【留学指南】生物医学工程-新东方前途出国

　　生物工程（Bioengineerig），是20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科，90年代诞 生了基于系统论的生物工程，即系统生物工程的概念。所谓生物工程，一般认为是以生物学（特别是其 中的分子生物学、微生物学、遗传学、生物化学和细胞学）的理论和技术为基础，结合化工、机械、电 子计算机等现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，定向地改造生物或 其功能，短期内创造出具有超远缘性状的新物种，再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程 细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术。 

　　生物医学工程（Biomedical Engineering, 简称BME）是生物科学与工程设计相结合的交叉学科，涉及生物、化学、物理、数学、机械工程、电子工程、计算机科学和材料科学等多个领域。这一学科旨在运用工程技术手段去解决医学中的有关问题并以此保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务, 促进生命科学和医疗卫生事业的发展。我们可以把需要帮助医学解决的问题分为三个方面：预防、诊断、治疗。每个方面都给医学工作提供了一定程度的支撑。比如在预防方面，运用计算生物学知识，也就是指在一个人生病之前，先把他的 DNA 提取出来，然后通过这个数据来预测这个人有可能得哪方面的疾病以及疾病的症状是怎样的。第二个方面是诊断，比如说你生病去看医生，医生会让你做一个诸如核磁共振类型的检查，这些都是由BME这个学科来提供技术支持的。第三个方面是治疗，很久之前医生做手术时用的还是柳叶刀，但是非常麻烦。现在的手术刀就会非常的方便，解决了很多不必要的问题。这也是生物医学工程给临床医学带来的便利。 

　　1.2 生物工程和生医工程的区别 

　　生物工程是以生物学(特别是其中的微生物学、遗传学、分子生物学、生物化学和细胞学)的理论和技术为基础，结合化工、机械、电子计算机等现代工程技术，利用有生命物质作为手段来参于改造自然现象的过程。对象可以是无生命物质，例如发酵工程、酶工程等等；或以生物为对象，人为地改造生命现象的过程，例如生物医学工程、农业工程、细胞工程、基因工程等等。即凡是以有生命物质作为手段来影响或改变无生命现象，或用各种自然科学的方法、技术来影响或改变有生命现象的自然过程，以达到为人类服务的目的，都可以包含在生物工程范畴之内。  

　　由此可以看出，生物医学工程通常是包含在生物工程里的。对于大多数美国院校来说，一般开设了生物工程项目的院校就没有开设生物医学工程项目，相应地，有生物医学工程项目的院校大都也没有生物工程项目。由此可见，两者在一定程度上是相通的。比如宾大的生物工程项目，既有生物医学类相关的分支方向，也有生物工程相关的方向。它提供的课程和研究分支在很大程度上是和其它院校的生物医学工程项目是重合的。 

　　下面以Penn State University对于两个项目的定义来看下两者的细小差别： 

　　生物工程：The application of engineering skills and analysis to developing products utilizing biological processes, including pharmaceutical products, food supplements, preservatives, bio- nanotechnology, and biomass-based energy. Biological Engineering also includes machinery development, protecting the environment from erosion and pollution, and structural design. 利用生物过程的工程技术和分析的应用，以开发产品：药品，食品补充剂，防腐剂，生物纳米技术，生质能源等。生物工程还包括机械开发，保护环境免受侵蚀和污染，结构设计。 

　　生物医学工程：The application of engineering skills and analysis to innovation in the health care industry and to quantitative understanding of biological systems. Biomedical engineers develop new medical devices, design diagnostic and therapeutic tools, and model physiological systems. 

　　工程技术的应用和分析在卫生保健行业的创新和定量 理解生物系统。生物医学工程师开发新的医疗设备,设 计诊断和治疗工具和模型的生理系统。 

　　1.3 生物医学工程常见分支 

　　1. 生物医学成像（Biomedical Imaging）是医疗设备的主要部分。该领域涉及使临床医生能够直观或间接地“查看”在明显视野中不明显的事物（例如由于它们的大小和/或位置）。这可能涉及利用超声波，磁力，紫外线，放射学和其他手段，为癌症、心血管疾、神经系统及眼科等疾病研发新的诊断和治疗工具。成像技术通常对医学诊断至关重要，并且通常是在医院中发现的最复杂的设备，包括：荧光透视，核磁共振成像（MRI），核医学，正电子发射断层扫描（PET），PET-CT扫描，投影放射线照相术X射线和CT扫描，断层扫描，超声波，光学显微镜和电子显微镜。 

　　2.生物力学和机械生物学（Biomechanics and Mechanobiology）生物力学和机械生物学是由生物对作用力和应变的反应联系起来的。要了解负荷对生物系统的整体影响，重要的是不仅要考虑力应用所导致的变形和剪切速率，还要考虑短期和长期的生物反应。 　　 

　　生物力学和机械生物学侧重于研究分子、细胞、组织和器官。生物力学是研究生命体变形和运动的学科，通过生物学与力学的有机结合，认识生命过程的规律，解决生命与健康领域的科学问题，机械生物学就是生物力学的一个新兴学科前沿领域。机械生物学研究不仅对于揭示正常机体生长、发育和衰老的生物力学机理和自然规律，而且对于阐明集体发病的发病机理及提供诊断、治疗的一些基本原理包括新兴药物和新技术的研发都具有重要的理论和实际意义。力作用于机体组织细胞后不仅产生变形效应和运动效应，而且可以导致复杂的生理功能变化。最终目的都是促进生物医学基础与临床以及相关领域研究的进步，促进人类健康。 　 

　　3. 组织工程学和再生医学（Tissue Engineering and Regenerative Medicine）组织工程学和再生医学目的是能够实现替换或再生已经患病/受损的细胞、组织和器官，目前的研究技术包括用于修复各种组织和器官的生物材料/细胞构建体，有干细胞疗法和免疫疗法，该研究方向通常与材料科学、细胞生物学、临床科学、免疫学、基因组科学等结合比较密切。例如在人造生物反应器构造中使用肝脏细胞的肝辅助装置。  

　　4. 生物材料（Biostatistics）生物材料主要包括用于修复、替换和刺激生物系统的人造材料。目前包括纳米材料、软材料、免疫活性材料、组织支架的设计以及复杂机制生物材料的研究。比如：心脏瓣膜，皮肤修复，隐形眼镜，用于牙齿固定的植入物。 　　 　　 

　　5. 细胞和生物分子工程学 (Cellular and Biomolecular Engineering) 生物工程师将工程学原理应用于细胞与分子生物学的问题上，有目的地修改细胞的性质，以改善其在特定应用下的性能。比如：使用重组DNA设计新细胞并使正常细胞粘附到人造植入的生物材料上。 　　 　　 

　　6. 药物和基因传递（Drug and Gene Delivery）药物和基因传递涉及药物、基因和基因产物的开发和传递，而这些最终能够改变细胞、组织和活生物体蛋白质的表达及其功能。主要包括质粒、纳米粒子、病毒、脂质体、肽/蛋白质复合物和生物材料支架等载体的开发，以及药物的基因传递。 　 　　 

　　7. 免疫工程学（Immune Engineering）免疫工程学通过对免疫系统的了解、控制和应用，研发一系列可用于治疗伤口、慢性炎症、癌症等疾病的新型疫苗和新疗法。 

　　8. 神经工程(Neural Engineering) 是一个比较前沿的方向，这一领域是从计算神经科学、实验神经科学、临床的神经病学、电子工程学和活神经组织的信号处理等领域汲取养分，并包含了机器人学、计算机工程学、组织工程学、材料科学和纳米技术等学科中的一些内容。可以理解神经工程是属于结合神经科学与医学电子、组织工程、生医电子、生医光电及信息处理等工程技术的一跨领域整合性的研究。其主要研究目标之一，是期望能恢复失去或受损的神经功能。神经工程在这方面的研究含括了设计、分析和测试神经细胞及神经系统的再生及修复功能，并纳入神经细胞及系统与人造电子系统的功能性接口等研究。 

　　神经工程研究专注于开发新的工具和方法，以实现神经系统的基础研究，以及治疗神经系统疾病。神经工程研究在开发新型神经技术方面具有优势，例如用于治疗神经疾病，研发神经假体和植入式装置。此外，系统的计算建模和成像技术为神经系统在健康和疾病治疗等方面起了一定的作用。该研究方向通过了解大量神经元如何有效传递信息和动态配置通信路径，治疗运动障碍、学习障碍和记忆障碍等。 

　　概括来说，神经工程是从实验、计算及理论等不同的方面研究神经系统的功能，并对神经系统的功能缺失与异常等问题寻找新的解决方法。 　　 　　 

　　9. 系统与合成生物学Synthetic and Systems Biology 系统生物学通过对多层面生物系统的了解，有助于更好理解人类疾病的起因和进展，并使治疗策略愈发个性化。合成生物学通常使用分子遗传，从新型蛋白质的设计到人造基因网络的创建，为生物医学应用生产工业上的产品做贡献，甚至可以将微生物合成具有医疗或工业价值的材料以对抗疾病。这两项研究可以开发读取和操作遗传密码的方法，制定再生医学的新战略以治疗遗传疾病。 　　 　　 

　　10. 生物传感器和生物仪器Biosensors and Bioinstrumentation 生物传感器和生物仪器领域是利用生物化学，电子学，组学（基因组学，表观遗传学，蛋白质组学）和生理学方面的最新进展开发新型诊断、治疗和假体装置。生物仪器的重点是工程工具在科学研究、疾病诊断和治疗中的应用包括成像仪器、疾病诊断和治疗。 

　　11. 生物微机电/生物纳米（BioMEMs / BioNANO）BioMEMs将微小芯片用于生物和医学应用方面。因其形状简单，在先进的生物技术领域中，利用微细加工和微加工等技术来快速的、经济的建成可进行自动化测量的纳米级实验室。在更复杂的情形下，BioMEMS设备为人造器官、独特的药物疗法及观察细胞交流的新途径提供了一个宽广的渠道。 

　　12.电机控制（Motor Control） 一个跨学科的分支，目的是了解感知运动过程，控制和协调人类运动。对正常行为的学习和协调的洞察力将 为更好地理解诸如中风、帕金森氏症和他们的康复等神经系统疾病的异常行为提供基础。是神经科学、生物 学、控制理论、力学和动力学的交叉学科。 

　　国内外BME项目特点： 

　　1、国内：更偏向于应用及临床。比如国内有一个生物医学工程的方向叫医疗数据库系统。现在我们去医院看病的时候我们一般会拿一张卡。去看病的地方刷一下，这样你过去的检查情况、病历等都会呈现出来，让看病的医生得到了解。这个外国的BME是不做的。其次是国内生物医学工程的学科设置会根据国内学校的侧重点不同会放在不同的学院以及他们会有不同的主攻方向，比如说国内的北大医学院和首都医科大学其实是和医学紧密相关的，他们的 BME 方向可能会更偏向于细胞及组织工程这个方向。而那些传统的比较工科的学校如浙大、清华、上海交大和东南大学，他们对生物医学工程这方面的侧重点更多。 

　　2、国外：更偏向于科研。比如说现在很热门的哈佛做的基因编辑的系统。这个系统在国内一定是生科院或者相关的方向在做，生物医学工程是不做的。其次，国外的伯克利就比较偏向于生物与医学相关的科学，但是 Stanford 和 UCLA 的生物学工程就更偏向于工程。 

　　1.4 常见学位 

　　MS in BME：这个项目一般开设在工程学院下，项目长度多为一年半到两年，申请者一般学医的、学生物或者工程的比较多，毕竟是交叉学科。就读这一学位的学生除了学习课程，还有机会进入实验室参与科研项目，很多学生在获得MS学位后继续攻读PhD学位，还有的进入学术界，工业界，或者政府机构从事科研或者技术开发。 

　　MEng in BME：同MS相比，MEng是偏向职业发展的，项目时长一般为一年到一年半的时间，除了开设专业相关课程，还会提供商科相关的课程和实习项目。有的学校还可以和MBA一起读一个双学位。如果想在毕业之后进入工业界做工程师，从事产品设计，研发和创新相关工作，MEng项目会是一个合适的选择。 

　　Ph.D. in BME：博士学位，学制为5年，主要跟随教授做学术研究。毕业后可在高校任教，也可以进入企业和科研所的研发部门，主要培养高端学术科研人才。 

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