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智能医学工程:新医科的探索与实践

发布时间:2021-04-07 作者:何峰 万亮 明东 来源:中国教育新闻网-中国高等教育杂志

[摘  要]智能医学工程专业设立,标志着工程对医学的支撑已经从早期的“医工交叉”“医工结合”的层次步入了“医工融合”的阶段。其培养目标是面向“亚搏体育客户端中国2030”,培养具有家国情怀、全球视野、创新精神、实践能力及人文关怀意识的国际化医工复合型领军人才和医学拔尖创新人才。

[关键词]智能医学工程;新工科;新医科

党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央高度重视人民亚搏体育客户端问题,将亚搏体育客户端中国和教育强国作为实现中华民族伟大复兴的两大根基。由此,医学教育作为连接两大战略的枢纽,获得了难得的历史发展机遇,但同时也面临着巨大的挑战。为更好地支撑亚搏体育客户端中国战略,教育部等部门于2018年10月印发了《关于加强医教协同实施卓越医生教育培养计划2.0的意见》。2019年4月,教育部在天津大学召开了“六卓越一拔尖”计划2.0启动大会,正式提出发展新工科、新医科、新农科、新文科。新医科建设以新一轮科技革命和产业变革为背景,既注重对现有的基础医学、临床医学培养体系的升级,同时也注重医学与文、理、工、法各学科的交叉融合,着力发展精准医学、转化医学、智能医学等医学新专业,培养学生运用交叉学科知识解决医学前沿问题的能力,促进我国现阶段的医疗模式向“环境-社会-心理-生物-工程”的现代医学模式转化,实现医疗从诊治为主向覆盖生命全周期、亚搏体育客户端全过程发展。在这一背景下,教育部于2018年3月批准建立了全国首个智能方向的医学类本科专业——智能医学工程。本文将对智能医学工程这一同时具备新工科和新医科特征的新兴专业的产生背景、学科内涵以及人才培养目标等进行简要阐述。

智能医学是工业革命4.0时代工程医学的最新形态

医学是人类为了生存,在与自然界的疾病和创伤作斗争的实践中产生和发展的一门学科。医学的发展,先后经历了原始医学、古代经验医学、近代生物医学等不同的发展阶段。而现代医学的飞速发展,则始于工业革命以来物理、化学、生物学等自然科学的重大发现以及工程技术的强力支撑。20世纪50年代,医学与工程的结合产生了新兴的生物医学工程学科,生物医学工程技术的发展使得百余年来现代医学所取得的成就超过了以往所有世纪的总和。各种新型的医学影像仪器、医学检验仪器、手术仪器、监护仪器、康复仪器以及各种家用医疗设备层出不穷,医学工程已经与传统的医、药一起,构成了现代医学不可或缺的组成部分,贯穿了疾病的预防、诊断、治疗和康复等各个环节。医学工程技术的广泛应用也使得现代医学进入到了一个“工程医学”(Engineering-based Medicine)的阶段。

21世纪以来,随着第四次工业革命的兴起,大数据、云计算、人工智能以及机器人等新兴技术发展,促使医学模式面临又一次重大变革,工程医学最终进化到“智能医学”的阶段。与传统的医学模式相比,智能医学模式具有以下特点:一是以患者为中心。随着医疗装备的微型化、网络化、家庭化和智能化,以及可穿戴设备、互联网、5G移动通信等技术的发展,医疗的场景逐渐延展至患者家庭,形成以患者为中心的个性化的精准医疗和亚搏体育客户端管理。由智慧医院、区域医疗中心、家庭自助亚搏体育客户端监护终端所构成的三级远程医疗网络,将逐渐取代原有的以医院为中心的医疗模式,极大缓解我国现阶段“看病难”“看病贵”等一系列社会问题,并在疫情等重大灾难发生时,迅速形成有效的防御和救助体系。二是由大数据驱动。通过可穿戴或可植入设备,医生可全天候地实时获取患者的生理、心理数据,再加上患者的各类基因组学、代谢组学、影像组学数据,以及通过物联网获取的行为学数据等,在理想情况下,医生可在数字空间形成一个完整的、全方位的患者的数字医疗映像。通过对数字映像的大数据分析、追踪,可形成针对患者个体的精准医疗方案,通过对虚拟患者诊疗过程的模拟、推演以及药物试错、疗效评估,我们可极大降低误诊的风险,提高疾病的治愈率。同时,针对某一特定的疾病,可通过汇聚海量的患者数据,利用数据挖掘的手段,从中找出隐含的、以往未知的、具有潜在医学价值的信息,从而揭示疾病的发生发展规律。尤为有趣的是,医疗大数据的挖掘,有可能突破人类思维的局限,从意想不到的角度启迪新的医学发现。三是人机协同。在智能医学阶段,人工智能将发挥越来越重要的作用,协助人类医生完成海量医学数据的处理、手术机器人的操控等,从而将人类医生逐步从低端的重复性、重体力劳动中解放出来,转而从事更为高端的综合决策、复杂病例研究等工作。因此,如果说工程医学的目标是应用工程技术手段辅助诊疗的话,那么在智能医学阶段,将形成一种新型的人机协作的形式,完成疾病的智能诊断和精准治疗。

智能医学的人才需求与培养目标

智能医学(Intelligent Medicine,IM)是医学未来的发展方向,它是以现代医学与自然科学理论为基础,融合先进的大数据与云计算、脑科学与人工智能、智能感知与机器人等技术,挖掘人的生命和疾病现象的本质及规律,探索人机协同的智能化诊疗方法和临床应用的一门新兴交叉学科。

智能医学的发展理念十分契合我国现阶段医疗资源短缺且分布不均、老龄化日益严重的现状。因此,智能医学具有广阔的市场前景。相关数据显示,2016年至2018年全球智慧医疗服务支出年复合增长率约为60%,2019年全球智慧医疗服务产业规模达到4000亿美元。在国内,华为、阿里、百度、腾讯、京东、小米等互联网企业均在加大投入,布局大亚搏体育客户端产业。可以预计,在“十四五”乃至今后很长一段时间内,智能医学将形成一个巨大的产业链,由此将产生大量就业机会和人才缺口。

智能医学的发展,需要兼具深厚的数理基础、完备的医学知识、前沿的智能工程技术手段,能够综合运用所学知识进行临床转化创新的高素质复合型人才。因此,智能医学工程(Intelligent Medical Engineering,IME)的专业培养目标,是面向“亚搏体育客户端中国2030”国家战略,秉承深度融合医理工相关学科的建设理念,培养具有家国情怀、全球视野、创新精神、实践能力及人文关怀意识的国际化医工复合型领军人才和医学拔尖创新人才。具体培养目标包含以下几个方面:第一,具备宽厚的自然科学、人文社科基础知识,掌握丰富的现代医学、生命科学、工程科学基本理论;第二,具备信息时代的医学科学思维以及面向前沿智能科技的工程实践能力,具备将新兴工程技术手段与不断涌现的医学需求相融合的创新能力;第三,具备批判性思维、探索精神和创新意识以及自主学习与终身学习能力,能够应对不断发展变化的科技革命浪潮;第四,具备广阔的国际视野、较强的沟通交流能力以及团队合作精神,能够在一个多学科、多文化背景的团队中发挥领导作用。

作为医工深度融合的学科,智能医学工程把临床需求作为出发点和落脚点,关注生命亚搏体育客户端全周期,布局医学与智能的交叉融合、转化创新,打通医学从“实验室”到“手术台”的通路桥梁。智能医学工程专业学生的知识架构如图1所示。

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图1 智能医学工程的知识架构

其核心是医疗亚搏体育客户端大数据的智能感知、智能分析、智能决策,以及在此基础上形成的精准医疗。此外,还包括虚拟现实、脑机接口等新兴智能人机交互技术以及对智能所产生的生理、心理机制的深入研究。核心之下,是人工智能、物联网、精密机械、电子信息等相关工程技术,以及医学影像学、医学诊断学、医学信息学等医学技术所形成的支撑;核心之上,则是智能医学所应用的各种场景;最底层,则是数理、人文等相关的通识教育及医学基础知识。

针对未来的大亚搏体育客户端产业,智能医学工程专业的毕业生将对智慧医院、区域医疗中心、家庭自助亚搏体育客户端监护三级网络中的医学现象、医学问题和医疗模式有更深入的理解,因而,相比于其他专业,智能医学工程专业的学生能够熟练地将人工智能、互联网等技术应用于医疗信息大数据的智能采集、智能分析以及智能诊疗、临床实践等各个环节。

学生毕业后能够在大型综合性医院或医疗机构中从事智能医学图像处理、智能检验、智能手术、精准医疗、智能康复、智能医学病案管理、远程医疗等相关工作,或在高校、研究院所、人工智能以及智能医疗相关企业中从事智能医学仪器的研发、智能医学系统的搭建、智能医学数据的挖掘等工作。

此外,智能医学中的“智能”也包括对人脑生物智能的相关研究。在当下所流行的人工智能+诸多领域中,唯有人工智能+医学是双向的,不仅包括了人工智能技术在医学中的应用,还包含了脑科学、神经科学等相关医学领域成果对人工智能的回馈,指导深度学习、类脑计算等相关技术的发展。因此,智能医学工程专业的毕业生在人工智能相关的科研和工程领域也具有较强的竞争优势。

智能医学工程与新医科建设

在人才培养方面,我国现阶段的医学教育相对封闭,缺少人文环境以及理工学科的支撑,医理、医工、医文融合不足。智能医学工程专业的建立,是新医科的尝试。它是我国首个也是目前唯一一个在医学门类中授予工学学位的本科专业,标志着工程对医学的支撑已经从早期的“医工交叉”“医工结合”的层次步入了“医工融合”的阶段。智能医学工程站在医学的角度看工程,能更准确地将医学中的需求翻译为工程中的设计指标,并传递到工程设计与制造的各个环节,从而将转化医学的概念由基础研究拓展至了工程领域。

智能医学工程打破了“先理后医”的固有思路,在学生学习精力最旺盛的本科阶段同时开展医学教育与工程训练。与传统的生物医学工程不同,智能医学工程加大了医学课程的权重,其课程体系中,人文数理等通识课程、工程训练和医学课程的比重各占1/3。在低年级阶段,除工程训练外,学生需要学习全部的基础医学课程以及部分临床医学课程。但智能医学工程的定位并不是培养临床医生。因此,在高年级乃至研究生阶段,学生不需要进行规培等大量临床实践,而是转向医学科学的相关研究与工程实践(图2)。最终目标是培养具有医学知识和工程能力的医学科学家。

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图2 智能医学工程与临床医学 

2018年,教育部批准天津大学、南开大学两所高校建立了全国首批智能医学工程专业。天津大学设立了全国首个智能医学工程博士点。同年,天津大学招收了全国首届智能医学工程本科生,并与天津医科大学合作,进行联合培养。

智能医学工程专业的建立,带动了天津大学医学相关学科的建设,形成了“医学牵引、工程支撑、转化创新、临床示范”的具有天大特色的医学发展之路,探索了传统工科院校兴办医科的新范式,在国内外相关院校中引起了较强的反响。截至2020年,全国开设智能医学工程专业的高校已由最初的2所增至25所,其中既包括南京医科大学等独立医学院校,也包括东南大学等传统工科强校,还包括山东大学、南昌大学等综合性院校,这为新医科建设以及亚搏体育客户端中国战略目标实现增添了新生力量。

【作者:何峰 万亮 明东】

【作者单位:天津大学】

原载2021年第3/4期《中国高等教育》杂志

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