浅谈大数据时代下的生物医学工程发展趋势

邵帅 汪鹏飞

摘要：随着我国越来越强大，中国经济也在发展，科技信息技术不断发展，中国已经进入了大数据时代。大数据时代已经对社会的各个方面产生了巨大的影响，并扩展到了各个领域。在大数据时代背景下，生物医学工程领域呈现出新的面貌并不断发展。

关键词：浅谈;大数据时代;生物医学工程;发展趋势

1生物医学工程概述

生物医学技术是连接现代生命科学、医学和技术的一门新兴边缘学科。它的发展主要得益于物理、化学和工程技术的不同原理和方法在医疗行业的应用，为了提高医疗设备、材料和研究工具的质量，充分满足医疗行业临床诊疗的实际需要。近年来，随着我国科学技术的发展，一些技术在医学领域得到了广泛的应用，同时也获得了许多医疗产品，为中国医疗产业的发展做出了重大贡献。20世纪以来，我国图像的诊断和功能形成方法迅速发展，出现了几种新的医疗方法，并使用了基于新材料的辅助医疗设备[1]。根据研究目标，生物医学工程可分为四个领域：生物医学材料、生物医学工程器械、生物医学康复和远程诊断与治疗系统。这亦需要不断更新医生在医学方面的知识，以应付现阶段对这方面专业人才的真正需求。

2生物医学工程与大数据的密切联系

2.1生物医学工程的基本概念及其应用技术

生物医学工程是一系列更广泛的学科，包括生物学、医学、电子和材料工程的理论和方法。主要目的是利用工程技术和方法研究生物和医学问题，以期加以解决。所采用的技术主要包括生物医学传感器、信号处理和检测方法、医学图像处理方法，临床处理和实验室分析方法[2]。

2.2生物医学工程数据的特点

生物医学工程数据主要包括生物学、医学、工程等。这些数据有五个主要优点：

2.2.1有相当大数量的数据：这些数据来自多个方面，因此收集的数据情况复杂多样;

2.2.2数据结构不同：主要原因是在数据库中表示非建设性数据不太方便;

2.2.3数据无法合理量化：主要原因是数据结构和相关特征无法用定义的公式表示;

2.2.4数据冗余会导致冗余数据量增加，导致大量数据毫无意义，并非所有数据都很重要;

2.2.5数据的总体准确性相对较低：在收集生物信号时，空气中的噪声污染无法很好地避免，这将导致差生数据中的错误[3]。

3生物医学工程的数据挖掘方法

3.1基于大数据大量、多样特征的NoSQL数据库

NoSQL即NotOnlySQL，它不再是传统关系数据库的领先存储库，这种关系数据库是一个快速增长、互不关联的数据库。这种类型的数据存储不需要对表结构进行初步设计，也不会导致表连接或水平分割。

NoSQL支持非关系型数据存储（如下图），不需要创建完整的数据字段，并且必须始终提前搜索有效的存儲。但是，在关系数据库中，很难添加或删除完整的字段。例如，在提供有效数据收集的生物医学过程中，大量数据没有特定的存储结构，这时，就体现了大数据和非建设性数据的存储的重要性。

3.2基于大数据高速、价值特征的Hadoop技术

Hadoop是一个处理大量数据的软件框架，主要包括两个方面：（1）Hadoop分布式文件系统：它主要用作存储系统。其主要工作方式是将源数据复制并分发到服务器集群点，然后使用一个或多个应用程序对节点进行分析和处理;（2）MapReducer建立的软件框架和编程模型可以在很大程度上管理分布式应用程序。

4大数据时代下生物医学工程在影像及介入医学的应用

4.1影像介入技术

随着医疗技术的发展，计算机影像学也在发展（如图所示），特别是在有前途的微创新技术方面。根据透射器件的不同，结合大数据，微透视方法主要包括：X射线/CT、超声和磁共振治疗。介入超声由于其设备轻便、操作简便、无辐射等优点，深受医护人员及病人欢迎。

4.2介入放射学

介入放射学技术在1895年血管造影后提出并应用，引起了全世界医学界的广泛关注。从那时起，全世界的研究和应用都在增加。其范围正在扩大。

介入放射学具有创伤小、疗效好的特点。世界上大多数医疗机构都建立了不同规模的独立干预部门。介入放射学技术外科治疗已变得司空见惯，甚至取代了国内外对某些疾病的外科治疗[5]。

4.3CT引导下的微创

随着数字技术、大数据和医学的融合，生物医学不仅在诊断和治疗设备方面取得了重大进展，也在彻底改变诊治方法。它包括基于CT的组织穿刺活检、脑血肿切除和腰椎间盘突出症定位等立体定位方法。

4.4超声引导微创技术

在中国，半个多世纪前，超声被应用于临床诊断。与其他医学图像相比，超声具有许多优点（如无放射性、无创伤、成本低、设备简单、比率快、便于更多的随访等），而且还可以动态观察身体或器官，更直观地了解身体的病理变化，因此，此外，在超声手段的作用下，在治疗甲状腺、乳腺、肝脏等疾病方面取得了良好的效果。目前，在临床治疗中的应用越来越广泛，特别是在小肿瘤的治疗中，可以获得超声治疗。它不仅反映了21世纪现代医学的发展方向，而且以精确的定义论证了其医学发展模式。介入超声手段的临床应用使其成为最具发展前景和学术性的医疗体系。近十年来，这项由超声成像和医学工作专家创造和开发的新的主题技术，应用于泌尿外科、肝胆外科、血管外科、麻醉和骨科等多个诊所，这不仅加速了这一手术的推广和认可，此外，肿瘤和各种技术的全球应用取得了巨大进展，生物医学工程在临床实践中的重要作用也得到了证实。

5生物医学工程在临床中的应用及发展

5.1微创技术

“微创技术”贯穿于整个医学发展过程。通过大量的数据分析，这是未来医学发展的方向。其概念是基于微创手术的概念，其实质是内窥镜技术。它是一种通过微创手段达到最佳治疗效果，这是传统手段所不具备的，被归类为“微创方法”，如超声介入、放射学、内镜检查、内镜检查和显微手术。这些创新和发明得到了生物、工程、医学和其他学科整合的补充。

5.2内镜技术

在中国，内镜技术起步较晚，但发展迅速。目前，纤维内窥镜已广泛应用于国内临床工作。随着科学技术和医学的发展，内镜得到了不同程度的发展和改进。诊断和治疗过程变得越来越简单和微创。这是最全面、最先进的新型微创技术。例如，有更轻的胶囊内窥镜，反映了生物医学工程的重要性。

5.3腔镜技术

上世纪80年代末，腔镜技术的发展取得了质的飞跃，最重要的是腹腔境技术的发展。1992年，荀祖武第一次开始做胆囊腹腔镜手术后，腔镜技术发展迅速。到目前为止，腔镜技术已广泛应用于外科的各个领域，并且目前，三维腹腔镜和达芬奇机器人操作在国内外广泛存在。

6生物医学工程展望

6.1生物医学工程学与其他学科的多学科合作

微创新技术需要不断的研究，这就需要我们形成临床思维，即微创技术的创新——微创医学的长期发展;在微观层面，利用伟大的国家卫生改革政策，有望在未来五年内，将继续发展和推广微型创新技术，例如作为对现有非侵入性技术的综合系统改进，整合各种技术，创新发展新技术。但是，微创医学的发展今天仍然面临着巨大的挑战，特别是学科间的激烈竞争，医疗资源配置和专业优势可以体现。因此，我们不仅要进一步加快科学和人才的发展，还要在预防医学、基础医学、临床医学等领域发展多边合作，进一步加快生物医学工程步伐，创造新的医学方法，生产新的设备，最终造福于所有学科、患者和医生。

6.2通过数据完成医疗整合

近年来，随着临床亚专业和亚专科的进一步完善，医学发展模式在诊断和治疗水平上有了一定程度的提高，但伴随着医学知识和诊断和治疗方法的碎片化和机械化，还是改变不了“头痛医头、脚痛医脚”的问题。许多著名医学学者和专家在中国综合医学大会上的发言中指出，要通过大数据，整合医学，实现医学模式的转变，这决定着未来医学发展的方向。对保护人类健康有着积极的意义，而不是像今天这样简单地“看医生”。

6.3应用大数据进行精准医疗

美国前总统奥巴马在2015年1月30日的国情咨文中表示，美国正式启动了“精确医学”计划。从2011年初开始，美国科学院工程研究所国家卫生研究所和美国科学委员会联合发起了“精准医学”倡议。前四个研究机构在大数据支持下的联合举措，指出了未来医学的方向，代表了未来精准医学的发展方向。以往的研究模式都是以試验为基础，不但不涉及临床问题，根本不符合临床需要。一种新的临床驱动医学模式目前提供了精确的医学。精确医学的发展旨在应用更精确的医疗工具和设备，通过大数据的加持，完成生物医学工程和其他学科的整合，最后达到精准医疗的目的。

6.4诊疗远程网络化

在医院诊断过程中，远程医疗网络主要是指医生在远程医疗的基础上，利用互联网技术对患者进行体检。同时，通过检查获得的诊断数据通过互联网传输，并存储在医疗报告中，以确保正确执行某些操作。此外，通过医疗管理信息平台，还可以将原纸病例转化为电子病例，大大提高了所有病例的保存概率，减少了损失。同时，使用电子日历也可以方便医生就医，病人可以检查自己的病情，从而提供更方便的与医生沟通，处理医生与患者之间的关系。

6.5医疗仪器智能小型化

新诊断工具的出现，体积小，智能，适应人体结构，使医生能够方便快捷地控制患者。例如，当患者佩戴智能手环时，医生可以实时跟踪人体的微小变化，包括血糖水平的变化，血压、血液蛋白等，并提出合理的建议和解决方案，将其与普通人体相关的数据进行比较。

总的来说，生物医学工程是一门新兴的科学，它充分利用了现代工程研究的成果来解决与医学有关的问题。渗透到自然科学和医学领域的工程技术是一个跨学科领域。它已成为推动医学发展的日益强大的动力，医学的发展又有利于生物医学工程的发展。二者形成了相互依存、相辅相成的关系。因此，要取得科研成果，必须以养护为基础，以科研为先导，走科学、工程、医学全球化发展的道路。只有这样，才能促进其巩固和发展，占据其学术地位，促进生物医学工程的发展和创新。在大数据时代，生物医学工程将得到更快的发展，使人类健康发展，合理配置医院资源和设备，有利于最大限度地利用医院资源，确保医院的良好发展。

参考文献：

[1]漆家学，栗文彬，尤富生.浅谈生物医学工程专业任职教育的发展趋势[C].中国医药教育协会成人教育委员会.中国成人医药教育论坛（4）.中国医药教育协会成人教育委员会：中国医药教育协会，2011：87-88.

[2]顾忠伟.生物医学材料：现状与发展趋势[C].中国科学技术协会、河南省人民政府.第十届中国科协年会论文集（三）.中国科学技术协会、河南省人民政府：中国科学技术协会学会学术部，2008：506-510.