“健康医学工程”在生物医学工程领域的研究进展

2020-03-07范振英王向华李宸张超

国际生物医学工程杂志 2020年2期

范振英王向华李宸张超

中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津300192

0 引言

生物医学工程（BME）学主要运用现代科学和工程技术手段，研究和解决生物学、医学中的有关问题，为疾病的预防、诊断、治疗及康复等方面提供科学依据。其目的是解决医学中的有关问题，提高人类健康水平，属一门发展迅速具有高度综合的交叉学科。这是它最大的特点。随着社会的进步及生活水平的不断提高，人类平均寿命呈逐年上升趋势，很多没有明显疾病的人（亚健康人群），以及高血压、糖尿病等慢性病患者，尽管通过长期服用药物可以维持基本的正常生活，但他们都非常希望进一步提高自身的健康水平，以增加幸福感、获得感及安全感。由于生物医学工程学用于医学的主要目的是治疗疾病，而这个领域不是医生能够解决的；另外，残疾人是一个庞大的群体，越来越受到关注；老年人由于生理功能逐年退化或丧失，也需要相应的康复方法。因此研制康复辅助器具弥补他们缺失的功能以提高其工作能力和生活质量，就显得越来越重要。这些需求亟待将现在的生物医学工程范畴扩展到医疗卫生与健康领域，即使用现代科学和技术，研究和解决这些问题以提高人们的健康水平并弥补一些残疾人生理机能缺失等方面的问题。这些领域由于与现在的生物医学工程学在研究目的、对象、方法等方面存在较大差别，因此，“健康医学工程”的理念应运而生，其可为在医疗卫生与健康领域遇到的诸多问题更有针对性地提供科学依据和解决方案。

1 提出“健康医学工程”概念的意义

过去几千年以来，由于生产力水平低下，民众需竭尽全力才可求得生存，有病能够得到有效治疗、能坚持劳动、养家糊口是其基本的生活目标；而没有条件去考虑如何更健康地生活，更没有可能利用科学技术手段来提高身体的健康水平。新中国建立初期，人的寿命也较短，当时我国的人均寿命只有35岁[1]。随着社会发展及科学技术的飞速发展，人们生活条件与医疗条件均得到极大地提高和保障，有数据显示，目前，我国的人均寿命已提高到77岁[1]。现在大批的中老年人，不仅追求长寿，还特别渴望身体健康、快乐享受生活，增加幸福感和获得感，甚至把健康看作是人生最重要的追求。即从之前以治病为目的发展为以追求身体健康、提高生活水平为需求。

因此，要提高人类的健康水平，离不开现代科学技术的支撑。除了发展生物医学工程及临床医学以外，亟待针对慢病患者、残疾人和一些因老龄而引起生理功能退化或缺失的老年人，利用现代科学技术为他们研发、提供相应的康复方法及辅助器具、健康监测仪器等。这也是“健康医学工程”的一个重要且极具意义的方面。

2 “健康医学工程”的概念

现代科学与技术的飞速发展为“健康医学工程”理念的建立提供了坚实的条件和基础；而现代人们对生活品质的追求及现代社会健康水平的需要，也促成了“健康医学工程”理念的发展。因而提出“健康医学工程”的概念正当其时，非常必要。

通过十几年的探索，专家学者们已经提出了健康新定义[2]和健康学[3]。健康新定义有严格和通俗之分，严格定义立足人的宏观整体、重视现代医学、含有中医理念。其核心内容是，健康是在不同健康活力和伤害因素的共同作用下，人呈现出的各种状态的统称。通俗定义仅指健康状态好或更好，这是通常情况下人们说的“健康”的真实含意。如“祝您健康”，就是祝您的健康状态好或更好。

基于健康新定义的健康学也有宏观和狭义之分，宏观健康学强调能引起健康状态变化的因素很多，主要因素可分为两类，这里称为两个参变量，即增活力和治病。宏观健康学主要不是叙述两个参变量的具体内容，而是分析两个参变量的内含、特点、作用，它们的投入、效益以及研究它们的关系和规律的科学。政府应是实施宏观健康学的主导者。狭义健康学是除治病以外，对能够增加人类健康活力、减少伤害因素、使身体活力增加、提高健康水平、减少疾病发生的各种理论、方法、手段、措施等进行研究、解释、创新、实施的科学。

明确了什么是健康，阐述了健康学的定义和内容，可为建立“健康医学工程”理念奠定逻辑基础。由此笔者提出“健康医学工程”的概念为：“健康医学工程”是利用生命科学、物理、化学理论，IT技术、3D打印、大数据以及工程学原理和方法，研究除治病以外，能够增加身体活力、减少伤害因素、提高生活质量，以及弥补一些人生理功能缺陷的理论、方法及手段，从而提高全民的健康水平。

因此，“健康医学工程”可以视为生物医学工程学科的扩展，其与生物医学工程相比，主要有以下特点：①对象不同：“健康医学工程”的研究或服务对象是占人口大多数、没有明显疾病症状的“健康人”和慢性病患者，以及数量庞大的残疾人和因老龄引起的某些功能退化的老年人群；而生物医学工程学在医学领域的主要研究对象是疾病患者。②目标不同：“健康医学工程”的目标主要是提高广大民众的健康水平、生活质量及弥补有生理缺陷人的身体机能，提高他们的工作能力和生活质量；而生物医学工程学在医学领域的目标主要是为治病、防病服务。③方法和器具不同：“健康工医学工程”采用的是能增强身体组织器官活力的方法，如适合各种人群的体育运动、健身及康复活动等。这就需要研究其中最有效的方法，开发相应的仪器、器械和用具；而生物医学工程在医学领域主要是运用工程技术手段开发用于医学的生物学制品、材料、加工方法、植入物、医疗器械和信息科学等方法。

3 “健康医学工程”的主要研究内容

健康医学工程应把立足点从单纯治疗疾病扩展到增加身体活力、提高生活质量及健康水平及弥补生理缺陷的高度，由此可发现有许多方面需要研究。近年的研究领域主要有以下几方面。

3．1 生命基础理论方面

3．1．1 相关基因研究

基因不仅与疾病有关，也一定与健康状况有关。将来有可能通过基因工程、分子生物学的研究，找到健康状况的基因表达方式。通过检测基因就能了解人体活力和健康状况，从而可有的放矢地进行相关研究以提高人类健康水平。

3．1．2 与健康相关的特异蛋白质

最近，斯坦福大学医学院的Tony Wyss-Coray教授团队通过检测血液中373种蛋白质的水平，就可较为准确地预测人的生理年龄[4]。美国SomaLogic公司的Williams研究小组[5]研究发现,血浆蛋白模式可作为健康的综合指标，血浆蛋白表达模式可显著编码多种不同的健康状态、未来的疾病风险和生活方式。这说明，深入研究血液中的蛋白质种类与表达水平，就可反映某人的健康情况，从而为提高人们的健康水平服务找到科学依据。

3．1．3 训练与端粒长度的变化

端粒是染色体末端的保护帽，它会随着细胞分裂次数的增加而变短。如果端粒长度变得太短，细胞就会停止分裂和更新。因此，端粒长度可以表示细胞的衰老程度。人体组织都是由细胞组成的，所以染色体端粒长度也就可在一定程度上代表组织、器官以及一个人生物学年龄或衰老程度。

最近有研究表明，端粒改变不只与细胞分裂次数有关，还与训练有关。而且它的变化速度可能比以前想象的要快，或许只需要1到6个月的心理或身体训练就可使其拉长[6]。若这点得到确认，也就是在细胞、分子层面证明训练可以增强活力和延缓衰老；并可用来验证某种训练的效果或用于创造新的有效训练方法。因此，这方面的研究对提高人们的健康水平具有重要意义。

3．2 相关的生理学理论

3．2．1 体育锻炼

众所周知，体育锻炼可在一定程度上提高健康水平。但锻炼的种类、方式很多，其强度、时间以及不同的身体状况也与其效果直接相关。因此深入研究有关生理学理论，以及哪种运动适合何种人，锻炼过程中的强度、时长、频率等与锻炼效果间的关系是很有必要的。

3．2．2 毒物双相剂量效应

人们会受到包括电离辐射、有害微生物、生物毒素、有害化学物质、恶劣环境条件、体内有害物质、外力致伤等各种能对人体造成伤害的物质或因素，这里把它们称为广义的“毒物”。很多毒物只有在超过一定阈值时才会对身体造成伤害。在阈值以下，身体不仅会用自身的恢复、再生、免疫功能，对损伤进行完全修复，而且在这个过程中，还会变得更有活力，机能更强，即更健康。这也被称为“毒物的双相剂量效应”。

健康学一般不使用药物和治疗方法。利用“毒物的双相剂量效应”是提高组织活力和健康水平的重要方法之一。近年来这方面的研究发展很快，仅在2017年一年之内，与毒物双相剂量效应有关的文章就超过9 300篇[7]。这些内容应属于“健康医学工程”的研究领域。

3．2．3 运动效果的生理学机理

目前，对于通过运动提高健康水平的研究多侧重于耗氧运动，而且已有文献报道，有氧运动可使海马体增加[8]。海马体参与记忆处理，它会随年龄增长逐渐缩小，是老年痴呆患者中最先受到破坏的功能性组织之一。因此证明有氧运动可延缓衰老，但对于太极拳、瑜伽这类耗氧少的运动研究较少。最近的研究结果表明，瑜伽也可与有氧运动一样可使大脑结构和功能得以改变[9]。“健康医学工程”可对这类运动的效果及机理进行深入研究，以用于提高人类的健康水平。

3．3“健康医学工程”涵盖的工程技术

对于人类的健康方面，目前通常遵从的是医学模式。即有病治病，没病的最大希望是保持现状。而“健康医学工程”的最终目的是使人体增加活力，变得更健康，从而提高生活质量，这就必然需要很多新方法、新材料及新设备，即有很多工程方面的事需要去做。再加上设法弥补残疾人和一些老人的功能缺陷，在工程方面需要做的事情也很多。

3．3．1 检测仪器

研究揭示提高健康水平的原理，以及检测健康水平是否提高，活力是否增加，都离不开仪器设备。无论是开发通过基因、特异蛋白质、端粒的变化等来测量健康状况的设备，还是研制测量肌肉力量和关节的活动能力、活动范围，四肢的反应速度等功能的仪器，都需要使用工程技术进行研制和生产。

3．3．2 新体育用品和健身器械的研发

竞技运动和为提高广大人们的健康水平的运动是有区别的。前者是争取最高水平，一般是以对体质好、水平较高的少部分人进行重点培养为主；而后者的目的是为提高全民的健康水平及提高生活质量，所以需开发适合各种身体状况人的运动，包括亚健康人群及一些慢病患者适合的运动，自然需要研制相应的体育用具。如这几年兴起的柔力球就可算是一种适合老年人的康复运动。

健身器械是为提高人们健康水平而设计的。应该能够达到消耗较多能量、使人体较多组织和器官得到锻炼的目的；但现有的产品对此作用有限。如双位漫步机，看似腿的活动幅度很大，但实际上消耗的能量很少，膝关节也几乎没有屈伸运动。因此研制高效的健身器械也离不开工程技术。

3．3．3 健康辅助器械

弥补残疾人和老年人退化、缺失功能亟需研制适合的健康辅助器具。其特点是种类多，数量大，且需高新技术的支撑。如外骨骼、功能缺失人的人机对话设备以及服务于功能缺失老人的机器人等。

3.4 国家卫生与健康管理大数据平台

近年来，有学者提出“建立国家卫生与健康管理大数据平台的总体设想”[10]。即在医疗卫生与健康领域，如医疗机构、医疗信息平台、健康信息平台、数字化诊疗仪器、可穿戴个人健康设备、智能健康电子产品等设备会生成海量的健康医疗信息，从而形成健康医疗大数据。构建健康医疗大数据平台，并对其数据进行挖掘与利用，可在疾病诊疗与管理、健康评价与管理、医疗器械研发等领域起到积极作用，从而可在“健康医学工程”领域从根本上改变人类的就医方式及健康维护方式，形成一种全新的医疗健康服务模式[11]。大数据平台不仅能完善国家卫生保障体系、提高医疗管理水平及效率，还能在慢病防控、提升人类健康水平等方面起到重要作用，从而促进全民健康产业的发展，具有现实及长远的战略意义。