智能醫學工程：新醫科的探索與實踐

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

［關鍵詞］智能醫學工程；新工科；新醫科

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，醫學教育作為連接兩大戰略的樞紐，獲得了難得的歷史發展機遇，但同時也面臨著巨大的挑戰。為更好地支撐健康中國戰略，教育部等部門于2018年10月印發了《關于加強醫教協同實施卓越醫生教育培養計劃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，正式提出發展新工科、新醫科、新農科、新文科。新醫科建設以新一輪科技革命和產業變革為背景，既注重對現有的基礎醫學、臨床醫學培養體系的升級，同時也注重醫學與文、理、工、法各學科的交叉融合，著力發展精準醫學、轉化醫學、智能醫學等醫學新專業，培養學生運用交叉學科知識解決醫學前沿問題的能力，促進我國現階段的醫療模式向“環境-社會-心理-生物-工程”的現代醫學模式轉化，實現醫療從診治為主向覆蓋生命全周期、健康全過程發展。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學類本科專業——智能醫學工程。本文將對智能醫學工程這一同時具備新工科和新醫科特征的新興專業的產生背景、學科內涵以及人才培養目標等進行簡要闡述。

智能醫學是工業革命4.0時代工程醫學的最新形態

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

21世紀以來，隨著第四次工業革命的興起，大數據、云計算、人工智能以及機器人等新興技術發展，促使醫學模式面臨又一次重大變革，工程醫學最終進化到“智能醫學”的階段。與傳統的醫學模式相比，智能醫學模式具有以下特點：一是以患者為中心。隨著醫療裝備的微型化、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展，醫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療和健康管理。由智慧醫院、區域醫療中心、家庭自助健康監護終端所構成的三級遠程醫療網絡，將逐漸取代原有的以醫院為中心的醫療模式，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，醫生可在數字空間形成一個完整的、全方位的患者的數字醫療映像。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、具有潛在醫學價值的信息，從而揭示疾病的發生發展規律。尤為有趣的是，醫療大數據的挖掘，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學發現。三是人機協同。在智能醫學階段，人工智能將發揮越來越重要的作用，協助人類醫生完成海量醫學數據的處理、手術機器人的操控等，從而將人類醫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，那么在智能醫學階段，將形成一種新型的人機協作的形式，完成疾病的智能診斷和精準治療。

智能醫學的人才需求與培養目標

智能醫學（Intelligent Medicine，IM）是醫學未來的發展方向，它是以現代醫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律，探索人機協同的智能化診療方法和臨床應用的一門新興交叉學科。

智能醫學的發展理念十分契合我國現階段醫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年全球智慧醫療服務支出年復合增長率約為60%，2019年全球智慧醫療服務產業規模達到4000億美元。在國內，華為、阿里、百度、騰訊、京東、小米等互聯網企業均在加大投入，布局大健康產業?？梢灶A計，在“十四五”乃至今后很長一段時間內，智能醫學將形成一個巨大的產業鏈，由此將產生大量就業機會和人才缺口。

智能醫學的發展，需要兼具深厚的數理基礎、完備的醫學知識、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新的高素質復合型人才。因此，智能醫學工程（Intelligent Medical Engineering，IME）的專業培養目標，是面向“健康中國2030”國家戰略，秉承深度融合醫理工相關學科的建設理念，培養具有家國情懷、全球視野、創新精神、實踐能力及人文關懷意識的國際化醫工復合型領軍人才和醫學拔尖創新人才。具體培養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，掌握豐富的現代醫學、生命科學、工程科學基本理論；第二，具備信息時代的醫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學需求相融合的創新能力；第三，具備批判性思維、探索精神和創新意識以及自主學習與終身學習能力，能夠應對不斷發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揮領導作用。

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

圖1 智能醫學工程的知識架構

其核心是醫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，以及醫學影像學、醫學診斷學、醫學信息學等醫學技術所形成的支撐；核心之上，則是智能醫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學基礎知識。

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

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

此外，智能醫學中的“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+醫學是雙向的，不僅包括了人工智能技術在醫學中的應用，還包含了腦科學、神經科學等相關醫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展。因此，智能醫學工程專業的畢業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勢。

智能醫學工程與新醫科建設

在人才培養方面，我國現階段的醫學教育相對封閉，缺少人文環境以及理工學科的支撐，醫理、醫工、醫文融合不足。智能醫學工程專業的建立，是新醫科的嘗試。它是我國首個也是目前唯一一個在醫學門類中授予工學學位的本科專業，標志著工程對醫學的支撐已經從早期的“醫工交叉”“醫工結合”的層次步入了“醫工融合”的階段。智能醫學工程站在醫學的角度看工程，能更準確地將醫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節，從而將轉化醫學的概念由基礎研究拓展至了工程領域。

智能醫學工程打破了“先理后醫”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學教育與工程訓練。與傳統的生物醫學工程不同，智能醫學工程加大了醫學課程的權重，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學課程以及部分臨床醫學課程。但智能醫學工程的定位并不是培養臨床醫生。因此，在高年級乃至研究生階段，學生不需要進行規培等大量臨床實踐，而是轉向醫學科學的相關研究與工程實踐（圖2）。最終目標是培養具有醫學知識和工程能力的醫學科學家。

圖2 智能醫學工程與臨床醫學 

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學工程專業。天津大學設立了全國首個智能醫學工程博士點。同年，天津大學招收了全國首屆智能醫學工程本科生，并與天津醫科大學合作，進行聯合培養。

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