智能醫(yī)學工程：新醫(yī)科的探索與實踐

［摘  要］智能醫(yī)學工程專業(yè)設立，標志著工程對醫(yī)學的支撐已經從早期的“醫(yī)工交叉”“醫(yī)工結合”的層次步入了“醫(yī)工融合”的階段。其培養(yǎng)目標是面向“健康中國2030”，培養(yǎng)具有家國情懷、全球視野、創(chuàng)新精神、實踐能力及人文關懷意識的國際化醫(yī)工復合型領軍人才和醫(yī)學拔尖創(chuàng)新人才。

［關鍵詞］智能醫(yī)學工程；新工科；新醫(yī)科

黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央高度重視人民健康問題，將健康中國和教育強國作為實現中華民族偉大復興的兩大根基。由此，醫(yī)學教育作為連接兩大戰(zhàn)略的樞紐，獲得了難得的歷史發(fā)展機遇，但同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為更好地支撐健康中國戰(zhàn)略，教育部等部門于2018年10月印發(fā)了《關于加強醫(yī)教協(xié)同實施卓越醫(yī)生教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》。2019年4月，教育部在天津大學召開了“六卓越一拔尖”計劃2.0啟動大會，正式提出發(fā)展新工科、新醫(yī)科、新農科、新文科。新醫(yī)科建設以新一輪科技革命和產業(yè)變革為背景，既注重對現有的基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學培養(yǎng)體系的升級，同時也注重醫(yī)學與文、理、工、法各學科的交叉融合，著力發(fā)展精準醫(yī)學、轉化醫(yī)學、智能醫(yī)學等醫(yī)學新專業(yè)，培養(yǎng)學生運用交叉學科知識解決醫(yī)學前沿問題的能力，促進我國現階段的醫(yī)療模式向“環(huán)境-社會-心理-生物-工程”的現代醫(yī)學模式轉化，實現醫(yī)療從診治為主向覆蓋生命全周期、健康全過程發(fā)展。在這一背景下，教育部于2018年3月批準建立了全國首個智能方向的醫(yī)學類本科專業(yè)——智能醫(yī)學工程。本文將對智能醫(yī)學工程這一同時具備新工科和新醫(yī)科特征的新興專業(yè)的產生背景、學科內涵以及人才培養(yǎng)目標等進行簡要闡述。

智能醫(yī)學是工業(yè)革命4.0時代工程醫(yī)學的最新形態(tài)

醫(yī)學是人類為了生存，在與自然界的疾病和創(chuàng)傷作斗爭的實踐中產生和發(fā)展的一門學科。醫(yī)學的發(fā)展，先后經歷了原始醫(yī)學、古代經驗醫(yī)學、近代生物醫(yī)學等不同的發(fā)展階段。而現代醫(yī)學的飛速發(fā)展，則始于工業(yè)革命以來物理、化學、生物學等自然科學的重大發(fā)現以及工程技術的強力支撐。20世紀50年代，醫(yī)學與工程的結合產生了新興的生物醫(yī)學工程學科，生物醫(yī)學工程技術的發(fā)展使得百余年來現代醫(yī)學所取得的成就超過了以往所有世紀的總和。各種新型的醫(yī)學影像儀器、醫(yī)學檢驗儀器、手術儀器、監(jiān)護儀器、康復儀器以及各種家用醫(yī)療設備層出不窮，醫(yī)學工程已經與傳統(tǒng)的醫(yī)、藥一起，構成了現代醫(yī)學不可或缺的組成部分，貫穿了疾病的預防、診斷、治療和康復等各個環(huán)節(jié)。醫(yī)學工程技術的廣泛應用也使得現代醫(yī)學進入到了一個“工程醫(yī)學”（Engineering-based Medicine）的階段。

21世紀以來，隨著第四次工業(yè)革命的興起，大數據、云計算、人工智能以及機器人等新興技術發(fā)展，促使醫(yī)學模式面臨又一次重大變革，工程醫(yī)學最終進化到“智能醫(yī)學”的階段。與傳統(tǒng)的醫(yī)學模式相比，智能醫(yī)學模式具有以下特點：一是以患者為中心。隨著醫(yī)療裝備的微型化、網絡化、家庭化和智能化，以及可穿戴設備、互聯網、5G移動通信等技術的發(fā)展，醫(yī)療的場景逐漸延展至患者家庭，形成以患者為中心的個性化的精準醫(yī)療和健康管理。由智慧醫(yī)院、區(qū)域醫(yī)療中心、家庭自助健康監(jiān)護終端所構成的三級遠程醫(yī)療網絡，將逐漸取代原有的以醫(yī)院為中心的醫(yī)療模式，極大緩解我國現階段“看病難”“看病貴”等一系列社會問題，并在疫情等重大災難發(fā)生時，迅速形成有效的防御和救助體系。二是由大數據驅動。通過可穿戴或可植入設備，醫(yī)生可全天候地實時獲取患者的生理、心理數據，再加上患者的各類基因組學、代謝組學、影像組學數據，以及通過物聯網獲取的行為學數據等，在理想情況下，醫(yī)生可在數字空間形成一個完整的、全方位的患者的數字醫(yī)療映像。通過對數字映像的大數據分析、追蹤，可形成針對患者個體的精準醫(yī)療方案，通過對虛擬患者診療過程的模擬、推演以及藥物試錯、療效評估，我們可極大降低誤診的風險，提高疾病的治愈率。同時，針對某一特定的疾病，可通過匯聚海量的患者數據，利用數據挖掘的手段，從中找出隱含的、以往未知的、具有潛在醫(yī)學價值的信息，從而揭示疾病的發(fā)生發(fā)展規(guī)律。尤為有趣的是，醫(yī)療大數據的挖掘，有可能突破人類思維的局限，從意想不到的角度啟迪新的醫(yī)學發(fā)現。三是人機協(xié)同。在智能醫(yī)學階段，人工智能將發(fā)揮越來越重要的作用，協(xié)助人類醫(yī)生完成海量醫(yī)學數據的處理、手術機器人的操控等，從而將人類醫(yī)生逐步從低端的重復性、重體力勞動中解放出來，轉而從事更為高端的綜合決策、復雜病例研究等工作。因此，如果說工程醫(yī)學的目標是應用工程技術手段輔助診療的話，那么在智能醫(yī)學階段，將形成一種新型的人機協(xié)作的形式，完成疾病的智能診斷和精準治療。

智能醫(yī)學的人才需求與培養(yǎng)目標

智能醫(yī)學（Intelligent Medicine，IM）是醫(yī)學未來的發(fā)展方向，它是以現代醫(yī)學與自然科學理論為基礎，融合先進的大數據與云計算、腦科學與人工智能、智能感知與機器人等技術，挖掘人的生命和疾病現象的本質及規(guī)律，探索人機協(xié)同的智能化診療方法和臨床應用的一門新興交叉學科。

智能醫(yī)學的發(fā)展理念十分契合我國現階段醫(yī)療資源短缺且分布不均、老齡化日益嚴重的現狀。因此，智能醫(yī)學具有廣闊的市場前景。相關數據顯示，2016年至2018年全球智慧醫(yī)療服務支出年復合增長率約為60%，2019年全球智慧醫(yī)療服務產業(yè)規(guī)模達到4000億美元。在國內，華為、阿里、百度、騰訊、京東、小米等互聯網企業(yè)均在加大投入，布局大健康產業(yè)?？梢灶A計，在“十四五”乃至今后很長一段時間內，智能醫(yī)學將形成一個巨大的產業(yè)鏈，由此將產生大量就業(yè)機會和人才缺口。

智能醫(yī)學的發(fā)展，需要兼具深厚的數理基礎、完備的醫(yī)學知識、前沿的智能工程技術手段，能夠綜合運用所學知識進行臨床轉化創(chuàng)新的高素質復合型人才。因此，智能醫(yī)學工程（Intelligent Medical Engineering，IME）的專業(yè)培養(yǎng)目標，是面向“健康中國2030”國家戰(zhàn)略，秉承深度融合醫(yī)理工相關學科的建設理念，培養(yǎng)具有家國情懷、全球視野、創(chuàng)新精神、實踐能力及人文關懷意識的國際化醫(yī)工復合型領軍人才和醫(yī)學拔尖創(chuàng)新人才。具體培養(yǎng)目標包含以下幾個方面：第一，具備寬厚的自然科學、人文社科基礎知識，掌握豐富的現代醫(yī)學、生命科學、工程科學基本理論；第二，具備信息時代的醫(yī)學科學思維以及面向前沿智能科技的工程實踐能力，具備將新興工程技術手段與不斷涌現的醫(yī)學需求相融合的創(chuàng)新能力；第三，具備批判性思維、探索精神和創(chuàng)新意識以及自主學習與終身學習能力，能夠應對不斷發(fā)展變化的科技革命浪潮；第四，具備廣闊的國際視野、較強的溝通交流能力以及團隊合作精神，能夠在一個多學科、多文化背景的團隊中發(fā)揮領導作用。

作為醫(yī)工深度融合的學科，智能醫(yī)學工程把臨床需求作為出發(fā)點和落腳點，關注生命健康全周期，布局醫(yī)學與智能的交叉融合、轉化創(chuàng)新，打通醫(yī)學從“實驗室”到“手術臺”的通路橋梁。智能醫(yī)學工程專業(yè)學生的知識架構如圖1所示。

圖1 智能醫(yī)學工程的知識架構

其核心是醫(yī)療健康大數據的智能感知、智能分析、智能決策，以及在此基礎上形成的精準醫(yī)療。此外，還包括虛擬現實、腦機接口等新興智能人機交互技術以及對智能所產生的生理、心理機制的深入研究。核心之下，是人工智能、物聯網、精密機械、電子信息等相關工程技術，以及醫(yī)學影像學、醫(yī)學診斷學、醫(yī)學信息學等醫(yī)學技術所形成的支撐；核心之上，則是智能醫(yī)學所應用的各種場景；最底層，則是數理、人文等相關的通識教育及醫(yī)學基礎知識。

針對未來的大健康產業(yè)，智能醫(yī)學工程專業(yè)的畢業(yè)生將對智慧醫(yī)院、區(qū)域醫(yī)療中心、家庭自助健康監(jiān)護三級網絡中的醫(yī)學現象、醫(yī)學問題和醫(yī)療模式有更深入的理解，因而，相比于其他專業(yè)，智能醫(yī)學工程專業(yè)的學生能夠熟練地將人工智能、互聯網等技術應用于醫(yī)療信息大數據的智能采集、智能分析以及智能診療、臨床實踐等各個環(huán)節(jié)。

學生畢業(yè)后能夠在大型綜合性醫(yī)院或醫(yī)療機構中從事智能醫(yī)學圖像處理、智能檢驗、智能手術、精準醫(yī)療、智能康復、智能醫(yī)學病案管理、遠程醫(yī)療等相關工作，或在高校、研究院所、人工智能以及智能醫(yī)療相關企業(yè)中從事智能醫(yī)學儀器的研發(fā)、智能醫(yī)學系統(tǒng)的搭建、智能醫(yī)學數據的挖掘等工作。

此外，智能醫(yī)學中的“智能”也包括對人腦生物智能的相關研究。在當下所流行的人工智能+諸多領域中，唯有人工智能+醫(yī)學是雙向的，不僅包括了人工智能技術在醫(yī)學中的應用，還包含了腦科學、神經科學等相關醫(yī)學領域成果對人工智能的回饋，指導深度學習、類腦計算等相關技術的發(fā)展。因此，智能醫(yī)學工程專業(yè)的畢業(yè)生在人工智能相關的科研和工程領域也具有較強的競爭優(yōu)勢。

智能醫(yī)學工程與新醫(yī)科建設

在人才培養(yǎng)方面，我國現階段的醫(yī)學教育相對封閉，缺少人文環(huán)境以及理工學科的支撐，醫(yī)理、醫(yī)工、醫(yī)文融合不足。智能醫(yī)學工程專業(yè)的建立，是新醫(yī)科的嘗試。它是我國首個也是目前唯一一個在醫(yī)學門類中授予工學學位的本科專業(yè)，標志著工程對醫(yī)學的支撐已經從早期的“醫(yī)工交叉”“醫(yī)工結合”的層次步入了“醫(yī)工融合”的階段。智能醫(yī)學工程站在醫(yī)學的角度看工程，能更準確地將醫(yī)學中的需求翻譯為工程中的設計指標，并傳遞到工程設計與制造的各個環(huán)節(jié)，從而將轉化醫(yī)學的概念由基礎研究拓展至了工程領域。

智能醫(yī)學工程打破了“先理后醫(yī)”的固有思路，在學生學習精力最旺盛的本科階段同時開展醫(yī)學教育與工程訓練。與傳統(tǒng)的生物醫(yī)學工程不同，智能醫(yī)學工程加大了醫(yī)學課程的權重，其課程體系中，人文數理等通識課程、工程訓練和醫(yī)學課程的比重各占1/3。在低年級階段，除工程訓練外，學生需要學習全部的基礎醫(yī)學課程以及部分臨床醫(yī)學課程。但智能醫(yī)學工程的定位并不是培養(yǎng)臨床醫(yī)生。因此，在高年級乃至研究生階段，學生不需要進行規(guī)培等大量臨床實踐，而是轉向醫(yī)學科學的相關研究與工程實踐（圖2）。最終目標是培養(yǎng)具有醫(yī)學知識和工程能力的醫(yī)學科學家。

圖2 智能醫(yī)學工程與臨床醫(yī)學 

2018年，教育部批準天津大學、南開大學兩所高校建立了全國首批智能醫(yī)學工程專業(yè)。天津大學設立了全國首個智能醫(yī)學工程博士點。同年，天津大學招收了全國首屆智能醫(yī)學工程本科生，并與天津醫(yī)科大學合作，進行聯合培養(yǎng)。

智能醫(yī)學工程專業(yè)的建立，帶動了天津大學醫(yī)學相關學科的建設，形成了“醫(yī)學牽引、工程支撐、轉化創(chuàng)新、臨床示范”的具有天大特色的醫(yī)學發(fā)展之路，探索了傳統(tǒng)工科院校興辦醫(yī)科的新范式，在國內外相關院校中引起了較強的反響。截至2020年，全國開設智能醫(yī)學工程專業(yè)的高校已由最初的2所增至25所，其中既包括南京醫(yī)科大學等獨立醫(yī)學院校，也包括東南大學等傳統(tǒng)工科強校，還包括山東大學、南昌大學等綜合性院校，這為新醫(yī)科建設以及健康中國戰(zhàn)略目標實現增添了新生力量。

【作者：何峰 萬亮 明東】

【作者單位：天津大學】

原載2021年第3/4期《中國高等教育》雜志