发挥一流学科支撑优势，建设智能医学工程专业*

谢建明，冷 玥，周光泉，顾忠泽

（东南大学生物科学与医学工程学院，江苏 210096）

人类社会进入21世纪，面临着“当今世界正经历百年未有之大变局”的新形势，大数据、人工智能（artificial intelligence，AI）、云计算、物联网、基因组、基因编辑等新技术快速发展并转化应用于医疗健康领域，正在颠覆医疗健康行业，也给生物医药产业带来变革性发展。中国工程院战略咨询中心联合科睿唯安等多家机构发布的《全球工程前沿2019》报告，针对医药卫生领域挖掘并剖析了10 项医学技术开发前沿和10 项未来医学技术研究前沿，明确指出人工智能在生物医药的应用是当前医学工程研究最热门的前沿方向之一[1]。数字医学、精准医学、转化医学、智能医学、智慧医疗等成为新的医学生长点和医学发展的未来方向，它们高度依赖于信息化技术和智能化技术。在高端医疗设备、生物医学大数据、医学人工智能等新技术引入临床实践后，医疗卫生领域正在发生数字化转型，重塑医疗实践和医学教育。我国于2019年启动了新医科专业建设，重视医学教育中的医工结合、医理结合、医企结合培养新模式，培养学生运用交叉学科知识解决医学复杂问题的能力[2]。美国伊利诺伊大学卡尔-伊利诺伊医学院成立“工程为基础的医学院”，培养作为工程与医学桥梁的“医生创新者”，在四年的医学教育中学习使用工程思维和工程技术解决临床医学中的挑战[3-4]。

2016年中共中央、国务院发布《“健康中国2030”规划纲要》，提出加强慢病防控、精准医学、智慧医疗等关键技术突破，培育健康医疗大数据应用新业态。2018年教育部发布《高等学校人工智能创新行动计划》，推进“新工科”建设，形成“人工智能+X”复合专业培养新模式，积极推动智能医疗应用示范。2018年，教育部批准天津大学、南开大学两所高校首次开设智能医学工程专业，该专业归属于医学门类中的医学技术类（101011T），学制四年，授予工学学士学位，旨在为加速人工智能技术在医疗健康领域的应用而培养复合型创新人才，服务于“健康中国2030”国家战略[2]。

东南大学于2019年向教育部申请专业备案，由生物科学与医学工程学院负责智能医学工程专业建设，并于2021年开展招生与人才培养工作。本文就东南大学开展智能医学工程专业建设的思路和人才培养方案进行交流，以促进该领域专门人才的培养。

1 优势学科支撑专业建设与人才培养

东南大学于上世纪80年代建设生物医学工程学科，2017年入选国家“双一流”学科，在2007、2012年的生物医学工程学科全国评估中排名第一，2017年学科评估为A+。自主设置神经信息工程、生物信息技术、医学影像与医学电子学、生物医学纳米技术、生物医学材料与器件等二级学科。拥有1 个国家重点实验室，1 个国家级实验教学示范中心，1 个国家“111 学科创新引智基地”，1 个国家级工程实践教育中心，1 个教育部重点实验室，以及1 个省级重点实验室，2 个省级产业技术研究（院）所。

2019年，东南大学生物医学工程专业被认定为国家级首批一流专业建设点。生物医学工程专业是理工医交叉融合的“新工科”专业，培养医工复合型创新人才，毕业生能够应用电子信息工程或生物医学材料工程的理论、方法和技术解决生物医学技术问题，研究发展新型生物医学材料、器件及医疗仪器设备等，应用于疾病的预防、诊断、治疗和康复。东南大学按照“厚基础、宽口径、重交叉、强创新”的培养路径，在医学电子、纳米材料和生物医学大数据三个方向开展工医复合型领军人才培养。

一流学科支撑一流专业的建设，一流人才的培养需要一流的师资、一流的科研与工程实践环境，这是东南大学开展智能医学工程专业建设的基本思路。新设置的智能医学工程专业将以生物医学工程专业中的生物医学大数据方向为基础，以神经信息工程、医学影像与医学电子学二级学科为支撑，由新成立的智能医学工程系联合脑与学习科学系开展专业建设，确定专业特色为智能医学影像、类脑智能、智能健康管理、基于AI 的脑科学研究等。

医学影像技术是生物医学工程学科的传统方向，是高端医疗设备的核心技术，例如磁共振（MRI）、彩色超声、计算机断层成像（CT）、正电子发射计算机断层扫描（PET）等技术。我国医学影像产业与欧美发达国家相比还处于相对落后阶段，但已经在快速追赶中，我国医院设备国产化率逐年提升。随着智能影像技术的发展，我国有望实现赶超，2020年首批9 个AI 医疗器械获得国家药品监督管理局的批文，其中主要是智能医学影像技术。以深度学习为代表的人工智能技术广泛应用于医学成像中，包括CT、MRI、PET 等技术的数据获取、图像重建、图像分析和理解等各个方面，在本次新冠疫情中被应用于临床胸片的自动分析和疾病诊断[5]。东南大学长期坚持医学影像方向的科学研究与人才培养，在MRI及波谱技术、CT、智能超声技术等领域有较深入的研究，同时运用功能磁共振技术用于儿童抑郁症患者的脑功能网络研究，并与英国伯明翰大学、剑桥大学建立了长期合作研究关系。此外，在生物分子成像领域也建立了优秀的研究团队。根据专业建设的需要，将进一步培养和引进本领域的优秀人才，加强师资队伍建设。

东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室创建于2006年，以神经教育学为主要研究方向，立足于儿童学习的神经基础及检测技术、儿童关键智能的发展与评测，以及神经教育学与探究式科学教育研究，建立了从神经递质、基因、生理、心理、脑功能到行为可开展系统性儿童发展与学习科学的转化研究平台。开展基于脑电（EEG）、功能磁共振（fMRI）、近红外等脑信息获取和处理技术研究，发展EEG/fMRI 脑信号成像、建模、处理的方法，用于儿童社会情绪能力的分析与长期追踪，研究中国儿童社会情绪能力的发展规律、测评方法以及教育干预。应用人工智能与机器学习技术开展情感计算的理论研究，基于视频数据分析儿童情绪，取得了丰硕成果，获得国家技术发明二等奖。东南大学于2018年成立脑科学与智能技术研究院，与美国艾伦脑研究所等世界一流研究机构合作，定位于脑科学前沿领域，为全世界提供脑科学大数据资源，并开展脑科学研究相关的高通量组学研究、基于脑芯片的生物人工智能器件开发、脑机接口的神经调控技术等方面工作。基于可穿戴设备、EEG、fMRI、基因组、转录组学等多组学异源大数据的分析研究儿童智能及其发展；使用深度学习、机器学习、知识工程等人工智能技术开展生物医学大数据分析并应用于儿童智能发育评估或成年人健康管理；研究脑启发的AI 算法等等，这些学科方向将反哺智能医学工程专业人才培养。

作为生物医学工程学科领域唯一的国家重点实验室—生物电子学国家重点实验室，运用信息科学原理和方法，通过发展新型的材料、器件和系统，研究生物系统中信息的获取、传感、存储、分析和处理方法及其应用，揭示生物信息的产生、转换、传输、控制、计算以及作用等规律，从信息工程的角度认识、利用和改造生命。长期以来，在生物芯片、高通量测序技术、人体器官芯片、生物计算、多模态分子影像、健康大数据分析等前沿研究方向上获得大量重要的研究成果，建成“生物信息大数据”等通用性研究平台以及“分子影像”“器官芯片”“基因分析”“智能感知”等专业研究平台。在生物信息获取与传感方向研究生物信息的处理和分析方法，发展可穿戴和（或）可植入生物传感装置；在生物信息系统及应用方向研究神经信息处理原理，发展脑机混合智能及控制技术。将器官芯片应用于药物筛查研究中，使用AI技术开展药靶筛查、新型药物分子构建、药物有效性及安全性预测等药物研发工作。生物电子学国家重点实验室将为人才培养提供高阶性实验实践环境，为学生早进实验室、早开展研究、早参与国家级科研项目提供支持。

2 立德树人，以价值引领、专业认证为导向，研制人才培养方案

智能医学工程专业是典型的新工科专业，学科建设采用融合创新范式，包括新理念、新模式、新方法、新内容、新质量[6]。新工科以立德树人为根本任务，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[7]。

依据《东南大学2020 一流本科教育行动计划化》所提出的“培养具有家国情怀和国际视野、担当引领未来和造福人类的领军人才”本科人才培养目标[8]，结合当前生物医学工程专业的建设现状和发展方向，学院非常重视对智能医学工程专业建设的顶层设计，对师资队伍、专业培养方案、课程体系、实验实践体系、创新创业实践环境、教学质量保障机制的建设思路和实施路径进行了整体规划，如图1所示。通过专业建设专题研讨会、学士学位授予权申请专家评审会、全球校友创新创业研讨会等不断完善专业建设方案和人才培养方案。

智能医学工程专业建设将依托生物医学工程一流学科、A+学科，作为生物医学工程专业国家级一流专业建设点的重要组成部分，在师资、课程体系、实验实践等教学资源上实行共享共建。建设以长江学者特聘教授等为专业带头人，包括10 名教授、19 名副教授的高水平专业师资队伍，为本专业开放包括生物电子学国家重点实验室在内的所有学科基地，由生物医学工程国家级实验教学示范中心统一负责实验实践教学环节的建设、实施和教学质量评估。

以东南大学生物医学工程课程思政示范专业的建设为契机，根据教育部颁布的《高等学校课程思政建设指导纲要》，紧紧抓住立德树人根本任务，从政治认同、家国情怀、文化素养、宪法法治意识、道德修养等五个一级维度挖掘思政元素，开展智能医学工程专业的课程思政顶层设计，并加强生命伦理、工程伦理、使命感和责任感、创新与奉献精神等思政元素的挖掘、开发案例库融入课程教学。通过实施校级教改项目“提升‘智能医学工程’专业课程思政建设能力的路径研究”，采取教师培训、课程研讨、集体备课、思政案例库建设等多种措施提升教师开展课程思政建设的意识和教学能力，并作为基层教学组织建设的重要工作内容。以价值塑造各项指标点分解融入各门课程，形成“门门有思政、课课有特色、人人重育人”的良好局面。见图1。

图1 专业建设顶层设计，人才培养各要素与资源整合

按照生物医学工程（类）专业教学质量国家标准及工程教育专业认证的要求，以毕业要求中“知识、能力、素养”的达成度为指导开展专业课程体系的研制和课程建设，形成理工（智能）医交叉融合的课程体系，并建立课程评价和毕业生的学习成效反馈机制，以实现培养方案的持续改进，培养具有家国情怀和国际视野，能够勇担使命、引领未来、造福人类的智能医学工程领域领军人才。

3 坚持多学科融合、医学问题牵引，开展专业课程体系建设

与生物医学工程专业相比，智能医学工程专业在培养中更侧重于人工智能在临床医学中的应用，需要增加医学类和人工智能类课程。对国内兄弟专业进行了广泛调研，并组织多次培养方案的研讨，结合学科特色，初步形成了理工（智能）医多学科交叉融合的课程体系，如图2所示，体现了通识课—自然科学—工程基础—生物医学—人工智能课程模块的交叉与融合。与生物医学工程专业有相同的通识课程、大类学科基础课和部分专业主干课，两个专业的课程体系主要区别在于4 门专业主干课，在智能医学工程专业中增加了属于医学类课程的临床概论和属于人工智能模块的人工智能导论、认知神经科学、机器学习与应用，相应减少了电路基础等偏重于医学电子的课程。在专业核心限选课中增加了医学影像诊断学等医学类课程。医学基础包括分子与细胞、人体解剖与生理两门课程。目前，智能医学工程专业在生物科学类进行大类招生和一年级大类培养，分析化学课程是大类培养的需要。该课程体系体现了东南大学的专业特色，即生物医学大数据分析和脑科学研究，都有强有力的学科支撑，对应2 个学科方向，分别设立2 组专业方向限修课，一组为医学影像诊断学和医学图像处理，另一组为教育与心理学原理和健康信息获取与分析，并对应这2 个方向开设较多的专业选修课。

图2 智能医学工程专业课程体系

东南大学生物医学工程专业于1984年创建，在1988年与南京医科大学合作办学7年制工医双学位，2000年调整为本硕7年一贯制，在工医复合型人才培养模式上积极开展探索，积累了丰富的办学经验，系统构建了“科学与技术、工程与医学、创新与转化”三融合、本硕博一贯通高端人才培养体系，并荣获2021年江苏省教学成果奖一等奖。智能医学工程专业将继续实践该人才培养体系（图1），创设需求引导、课内交互、课外大讲堂、联合指导的知行融汇的探究式教学模式，以解决医学真实问题为导向重塑课程内容，驱动学生紧密结合医学解决方案和工程实际开展理论学习与实践，实现知行合一，在真实项目实施中实现多学科知识体系的建构。将聘请医院医生、企业工程师，为每位学生配备双/三导师，指导学生的课程学习和实践项目，保障教学质量。同时，还将依托东南大学-伯明翰大学生物医学工程联合研究中心，利用伯明翰大学世界顶尖的生物医学、脑科学和数据科学学科资源，构建生物医学大数据、脑影像和脑健康为核心的国际化课程群。

理工医课程体系涉及课程较多，对于学生知识体系的建构仍然是个挑战。课程总体过多、而医学课程相对较少；数理化通识基础课程较多、而与专业课程之间的知识体系性较弱；医学实践相对较少，与课程理论之间的融合不足。脑科学的研究成果建议教学过程中要关注学科学习的真实情境、关注学习期间的认知过程和学习结果、关注指导学习中认知过程的教学技能[9]。东南大学正在实施国家级新工科研究与实践项目“基于脑科学的生物医学工程通专融合课程与教材体系建设”，引入神经教育学的理念开展课程改革和建设，通过可穿戴设备、课堂视频等教学大数据的分析开展课程教学过程与质量评价指标的研究。以激发学生主动学习的愿望，通过创设问题情景，在课程教学中广泛开展基于问题、基于项目、设计为中心的探究式教学研究与实践，培养学生的工程思维、系统性思维、批判性思维和解决复杂问题的能力。

智能医学工程专业属于新工科、新医科的建设范畴，全国已有60 多个专业，分别在综合性大学或医科大学内设置，各专业的培养目标和课程体系各有特色，目前尚没有专业教学质量国家标准。以东南大学为牵头单位的国家级生物医学工程专业虚拟教研室，正在联合国内兄弟专业开展智能医学工程专业的调研、专业建设、课程和教材建设，来促进本专业的建设，高质量培养智能时代的医工复合型人才。