序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了一篇生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用特色分析范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用特色分析:應(yīng)用型生物醫(yī)學(xué)工程人才培養(yǎng)模式

摘要：

科研與教學(xué)的互動是高校的重要特征，是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要手段。針對當(dāng)前高校科教融合中所存在的問題以及生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科背景與特色，桂林電子科技大學(xué)依托生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的優(yōu)勢科研資源，凝聚老師與學(xué)生的科教相融的共識，將老師的科學(xué)研究與本科教學(xué)過程、學(xué)生第二課堂緊密結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)實踐能力，探索并實施科教融合的應(yīng)用型生物醫(yī)學(xué)工程人才培養(yǎng)模式，取得了良好的成效。

關(guān)鍵詞：

生物醫(yī)學(xué)工程；科教融合；人才培養(yǎng)模式

全面提高教育教學(xué)質(zhì)量，必須不斷拓展人才培養(yǎng)資源與渠道，將多方面的辦學(xué)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為人才培養(yǎng)的優(yōu)勢。人才培養(yǎng)與科學(xué)研究是高校的主要職能，實現(xiàn)兩者的有機融合，對于提高人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義[1，2]。科教融合是指科學(xué)研究與教書育人有機地結(jié)合，充分發(fā)揮高校科學(xué)研究的優(yōu)勢培育高素質(zhì)專業(yè)人才。生物醫(yī)學(xué)工程是一門理、工、醫(yī)高度融合與交叉的學(xué)科，應(yīng)用型生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)主要培養(yǎng)具有扎實的生物醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)理論基礎(chǔ)以及醫(yī)學(xué)與電子信息相結(jié)合的工程技術(shù)能力，能在醫(yī)療器械、醫(yī)療衛(wèi)生等相關(guān)行業(yè)從事工程技術(shù)開發(fā)、服務(wù)、管理和教育等工作的應(yīng)用型人才[3]。全面推進科教融合，可以有效地培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程本科生的創(chuàng)新能力和動手實踐能力，進而提高其專業(yè)基本能力與素質(zhì)。但在高校人才培養(yǎng)過程中，科學(xué)研究與人才培養(yǎng)往往沒有得到很好地結(jié)合，主要表現(xiàn)在三個方面。一是學(xué)校重視科研而輕視教學(xué)，提升高校科學(xué)研究能力與水平，學(xué)校可以獲得更多地經(jīng)費、吸引大量地生源、獲得更高的聲譽。同時，在教師職稱評定、崗位聘任、年終考核，甚至資源分配的過程中，以承擔(dān)科研項目的數(shù)量、的情況等作為考察重點，而授課內(nèi)容、課時量甚至教學(xué)方式和效果僅僅作為參考方面不起決定性作用。二是老師往往重視科研、忽視教學(xué)工作。部分老師教學(xué)熱情不夠，為教學(xué)而教學(xué)，沒有站在人才培養(yǎng)的高度去教學(xué)，由于科研任務(wù)繁重，占據(jù)了大師的工作時間，在教學(xué)上面所花的時間與精力相對較少。三是本科生參與科研項目的機會相對較少[4]。一方面大學(xué)期間學(xué)生的課程學(xué)習(xí)壓力比較大，很難有地時間參與專業(yè)方面的科學(xué)研究；另一方面本科期間在專業(yè)知識的掌握程度還不高，基礎(chǔ)還不扎實，在老師的科研項目中所起到的作用甚少，老師更希望研究生來參與科研項目。針對當(dāng)前高校科教融合所存在的普遍的問題以及生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科背景與特色，我校生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院利用廣西生物醫(yī)學(xué)工程重點學(xué)科、八桂學(xué)者崗位、廣西工程技術(shù)研究中心等生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)相關(guān)的優(yōu)勢學(xué)科研究平臺，以及以國家科技支撐計劃項目、國家自然科學(xué)基金項目等主要的重大科研項目和以廣西八桂學(xué)者為帶頭人的高端師資隊伍為主的科學(xué)研究資源，積極制訂相關(guān)措施與政策，將學(xué)科平臺和科研資源帶入到人才培養(yǎng)過程中去，切實提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

一、定期舉辦以科教融合為主題的討論活動，凝聚專業(yè)老師與學(xué)生的共識

科教融合，思想先行。不僅要讓專業(yè)老師認識到科教融合的重要性，更要讓學(xué)生在思想上認識到科教融合是提升學(xué)生專業(yè)實踐能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。因為學(xué)生是科教融合的主體，只有學(xué)生愿意參與，老師愿意參與指導(dǎo)，才可能實質(zhì)性地提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。學(xué)院定期舉辦學(xué)院層面的專題討論，圍繞科研服務(wù)本科教學(xué)的模式與途徑這一主題展開討論，甚至將一些典型案例在會上進行分享。在討論會上，除了專業(yè)老師參與外，學(xué)生代表也應(yīng)出席，通過老師與學(xué)生面對面的交流，可以逐步凝聚大家對科教融合模式的共識，還可以讓老師與學(xué)生進行相互地了解，為更好地貫徹科教融合專業(yè)實踐活動奠定基礎(chǔ)。科教融合對于老師與學(xué)生雙方面都是受益的。一方面，科教融合可以讓學(xué)生接受到最新的前沿專業(yè)知識，既可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和專業(yè)實踐能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的社會適應(yīng)能力，可以成為課堂教學(xué)的有效或者不可或缺的補充。另一方面，學(xué)生的思維方式比較活躍，跳躍性較強，老師可以在與學(xué)生的交流過程中獲得新的科研思路。科教融合的實施不僅是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑，更是推動“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的重要舉措和動力源泉。

二、將老師科研成果引入理論與實踐教學(xué)，實現(xiàn)科學(xué)研究與教學(xué)過程的有機融合

課堂教學(xué)是實施專業(yè)教育的主要陣地，是教師給學(xué)生傳授知識和技能的全過程。要求任課老師在課程教學(xué)內(nèi)容上進行改革，結(jié)合自身的科學(xué)研究實施課堂教學(xué)和專業(yè)教育，既可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時增強的課堂教學(xué)效果[5]。我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)定位于培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)電子儀器行業(yè)的工程應(yīng)用型人才，在課程教學(xué)內(nèi)容上要求老師圍繞這一核心安排教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)計劃的制定和實施中，結(jié)合老師的科學(xué)研究，充分體現(xiàn)解決醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵工程技術(shù)問題能力的培養(yǎng)要求，在課程體系設(shè)計、教學(xué)活動組織、教學(xué)方式的探索、學(xué)生成績的考核等方面，增加科教融合方面的內(nèi)容。比如在有限的課時內(nèi)，改革了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)基礎(chǔ)課《算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》的授課內(nèi)容，增加與生物醫(yī)學(xué)儀器研制直接相關(guān)的算法方面的知識點，如插值、擬合等，在課程教學(xué)過程中結(jié)合老師在生物醫(yī)學(xué)信息檢測方面的科學(xué)研究組織教學(xué)內(nèi)容。又比如在《傳感器原理》、《醫(yī)學(xué)儀器原理》等專業(yè)課程的教學(xué)中，要求老師有一定的科學(xué)研究的經(jīng)歷，并在醫(yī)學(xué)儀器的研究中取得了一定的科學(xué)研究成果。改革實驗課堂教學(xué)和課程設(shè)計的組織形式，要求教師在教材的編寫與選擇、教學(xué)內(nèi)容與方法、作業(yè)布置與評改等環(huán)節(jié)與領(lǐng)域貫徹工程實踐能力培養(yǎng)要求，注重理論與實際的緊密結(jié)合，特別鼓勵專業(yè)老師結(jié)合科學(xué)研究中的關(guān)鍵技術(shù)問題設(shè)計實驗項目，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

三、讓學(xué)生參與科研項目研究，實現(xiàn)科學(xué)研究與學(xué)生第二課堂的有效融合

第二課堂的作用是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)興趣，拓寬專業(yè)知識面，培養(yǎng)專業(yè)思維能力、動手能力和創(chuàng)新能力。第二課堂的開展必須遵循適應(yīng)性、創(chuàng)新性和主體性原則，即第二課堂應(yīng)當(dāng)與大學(xué)生的專業(yè)培養(yǎng)目標相適應(yīng)，要以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標，同時應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性，過程應(yīng)有一定的挑戰(zhàn)性。老師的科學(xué)研究與學(xué)生的第二課堂活動有效融合，對于提升學(xué)生專業(yè)工程實踐能力具有重要的意義[6]。它既體現(xiàn)了“教師主導(dǎo)，學(xué)生主體”的指導(dǎo)思想，也由于科研項目本身具有一定的創(chuàng)新性，學(xué)生實質(zhì)性地參與老師科研項目的過程具有一定的挑戰(zhàn)性，對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和專業(yè)素養(yǎng)具有重大地促進作用。我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的第二課堂活動的開展主要是圍繞學(xué)生參與生物醫(yī)學(xué)傳感與儀器、生物醫(yī)學(xué)信息處理等方面科研項目的研究。第一，定期向?qū)W生公開教師科研課題，讓學(xué)生選擇參加老師科研項目。要求老師認真指導(dǎo)學(xué)生專業(yè)科技活動，讓學(xué)生實質(zhì)參與。要求大學(xué)一、二年級的學(xué)生以閱讀文獻、參與學(xué)術(shù)討論等方式參與課題，大三和大四學(xué)生可以參與科學(xué)實驗、數(shù)據(jù)分析等項目研究過程。第二，鼓勵老師從科研項目中凝練大學(xué)生創(chuàng)新項目由學(xué)生承擔(dān)，除了承擔(dān)國家級和廣西自治區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)新項目外，學(xué)院還設(shè)立專項經(jīng)費，定期支持一批院級大學(xué)生創(chuàng)新項目，并明確鼓勵學(xué)生結(jié)合指導(dǎo)老師承擔(dān)的科研課題的研究內(nèi)容組織申報。第三，鼓勵老師從科研項目中根據(jù)畢業(yè)設(shè)計的要求，擬定畢業(yè)設(shè)計題目，供學(xué)生承擔(dān)。在2015屆本科畢業(yè)設(shè)計題目中，有超過50%的題目與老師的科研項目有關(guān)，還有20%左右的題目與學(xué)生承擔(dān)的大學(xué)生創(chuàng)新項目有關(guān)。第四，積極組織學(xué)生參加學(xué)校組織的科協(xié)協(xié)同育人計劃項目。依據(jù)我校《科教協(xié)同育人計劃項目管理辦法》的規(guī)定，學(xué)生參與老師主持的科研項目，完成一定的科研工作，通過學(xué)校的考核后可以替代部分課程設(shè)計、實習(xí)甚至畢業(yè)設(shè)計的學(xué)分。一方面大大地激發(fā)了學(xué)生參與科研項目的興趣，另一方面由于需要完成一定的科研任務(wù)才能獲得相應(yīng)的學(xué)分，這給了學(xué)生一定的責(zé)任與任務(wù)，同時也可以協(xié)助老師完成科研項目的研究。第五，依托生物醫(yī)學(xué)電子領(lǐng)域的企業(yè)和大型醫(yī)院建立完善的專業(yè)實習(xí)實踐基地，為學(xué)生提供更多地來自于生產(chǎn)實際的科研資源，依托合作企業(yè)或醫(yī)院的專業(yè)技術(shù)人才，建立指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)研究的專業(yè)師資隊伍。加強校企醫(yī)合作，充分利用企業(yè)和醫(yī)院的資源培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)工程實踐能力，派出學(xué)生到企業(yè)或者醫(yī)院通過實習(xí)、做畢業(yè)設(shè)計等方式實質(zhì)性參與專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)研究。

四、擴大學(xué)科科研平臺的開放，實現(xiàn)科學(xué)研究與人才培養(yǎng)過程的無縫對接

對于生物醫(yī)學(xué)工程這一工科專業(yè)來說，實驗室既是實驗教學(xué)的重要陣地，也是培養(yǎng)工程實踐創(chuàng)新人才的基礎(chǔ)平臺。學(xué)科科研平臺面向本科生開放，建立健全實驗室開放機制，切實增加學(xué)生專業(yè)工程實踐的機會，是實施科教融合過程，保障科教融合效果的重要手段[7]。學(xué)院立足專業(yè)辦學(xué)實際情況，加強實驗平臺硬件保障，構(gòu)建實踐教學(xué)共享平臺，出臺了《實驗室開放的管理辦法》，完善了學(xué)院的實驗室管理制度，規(guī)范了本科生進入實驗室的管理，既為學(xué)生進入實驗室從事專業(yè)實踐活動提供了方便，也加強了學(xué)生的安全責(zé)任意識以及實驗室的有序管理。經(jīng)過近幾年的實踐，已經(jīng)構(gòu)建并形成了符合學(xué)院學(xué)科專業(yè)特點的學(xué)生進實驗室模式與制度。在周末、在晚上都會有學(xué)生在實驗室進行實驗。專業(yè)老師經(jīng)常在實驗里直接指導(dǎo)學(xué)生參與專業(yè)實踐活動。總之，通過近幾年鼓勵生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生融入老師的科研項目研究活動中，取得得了良好的成效，提升了學(xué)生的專業(yè)實踐能力。學(xué)生參與科研項目研究的積極性得到了大大地提高，直接參與老師科研項目的比例達到了30%以上，還有大約40%的學(xué)生通過大學(xué)生創(chuàng)新項目、畢業(yè)設(shè)計的形式參與了科學(xué)研究。學(xué)生在科學(xué)研究的過程中取得了良好的研究成果，近3年，本科生發(fā)表科研論文30余篇，申請各類專利15件，獲得各類科技競賽獎勵20余人次，而且這些本科生研究成果在逐年提高。

作者：陳洪波 單位：桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院

生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用特色分析:淺探問題驅(qū)動法在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)電子技術(shù)課程中的應(yīng)用

摘 要：針對生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)電子技術(shù)課程偏重于理論教學(xué)，無法與專業(yè)特色相關(guān)聯(lián)的問題，本文提出將問題驅(qū)動的教學(xué)模式應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的電子技術(shù)課程，探討了在實施過程中教師需要考慮的問題。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)；生物醫(yī)學(xué)工程；問題驅(qū)動

1 引言

生物醫(yī)學(xué)工程是綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的理論和方法而發(fā)展起來的新興學(xué)科，其主要研究方向是運用工程技術(shù)手段，研究和解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的有關(guān)技術(shù)問題保障人類健康為疾病的預(yù)防、診斷、治療和康復(fù)服務(wù)[1]。多學(xué)科的交叉使得生物醫(yī)學(xué)工程不同于那些經(jīng)典的學(xué)科，也有別于生物醫(yī)學(xué)和純粹的工程學(xué)。我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是工程技術(shù)為主，醫(yī)學(xué)知識相結(jié)合的專業(yè)，以培養(yǎng)能在醫(yī)療儀器、醫(yī)學(xué)信息處理等領(lǐng)域從事研發(fā)、教學(xué)、管理等工作的人才為目標。電子技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程研究和醫(yī)療儀器開發(fā)中有著重要作用，任何一臺現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器或設(shè)備中都需要電子技術(shù)完成信息檢測與處理、系統(tǒng)控制等核心功能[2]。

“電子技術(shù)”包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)兩門主要課程，課程的技術(shù)性和實踐性較強。通過理論知識的學(xué)習(xí)要求學(xué)生掌握電子技術(shù)的基本概念，基本電路和基本技能，同時相關(guān)的實驗培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、動手能力、創(chuàng)新能力以及自主設(shè)計的基本能力[3]。目前，國內(nèi)很多高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)開設(shè)的電子技術(shù)理論和實驗課程都普遍存在著一些問題：

（1）理論知識和實驗內(nèi)容與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的關(guān)聯(lián)性不突出；

（2）偏重于理論教學(xué)為主，實驗為輔，學(xué)生被動的接受知識，學(xué)習(xí)興趣不高；

（3）實驗內(nèi)容固定，驗證性實驗過多，缺乏學(xué)生自主創(chuàng)新的設(shè)計性實驗。因此，探索切實可行的適合于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的電子技術(shù)課程的教學(xué)模式與教學(xué)方法已成為提高電子技術(shù)課程教學(xué)質(zhì)量的必然要求。

2 問題驅(qū)動法

問題驅(qū)動式教學(xué)方法近年來得到了很多教學(xué)人員的關(guān)注，在眾多的課程中得到了應(yīng)用[4-5]。百度百科中定義：問題驅(qū)動教學(xué)法即基于問題的教學(xué)方法（Problem-Based Learning，PBL），區(qū)別于傳統(tǒng)的LBL（Lecture-Based learning，LBL）[6]，PBL教學(xué)模式是一種以學(xué)生為主體、以專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的各種問題為學(xué)習(xí)起點，以問題為核心規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生圍繞問題尋求解決方案的學(xué)習(xí)方法。

問題驅(qū)動教學(xué)法要求學(xué)生與教師轉(zhuǎn)變在傳統(tǒng)LBL教學(xué)中的固有地位，學(xué)生由被動的知識接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥男畔⒓庸ふ吆椭R構(gòu)建者，教師從知識的灌輸者轉(zhuǎn)變成為學(xué)生主動加工信息、構(gòu)建知識的引導(dǎo)者。問題驅(qū)動教學(xué)法大概分為四個步驟：（1）提出問題；（2）分析問題；（3）解決問題；（4）結(jié)果評價[7]。教師在教學(xué)前期，要明確教學(xué)目標，設(shè)計執(zhí)行方案，提出問題。在教學(xué)過程中，教師安排學(xué)生活動，引導(dǎo)學(xué)生自主分析，相互討論和交流。然后在分析的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生們提出解決問題的方法，進行實踐。最后，對過程和結(jié)果進行評價。可以看出，問題驅(qū)動法能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性以及在教學(xué)過程中的參與程度，激起學(xué)生的求知欲。但是并不意味著教師的參與程度減少了，這種教學(xué)方法對教師的要求更高，教師必須具備較強的課堂掌控能力和引導(dǎo)能力。

《電子技術(shù)》課程作為是工科專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，具有理論性和實踐性并重的特點。其課程內(nèi)容、基本概念、技術(shù)術(shù)語、電路種類多，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難。為了提高電子技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量，很多學(xué)校都開展了電子技術(shù)課程的教學(xué)改革，其中問題驅(qū)動法就是選擇的新教學(xué)模式之一。但是，由于各種原因，如教學(xué)目標的定位、問題驅(qū)動法的理解、具體實施過程中的執(zhí)行力等，基于問題驅(qū)動法的教學(xué)改革并不是一帆風(fēng)順的。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，《電子技術(shù)》又有其特殊性，其課程的教學(xué)目標側(cè)重于讓學(xué)生掌握面向生物醫(yī)學(xué)及醫(yī)學(xué)儀器的電子技術(shù)，如果理論知識和實驗內(nèi)容與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的關(guān)聯(lián)性不突出，學(xué)生對于課程內(nèi)容在專業(yè)上的應(yīng)用不甚了解，就會影響到對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，甚至影響到將來從事生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)相關(guān)工作的能力。因此，有必要研究具有生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色的電子技術(shù)課程的問題驅(qū)動法。

3 問題驅(qū)動法的實施

進行問題驅(qū)動的教學(xué)模式，需要教師有效掌控和恰當(dāng)引導(dǎo)。下面，主要從教師的角度來闡釋需要注意的問題，對問題驅(qū)動法的四個步驟進行分析。

（1）提出問題；在課程開始之前，教師要制定問題，需要其具有全局的概念，考慮各方面因素，包括：教學(xué)大綱、培養(yǎng)方案、授課教材等。在問題的選擇上應(yīng)該考慮以下幾個方面[8]：

1）問題是否和某個單元的教學(xué)內(nèi)容相關(guān)；

2）問題是否對學(xué)生具有吸引力；

3）問題實施的時間和硬件條件是否能夠保證；

4）問題是否聯(lián)系實際，是否與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的應(yīng)用相關(guān)；

5）問題之間是否具有連續(xù)性，是否具有系統(tǒng)性；

為了突出生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特點，問題設(shè)計必須貼近專業(yè)應(yīng)用。問題之間最好具有關(guān)聯(lián)性，由小的模塊小的問題，最終組合而成大的模塊大的系統(tǒng)，解決與專業(yè)相關(guān)的問題。

舉例說明：在模擬電子技術(shù)中，所選用的教材為高等教育出版社出版，童詩白、華成英主編的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版》[9]。根據(jù)教材中的內(nèi)容，結(jié)合生醫(yī)專業(yè)應(yīng)用，可以圍繞心電信號檢測儀的各個模塊展開，設(shè)計以下問題：微弱生理信號放大、信號濾波、非矩形波整形為矩形波、直流電源設(shè)計。下表1中顯示設(shè)計問題與教材章節(jié)的知識點對應(yīng)。從表中可以看出，除了第九章的內(nèi)容沒有體現(xiàn)，其他章節(jié)的知識在問題中均有涉及。由于學(xué)時的限制，教材第九章的功率放大電路目前并不在本校生物醫(yī)學(xué)工程的模擬電子技術(shù)教學(xué)大綱中。

在布置問題的時候，加入情景帶入，首先向?qū)W生講解人體心電信號的特點，心電監(jiān)測的臨床意義，再提出心電監(jiān)測儀的采集、放大、濾波、整形、供電問題。其中在信號放大部分，涉及的知識點較多，要對前級放大和后級主放大進行分開設(shè)計和說明。隨著課程內(nèi)容不斷深入，問題不斷得到解決之后，可以將各個模塊組合，并加入右腿驅(qū)動電路或50Hz陷波電路，實現(xiàn)簡易的心電信號檢測電路。最后的整體電路進行實際人體測試，用示波器觀察信號，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)模擬

電子技術(shù)知識的同時，鍛煉了實踐動手能力，還能與專業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來，了解電子技術(shù)知識在生醫(yī)專業(yè)中的用武之地，一舉三得。

（2）分析問題；在課程教學(xué)中，教師按照進度向?qū)W生一一展示問題，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識，對問題進行分析。在這個階段，教師需要做到以下幾點：

1）引導(dǎo)學(xué)生進行分組，任務(wù)分配；

2）引導(dǎo)學(xué)生對問題內(nèi)容進行分析；

3）引導(dǎo)學(xué)生將問題與所學(xué)知識相關(guān)聯(lián)；

4）引導(dǎo)學(xué)生文獻查閱資料；

由于學(xué)生的基礎(chǔ)有限，在這個階段，可能會遇到以下情況：對問題的分析存在偏差，無法與知識點相結(jié)合、查閱獲取文獻的能力不足，教師要及時的提供幫助，在學(xué)生為主導(dǎo)的前提下，掌控整體過程。

（3）解決問題。在問題分析完成的前提下，學(xué)生提出解決問題的方案，并具體實施。教師需要考慮的是：

1）方案是否具有可行性；學(xué)生所提出的方法是否合理正確。對于存在問題的方案，是放手讓學(xué)生嘗試，還是進行適當(dāng)?shù)母深A(yù)提示其改正，需要教師結(jié)合具體情況進行操作。

2）方案實施是否順利；方案的實施需要時間與精力的付出，《電子技術(shù)》中的問題解決往往需要實際的電路焊接和調(diào)試環(huán)節(jié)，課程的學(xué)時如何安排，硬件實驗環(huán)境如何保證是教師需要考慮和協(xié)調(diào)的。此外，對于初次進行電路制作的學(xué)生，教師運用經(jīng)驗為學(xué)生提供元器件選擇和購買、電路焊接及調(diào)試訓(xùn)練等實踐方面的幫助，也是必不可少的。

解決問題的整個過程由學(xué)生完成，教師不可代辦，但是在適當(dāng)?shù)臅r候提供幫助，能夠提高完成效率，保證進度。

（4）結(jié)果評價。對于整個過程中學(xué)生的表現(xiàn)，需要比較客觀的評價。常用的方法將自我評價、小組互評、教師評價三個方面相結(jié)合。

自我評價是學(xué)生回顧和反思過程中的得失，對自我形成清楚客觀的認識。小組互評是組間成員根據(jù)參與度、貢獻度、工作表現(xiàn)、溝通能力等對組員同學(xué)進行分析點評。

雖然在問題驅(qū)動的教學(xué)模式中，教師的身份發(fā)生了轉(zhuǎn)變，但是并不意味教師的地位和重要性降低了。教師要密切關(guān)注學(xué)生的狀態(tài)和表現(xiàn)，最終對其進行評價。為了激勵學(xué)生，幫助學(xué)生正確認識自我，樹立學(xué)習(xí)后續(xù)課程的興趣和信心，教師在對學(xué)生進行評價的時候要注意以下幾點：

1）評價公正，也不忘因人而異；對待學(xué)生的評價要做到客觀中肯，但是也需要考慮學(xué)生的差異性。成績優(yōu)異的學(xué)生與基礎(chǔ)較差的學(xué)生在小組中的分工不同，貢獻度有區(qū)別。為了激發(fā)學(xué)生的積極性，教師的評價不能采用單一標準，而是應(yīng)該多元化，從合作精神、交流能力、文獻收集、電路制作、文字編寫等各個方面入手，照顧到各個層面的學(xué)生。

2）評價能力，也不忘評價態(tài)度；對待學(xué)生的評價不光要考慮其知識與技能，還要注重他們在情感、態(tài)度方面的表現(xiàn)。課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)只是一個方面，關(guān)注學(xué)生知識技能之外的情意發(fā)展，有助于其更長遠的進步和成長。

3）評價結(jié)果，也不忘評價過程；教師的評價不應(yīng)該過分關(guān)注最終解決問題的結(jié)果是否正確，而是要側(cè)重于學(xué)生在分析問題、解決問題的過程中所表現(xiàn)出來的能力、態(tài)度和情感。學(xué)生在過程中的提升和收獲，才是教育的主要目的。

4）評價個人，也不忘評價團隊；教師的評價除了針對學(xué)生個人，還要涉及到團隊。強調(diào)團隊的分工合作，有利于培養(yǎng)學(xué)生交流溝通，與人協(xié)作的能力。

4 結(jié)論

問題驅(qū)動法能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，激起學(xué)生的求知欲，其教學(xué)模式十分適合《電子技術(shù)》此類工程性和實踐性較強的課程，在許多高校教學(xué)改革項目中得到應(yīng)用。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的電子技術(shù)課程要與學(xué)科特點相結(jié)合起來，因此問題驅(qū)動法的實施既有與其他課程的共性，也有其自身特點。教師在問題的設(shè)計環(huán)節(jié)，要結(jié)合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的電子技術(shù)應(yīng)用，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)電子技術(shù)知識和技能的同時，對專業(yè)發(fā)展及就業(yè)方向有一定的認識，同時也為后續(xù)的專業(yè)基礎(chǔ)課打下基礎(chǔ)。

生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用特色分析:生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)在醫(yī)院的應(yīng)用

1醫(yī)學(xué)工程學(xué)發(fā)展歷史

從17世紀列文虎克(Leewenhock)用自己研制的光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)微生物開始，醫(yī)學(xué)的每一次重大進展都留下了工程技術(shù)的痕跡。200多年前Galvani和Volta兩位科學(xué)家在電生理方面的先驅(qū)性研究，常為追溯生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展時提起。現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程孕育于19世紀，其作為一門獨立學(xué)科的發(fā)展歷史還不過數(shù)十年時間。1985年X射線發(fā)現(xiàn)后，X光機很快進入醫(yī)學(xué)臨床，開創(chuàng)了醫(yī)學(xué)圖像學(xué)。以后航天技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機等高技術(shù)的飛速發(fā)展，為人類研究和改善生命運動過程開辟了新的前景，工程技術(shù)與醫(yī)學(xué)更加廣泛深入地滲透結(jié)合，于是逐步形成了多學(xué)科與生物醫(yī)學(xué)交叉融合的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科。生物醫(yī)學(xué)工程在20世紀50年代形成學(xué)科領(lǐng)域，60年代崛起發(fā)展。1953年，德國在ILMENAU大學(xué)建立了第一個生物醫(yī)學(xué)工程系。1964年，世界性的生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合會(theInternationalFederalofMedicalandBiologicalengineering，IFMBE)成立，到1991年已舉辦九屆世界生物醫(yī)學(xué)工程大會。1979年，美國物理學(xué)家科馬克(A.M.Cormack)和英國的電氣工程師亨斯菲爾德(G.N.Hounsfield)發(fā)明了用電子計算機將X射線穿透人體形成重疊影像展開技術(shù)，無創(chuàng)傷地取得人體橫斷面圖像，創(chuàng)造了X射線CT，因而獲得諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎，更成為工程技術(shù)與醫(yī)學(xué)交叉融合而對醫(yī)學(xué)進步產(chǎn)生巨大推動作用的標志。自20世紀60年代以來，美國許多著名大學(xué)都開始了生物醫(yī)學(xué)工程高層次人才的培養(yǎng)，代表了全世界生物醫(yī)學(xué)教學(xué)和研究的前沿。美國生物醫(yī)學(xué)工程從基礎(chǔ)教育到研究生培養(yǎng)，從理論教學(xué)到行業(yè)訓(xùn)練乃至職業(yè)培訓(xùn)，都有一套較為完善的制度，從而在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域長盛不衰。我國的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科是1978年由國家科委正式確立的，1980年成立了中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會，1986年正式加入世界生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合會IFMBE。截止2003年，我國已有48所綜合或理工科大學(xué)、18所獨立醫(yī)科大學(xué)設(shè)立了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，培養(yǎng)從本科到博士各層次專業(yè)人才，另有9所專科院校開設(shè)了醫(yī)療器械專科教育。

2國外醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展方向

在國外，醫(yī)學(xué)工程專業(yè)已經(jīng)深入到醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域，發(fā)揮著重要的作用。主要體現(xiàn)在醫(yī)療設(shè)備研發(fā)、醫(yī)療設(shè)備管理、醫(yī)療設(shè)備維護以及醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量控制方面。

2.1醫(yī)療設(shè)備研發(fā)

各種醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)均源于醫(yī)學(xué)臨床實踐，國外的醫(yī)學(xué)生經(jīng)過4年的理工科大學(xué)學(xué)習(xí)，其醫(yī)生均為生物醫(yī)學(xué)工程和臨床醫(yī)學(xué)的雙學(xué)士。因此，國外醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)速度和思路遠大于國內(nèi)，許多最新的醫(yī)療設(shè)備發(fā)明均源于國外臨床實踐[2]。

2.2醫(yī)療設(shè)備管理

醫(yī)療設(shè)備管理主要是通過科學(xué)化管理更大效能地發(fā)揮醫(yī)療設(shè)備的作用，為醫(yī)療機構(gòu)創(chuàng)造更大的效益。其中包括醫(yī)療設(shè)備的采購、醫(yī)療設(shè)備的監(jiān)控及醫(yī)療設(shè)備的效率評價等。

2.3醫(yī)療設(shè)備維護

醫(yī)療設(shè)備使用過程當(dāng)中維護、保養(yǎng)異常重要，因此醫(yī)療設(shè)備的維護是醫(yī)學(xué)工程專業(yè)在國外醫(yī)療機構(gòu)的主要職能之一。

2.4醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量控制

醫(yī)療設(shè)備若保證其診斷治療質(zhì)量則必須進行定期的質(zhì)量控制，包括計量檢測、周期檢驗、強制檢驗和維修后計量修正等，確保醫(yī)療設(shè)備的性能和準確性[3]。

3國內(nèi)醫(yī)學(xué)工程發(fā)展情況

國內(nèi)醫(yī)學(xué)工程專業(yè)起始于20世紀80年代，軍隊主要有第一軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系(現(xiàn)更名為南方醫(yī)科大學(xué)生物工程學(xué)院)，每年全國招生40人左右，主要方向是：放射醫(yī)學(xué)專業(yè)和醫(yī)學(xué)影像專業(yè)，突出的成就是研制出了我國第一臺X刀放射治療系統(tǒng)。第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系每年全國招生20余人，主要方向是：電子工程與計算機智能化，突出成就是全國第一次研制人體阻抗斷層成像。地方大學(xué)開設(shè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的主要有浙江大學(xué)、清華大學(xué)、四川大學(xué)、天津大學(xué)及成都電子科技大學(xué)等[4]。地方大學(xué)培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)與部隊有差別，軍隊主要是以醫(yī)科大學(xué)為基礎(chǔ)，畢業(yè)生的醫(yī)學(xué)理論基礎(chǔ)較好，但是理工科稍微欠缺；地方大學(xué)主要是理工科為基礎(chǔ)，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)有所欠缺。因此，之后北京大學(xué)、四川大學(xué)開設(shè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)時則結(jié)合了雙方的優(yōu)勢，取得了很好的效果。醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的人員不深入臨床是無法獲得創(chuàng)新靈感的[5]。就生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才分布流向而言，主要是去往大型國外醫(yī)療設(shè)備公司做銷售、售后服務(wù)；去往國內(nèi)醫(yī)療設(shè)備公司做研發(fā)、銷售；去往各類醫(yī)院的設(shè)備科、信息科、網(wǎng)絡(luò)中心等。

4醫(yī)學(xué)工程專業(yè)在醫(yī)院的發(fā)展

醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是醫(yī)院發(fā)展的主流方向，醫(yī)學(xué)工程在醫(yī)院雖然屬于輔助科室，但對于醫(yī)院的發(fā)展實屬不可或缺，其主要工作是設(shè)備管理、設(shè)備維護、質(zhì)量保證和設(shè)備計量。

4.1醫(yī)療設(shè)備管理

醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備管理工作非常重要，醫(yī)院的核心競爭力是醫(yī)院的先進的醫(yī)療設(shè)備。如何最大限度地發(fā)揮醫(yī)療設(shè)備的作用和醫(yī)療設(shè)備的全生命周期管理是醫(yī)療設(shè)備管理的主要目標[6]。(1)設(shè)備的購置論證。以購置何種醫(yī)療設(shè)備最有利于醫(yī)院的學(xué)科建設(shè)和發(fā)展為目的，每采購一種醫(yī)療設(shè)備均需進行嚴格的購置論證。(2)設(shè)備的購置管理。設(shè)備的購置需要調(diào)研、論證及招標等多個環(huán)節(jié)，購置管理需要采用科學(xué)化的方法優(yōu)化流程、提高效率及避免商業(yè)腐敗。(3)設(shè)備的檔案管理。醫(yī)療設(shè)備使用和后期的管理必須進行科學(xué)化的醫(yī)療設(shè)備檔案管理，目前網(wǎng)絡(luò)化、電子化檔案管理是發(fā)展的趨勢[7]。(4)設(shè)備的發(fā)放儲存。設(shè)備和耗材的發(fā)放和儲存是物流管理的范疇之一，如何降低庫存減少資金積壓、提高儲存的質(zhì)量等需要進行科學(xué)、精心的研究[8]。(5)設(shè)備的使用監(jiān)督。醫(yī)療設(shè)備能否有效使用需要監(jiān)督和管理，提高設(shè)備的使用效率，加強設(shè)備的使用監(jiān)督是醫(yī)療設(shè)備管理中的重要環(huán)節(jié)。(6)設(shè)備的報廢回收。設(shè)備使用一定的時間需要報廢，何種設(shè)備符合報廢的標準、報廢的設(shè)備如何處置等是醫(yī)學(xué)工程人員的重要研究范疇。(7)設(shè)備的效益評估。何種醫(yī)療設(shè)備可以繼續(xù)購置、何種醫(yī)療設(shè)備購置后會虧損等是對醫(yī)療設(shè)備的效益評估，同時也是醫(yī)院領(lǐng)導(dǎo)對醫(yī)療設(shè)備采購決策的主要依據(jù)。(8)設(shè)備的租賃管理。有些醫(yī)療設(shè)備沒有必要每個臨床科室都去購買，設(shè)備租賃是提高設(shè)備的利用率的好辦法。做好醫(yī)院內(nèi)設(shè)備的租賃管理，合理高效地調(diào)整設(shè)備是醫(yī)學(xué)工程科室的重要管理范疇。4.1.1醫(yī)療設(shè)備管理目標和原則(1)醫(yī)療設(shè)備管理目標：設(shè)備檢查收益是醫(yī)院最大的利潤增長點，應(yīng)圍繞新技術(shù)、新設(shè)備開展醫(yī)院的新業(yè)務(wù)，設(shè)備管理的目標就是使得設(shè)備在醫(yī)院收益中發(fā)揮最大的作用。(2)醫(yī)療設(shè)備管理原則：科學(xué)化管理，科學(xué)化決策，以經(jīng)濟效益為中心對設(shè)備進行科學(xué)化評估和決策，避免設(shè)備的閑置、浪費、重復(fù)性購置，把設(shè)備的效益發(fā)揮最大化。4.1.2醫(yī)療設(shè)備管理中存在的問題及對策(1)現(xiàn)階段醫(yī)院在設(shè)備管理方面存在以下主要問題：①設(shè)備采購盲目，事先的評估不足或者評估誤差大；②采購的設(shè)備其發(fā)揮效能低下，無預(yù)先的盈虧控制體系，無法發(fā)揮設(shè)備的效能；③設(shè)備管理混亂，使用率、開機率不足，無法有效調(diào)動臨床使用科室的積極性；④設(shè)備的監(jiān)控體系缺乏，無法對具體設(shè)備的效益做出定量評估，致使再次采購缺乏依據(jù)。(2)針對以上存在的問題可以采取以下的一些對策：①醫(yī)學(xué)工程科應(yīng)該承擔(dān)起自己的職能，配合院領(lǐng)導(dǎo)做好設(shè)備購置的科學(xué)決策；②設(shè)備管理是科學(xué)，決策的原則是效益，圍繞效益做好醫(yī)院的設(shè)備統(tǒng)籌；③設(shè)備管理包括設(shè)備的購置、監(jiān)督、報廢、評估，是醫(yī)療設(shè)備“全生命周期”的科學(xué)管理，是醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究的主要方向；④因地制宜發(fā)揮醫(yī)療設(shè)備的最大效能。

4.2醫(yī)療設(shè)備維護

設(shè)備維護是延長設(shè)備使用壽命、提高設(shè)備使用率和效率的關(guān)鍵[9]。現(xiàn)在的設(shè)備維護不同于過去，設(shè)備維護主要應(yīng)做好以下工作：①設(shè)備維護從過去的簡單修補到設(shè)備的效益保證轉(zhuǎn)變，能發(fā)揮設(shè)備的最大效益是核心；②設(shè)備維護從簡單的元件維護，到整機的保障，著重強調(diào)時間和經(jīng)濟效益的比例；③設(shè)備維護從簡單設(shè)備的維修到復(fù)雜大型設(shè)備的工作保障；④設(shè)備安全維護的出發(fā)點和立足點是醫(yī)院的經(jīng)濟效益和社會效益；⑤醫(yī)療設(shè)備維護應(yīng)該從以往的集中統(tǒng)一維護逐步過渡到專人保養(yǎng)維護，提高設(shè)備的使用率，將設(shè)備的故障隱患消滅在萌芽狀態(tài)之中；⑥醫(yī)療設(shè)備維護應(yīng)該從以往的等待設(shè)備隨機故障發(fā)生后的緊急隨機維修逐步發(fā)展到對設(shè)備預(yù)防性維護保養(yǎng)，充分發(fā)揮設(shè)備的效能。

4.3醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量保證

醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量保證是發(fā)揮醫(yī)療設(shè)備作用的前提，醫(yī)療設(shè)備的精度和準確度直接關(guān)系到診斷和治療的結(jié)果。因此，對醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量控制是醫(yī)療設(shè)備管理的重中之重。國外的大型醫(yī)療設(shè)備有嚴格的治療控制流程和管理人員。醫(yī)療設(shè)備的保證已經(jīng)逐步成為醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的一個重要分支。醫(yī)院的大型醫(yī)療設(shè)備必須進行定期的周期檢驗和質(zhì)量監(jiān)控。為此，醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制工程師應(yīng)運而生，成為醫(yī)療設(shè)備發(fā)揮作用的“保護神”[10]。

4.4醫(yī)療設(shè)備計量

醫(yī)療設(shè)備計量是保證醫(yī)療設(shè)備診斷治療準確的前提。設(shè)備計量包括：設(shè)備使用前的計量檢定；設(shè)備維修后的計量檢定[3]。設(shè)備的檢定類型：國家強制計量檢定(強檢)；周期性計量檢定(周檢)。《計量法》是醫(yī)療設(shè)備計量工作的依據(jù)。軍隊計量體系規(guī)定軍區(qū)總醫(yī)院建立三級計量站，為醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備進行計量的強檢和周檢。醫(yī)療設(shè)備計量是醫(yī)學(xué)工程科的重要職責(zé)。

5結(jié)語

每一次的醫(yī)學(xué)進步都與工程學(xué)息息相關(guān)，因此作為醫(yī)學(xué)工程師應(yīng)該要深入臨床一線，發(fā)現(xiàn)問題解決問題，成為真正的臨床工程師。只有理解了臨床的問題才能有新的思路和新的科研方向。科研創(chuàng)新應(yīng)該從基礎(chǔ)做起，把握科研發(fā)展的方向。應(yīng)用于臨床診斷數(shù)據(jù)的獲取、分析的單片機技術(shù)以及在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的計算機技術(shù)是醫(yī)學(xué)工程飛速發(fā)展的基礎(chǔ)；設(shè)備管理的自動化和科學(xué)化、檢測設(shè)備的無創(chuàng)化、小型化及家庭化是科研發(fā)展的重要方向。

作者：張虎軍 張超群 張楠楠 蔡峰 顧建文 工作單位：成都軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)務(wù)部

生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用特色分析:3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的研究及應(yīng)用

摘 要：3D打印正在引發(fā)全球制造業(yè)革命性變革，它與生物技術(shù)結(jié)合，可以仿生與個性化地制造、特別是有生命的人體組織與器官，成為支撐第三次產(chǎn)業(yè)革命中生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)顛覆性變革的關(guān)鍵技術(shù)。文章綜述了3D打印技術(shù)的分類，三維仿生重構(gòu)建模技術(shù)的發(fā)展，以及3D打印技術(shù)生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：3D打印；生物醫(yī)學(xué)工程；發(fā)展現(xiàn)狀

前言

三維打印（Three Dimension Printing，簡稱3DP）屬于一種快速成型（Rapid Prototyping，簡稱RP）技術(shù)，它由計算機輔助設(shè)計（CAD）數(shù)據(jù)通過成型設(shè)備以材料逐層堆積的方式實現(xiàn)實體成型。“三維打印”在技術(shù)界也叫“增材制造”、“自由成形”、“快速成形”或“分層制造”等[1]。三維打印起源可追溯于上世紀八十年代，1984年查爾斯?赫爾發(fā)明了將數(shù)字資源打印成三維立體模型的技術(shù)，并于1986年成立了3D Systems公司，開發(fā)了第一臺商用立體光敏3D打印機，1988年，斯科特?克倫普發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù)（FDM）并于1989年成立了Stratasys公司，隨后在2012年合并以色列3D打印公司Objet。3D Systems和Objet是目前世界上最大、最先進的兩家3D打印公司。我國清華大學(xué)顏永年教授于1988開始研究3D打印成型技術(shù)，華中科技大學(xué)王運贛教授以及西安交通大學(xué)盧秉恒院士等，紛紛于上世紀90年代起就開始涉足3D打印成型技術(shù)的研究。

1998年，清華大學(xué)的顏永年教授又將3D打印成型技術(shù)引入生命科學(xué)領(lǐng)域，提出生物制造工程學(xué)科概念和框架，并于2001年研制出用于生物材料快速成型的3D打印設(shè)備，為制造科學(xué)提出了一個新的發(fā)展方向--生物制造。生物制造的一個重要手段即是生物3D打印。生物三維打印是以活細胞（living cells）、生物活性因子（proteins and bio-molecules）及生物材料 （biomaterials）為基本成形單元，設(shè)計制造具有生物活性的人工器官、植入物或細胞三維結(jié)構(gòu)，是制造科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)交叉融合的新興學(xué)科，它是目前3D打印技術(shù)研究的最前沿領(lǐng)域，也是3D打印技術(shù)中最具活力和發(fā)展前景的方向[2，3]。

1 3D打印技術(shù)的分類

目前比較典型的3D打印快速成形技術(shù)主要分為三種[4]：

1.1 粉末粘結(jié)3D打印光固化材料3D打印與熔融材料3D打印

粉末粘結(jié)3D打印是目前應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)，其工藝過程如下：首先，在工作平臺上均勻鋪灑單位厚度的粉末材料；其次，依據(jù)實體模型離散層面的數(shù)字信息將粘結(jié)劑噴射到粉末材料上，使粉末材料粘結(jié)，形成單位實體截面層；再次，將工作臺下降一個單位層厚；最后，重復(fù)第一步至第三步，逐層堆砌，形成三維打印產(chǎn)品。其存在缺點是，通過粉末粘連成形的零件精度和強度偏低，一般需要后續(xù)工藝提高其強度，但后續(xù)處理工藝會導(dǎo)致零件體積收縮，變形嚴重。

1.2 光固化3D打印（光敏三維打印）

該技術(shù)使用液態(tài)光敏樹脂作為原料制作零件模型，光敏材料三維打印成形基于噴射成形技術(shù)和光固化成形技術(shù)，噴頭沿X方向往復(fù)運動，根據(jù)零件的截面形狀，選擇性噴射光固化實體材料和光固化支撐材料形成截面輪廓，在紫外光照射下光固化材料邊打印邊固化，層層堆積至制件成形完畢。但其應(yīng)用于骨骼類產(chǎn)品打印的主要缺點是，當(dāng)前具有生物活性的骨骼類材料如羥基磷灰石，生物玻璃等材料自身不是光敏性材料，需與光敏材料混合使用，因此影響產(chǎn)品的生物活性在打印后將受到很大影響。

1.3 熔融材料3D打印成形

熔融材料三維打印成形基于熔融涂覆成形（FDM）專利技術(shù)，分別加熱兩種絲狀熱塑性材料至熔融態(tài)，根據(jù)零件截面形狀，選擇性涂覆實體材料和支撐材料形成截面輪廓，并迅速冷卻固化，層層堆積至制件成形完畢，其原理與光敏材料3D打印成形類似 [16]。目前熔融材料三維打印成形，可采用由磷灰石和骨骼所需的有機鹽配置而成的骨水泥，不需要額外添加紫外光照射固化所需的光敏介質(zhì)，有利于保證材料后續(xù)的生物相容性和生物活性。但由于擠壓式噴頭的噴嘴處壓力大，容易造成阻塞現(xiàn)象，因此對噴嘴和材料漿料的粒徑要求較高。

除三維打印外，應(yīng)用比較廣泛的商業(yè)化快速成形工藝還包括立體光刻成形（SLA）、選擇性激光燒結(jié)成形（SLS）堆疊、實體制造（LOM）、熔融堆積成形（FDM）等，但這些工藝大多需要配備價格昂貴的激光輔助系統(tǒng)，且成型工藝實質(zhì)上還是類似于上述三種材料疊加-固化技術(shù)。因此，三維打印技術(shù)被認為是最具生命力的快速成形技術(shù)，發(fā)展?jié)摿薮螅卺t(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景廣闊，其推廣應(yīng)用將對傳統(tǒng)的醫(yī)療產(chǎn)品生產(chǎn)模式帶來顛覆性的影響。

2 三維仿生重構(gòu)建模技術(shù)的發(fā)展

基于醫(yī)學(xué)圖像的三維重構(gòu)建模技術(shù)是生物3D打印技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一。3D打印生物構(gòu)件的實現(xiàn)首先需要在計算機環(huán)境下有效重構(gòu)和建模，生成可用于驅(qū)動打印噴頭的指令數(shù)據(jù)進而操控成型設(shè)備實現(xiàn)產(chǎn)品成型。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，人體組織的二維斷層圖像數(shù)據(jù)可以方便地獲取以進行醫(yī)學(xué)診斷和治療。但是，二維斷層圖像只是表達了某一截面的解剖信息，醫(yī)生可以憑經(jīng)驗由多幅二維圖像去估計病灶的大小及形狀，“構(gòu)思”病灶與其周圍組織的三維幾何關(guān)系，可三維打印設(shè)備卻無法根據(jù)這些斷點數(shù)據(jù)進行立體三維成型，因此，基于醫(yī)學(xué)圖像的三維重構(gòu)建模技術(shù)是生物3D打印技術(shù)的重要前驅(qū)步驟。

由于CT或MRI等檢測設(shè)備掃描得到的二維圖像信息不能直接用于快速成型，只有通過專用軟件將二維斷層圖像序列重建為三維虛擬模型，并生成為快速成型機可以接受的STL（Stereo Lithography）格式圖形文件，才能最終制造出生物產(chǎn)品三維實體模型。近十多年來，歐美等發(fā)達國家的科研機構(gòu)對于醫(yī)學(xué)圖像三維重建的研究十分活躍，其技術(shù)水平正從后處理向?qū)崟r跟蹤和交互處理發(fā)展，并且已經(jīng)將超級計算機、光纖高速網(wǎng)、高性能工作站和虛擬現(xiàn)實結(jié)合起來，代表著這一技術(shù)領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

在市場應(yīng)用領(lǐng)域，國外已經(jīng)研制了三維醫(yī)學(xué)影像處理的商品化系統(tǒng)，其中，比較典型的有比利時Materialise公司的Mimics、美國Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在國內(nèi)，中國科學(xué)院自動化研究所醫(yī)學(xué)影像研究室自主開發(fā)的3D Med是基于普通微機的三維醫(yī)學(xué)影像處理與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠接收CT、MRI等主要醫(yī)療影像設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)管理、二維讀片、距離測量、圖像分割以及三維重建等功能。清華大學(xué)計算機系研發(fā)的人體斷面解剖圖像三維重構(gòu)系統(tǒng)能給外科手術(shù)中的影像診斷提供一定的參考。中國科技大學(xué)在應(yīng)用Delphi開發(fā)三維重構(gòu)軟件的研究上取得了很好的成果。國內(nèi)企業(yè)也研發(fā)了一些三維醫(yī)學(xué)影像處理系統(tǒng)。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高級圖像處理軟件”于2005年4月投入市場。它能對二維醫(yī)學(xué)圖像進行快速的三維重建，并能對臨床影像的數(shù)據(jù)進行科學(xué)有效的可視化和智能化挖掘和處理，為臨床提供更多有價值的信息。但目前國外優(yōu)秀軟件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的價格非常昂貴，且其技術(shù)嚴格保密。國內(nèi)的產(chǎn)品大多沒有自主知識產(chǎn)權(quán)和成熟的商業(yè)應(yīng)用模式。

3 3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域大致包括：體外器官模型、仿生模型制造；手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計；個性化植入體制造；組織工程支架制造；生物活體器件構(gòu)建以及器官打印；藥物篩選生物模型等。如圖1所示為3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中的各種應(yīng)用情況[5-7]。

3.1 體外器官模型、仿生模型制造。該類應(yīng)用主要用于醫(yī)療診斷和外科手術(shù)策劃，它能有效地提高診斷和手術(shù)水平，縮短時間、節(jié)省費用。便于醫(yī)生、患者之間的溝通，為診斷和治療提供了直觀、能觸摸的信息，從而使手術(shù)者之間、醫(yī)生和病人之間的交流更加方便。

3.2 手術(shù)導(dǎo)板、假肢設(shè)計。該類應(yīng)用便于訂制精確的個性化假體，實現(xiàn)個性化醫(yī)療需求。根據(jù)患者缺損組織數(shù)據(jù)量身訂制的假肢，可提高假肢設(shè)計的精確性，提高手術(shù)精確度，確保患者的功能恢復(fù)，減少患者的痛苦。

3.3 個性化植入體制造。人體許多部位的受損組織，需要個性化定制。如人類面部頜骨（包括上下頜骨） 形態(tài)復(fù)雜， 極富個性特征， 形成了個體間千差萬別的面貌特點。人類的頭顱骨，需要準確與顱內(nèi)大腦等軟組織精確匹配扣合，人體的下肢骨、脊柱骨等會嚴重影響患者今后的步態(tài)及功能恢復(fù)。因此這類修復(fù)體可通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)個性化訂制和精確 “克隆”受損組織部位和形狀。

3.4 組織工程支架制造。如通過3D打印技術(shù)設(shè)計和制備具有與天然骨類似的材料組分和三維貫通微孔結(jié)構(gòu)，使之高度仿生天然骨組織結(jié)構(gòu)和形態(tài)學(xué)特征，賦予組織工程支架高度的生物活性和骨修復(fù)能力。

3.5 生物活體器件構(gòu)建以及器官打印。此方面的應(yīng)用大多涉及活體細胞的生物3D打印技術(shù)。細胞三維結(jié)構(gòu)體的3D構(gòu)建可以通過活細胞及其外基質(zhì)材料的打印構(gòu)建活體生物器件。如英國赫瑞瓦特大學(xué)和一家干細胞技術(shù)公司合作，首次將3D打印拓展到人類胚胎干細胞范圍。這一突破使得利用人類胚胎干細胞來“打造”移植用人體組織和器官成為可能。美國康奈爾大學(xué)研究人員最近在其發(fā)表的研究論文中稱，他們利用牛耳細胞在3D打印機中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形兒童的器官移植。

3.6 藥物篩選生物模型。藥物篩選指的是采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢赡茏鳛樗幬锸褂玫奈镔|(zhì)（采樣）進行生物活性、藥理作用及藥用價值的評估過程。作為篩選，需要對不同化合物的生理活性做大規(guī)模橫向比較，因此有研究人員指出通過3D打印技術(shù)，精確設(shè)計仿生組織藥物病理作用模型，可以使人們開在短時間內(nèi)大規(guī)模高通量篩選新型高效藥物。最近，四川大學(xué)聯(lián)合加州大學(xué)圣地亞哥分校等科研機構(gòu)，通過3D打印技術(shù)設(shè)計了一款肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型（如圖1-c），該研究成果發(fā)表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

3D打印在生物醫(yī)學(xué)工程中應(yīng)用：（a）3D打印磷酸鈣骨組織工程支架； （b）3D打印細胞、活體器官構(gòu)件；（c）3D打印肝組織仿生結(jié)構(gòu)藥物解毒模型。

4 結(jié)束語

三維打印技術(shù)正處在蓬勃興起的階段，3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程中得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用以及發(fā)展現(xiàn)狀表明：3D打印在體外器官模型、組織工程與再生醫(yī)學(xué)、個性化醫(yī)療以及新藥研發(fā)等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。抓住生物材料及植入器械的三維打印技術(shù)新一輪發(fā)展浪潮，發(fā)展我國生物三維打印技術(shù)，對發(fā)展我國生物材料醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)步入國際先進水平具有十分重要的意義。