中国医工结合发展现状与对策研究报告(2019年版)

王 璐, 马 峥, 许晓阳, 刘亚丽

(中国科学技术信息研究所, 北京, 100038)

20世纪70年代，哈佛大学、麻省理工学院等一批世界一流大学通过制定交叉学科政策并建立交叉性研究所，揭开了科研机构着手重视推进医工结合发展的序幕[1]。20世纪80年代，中国通过将理工科大学与医科类院校合并以及设立生物医学工程专业而推进了医工结合工作。随着现代学科之间相互交叉的需求不断增加，医工结合逐渐作为引领未来医学创新的主导方向。中国高校、医学院等科研机构对医工结合给予了很大的重视。医工结合被越来越多的高校列入创建世界一流大学的战略规划中[2]。很多科研机构对自身的医工结合现状进行了研究和分析，如王永权等[3]通过对复旦大学临床医学学科重点项目的绩效分析得出应积极推进临床学科与基础学科、医学学科与理工科学科的交叉和渗透；上海交通大学科学技术发展研究院和同济大学口腔医学院科研处分别[4-5]结合自身高校的医工结合科研情况总结归纳医工结合的发展方向，论述了应从项目投入的视角加强学校对医工结合项目的管理；新疆医科大学第一附属医院的季学闻等[6]基于新疆医疗现状论述了当前医工多学科交叉形势下工程学科与医学交叉的必要性和可能性；以及西安交通大学第一附属医院的姚红梅等[7]提出运用SWOT法分析医工理学科交叉发展的优势、劣势、机遇和威胁，结合高校实际探索科学有效的医工集合发展战略，推动医工交叉学科的健康发展等。

1 医工结合概念内涵逐渐丰富

随着现代医学向综合化趋势发展，医工结合的内涵从医学与工程技术的交叉融合进行了扩展和延伸。广泛意义上的医工结合指围绕医学实际需求，将医学和医学以外的理工科广泛学科范畴进行交叉融合、协同创新的方式[8]。随着科学技术的飞速发展，医工结合的研究内容不断扩展，如基于3D打印技术的药物和医疗器械的研发，基于人工智能技术的健康监控和诊疗系统，以及利用电磁学和力学解决临床上的诊治问题等都是医工结合的实践成果。中国目前医工结合前沿技术和热点应用领域见图1。

图1 医工结合前沿技术和热点应用领域

1.1 药物研发

药物研发是利用药学、工程学、生物学及化学学科知识交叉融合形成的医工结合的重要研究领域，如中药制药、微生物制药、抗菌素研制等。目前，3D打印技术是药物研发中医工结合的研究热点之一。2015年采用3D打印技术制备的左乙拉西坦(SPRITAM)片被美国食品药品监督管理局(FDA)批准上市，是3D打印技术向制药领域迈进的里程碑[9]。3D技术本身是一种以数字模型文件为基础，运用金属、塑料、有机物等材料，通过逐层打印的方式来构造物体的智能制造技术。该技术最初应用于制造业、航空航天及工业设计等领域，随着技术逐渐成熟，开始应用于药物合成、药物分析和药物研发试验等医药制造行业[10-11]。随着基因工程技术的发展和分子生物学、分子免疫学领域研究的进步，疫苗研制涉及到许多高新技术的支持，如利用生物信息学来分析基因组、转录组及蛋白质组学中产生的海量数据，预测可成为疫苗候选抗原的基因，利用生物芯片技术为疫苗研制提供高通量平台等。

1.2 医用材料研发

医用材料的研发是医学、材料学、物理学、生物学等多学科交叉融合的产物，每一种医用材料产品的推出都需要科研人员、医生、企业工程师等各类人员参与调研、认证、开发。医用材料从用途的角度可以分为3类: 第一类是可以替代损害的器官和组织，如人体骨骼和人造心脏瓣膜等; 第二类是改善和恢复组织器官的功能，如心脏起搏器和隐形眼镜等; 第三类是用于辅助治疗过程，如介入性治疗血管支架和药物载体等。中国在医用材料研发方面有很多成果，如钛合金粉末打印的人体骨骼、人造血管、人造心脏等[12], 基于计算机辅助与加工技术定制膝、肩、肘、踝、骨盆等部位的人工关节来满足各种临床需求[13], 胶原蛋白等生物高分子材料的提取等[14], 推广二维纳米材料石墨烯用于靶向药物运输、细胞成像、生物监测、肿瘤治疗等[15]。

1.3 医疗设备研发

医疗仪器的研发是医工结合的重要领域，一般基于医学、机械与动力工程、物理学等学科知识体系的交叉融合，如可用于血管吻合、肠管吻合、胆管吻合的稀土钕铁硼磁压榨手术器械、微创手术中便携使用的手术导航眼镜、外科手术照明摄像系统、基于结构光光学三维传感测量的骨骼或口腔牙齿的建模系统、用于外科手术的医用射流分离系统以及可单独使用或与仪器、设备或系统组合使用的体外诊断试剂等[16]。目前，人工智能和大数据分析在医疗设备研发中受到关注，如斯坦福机器学习研究团队与公司联合研究开发的手术机器人DaVincisi, 基于卷积神经网络的疾病诊断算法[17], 以及中国国产的外科机器人Remebot、便携式内窥镜视频系统等[18]。2015年5月19日，国务院正式印发《中国制造2025》，生物医药及高性能医疗器械作为《中国制造2025》明确的10个重点发展领域之一，表明医工结合将在未来10年引领医学技术的不断创新。医学影像设备、临床检验设备、先进治疗设备、健康监测、远程医疗和康复设备等重点产品的研发都体现出医工结合的价值和重要性。

1.4 智慧医疗

智慧医疗通过物联网等信息化技术实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动，从而达到提高医疗效率和质量的目的。智慧医疗包括对病患诊疗信息的收集、存储、处理、提取及数据交换，智能仪器对病患生命体征的监控和报警，远程会诊，智慧处方、远程图像传输等内容。医学专家系统是医学知识工程和人工智能研究中一个重要的应用分支领域[19], 如斯坦福大学研制的诊断治疗细菌感染病的专家咨询系统MYCIN[20], 通过病人病史和化验数据推理诊断，匹兹堡大学的Internist-Ⅰ内科计算机辅助诊断系统根据构建的疾病症状知识库进行诊断[21], 中国的中医专家系统[22]、十二指肠溃疡诊断专家系统[23]、胃癌诊断专家系统[24]等。提出的基于卷积神经网络甲状腺结节检测方法将人工智能应用到医学图像识别，通过医院3 414张图片的验证，判断准确率、灵敏度和特异性均达到90%以上，该研究工作可有效减少医生的工作量[25]。此外，人工智能和大数据分析技术对于中医诊断和护理也起到了积极的促进作用，如结合人工智能技术开发了中医舌象分析仪和中医按摩机器人等。

2 医工结合学科边界不断外延

医工结合已成为现代医学发展的必然趋势。医学与生物学、物理学、材料科学、计算机科学与工程等多学科领域交叉研究形成了具有医工结合特色的交叉学科。热门医工结合交叉学科及研究应用热点见图2。

2.1 生物医学工程学

生物医学工程学[26]是基于医学、生物学和工程学的理论和方法发展形成的交叉学科，该学科以应用基础性研究为主，运用工程技术手段，研究和解决医学和生物学中的问题，如生物系统的仿真与建模、创新精密医学仪器设备、物理因子的生物效应、生物医学信号的检测与传感器原理、生物医学信号处理方法等。

图2 医工结合交叉学科及成果应用

医学影像学[27]是生物医学工程学领域中的一个重要分支，是借助于X射线、电磁场、超声波等介质与人体相互作用，以影像方式表现出来人体内部组织器官结构和密度，供医师对人体健康状况进行评判的学科。医学影像学与图像处理，计算机视觉，模式识别技术的结合又衍生了医学图像处理的研究方向，主要用途有影像诊断、介入放射等。

2.2 数字医学

数字医学[28]是医学与信息科学相结合形成的以数字医疗诊断技术、治疗技术和检测技术为主要特征的交叉学科。数字医学借助信息技术、通信技术、人工智能[29]、虚拟现实等技术挖掘医学领域新理论、新机制、新技术和新产品。智慧医疗是数字医学的典型形式。数字医学包括对数字人与数字解剖学的相关研究，计算机辅助设计、制造、分析技术智能仪器的研究，远程医疗会诊，数字化医院的建设与管理等。

2.3 再生医学

再生医学[30-31]是应用生命科学、材料科学、临床医学、计算机科学和工程学等学科的原理和方法，研究和开发用于替代、修复、重建或再生人体各种组织器官的理论和技术的新型学科和前沿交叉领域。再生医学通过移植细胞悬浮体或聚合体、生物化人工组织或器官植入、对损伤组织进行药物再生诱导等途径，为心血管疾病、恶性肿瘤、先天性遗传缺陷等疾病和各种组织器官损伤进行治疗。再生医学包括组织工程、细胞和细胞因子治疗、基因治疗和微生态治疗等。

2.4 转化医学

转化医学倡导建立从“实验台到病床旁”和“从病床旁到实验台”的双向通道，是将基础医学研究和临床治疗连接起来的一种新型医学研究分支[32-33]。该学科通过融合以生物样本库、组学芯片等为基础的生物信息学和自动化通讯技术打破基础医学与药物研发的固有屏障，加快科学研究向工程应用转变的产业化过程。转化医学需要基础研究人才与临床工作者密切合作，发挥各自优势，缩短治疗方法到临床应用的时间，从而快速提高医疗水平。

2.5 灾难医学

灾难医学[34]是理、工、农、医多学科相互交叉渗透的一门新兴交叉学科，兴起于20世纪80年代。灾难医学是研究在各种灾难情况下实施紧急医学救治、疾病预防和卫生保障的综合性学科，主要研究内容包括灾难预防、灾难现场急救、救援的组织指挥管理和灾后恢复重建等，涉及到信息通讯、城市规划、电力能源等多方面的知识和技术，比如构建基于信息建设和通讯的救援系统、面对灾难救助的灾难伦理研究等。

2.6 微能量医学

微能量医学同样兴起于20世纪80年代，是利用体外设备产生的机械波或电磁波对疾病或亚健康状态进行预防和治疗的新兴学科，涉及到与物理学、生物医学、工程学等多学科领域的交叉融合，有极为广阔的应用前景[35]。微能量医学是研究安全、绿色、无创治疗方式的学科。微能量医学利用超声波、冲击波和磁场等能量介质，借助机械效应、电磁效应和温热效应，非侵入性地起到抗炎、增强细胞膜信号传导、提高基因表达、改善局部血流、增强酶活性、刺激胶原成熟和骨组织改建等多种生物学机制作用[36-37]。

3 中国医工结合进一步发展面临的问题

医工结合的协同创新过程是一个完整的流程，该系统由科研机构、企业、产品三种元素构成。科研机构指高校、医疗机构、科研院所等主要承担研究任务的各类角色; 企业指在医工结合过程中提供研发需求、生产力的企业平台; 产品指医疗器械、医疗系统、智能医用材料等在医工结合创新研究成果转化后的各类产品。本文将医工结合看作是医工协同创新的全过程，从医工结合的基础研究阶段开始，经过应用研究阶段，到成果转化形成产品阶段的整个协同创新过程，见图3。从医工结合整个创新过程的不同阶段来看，目前中国医工结合存在如下问题。

图3 医工结合协同创新过程

3.1 基础研究阶段医工结合学科融合不充分

医学与理工学科尚难以实现充分的融合。以2016年scopus收录的中国科技文献为例，由中国医疗机构作为第一机构发表的科技文献共计52 744篇，其中医工结合文献1 784篇，占3.38%。医工结合的交叉研究多集中于组织工程与组织工程材料、生物医学材料、生物医学电子与仪器等领域，医学研究方面的重点领域优势并不突出[38]。由于医学和理工学科在学科内涵和方法论上存在着本质上的区别，导致双方科研人员在合作的过程中存在沟通上的障碍，在一定程度上降低了双方合作研究交流的积极性，难以实现强强联合、优势互补的目标。同时，科研机构对医工结合交叉学科的资助力度和方式有限，也给医工结合的基础研究增加了障碍。

3.2 应用研究阶段临床应用需求互动少

运用理工科的技术手段解决临床需求是医工结合最重要的目标之一。在应用研究阶段，研发人员在不了解医学临床需求的前提下展开研究，容易造成研究结果的脱节，不能高效地解决临床应用需求。虽然目前中国部分机构在医工结合的体制改革方面做出了很多举措，但由于学科共识的不同容易导致研究成果较难对接临床需求。基于2016年中国上市公司年报数据库统计，只有105家医疗机构的名称出现在上市公司年报所报道的人员任职、重大项目、重要事项等内容中，一定程度上反映出在应用研究阶段科研机构与企业的沟通不够，需求把握不准。

3.3 科研成果转化难

医工结合科研成果转化滞后、应用不足。优秀的研究成果需要形成产业化，通过将科学研究的新理论和新方法迅速、有效的转化为新技术、新产品，来解决临床上的各种诊疗难题。现有的医工结合协作创新受限于项目的单一合作，很多研究成果停留在科研设计层面，距离市场产业化较远，难以转化和普及。研究成果转化到临床的时效性以及推广性有待提高。同时，大部分科研机构以论文产出为考核指标而不是科研成果的转化率，引导了科研人员只关注基础研究和应用研究的阶段成果产出，而忽略科研成果的转化是否可行。

3.4 产学研用全链条不贯通

从根本上来说，中国医工结合进一步发展面临的主要问题就是产学研用的全链条还未贯通。由于不同科研机构在医工结合理念的普及、资源建设、合作关系扩展以及学科建设上的规划不同，导致科研机构的管理部门在管理模式上以偏概全，没有打通产学研用的全链条。大部分科研机构存在尚未搭建有效的医工结合平台和完整的医工结合产学研转化链，不具备医工结合长效沟通平台，以及未建立医工结合科技创新激励保障机制等问题。这些问题在很大程度上阻碍了科研机构医工结合的发展。

4 对策和建议

医工结合是推动现代医学发展和进步的重要方式。高校、医院等科研机构作为医工结合的中坚力量，积极开展医工结合研究具有重要的意义。中国的科研机构应结合自身实际情况，分析在医工结合创新过程各个阶段的优势和不足。有针对性的利用优势、发挥潜力、解决困难、弥补不足，探索医工结合发展路径，实现医学与其他学科间的强强联合，优势互补，提升医工结合创新水平，最终促进中国医工深度融合和共赢发展。

4.1 科研引领，加大科研投入和政策激励

科研机构应进一步加强医工结合方面的科研投入，促进医工理交叉学科的建设与可持续发展。对于医工结合的项目经费投入方面，中国部分科研机构已经设立了专项基金和专家委员会来支持优秀项目，但在支持范围和力度上还需要通过各学科领域专家探讨应用需求和发展方向，形成系统规范的项目申报指南和项目评审指南，并在是否具有较高的应用价值以及成果能否推广应用等问题上把好关。同时，科研机构应积极构建医工结合学术交流平台并针对医工结合创新研究制定合理的激励政策，有效整合科研机构内部部门、科研机构之间的科技成果资源，调动领域人才和复合型人才进行医学和理工科交叉学科研究的主动性和积极性。

4.2 以应用为导向，加强与企业的沟通互动

科研机构应以实际应用为导向，构建医工结合应用实践平台，与企业建立医工结合沟通机制，开展实质性战略合作。培养具备医学与理工科相交叉、医学理论和实践操作相结合的优秀人才。在加强医、理工学科专业教育的同时，探索多渠道学科交叉联合培养的医工结合创新人才培养模式，培养能适应交叉学科应用研究的复合型人才。加强医工结合队伍组建，充分集中不同学科领域专家和企业研发人员的力量，形成具有广阔学科视野和应用实践的研究团队，加强医工结合研究实力。在实践中不断探索和完善应用研究沟通互动机制。

4.3 以成果转化为目标，关注成果推广的社会效益和经济效益

在合作项目开始之前做好充分的调研，同时通过充分挖掘自身潜力和整合医、工的各类资源，以临床实际需求为导向，科研机构、企业、医院之间建立医工结合协同发展的长效机制，建立创新研究成果转化平台。从成果推广的社会效益和经济效益最大化出发开展多方合作，研究出真正能够推广使用并具有较高社会效益和经济效益的成果，从根本上实现从传统科研模式向以科研成果转化为目标驱动的研究模式的转变。

4.4 打通医工结合全流程，完善医工结合创新能力评价机制

基于医工结合协同创新的全过程，构建针对高校、医院等科研机构的医工结合能力评价体系，引导科研机构关注自身医工协同创新的不足和潜力。医工结合体现在基础研究阶段、企业需求导向的应用研究阶段、成果转化形成产品阶段等创新过程中的不同阶段，因此从整个创新过程中的不同阶段遴选指标定量分析科研机构医工结合创新能力。帮助科研机构把握自身医工结合能力和水平，发现其在不同阶段过程中的特点和不足，调整医工结合发展方向，促进医工交叉的产学研转化链的形成，打通医工结合全流程，引导促进医工结合和现代医学的健康发展。