范振英 王向華 李宸 張超

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津300192

0 引 言

生物醫(yī)學(xué)工程（BME）學(xué)主要運用現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)手段，研究和解決生物學(xué)、醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題，為疾病的預(yù)防、診斷、治療及康復(fù)等方面提供科學(xué)依據(jù)。其目的是解決醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題，提高人類健康水平，屬一門發(fā)展迅速具有高度綜合的交叉學(xué)科。這是它最大的特點。隨著社會的進步及生活水平的不斷提高，人類平均壽命呈逐年上升趨勢，很多沒有明顯疾病的人（亞健康人群），以及高血壓、糖尿病等慢性病患者，盡管通過長期服用藥物可以維持基本的正常生活，但他們都非常希望進一步提高自身的健康水平，以增加幸福感、獲得感及安全感。由于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)用于醫(yī)學(xué)的主要目的是治療疾病，而這個領(lǐng)域不是醫(yī)生能夠解決的；另外，殘疾人是一個龐大的群體，越來越受到關(guān)注；老年人由于生理功能逐年退化或喪失，也需要相應(yīng)的康復(fù)方法。因此研制康復(fù)輔助器具彌補他們?nèi)笔У墓δ芤蕴岣咂涔ぷ髂芰蜕钯|(zhì)量，就顯得越來越重要。這些需求亟待將現(xiàn)在的生物醫(yī)學(xué)工程范疇擴展到醫(yī)療衛(wèi)生與健康領(lǐng)域，即使用現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)，研究和解決這些問題以提高人們的健康水平并彌補一些殘疾人生理機能缺失等方面的問題。這些領(lǐng)域由于與現(xiàn)在的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)在研究目的、對象、方法等方面存在較大差別，因此，“健康醫(yī)學(xué)工程”的理念應(yīng)運而生，其可為在醫(yī)療衛(wèi)生與健康領(lǐng)域遇到的諸多問題更有針對性地提供科學(xué)依據(jù)和解決方案。

1 提出“健康醫(yī)學(xué)工程”概念的意義

過去幾千年以來，由于生產(chǎn)力水平低下，民眾需竭盡全力才可求得生存，有病能夠得到有效治療、能堅持勞動、養(yǎng)家糊口是其基本的生活目標；而沒有條件去考慮如何更健康地生活，更沒有可能利用科學(xué)技術(shù)手段來提高身體的健康水平。新中國建立初期，人的壽命也較短，當(dāng)時我國的人均壽命只有35歲[1]。隨著社會發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們生活條件與醫(yī)療條件均得到極大地提高和保障，有數(shù)據(jù)顯示，目前，我國的人均壽命已提高到77歲[1]?，F(xiàn)在大批的中老年人，不僅追求長壽，還特別渴望身體健康、快樂享受生活，增加幸福感和獲得感，甚至把健康看作是人生最重要的追求。即從之前以治病為目的發(fā)展為以追求身體健康、提高生活水平為需求。

因此，要提高人類的健康水平，離不開現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的支撐。除了發(fā)展生物醫(yī)學(xué)工程及臨床醫(yī)學(xué)以外，亟待針對慢病患者、殘疾人和一些因老齡而引起生理功能退化或缺失的老年人，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為他們研發(fā)、提供相應(yīng)的康復(fù)方法及輔助器具、健康監(jiān)測儀器等。這也是“健康醫(yī)學(xué)工程”的一個重要且極具意義的方面。

2 “健康醫(yī)學(xué)工程”的概念

現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展為“健康醫(yī)學(xué)工程”理念的建立提供了堅實的條件和基礎(chǔ)；而現(xiàn)代人們對生活品質(zhì)的追求及現(xiàn)代社會健康水平的需要，也促成了“健康醫(yī)學(xué)工程”理念的發(fā)展。因而提出“健康醫(yī)學(xué)工程”的概念正當(dāng)其時，非常必要。

通過十幾年的探索，專家學(xué)者們已經(jīng)提出了健康新定義[2]和健康學(xué)[3]。健康新定義有嚴格和通俗之分，嚴格定義立足人的宏觀整體、重視現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、含有中醫(yī)理念。其核心內(nèi)容是，健康是在不同健康活力和傷害因素的共同作用下，人呈現(xiàn)出的各種狀態(tài)的統(tǒng)稱。通俗定義僅指健康狀態(tài)好或更好，這是通常情況下人們說的“健康”的真實含意。如“祝您健康”，就是祝您的健康狀態(tài)好或更好。

基于健康新定義的健康學(xué)也有宏觀和狹義之分，宏觀健康學(xué)強調(diào)能引起健康狀態(tài)變化的因素很多，主要因素可分為兩類，這里稱為兩個參變量，即增活力和治病。宏觀健康學(xué)主要不是敘述兩個參變量的具體內(nèi)容，而是分析兩個參變量的內(nèi)含、特點、作用，它們的投入、效益以及研究它們的關(guān)系和規(guī)律的科學(xué)。政府應(yīng)是實施宏觀健康學(xué)的主導(dǎo)者。狹義健康學(xué)是除治病以外，對能夠增加人類健康活力、減少傷害因素、使身體活力增加、提高健康水平、減少疾病發(fā)生的各種理論、方法、手段、措施等進行研究、解釋、創(chuàng)新、實施的科學(xué)。

明確了什么是健康，闡述了健康學(xué)的定義和內(nèi)容，可為建立“健康醫(yī)學(xué)工程”理念奠定邏輯基礎(chǔ)。由此筆者提出“健康醫(yī)學(xué)工程”的概念為：“健康醫(yī)學(xué)工程”是利用生命科學(xué)、物理、化學(xué)理論，IT技術(shù)、3D打印、大數(shù)據(jù)以及工程學(xué)原理和方法，研究除治病以外，能夠增加身體活力、減少傷害因素、提高生活質(zhì)量，以及彌補一些人生理功能缺陷的理論、方法及手段，從而提高全民的健康水平。

因此，“健康醫(yī)學(xué)工程”可以視為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的擴展，其與生物醫(yī)學(xué)工程相比，主要有以下特點：①對象不同：“健康醫(yī)學(xué)工程”的研究或服務(wù)對象是占人口大多數(shù)、沒有明顯疾病癥狀的“健康人”和慢性病患者，以及數(shù)量龐大的殘疾人和因老齡引起的某些功能退化的老年人群；而生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要研究對象是疾病患者。②目標不同：“健康醫(yī)學(xué)工程”的目標主要是提高廣大民眾的健康水平、生活質(zhì)量及彌補有生理缺陷人的身體機能，提高他們的工作能力和生活質(zhì)量；而生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的目標主要是為治病、防病服務(wù)。③方法和器具不同：“健康工醫(yī)學(xué)工程”采用的是能增強身體組織器官活力的方法，如適合各種人群的體育運動、健身及康復(fù)活動等。這就需要研究其中最有效的方法，開發(fā)相應(yīng)的儀器、器械和用具；而生物醫(yī)學(xué)工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要是運用工程技術(shù)手段開發(fā)用于醫(yī)學(xué)的生物學(xué)制品、材料、加工方法、植入物、醫(yī)療器械和信息科學(xué)等方法。

3 “健康醫(yī)學(xué)工程”的主要研究內(nèi)容

健康醫(yī)學(xué)工程應(yīng)把立足點從單純治療疾病擴展到增加身體活力、提高生活質(zhì)量及健康水平及彌補生理缺陷的高度，由此可發(fā)現(xiàn)有許多方面需要研究。近年的研究領(lǐng)域主要有以下幾方面。

3．1 生命基礎(chǔ)理論方面

3．1．1 相關(guān)基因研究

基因不僅與疾病有關(guān)，也一定與健康狀況有關(guān)。將來有可能通過基因工程、分子生物學(xué)的研究，找到健康狀況的基因表達方式。通過檢測基因就能了解人體活力和健康狀況，從而可有的放矢地進行相關(guān)研究以提高人類健康水平。

3．1．2 與健康相關(guān)的特異蛋白質(zhì)

最近，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Tony Wyss-Coray教授團隊通過檢測血液中373種蛋白質(zhì)的水平，就可較為準確地預(yù)測人的生理年齡[4]。美國SomaLogic公司的Williams研究小組[5]研究發(fā)現(xiàn),血漿蛋白模式可作為健康的綜合指標，血漿蛋白表達模式可顯著編碼多種不同的健康狀態(tài)、未來的疾病風(fēng)險和生活方式。這說明，深入研究血液中的蛋白質(zhì)種類與表達水平，就可反映某人的健康情況，從而為提高人們的健康水平服務(wù)找到科學(xué)依據(jù)。

3．1．3 訓(xùn)練與端粒長度的變化

端粒是染色體末端的保護帽，它會隨著細胞分裂次數(shù)的增加而變短。如果端粒長度變得太短，細胞就會停止分裂和更新。因此，端粒長度可以表示細胞的衰老程度。人體組織都是由細胞組成的，所以染色體端粒長度也就可在一定程度上代表組織、器官以及一個人生物學(xué)年齡或衰老程度。

最近有研究表明，端粒改變不只與細胞分裂次數(shù)有關(guān)，還與訓(xùn)練有關(guān)。而且它的變化速度可能比以前想象的要快，或許只需要1到6個月的心理或身體訓(xùn)練就可使其拉長[6]。若這點得到確認，也就是在細胞、分子層面證明訓(xùn)練可以增強活力和延緩衰老；并可用來驗證某種訓(xùn)練的效果或用于創(chuàng)造新的有效訓(xùn)練方法。因此，這方面的研究對提高人們的健康水平具有重要意義。

3．2 相關(guān)的生理學(xué)理論

3．2．1 體育鍛煉

眾所周知，體育鍛煉可在一定程度上提高健康水平。但鍛煉的種類、方式很多，其強度、時間以及不同的身體狀況也與其效果直接相關(guān)。因此深入研究有關(guān)生理學(xué)理論，以及哪種運動適合何種人，鍛煉過程中的強度、時長、頻率等與鍛煉效果間的關(guān)系是很有必要的。

3．2．2 毒物雙相劑量效應(yīng)

人們會受到包括電離輻射、有害微生物、生物毒素、有害化學(xué)物質(zhì)、惡劣環(huán)境條件、體內(nèi)有害物質(zhì)、外力致傷等各種能對人體造成傷害的物質(zhì)或因素，這里把它們稱為廣義的“毒物”。很多毒物只有在超過一定閾值時才會對身體造成傷害。在閾值以下，身體不僅會用自身的恢復(fù)、再生、免疫功能，對損傷進行完全修復(fù)，而且在這個過程中，還會變得更有活力，機能更強，即更健康。這也被稱為“毒物的雙相劑量效應(yīng)”。

健康學(xué)一般不使用藥物和治療方法。利用“毒物的雙相劑量效應(yīng)”是提高組織活力和健康水平的重要方法之一。近年來這方面的研究發(fā)展很快，僅在2017年一年之內(nèi)，與毒物雙相劑量效應(yīng)有關(guān)的文章就超過9 300篇[7]。這些內(nèi)容應(yīng)屬于“健康醫(yī)學(xué)工程”的研究領(lǐng)域。

3．2．3 運動效果的生理學(xué)機理

目前，對于通過運動提高健康水平的研究多側(cè)重于耗氧運動，而且已有文獻報道，有氧運動可使海馬體增加[8]。海馬體參與記憶處理，它會隨年齡增長逐漸縮小，是老年癡呆患者中最先受到破壞的功能性組織之一。因此證明有氧運動可延緩衰老，但對于太極拳、瑜伽這類耗氧少的運動研究較少。最近的研究結(jié)果表明，瑜伽也可與有氧運動一樣可使大腦結(jié)構(gòu)和功能得以改變[9]?！敖】滇t(yī)學(xué)工程”可對這類運動的效果及機理進行深入研究，以用于提高人類的健康水平。

3．3“健康醫(yī)學(xué)工程”涵蓋的工程技術(shù)

對于人類的健康方面，目前通常遵從的是醫(yī)學(xué)模式。即有病治病，沒病的最大希望是保持現(xiàn)狀。而“健康醫(yī)學(xué)工程”的最終目的是使人體增加活力，變得更健康，從而提高生活質(zhì)量，這就必然需要很多新方法、新材料及新設(shè)備，即有很多工程方面的事需要去做。再加上設(shè)法彌補殘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 檢測儀器

研究揭示提高健康水平的原理，以及檢測健康水平是否提高，活力是否增加，都離不開儀器設(shè)備。無論是開發(fā)通過基因、特異蛋白質(zhì)、端粒的變化等來測量健康狀況的設(shè)備，還是研制測量肌肉力量和關(guān)節(jié)的活動能力、活動范圍，四肢的反應(yīng)速度等功能的儀器，都需要使用工程技術(shù)進行研制和生產(chǎn)。

3．3．2 新體育用品和健身器械的研發(fā)

競技運動和為提高廣大人們的健康水平的運動是有區(qū)別的。前者是爭取最高水平，一般是以對體質(zhì)好、水平較高的少部分人進行重點培養(yǎng)為主；而后者的目的是為提高全民的健康水平及提高生活質(zhì)量，所以需開發(fā)適合各種身體狀況人的運動，包括亞健康人群及一些慢病患者適合的運動，自然需要研制相應(yīng)的體育用具。如這幾年興起的柔力球就可算是一種適合老年人的康復(fù)運動。

健身器械是為提高人們健康水平而設(shè)計的。應(yīng)該能夠達到消耗較多能量、使人體較多組織和器官得到鍛煉的目的；但現(xiàn)有的產(chǎn)品對此作用有限。如雙位漫步機，看似腿的活動幅度很大，但實際上消耗的能量很少，膝關(guān)節(jié)也幾乎沒有屈伸運動。因此研制高效的健身器械也離不開工程技術(shù)。

3．3．3 健康輔助器械

彌補殘疾人和老年人退化、缺失功能亟需研制適合的健康輔助器具。其特點是種類多，數(shù)量大，且需高新技術(shù)的支撐。如外骨骼、功能缺失人的人機對話設(shè)備以及服務(wù)于功能缺失老人的機器人等。

3.4 國家衛(wèi)生與健康管理大數(shù)據(jù)平臺

近年來，有學(xué)者提出“建立國家衛(wèi)生與健康管理大數(shù)據(jù)平臺的總體設(shè)想”[10]。即在醫(yī)療衛(wèi)生與健康領(lǐng)域，如醫(yī)療機構(gòu)、醫(yī)療信息平臺、健康信息平臺、數(shù)字化診療儀器、可穿戴個人健康設(shè)備、智能健康電子產(chǎn)品等設(shè)備會生成海量的健康醫(yī)療信息，從而形成健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)。構(gòu)建健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)平臺，并對其數(shù)據(jù)進行挖掘與利用，可在疾病診療與管理、健康評價與管理、醫(yī)療器械研發(fā)等領(lǐng)域起到積極作用，從而可在“健康醫(yī)學(xué)工程”領(lǐng)域從根本上改變?nèi)祟惖木歪t(yī)方式及健康維護方式，形成一種全新的醫(yī)療健康服務(wù)模式[11]。大數(shù)據(jù)平臺不僅能完善國家衛(wèi)生保障體系、提高醫(yī)療管理水平及效率，還能在慢病防控、提升人類健康水平等方面起到重要作用，從而促進全民健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有現(xiàn)實及長遠的戰(zhàn)略意義。

4 展望

綜上所述，隨著社會的發(fā)展及人類生活水平的提高，人口老齡化的趨勢愈發(fā)明顯，渴望提高健康水平的人數(shù)不僅日益龐大，而且非常迫切。此外，還有數(shù)量巨大的殘疾人，也希望提高生活質(zhì)量以融入社會。這些都是構(gòu)建“健康醫(yī)學(xué)工程”的巨大原動力和目標。

隨著生命科學(xué)、IT技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、物理、化學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，以及學(xué)科發(fā)展中不斷涌現(xiàn)出的如基因工程、健康大數(shù)據(jù)分析、3D打印等新興科技手段，為建立和發(fā)展“健康醫(yī)學(xué)工程”研究創(chuàng)造了非常有利的條件。

因此，醫(yī)工結(jié)合是社會發(fā)展的必然趨勢?！敖】滇t(yī)學(xué)工程”研究領(lǐng)域有望成為造福人類、發(fā)展迅速的一門新的學(xué)科。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突