點（如無放射性、無創(chuàng)傷、成本低、設備簡單、比率快、便于更多的隨訪等），而且還可以動態(tài)觀察身體或器官，更直觀地了解身體的病理變化，因此，此外，在超聲手段的作用下，在治療甲狀腺、乳腺、肝臟等疾病方面取得了良好的效果。目前，在臨床治療中的應用越來越廣泛，特別是在小腫瘤的治療中，可以獲得超聲治療。它不僅反映了21世紀現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展方向，而且以精確的定義論證了其醫(yī)學發(fā)展模式。介入超聲手段的臨床應用使其成為最具發(fā)展前景和學術(shù)性的醫(yī)療體系。近十年來，這項由超聲成像和醫(yī)學工作專家創(chuàng)造和開發(fā)的新的主題技術(shù)，應用于泌尿外科、肝膽外科、血管外科、麻醉和骨科等多個診所，這不僅加速了這一手術(shù)的推廣和認可，此外，腫瘤和各種技術(shù)的全球應用取得了巨大進展，生物醫(yī)學工程在臨床實踐中的重要作用也得到了證實。

5生物醫(yī)學工程在臨床中的應用及發(fā)展

5.1微創(chuàng)技術(shù)

“微創(chuàng)技術(shù)”貫穿于整個醫(yī)學發(fā)展過程。通過大量的數(shù)據(jù)分析，這是未來醫(yī)學發(fā)展的方向。其概念是基于微創(chuàng)手術(shù)的概念，其實質(zhì)是內(nèi)窺鏡技術(shù)。它是一種通過微創(chuàng)手段達到最佳治療效果，這是傳統(tǒng)手段所不具備的，被歸類為“微創(chuàng)方法”，如超聲介入、放射學、內(nèi)鏡檢查、內(nèi)鏡檢查和顯微手術(shù)。這些創(chuàng)新和發(fā)明得到了生物、工程、醫(yī)學和其他學科整合的補充。

5.2內(nèi)鏡技術(shù)

在中國，內(nèi)鏡技術(shù)起步較晚，但發(fā)展迅速。目前，纖維內(nèi)窺鏡已廣泛應用于國內(nèi)臨床工作。隨著科學技術(shù)和醫(yī)學的發(fā)展，內(nèi)鏡得到了不同程度的發(fā)展和改進。診斷和治療過程變得越來越簡單和微創(chuàng)。這是最全面、最先進的新型微創(chuàng)技術(shù)。例如，有更輕的膠囊內(nèi)窺鏡，反映了生物醫(yī)學工程的重要性。

5.3腔鏡技術(shù)

上世紀80年代末，腔鏡技術(shù)的發(fā)展取得了質(zhì)的飛躍，最重要的是腹腔境技術(shù)的發(fā)展。1992年，荀祖武第一次開始做膽囊腹腔鏡手術(shù)后，腔鏡技術(shù)發(fā)展迅速。到目前為止，腔鏡技術(shù)已廣泛應用于外科的各個領(lǐng)域，并且目前，三維腹腔鏡和達芬奇機器人操作在國內(nèi)外廣泛存在。

6生物醫(yī)學工程展望

6.1生物醫(yī)學工程學與其他學科的多學科合作

微創(chuàng)新技術(shù)需要不斷的研究，這就需要我們形成臨床思維，即微創(chuàng)技術(shù)的創(chuàng)新——微創(chuàng)醫(yī)學的長期發(fā)展;在微觀層面，利用偉大的國家衛(wèi)生改革政策，有望在未來五年內(nèi)，將繼續(xù)發(fā)展和推廣微型創(chuàng)新技術(shù)，例如作為對現(xiàn)有非侵入性技術(shù)的綜合系統(tǒng)改進，整合各種技術(shù)，創(chuàng)新發(fā)展新技術(shù)。但是，微創(chuàng)醫(yī)學的發(fā)展今天仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，特別是學科間的激烈競爭，醫(yī)療資源配置和專業(yè)優(yōu)勢可以體現(xiàn)。因此，我們不僅要進一步加快科學和人才的發(fā)展，還要在預防醫(yī)學、基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學等領(lǐng)域發(fā)展多邊合作，進一步加快生物醫(yī)學工程步伐，創(chuàng)造新的醫(yī)學方法，生產(chǎn)新的設備，最終造福于所有學科、患者和醫(yī)生。

6.2通過數(shù)據(jù)完成醫(yī)療整合

近年來，隨著臨床亞專業(yè)和亞專科的進一步完善，醫(yī)學發(fā)展模式在診斷和治療水平上有了一定程度的提高，但伴隨著醫(yī)學知識和診斷和治療方法的碎片化和機械化，還是改變不了“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的問題。許多著名醫(yī)學學者和專家在中國綜合醫(yī)學大會上的發(fā)言中指出，要通過大數(shù)據(jù)，整合醫(yī)學，實現(xiàn)醫(yī)學模式的轉(zhuǎn)變，這決定著未來醫(yī)學發(fā)展的方向。對保護人類健康有著積極的意義，而不是像今天這樣簡單地“看醫(yī)生”。

6.3應用大數(shù)據(jù)進行精準醫(yī)療

美國前總統(tǒng)奧巴馬在2015年1月30日的國情咨文中表示，美國正式啟動了“精確醫(yī)學”計劃。從2011年初開始，美國科學院工程研究所國家衛(wèi)生研究所和美國科學委員會聯(lián)合發(fā)起了“精準醫(yī)學”倡議。前四個研究機構(gòu)在大數(shù)據(jù)支持下的聯(lián)合舉措，指出了未來醫(yī)學的方向，代表了未來精準醫(yī)學的發(fā)展方向。以往的研究模式都是以試驗為基礎，不但不涉及臨床問題，根本不符合臨床需要。一種新的臨床驅(qū)動醫(yī)學模式目前提供了精確的醫(yī)學。精確醫(yī)學的發(fā)展旨在應用更精確的醫(yī)療工具和設備，通過大數(shù)據(jù)的加持，完成生物醫(yī)學工程和其他學科的整合，最后達到精準醫(yī)療的目的。

6.4診療遠程網(wǎng)絡化

在醫(yī)院診斷過程中，遠程醫(yī)療網(wǎng)絡主要是指醫(yī)生在遠程醫(yī)療的基礎上，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對患者進行體檢。同時，通過檢查獲得的診斷數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸，并存儲在醫(yī)療報告中，以確保正確執(zhí)行某些操作。此外，通過醫(yī)療管理信息平臺，還可以將原紙病例轉(zhuǎn)化為電子病例，大大提高了所有病例的保存概率，減少了損失。同時，使用電子日歷也可以方便醫(yī)生就醫(yī)，病人可以檢查自己的病情，從而提供更方便的與醫(yī)生溝通，處理醫(yī)生與患者之間的關(guān)系。

6.5醫(yī)療儀器智能小型化

新診斷工具的出現(xiàn)，體積小，智能，適應人體結(jié)構(gòu)，使醫(yī)生能夠方便快捷地控制患者。例如，當患者佩戴智能手環(huán)時，醫(yī)生可以實時跟蹤人體的微小變化，包括血糖水平的變化，血壓、血液蛋白等，并提出合理的建議和解決方案，將其與普通人體相關(guān)的數(shù)據(jù)進行比較。

總的來說，生物醫(yī)學工程是一門新興的科學，它充分利用了現(xiàn)代工程研究的成果來解決與醫(yī)學有關(guān)的問題。滲透到自然科學和醫(yī)學領(lǐng)域的工程技術(shù)是一個跨學科領(lǐng)域。它已成為推動醫(yī)學發(fā)展的日益強大的動力，醫(yī)學的發(fā)展又有利于生物醫(yī)學工程的發(fā)展。二者形成了相互依存、相輔相成的關(guān)系。因此，要取得科研成果，必須以養(yǎng)護為基礎，以科研為先導，走科學、工程、醫(yī)學全球化發(fā)展的道路。只有這樣，才能促進其鞏固和發(fā)展，占據(jù)其學術(shù)地位，促進生物醫(yī)學工程的發(fā)展和創(chuàng)新。在大數(shù)據(jù)時代，生物醫(yī)學工程將得到更快的發(fā)展，使人類健康發(fā)展，合理配置醫(yī)院資源和設備，有利于最大限度地利用醫(yī)院資源，確保醫(yī)院的良好發(fā)展。

參考文獻：

[1]漆家學，栗文彬，尤富生.淺談生物醫(yī)學工程專業(yè)任職教育的發(fā)展趨勢[C].中國醫(yī)藥教育協(xié)會成人教育委員會.中國成人醫(yī)藥教育論壇（4）.中國醫(yī)藥教育協(xié)會成人教育委員會：中國醫(yī)藥教育協(xié)會，2011：87-88.

[2]顧忠偉.生物醫(yī)學材料：現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[C].中國科學技術(shù)協(xié)會、河南省人民政府.第十屆中國科協(xié)年會論文集（三）.中國科學技術(shù)協(xié)會、河南省人民政府：中國科學技術(shù)協(xié)會學會學術(shù)部，2008：506-510.