智能醫(yī)學(xué)工程：新醫(yī)科的探索與實踐

［摘  要］智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)設(shè)立，標(biāo)志著工程對醫(yī)學(xué)的支撐已經(jīng)從早期的“醫(yī)工交叉”“醫(yī)工結(jié)合”的層次步入了“醫(yī)工融合”的階段。其培養(yǎng)目標(biāo)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(guān)懷意識的國際化醫(yī)工復(fù)合型領(lǐng)軍人才和醫(yī)學(xué)拔尖創(chuàng)新人才。

［關(guān)鍵詞］智能醫(yī)學(xué)工程；新工科；新醫(yī)科

黨的十八大以來，以習(xí)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(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的兩大根基。由此，醫(yī)學(xué)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(guān)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(xué)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(nóng)科、新文科。新醫(yī)科建設(shè)以新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革為背景，既注重對現(xiàn)有的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)培養(yǎng)體系的升級，同時也注重醫(yī)學(xué)與文、理、工、法各學(xué)科的交叉融合，著力發(fā)展精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)、智能醫(yī)學(xué)等醫(yī)學(xué)新專業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生運用交叉學(xué)科知識解決醫(yī)學(xué)前沿問題的能力，促進我國現(xiàn)階段的醫(yī)療模式向“環(huán)境-社會-心理-生物-工程”的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)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(zhǔn)建立了全國首個智能方向的醫(yī)學(xué)類本科專業(yè)——智能醫(yī)學(xué)工程。本文將對智能醫(yī)學(xué)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(chǎn)生背景、學(xué)科內(nèi)涵以及人才培養(yǎng)目標(biāo)等進行簡要闡述。

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

醫(yī)學(xué)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(chǎn)生和發(fā)展的一門學(xué)科。醫(yī)學(xué)的發(fā)展，先后經(jīng)歷了原始醫(yī)學(xué)、古代經(jīng)驗醫(yī)學(xué)、近代生物醫(yī)學(xué)等不同的發(fā)展階段。而現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展，則始于工業(yè)革命以來物理、化學(xué)、生物學(xué)等自然科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)以及工程技術(shù)的強力支撐。20世紀50年代，醫(yī)學(xué)與工程的結(jié)合產(chǎn)生了新興的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科，生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展使得百余年來現(xiàn)代醫(yī)學(xué)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(xué)影像儀器、醫(yī)學(xué)檢驗儀器、手術(shù)儀器、監(jiān)護儀器、康復(fù)儀器以及各種家用醫(yī)療設(shè)備層出不窮，醫(yī)學(xué)工程已經(jīng)與傳統(tǒng)的醫(yī)、藥一起，構(gòu)成了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)不可或缺的組成部分，貫穿了疾病的預(yù)防、診斷、治療和康復(fù)等各個環(huán)節(jié)。醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的廣泛應(yīng)用也使得現(xiàn)代醫(yī)學(xué)進入到了一個“工程醫(yī)學(xué)”（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(shù)據(jù)、云計算、人工智能以及機器人等新興技術(shù)發(fā)展，促使醫(yī)學(xué)模式面臨又一次重大變革，工程醫(yī)學(xué)最終進化到“智能醫(yī)學(xué)”的階段。與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)模式相比，智能醫(yī)學(xué)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(wǎng)絡(luò)化、家庭化和智能化，以及可穿戴設(shè)備、互聯(lián)網(wǎng)、5G移動通信等技術(shù)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(zhǔn)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(gòu)成的三級遠程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，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(xiàn)階段“看病難”“看病貴”等一系列社會問題，并在疫情等重大災(zāi)難發(fā)生時，迅速形成有效的防御和救助體系。二是由大數(shù)據(jù)驅(qū)動。通過可穿戴或可植入設(shè)備，醫(yī)生可全天候地實時獲取患者的生理、心理數(shù)據(jù)，再加上患者的各類基因組學(xué)、代謝組學(xué)、影像組學(xué)數(shù)據(jù)，以及通過物聯(lián)網(wǎng)獲取的行為學(xué)數(shù)據(jù)等，在理想情況下，醫(yī)生可在數(shù)字空間形成一個完整的、全方位的患者的數(shù)字醫(yī)療映像。通過對數(shù)字映像的大數(shù)據(jù)分析、追蹤，可形成針對患者個體的精準(zhǔn)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(fēng)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(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘的手段，從中找出隱含的、以往未知的、具有潛在醫(yī)學(xué)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(shù)據(jù)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(xué)發(fā)現(xiàn)。三是人機協(xié)同。在智能醫(yī)學(xué)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(xué)數(shù)據(jù)的處理、手術(shù)機器人的操控等，從而將人類醫(yī)生逐步從低端的重復(fù)性、重體力勞動中解放出來，轉(zhuǎn)而從事更為高端的綜合決策、復(fù)雜病例研究等工作。因此，如果說工程醫(yī)學(xué)的目標(biāo)是應(yīng)用工程技術(shù)手段輔助診療的話，那么在智能醫(yī)學(xué)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(zhǔn)治療。

智能醫(yī)學(xué)的人才需求與培養(yǎng)目標(biāo)

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

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

智能醫(yī)學(xué)的發(fā)展，需要兼具深厚的數(shù)理基礎(chǔ)、完備的醫(yī)學(xué)知識、前沿的智能工程技術(shù)手段，能夠綜合運用所學(xué)知識進行臨床轉(zhuǎn)化創(chuàng)新的高素質(zhì)復(fù)合型人才。因此，智能醫(yī)學(xué)工程（Intelligent Medical Engineering，IME）的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，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(guān)學(xué)科的建設(shè)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(guān)懷意識的國際化醫(yī)工復(fù)合型領(lǐng)軍人才和醫(yī)學(xué)拔尖創(chuàng)新人才。具體培養(yǎng)目標(biāo)包含以下幾個方面：第一，具備寬厚的自然科學(xué)、人文社科基礎(chǔ)知識，掌握豐富的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、工程科學(xué)基本理論；第二，具備信息時代的醫(yī)學(xué)科學(xué)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(shù)手段與不斷涌現(xiàn)的醫(yī)學(xué)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(xué)習(xí)與終身學(xué)習(xí)能力，能夠應(yīng)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(xué)科、多文化背景的團隊中發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用。

作為醫(yī)工深度融合的學(xué)科，智能醫(yī)學(xué)工程把臨床需求作為出發(fā)點和落腳點，關(guān)注生命健康全周期，布局醫(yī)學(xué)與智能的交叉融合、轉(zhuǎn)化創(chuàng)新，打通醫(yī)學(xué)從“實驗室”到“手術(shù)臺”的通路橋梁。智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的知識架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能醫(yī)學(xué)工程的知識架構(gòu)

其核心是醫(yī)療健康大數(shù)據(jù)的智能感知、智能分析、智能決策，以及在此基礎(chǔ)上形成的精準(zhǔn)醫(yī)療。此外，還包括虛擬現(xiàn)實、腦機接口等新興智能人機交互技術(shù)以及對智能所產(chǎn)生的生理、心理機制的深入研究。核心之下，是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、精密機械、電子信息等相關(guān)工程技術(shù)，以及醫(yī)學(xué)影像學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷學(xué)、醫(yī)學(xué)信息學(xué)等醫(yī)學(xué)技術(shù)所形成的支撐；核心之上，則是智能醫(yī)學(xué)所應(yīng)用的各種場景；最底層，則是數(shù)理、人文等相關(guān)的通識教育及醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識。

針對未來的大健康產(chǎn)業(yè)，智能醫(yī)學(xué)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(wǎng)絡(luò)中的醫(yī)學(xué)現(xiàn)象、醫(yī)學(xué)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(xué)工程專業(yè)的學(xué)生能夠熟練地將人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療信息大數(shù)據(jù)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(xué)生畢業(yè)后能夠在大型綜合性醫(yī)院或醫(yī)療機構(gòu)中從事智能醫(yī)學(xué)圖像處理、智能檢驗、智能手術(shù)、精準(zhǔn)醫(yī)療、智能康復(fù)、智能醫(yī)學(xué)病案管理、遠程醫(yī)療等相關(guān)工作，或在高校、研究院所、人工智能以及智能醫(yī)療相關(guān)企業(yè)中從事智能醫(yī)學(xué)儀器的研發(fā)、智能醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的搭建、智能醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的挖掘等工作。

此外，智能醫(yī)學(xué)中的“智能”也包括對人腦生物智能的相關(guān)研究。在當(dāng)下所流行的人工智能+諸多領(lǐng)域中，唯有人工智能+醫(yī)學(xué)是雙向的，不僅包括了人工智能技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，還包含了腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等相關(guān)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成果對人工智能的回饋，指導(dǎo)深度學(xué)習(xí)、類腦計算等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。因此，智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的畢業(yè)生在人工智能相關(guān)的科研和工程領(lǐng)域也具有較強的競爭優(yōu)勢。

智能醫(yī)學(xué)工程與新醫(yī)科建設(shè)

在人才培養(yǎng)方面，我國現(xiàn)階段的醫(yī)學(xué)教育相對封閉，缺少人文環(huán)境以及理工學(xué)科的支撐，醫(yī)理、醫(yī)工、醫(yī)文融合不足。智能醫(yī)學(xué)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(xué)門類中授予工學(xué)學(xué)位的本科專業(yè)，標(biāo)志著工程對醫(yī)學(xué)的支撐已經(jīng)從早期的“醫(yī)工交叉”“醫(yī)工結(jié)合”的層次步入了“醫(yī)工融合”的階段。智能醫(yī)學(xué)工程站在醫(yī)學(xué)的角度看工程，能更準(zhǔn)確地將醫(yī)學(xué)中的需求翻譯為工程中的設(shè)計指標(biāo)，并傳遞到工程設(shè)計與制造的各個環(huán)節(jié)，從而將轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的概念由基礎(chǔ)研究拓展至了工程領(lǐng)域。

智能醫(yī)學(xué)工程打破了“先理后醫(yī)”的固有思路，在學(xué)生學(xué)習(xí)精力最旺盛的本科階段同時開展醫(yī)學(xué)教育與工程訓(xùn)練。與傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)工程不同，智能醫(yī)學(xué)工程加大了醫(yī)學(xué)課程的權(quán)重，其課程體系中，人文數(shù)理等通識課程、工程訓(xùn)練和醫(yī)學(xué)課程的比重各占1/3。在低年級階段，除工程訓(xùn)練外，學(xué)生需要學(xué)習(xí)全部的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)課程以及部分臨床醫(yī)學(xué)課程。但智能醫(yī)學(xué)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(xué)生不需要進行規(guī)培等大量臨床實踐，而是轉(zhuǎn)向醫(yī)學(xué)科學(xué)的相關(guān)研究與工程實踐（圖2）。最終目標(biāo)是培養(yǎng)具有醫(yī)學(xué)知識和工程能力的醫(yī)學(xué)科學(xué)家。

圖2 智能醫(yī)學(xué)工程與臨床醫(yī)學(xué) 

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

智能醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的建立，帶動了天津大學(xué)醫(yī)學(xué)相關(guān)學(xué)科的建設(shè)，形成了“醫(yī)學(xué)牽引、工程支撐、轉(zhuǎn)化創(chuàng)新、臨床示范”的具有天大特色的醫(yī)學(xué)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(nèi)外相關(guān)院校中引起了較強的反響。截至2020年，全國開設(shè)智能醫(yī)學(xué)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(xué)等獨立醫(yī)學(xué)院校，也包括東南大學(xué)等傳統(tǒng)工科強校，還包括山東大學(xué)、南昌大學(xué)等綜合性院校，這為新醫(yī)科建設(shè)以及健康中國戰(zhàn)略目標(biāo)實現(xiàn)增添了新生力量。

【作者：何峰 萬亮 明東】

【作者單位：天津大學(xué)】

原載2021年第3/4期《中國高等教育》雜志