生物醫學工程

生物醫學工程（Biomedical engineering）是一門年輕的交叉學科，與生物工程密切相關；其主要特點是運用工程學和應用科學的知識和技術解決生物學和醫學領域的科學問題，充分研究生命系統及其行為，以及開發相關的生物醫學系統和設備，最終幫助患者得到更好的照料以及提高健康個體的生活質量。該專業對疾病治療、社會經濟發展都有著深遠意義，因而成為各國科學家的研究熱點，是一門具有著巨大發展潛力的「朝陽學科」。生物醫學工程師常同醫生、治療師以及學術界研究者共同工作，以解決臨床問題。同該專業相關的應用實例包括生物兼容的假體、醫療器械、診斷設備、植入裝置、物理治療設備以及可穿戴設備等。

## 歷史與行業

生物醫學工程雖然如今被視作一個創新領域，但它擁有一個悠久的實踐歷史。最早的例子之一是在一具三千年歷史的埃及木乃伊上發現的木頭和皮革假腳趾。在此之前，即使是簡單的拐杖和拐杖也是一種工程輔助設備，而第一個為骨折設計夾板的人也可以被認為是早期的生物醫學工程師。

多年來，生物醫學工程隨著科學技術的發展而不斷發展。在整個歷史中，人類逐漸能夠有效地診斷和治療疾病，或者一定程度上的恢復、補償及減輕人體的殘疾和傷患。例子之一是助聽器的發展演變。根據聽力援助博物館的資料，「耳朵喇叭」（Ear Trumpet）是一種懸掛在耳朵上的大喇叭形裝置，它是20世紀中期以前唯一的「可行的助聽器」。博物館在其網站上表示，雖然電子設備在此之前就已經開發出來，但它們的速度很慢，難以幫助人進行日常溝通。

亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）和托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）在19世紀末20世紀初的聲音傳播和放大工具被應用於製作第一台桌面助聽器。隨後是第一台使用大電池供電的真空管放大器的可攜式（或「可拖曳」）設備。然而，第一批可佩帶助聽器的出現則要等到William Shockley及其在貝爾實驗室的團隊開發電晶體之後了。後續開發的微積體電路和先進的電池技術最終使得完全適合耳道的微型助聽器問世。

生物醫學工程史上的一些著名人物及其貢獻包括：

- Forrest Bird（機械呼吸機）
- John Charnley（人造髖關節置換術）
- Graeme C. Clark（人工耳蝸）
- 威廉·埃因托芬（Willem Einthoven，心電圖）
- Wilson Greatbatch（內部心臟起搏器）
- Charles A. Hufnagel（人造心臟瓣膜）
- Robert Jarvik（人造心臟）
- Willem Johan Kolff（腎臟透析）
- 勒內·拉埃內克（Rene Laënnec，聽診器）
- Michel Mirowski（植入式心臟復律除顫器）
- 威廉·倫琴（Wilhelm Roentgen，X射線）

如今，生物醫學的應用領域涵蓋了從汽車到航空航天，摩天大樓到聲納等各種領域。它專注於改進人類健康和衛生保健，為疾病的預防、診斷、治療和康復服務。

不同於對人類健康有影響的其他工程學科，生物醫學工程師還會在其工程設計過程中使用和應用現代生物學原理的深入知識。機械工程，電氣工程，化學工程，材料科學，化學，數學和電腦科學與工程等領域都與生物醫學工程中的人類生物學相結合，以改善人類健康。無論是先進的假肢還是突破性的細胞內蛋白質鑑定，都有生物醫學工程的活躍。

生物醫學工程中有許多子學科，包括有源和無源醫療設備的設計和開發，整形外科植入物，醫學成像，生物醫學信號處理，組織和幹細胞工程以及臨床工程，等等。

## 醫療設備

通常生物醫學系要對醫院使用的醫療設備進行校正以及維護，除非這些設備需要根據保證或者維護合同規定需要外部公司進行維護。所有的新進設備都要進行完全的測試，也就是說每行軟體代碼都要運行一遍或者每種可能的設置都進行測試和檢驗。大多數設備都將這個測試過程設計得簡單又精確。許多生物醫學設備需要進行消毒處理，但是這會帶來一些特殊的問題，因為大多數消毒技術都會帶來機器或者材料的損壞。大多數醫療設備或者自身是安全的，或者已經添加了其它的設備或系統以檢測可能的故障，並且在出現故障的時候將系統關閉或者切換到不可使用的安全狀態。一個典型的基本要求是在它的生命周期中任何時候任何單個的故障都不能使治療過程變得不安全。參見安全工程中關於設計安全系統的過程的論述。

成像技術，如MRI、X射線、CT掃描、PET掃描以及PET-CT掃描通常都是醫院中最複雜的設備。在X射線之後發明的新設備有起搏器、輸液泵、心肺機、透析機、診斷設備、人工器官、移植以及先進的彌補術。

## 規章制度問題

規章制度問題一直是生物醫學工程師關注的一個問題。為了滿足安全規定的要求，許多生物醫學系統都必須有相應的文檔要求按照預先規劃好並經過批准的流程進行管理、設計、建造、測試、交付和使用。人們認為這樣可以減少偶爾遺漏所需步驟的可能性從而提高治療的質量與安全性。

在美國，生物醫學工程師可以根據兩個不同的法律框架進行操作。臨床設備與技術通常是由美國食品藥物管理局按照類似於藥物管理的方式進行管理。生物醫學工程師也可以開發日常消費用的設備與技術，如理療設備等，可以歸由美國消費品安全委員會管理。參見 US FDA 510(k) documentation process 中關於生物醫學設備美國登記的規定。

其它國家通常都有自己的管理機制。例如，在歐洲關於一個設備是否適合的決定權在處方醫生手中，規章制度保證設備與所期望的工作效果一致。這樣，在歐洲政府授權以盈利為目的的認證機構。知名工程師技術委員會提交包括公眾評論在內的建議，這些建議就會被歐盟採納為法律規定。根據設備的類型不同這些建議有所不同，並且會為安全性及功效規定測試方法。

一旦一個原型產品在認證實驗室獲得通過，並且在經過認證的質量體系控制下進行生產，那麼設備就會允許加貼「CE標誌」。CE標誌表示按照使用說明使用這個設備就是安全可靠的。

不同的規章制度有時就會導致產品根據有利的法規條款的不同最初是為美國還是為歐洲市場設計。如果堅持不懈地申請的話，大多數的安全認證系統都會給出同等的結果。通常，一旦滿足一個這樣的體系要求之後，那麼對於其它的來說主要就是各種書面文件的工作了。

## 薪資與前景

BLS（美國勞工統計局）表示，大多數生物醫學工程工作至少需要生物醫學工程學士學位。許多雇主對專業工程師則要求國家認證。通常需要碩士學位來晉升為管理人員，並且就職於該行業需要持續的教育和培訓以跟上技術、測試和監控設備、電腦硬體和軟體的發展以及政府法規方面的進步。

像許多工科領域一樣，生物醫學工程師的薪水也很高。與其他領域相比，他們在職業生涯的各個階段的收入均高於平均水平。根據Salary.com的數據，截至2014年7月，剛畢業的具有學士學位的生物醫學工程師的工資範圍為35,213美元至64,371美元。具有碩士學位和5至10年經驗的中級工程師的工作範圍為51,404美元至84,098美元；具有碩士學位或博士學位並具有15年以上經驗的高級工程師的工作範圍為82,490美元至112,063美元。那些具有高級學位的經驗豐富的工程師晉升到管理職位時則可以獲得更多收入。根據美國勞工部的資料，前10％的生物醫學工程師的工資有134,620美元。

## 教育

越來越多有工程學科的大學現在都有一個生物醫學工程專業或者有一個從本科到博士的生物醫學工程系。按照慣例，生物醫學工程是在完成傳統的工程或者科學領域本科學習之後專注的一個交叉學科。出現這種現象的一個原因是現在要求生物工程師在工程領域與生物科學領域具有同樣的知識水平，現在兼有這兩個學科知識的專業變得越來越普遍。

## 相關科目分支

### 臨床工程

臨床工程又稱為醫學與醫院系統工程學，是生物醫學工程的一個分支，它的主要專業職責是負責醫院中醫療設備的管理。臨床工程師的工作通常是維護醫療設備清單、指導醫療設備技師的工作、確保醫療設備的安全性（如醫院輻射性安全作業）以及校準問題的處理，並且作為醫院的醫療設備顧問。

## 參考文獻

- U.S. Bureau of Labor Statistics profile

## 另請參見

- 關於生物醫學工程分類的圖書
- Bronzino, Joseph D. (2000). The Biomedical Engineering Handbook - Second Edition. CRC Press.
- Volume 1. ISBN 0-8493-0461-X.
- Volume 2. ISBN 0-8493-0462-8.
- 生物醫學工程主題列表