生物医学工程文献综述范文

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篇1

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）15-0134-02

一、“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式的必要性

我国高等教育当前的任务是为社会培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才，工程类和“应用型”人才培养必须面向我国经济建设主战场，应责无旁贷地为地方经济的振兴和可持续发展服务。国家“十一五”规划中把发展教育和培养德才兼备的高素质人才摆在了更加突出的战略位置[1，2]。在我国，生物医学工程专业大致可分为两种类型：“研究型的综合性的，大体是我们国立的重点大学”；“应用型的专业性的、培养各行各业的应用型的高级专门人才，包括一般的高等学校，尤其是地方高等学校”和“职业性的技术技能型”。传统的人才培养模式仍然占统治地位，其课程设置、课程内容以及教学过程中都带有浓重的学科体系特点。学生的职业能力难以提高，很难适应实际工作的需要，从而出现了人才市场上供求失衡的结构性矛盾。可以看出，传统的教育教学模式对学生能力培养的缺失决定了教学模式改革的必然性。而“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式是一种以职业能力培养为导向的教育模式，其弥补了传统的教育模式在能力培养上的不足，符合生物医学工程人才培养的需求。因此，构建“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式，切实提高生物医学工程专业人才培养质量，努力培养符合时代要求的人才，显得尤为重要。

二、“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式的规划

我校生物医学工程学科人才培养应以信息技术为支撑，以服务地方经济为出发点，以数字医疗仪器为特色，培养具备生命科学、电子技术、计算机控制技术及信息科学有关的理论知识，具有能将医学与工程技术相结合的科学研究能力，能从事医学电子仪器的设计制造、仪器与系统的设计制造以及在其他电子应用技术、计算机应用技术等方面从事系统分析、系统设计、系统运行等工作的高水平、创新复合型人才。因此，推进人才模式研究，合理安排知识内容，突出多学科交叉的特点，加大产学研合作力度，培养学科归属感、自豪感，让社会更了解生物医学工程学科，也为地方经济的发展提供高水平的人才储备，这些都将列入我们的学科规划。

在创新培养模式研究中注重解决三个科学问题：①交叉学科人才培养问题，实现我校独具特色的新型交叉学科研究生创新教育模式研究；②信息背景和导向问题，实现扎实的信息技术背景、服务数字医疗领域的基础研究和应用开发研究；③产学研研发平台和研究生培养平台的建设，利用现有多企业协作的省部级科技平台，培养更具活力、创新型研究生人才。

三、“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式的实施路径

（一）优化生物医学工程研究生教育课程结构体系

知识结构是指知识的构成状况，即所掌握的各种知识的相互比例、相互联系、相互协调、相互作用以及它们所形成的整体功能。知识结构通常包括核心知识和拓展知识，它们相对应的教育分别是核心教育和拓展教育。由于以前的人才培养目标不明确，学生所接受的核心教育内容不一致，各高校差别非常大。比如医学院校往往强调医科内容，学生最初接触的知识往往是纯医学内容，在进行后续的拓展教育时，由于工科基础太薄弱，学生感觉非常吃力。而在工科院校，核心教育内容重视工科，按理说进行拓展教育比较轻松，但问题仍然比较严重。“生物医学工程学科是干什么的？”“与自动化等专业的区别在哪里？”“重庆邮电大学的生物医学工程学科研究生培养些什么？”这些疑惑让学生的拓展教育受到制约。生物医学工程研究生教育课程群主要包括5个方面的内容：（1）科学基本知识；（2）工程专业核心课程；（3）生物医学专业核心课程；（4）人文与社会科学；（5）工程专业选修课程。

（二）突出信息特色，探索教育创新如何服务地方经济

生物医学工程学科需要宽厚的信息背景，要利用运用大量的通信、计算机领域和仪器仪表知识。重庆市“10+2”产业发展规划提出要重点发展信息（数字医疗等）、生物（生物医学工程等）等高技术产业，构建一批高技术产业基地，在生物医疗、信息、仪器仪表等重点领域形成一批国家级和市级工程技术研发中心[3]。因此，本研究将立足信息学科基础，主动服务经济和社会发展，以医学电子仪器为学科特色，培养具备生命科学、电子技术、计算机控制技术及信息科学有关的理论知识，具有能将医学与工程技术相结合的科学研究能力，能从事医学电子仪器的设计制造、仪器与系统的设计制造以及在其他电子应用技术、计算机应用技术等方面从事系统分析、系统设计、系统运行等工作的研究生创新人才。

（三）构建、探索运行具有可推广性的校企联合产学研合作研究平台

研究生创新能力很大程度体现在解决问题、理论分析、研究开发的综合能力。研究实践平台是研究生创新教育最重要的一环。在全面推进素质教育、实施科教兴国战略中，教育工作者担负了培养21世纪社会主义建设人才的重任。在以教师为主导、学生为主体的新型教学模式中，实践教学活动作为一种重要的学习过程，其目的是提高学生学习水平，开拓学生科学视野，提升学生科研素质，锻炼学生动手能力，加强学生主动思考能力，培养学生创新精神和实践能力。在为国家和社会培养高级医学工程型人才的教育工作中，生物医学工程的广大教师和教育管理者应该广开思路，不仅重视研究理论教学方法以培养和提高学生的素质，还要积极为学生实践活动提供机会，创造环境和氛围。

（四）研究生创新能力评价方法研究

目前研究生水平评价主要通过三个方面体现：第一是课程考核；第二是；第三是论文答辩。这三大模块基本上确定了研究生的学习能力、处理课题能力和总结能力。但是对于生物医学工程这种交叉学科，其评价方法应该体现学科特色，需要更加细致化、过程化和量化。主要研究内容包括：（1）评价指标体系的选用。既有学科特点，又有产学研创新，交叉学科，信息特色。比如：课程学习体系，必然要包含信息技术、工程技术、生物医学技术、健康康复要求等多方面、多模块的知识体系，包括课堂学习、文献查阅、情报检索、归纳总结等能力，知识产权申报与总结；产学研平台实习和解决企业需求能力评价；发表科技作品，不但包括科研论文，还应该强调文献综述发表，专利申报，软件著作权发表等事项。（2）指标体系权重设计和评价算法。通过充分调研、征求导师、同行、学生意见和建议设计各参数权重体系。通过评价体系和体系指标权重设计相应的评价算法，通过量化和定性评语方式确定研究生创新能力。（3）评价效果研究。通过评价体系的研究，跟踪创新人才培养效果，同时进行评价方法效果复核。

（五）探索研究生研究、学习生涯规划

研究生生活时间短，而学习、研究任务重。研究旨在实现一种明确的、有序的研究生研究学习生涯规划，解决如何尽快适应交叉学科学习研究、如何规划研究生涯问题。通过研究生涯路线图的形式研究在不同学习阶段生物医学工程研究生所需从事的工作、参与的课题、掌握的技能、乃至发表的作品。通过不同类型、不同基础入学研究生的研究生涯路线图，获得更加规范、更加高效的研究过程管理。探索学习、研究过程的宏观目标与微观管理的有机联系，通过共性问题，提炼出不同类型入学研究生将要践行、实现的研究路线图。在研究中还将全面研究国际、国内生物医学工程学科中的优势体系、培养方案，进一步提炼出生物医学工程发展的新战略和人才培养新模式，优化研究生课程体系，建设课程群，提高教学效果，促进教学质量与教学改革工程的全面实施与整体提升。

四、结束语

实现独具特色的新型交叉学科研究生创新教育模式研究，实现扎实的信息技术背景、服务数字医疗领域的基础研究和应用开发研究，建设产学研研发平台和研究生培养平台，利用现有多企业协作的省部级科技平台，培养更具活力、创新型研究生人才，必须探索本学科专业硕士的培养方法和教学改革模式，在可能情况下与我国“卓越计划”进行有效接轨，探索在数字医疗人才培养领域开展应用型、工程型、创新性卓越工程师的可行性[4]。显而易见，只有注重过程管理、完善考核评价体系，学生能力的提高才有内在的驱动力，才能保证“三位一体化”创新型数字医疗人才培养模式成功实施。

参考文献：

[1]张阳德，，任力锋.生物医学工程教育模式和人才培养途径的探讨[J].中国医学工程，2004，12（3）：106-107.

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关键词：

生物工程；人工生命；组织工程；人工组织；人工器官

0引言

从广义层面上来说人工生命即为具备有人的生命指征、功能、结构以及外在形象的人工制造系统，是人对于自然生命的一种模拟与拓展。广义上的人工生命是多门学科合并之后的产物。一般认为人工生命学科是由生物科学技术与工程科学技术所结合而产生出的一门学科。下文将主要就针对材料技术型生物医学工程与组织工程、人工生命间的相关性，以及材料技术型生物医学工程、组织工程、人工组织及器官展开具体的论述。

1材料技术型生物医学工程

此种工程学科的主要研究目标即为各类生物材料及人工器官组织，其中就涵括了组织工程学科。在此方面研究工作中涵括有材料科学、生物科技、化学、信息技术、计算机技术、医学以及生命科学等多门学科的基础知识。生物材料也就是对于生物体进行临床诊治以及将其受损组织器官替换下来，亦或是增强人体某一部分功能的材料，因此就必须要求其能够植入到人体当中并不出现排异反应，确保活体细胞可以在此材料之上自然生长。生物材料亦可被视作构成人工组织与器官的核心材料。生物医学材料在未来一段时期的主流发展趋势，即为给予组织工程的发展提供优势特性显著的活性生物材料，应确保其具备良好的生物相容特点；亲水特性；性；预防组织粘附特性；抗炎特性；抗凝特性等。以保障活体细胞能够在所制成的人工材料上生长并对病变组织起到良好的改善、恢复效果，使之免疫识别与生物催化性能得以有效提高。依据生物医学材料的属性可将之主要划分为以下几种：

（1）无机非金属生物材料。①同人体组织力学间具备良好的相容性，同时还可改善组织生长的材料。②具备人体有机以及无机结构的复合型材料。

（2）金属生物材料。①毒性较低，弹性模量更加符合入骨特点的合金材料。②各种植入人体当中的器械材料，如较为常见的人工关节、种植牙、心脏支架等。③接入性诊治所采用的医疗器械设备如官腔支撑架、引导丝等。

（3）生物医用高分子材料。①可将血液之中的毒副物质吸出的材料。②能够在临床上应用于免疫性病症治疗的材料。

2组织工程与人工组织

目前临床上所面临的主要医学问题当中主要就包括了组织与器官的衰竭、损伤，而临床上在应对此类问题时所较常采用的措施方法主要包括以下三方面：

（1）自体移植。由人体自身的部分组织来对损伤位置进行修复，例如，对面部皮肤大面积烧伤患者进行面部手术修复时通常会取其自身大腿位置的皮肤来进行修复损伤组织。

（2）异体移植。例如，某患者在遭遇意外事故时，家属自愿将其身体部分组织如眼角膜、肾脏等组织捐献给有需要的人。然而此种情况时常会出现异体组织的兼容性问题，同时需要被捐助的人员与每年的捐献人数相比差距过大，供体不足情况十分显著。

（3）人工器官。这种方式能够彻底解决供体不足的情况，但是其目前所存在的问题也是十分显著的即异体反应与感染情况十分明显，绝大多数的患者在接受器官移植后都是应各类感染致死。对此人们也就设想若是能够采用母体细胞以及生物降解材料在人体当中构建起新的组织器官，也就是进行结构组织，代谢组织以及细胞系统的重新建构。目前这一设想已经不再是仅存在于人们脑海之中的假想，而已经走进了现实生活当中，可以预见组织工程的发展必将会促成这一设想的实现。当前，组织工程研究的主要内容即为：适宜的母体细胞来源；能够为细胞粘附生长提供空间的细胞外基质；可应用在促进细胞组织再生长的因子；以及组织间的相容性。开展组织工程通常会应用以下三种策略：

（1）细胞以及生物材料的杂化体系，例如由小块活体组织将特异细胞分离出来，通过体外扩散增大之后种植于生物相容性较好同时能够生物降解的聚合物所建立起的多孔支架当中，在体外培养一段时间后可将细胞和支架结构置入于患者体内；伴随着组织缺损部位的重新构建，聚合物将会逐渐降解并消失。

（2）仅具备生物降解材料体系，借助于生物生长方式促使细胞成长为多孔支架结构，在通过增殖、分化来产生为相应的组织结构，并且与周边组织相整合。例如采用珊瑚骨加支撑的羟基磷灰石陶瓷，其孔隙架构与人体骨架构极为接近，可被应用在骨组织工程支架中。

（3）细胞体系，经过移植的细胞经由生物过程演变为微结构。

3结束语

总之，从广义性的角度上来说人工生命必须要基于工程科学技术、生物科学技术以及生物工程科学技术的基础上。因而大量的工程、生物以及生物工程均是广义上的人工生命科学技术基础。材料技术型生物医学是工程的研究对象主要是生物材料与人体的各个身体器官。组织工程则是借助于生命科学以及工程科学的基础理论与方法，来探究并开发出具备修复以及改善人体组织器官功能的新型临床应用取代物，也就是人工组织，因而材料技术性生物医学工程以及组织工程也便是生物工程人工生命的基础。

参考文献：

[1]杨国为,陈国江,涂序彦等.广义人工生命的科学基础(Ⅱ)--生物工程基础[J].计算机工程与应用,2013(09).

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前言

三维打印（Three Dimension Printing，简称3DP）属于一种快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）技术，它由计算机辅助设计（CAD）数据通过成型设备以材料逐层堆积的方式实现实体成型。“三维打印”在技术界也叫“增材制造”、“自由成形”、“快速成形”或“分层制造”等[1]。三维打印起源可追溯于上世纪八十年代，1984年查尔斯・赫尔发明了将数字资源打印成三维立体模型的技术，并于1986年成立了3D Systems公司，开发了第一台商用立体光敏3D打印机，1988年，斯科特・克伦普发明了熔融沉积成型技术（FDM）并于1989年成立了Stratasys公司，随后在2012年合并以色列3D打印公司Objet。3D Systems和Objet是目前世界上最大、最先进的两家3D打印公司。我国清华大学颜永年教授于1988开始研究3D打印成型技术，华中科技大学王运赣教授以及西安交通大学卢秉恒院士等，纷纷于上世纪90年代起就开始涉足3D打印成型技术的研究。

1998年，清华大学的颜永年教授又将3D打印成型技术引入生命科学领域，提出生物制造工程学科概念和框架，并于2001年研制出用于生物材料快速成型的3D打印设备，为制造科学提出了一个新的发展方向--生物制造。生物制造的一个重要手段即是生物3D打印。生物三维打印是以活细胞（living cells）、生物活性因子（proteins and bio-molecules）及生物材料 （biomaterials）为基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构，是制造科学与生物医学交叉融合的新兴学科，它是目前3D打印技术研究的最前沿领域，也是3D打印技术中最具活力和发展前景的方向[2，3]。

1 3D打印技术的分类

目前比较典型的3D打印快速成形技术主要分为三种[4]：

1.1 粉末粘结3D打印光固化材料3D打印与熔融材料3D打印

粉末粘结3D打印是目前应用最为广泛的3D打印技术，其工艺过程如下：首先，在工作平台上均匀铺洒单位厚度的粉末材料；其次，依据实体模型离散层面的数字信息将粘结剂喷射到粉末材料上，使粉末材料粘结，形成单位实体截面层；再次，将工作台下降一个单位层厚；最后，重复第一步至第三步，逐层堆砌，形成三维打印产品。其存在缺点是，通过粉末粘连成形的零件精度和强度偏低，一般需要后续工艺提高其强度，但后续处理工艺会导致零件体积收缩，变形严重。

1.2 光固化3D打印（光敏三维打印）

该技术使用液态光敏树脂作为原料制作零件模型，光敏材料三维打印成形基于喷射成形技术和光固化成形技术，喷头沿X方向往复运动，根据零件的截面形状，选择性喷射光固化实体材料和光固化支撑材料形成截面轮廓，在紫外光照射下光固化材料边打印边固化，层层堆积至制件成形完毕。但其应用于骨骼类产品打印的主要缺点是，当前具有生物活性的骨骼类材料如羟基磷灰石，生物玻璃等材料自身不是光敏性材料，需与光敏材料混合使用，因此影响产品的生物活性在打印后将受到很大影响。

1.3 熔融材料3D打印成形

熔融材料三维打印成形基于熔融涂覆成形（FDM）专利技术，分别加热两种丝状热塑性材料至熔融态，根据零件截面形状，选择性涂覆实体材料和支撑材料形成截面轮廓，并迅速冷却固化，层层堆积至制件成形完毕，其原理与光敏材料3D打印成形类似 [16]。目前熔融材料三维打印成形，可采用由磷灰石和骨骼所需的有机盐配置而成的骨水泥，不需要额外添加紫外光照射固化所需的光敏介质，有利于保证材料后续的生物相容性和生物活性。但由于挤压式喷头的喷嘴处压力大，容易造成阻塞现象，因此对喷嘴和材料浆料的粒径要求较高。

除三维打印外，应用比较广泛的商业化快速成形工艺还包括立体光刻成形（SLA）、选择性激光烧结成形（SLS）堆叠、实体制造（LOM）、熔融堆积成形（FDM）等，但这些工艺大多需要配备价格昂贵的激光辅助系统，且成型工艺实质上还是类似于上述三种材料叠加-固化技术。因此，三维打印技术被认为是最具生命力的快速成形技术，发展潜力巨大，在医学中的应用前景广阔，其推广应用将对传统的医疗产品生产模式带来颠覆性的影响。

2 三维仿生重构建模技术的发展

基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要研究内容之一。3D打印生物构件的实现首先需要在计算机环境下有效重构和建模，生成可用于驱动打印喷头的指令数据进而操控成型设备实现产品成型。随着医学影像技术的发展，人体组织的二维断层图像数据可以方便地获取以进行医学诊断和治疗。但是，二维断层图像只是表达了某一截面的解剖信息，医生可以凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，可三维打印设备却无法根据这些断点数据进行立体三维成型，因此，基于医学图像的三维重构建模技术是生物3D打印技术的重要前驱步骤。

由于CT或MRI等检测设备扫描得到的二维图像信息不能直接用于快速成型，只有通过专用软件将二维断层图像序列重建为三维虚拟模型，并生成为快速成型机可以接受的STL（Stereo Lithography）格式图形文件，才能最终制造出生物产品三维实体模型。近十多年来，欧美等发达国家的科研机构对于医学图像三维重建的研究十分活跃，其技术水平正从后处理向实时跟踪和交互处理发展，并且已经将超级计算机、光纤高速网、高性能工作站和虚拟现实结合起来，代表着这一技术领域未来的发展方向。

在市场应用领域，国外已经研制了三维医学影像处理的商品化系统，其中，比较典型的有比利时Materialise公司的Mimics、美国Able Software公司的3D.Doctor和VGstudio MAX。在国内，中国科学院自动化研究所医学影像研究室自主开发的3D Med是基于普通微机的三维医学影像处理与分析系统，系统能够接收CT、MRI等主要医疗影像设备的图像数据，具有数据获取、数据管理、二维读片、距离测量、图像分割以及三维重建等功能。清华大学计算机系研发的人体断面解剖图像三维重构系统能给外科手术中的影像诊断提供一定的参考。中国科技大学在应用Delphi开发三维重构软件的研究上取得了很好的成果。国内企业也研发了一些三维医学影像处理系统。如西安盈谷科技有限公司“AccuRad TM pro 3D高级图像处理软件”于2005年4月投入市场。它能对二维医学图像进行快速的三维重建，并能对临床影像的数据进行科学有效的可视化和智能化挖掘和处理，为临床提供更多有价值的信息。但目前国外优秀软件如Mimics、3D Doctor、VGStudio MaX等的价格非常昂贵，且其技术严格保密。国内的产品大多没有自主知识产权和成熟的商业应用模式。

3 3D打印技术在生物医学工程中的应用

3D打印技术在生物医学工程中应用广泛，其应用领域大致包括：体外器官模型、仿生模型制造；手术导板、假肢设计；个性化植入体制造；组织工程支架制造；生物活体器件构建以及器官打印；药物筛选生物模型等。如图1所示为3D打印在生物医学工程中的各种应用情况[5-7]。

3.1 体外器官模型、仿生模型制造。该类应用主要用于医疗诊断和外科手术策划，它能有效地提高诊断和手术水平，缩短时间、节省费用。便于医生、患者之间的沟通，为诊断和治疗提供了直观、能触摸的信息，从而使手术者之间、医生和病人之间的交流更加方便。

3.2 手术导板、假肢设计。该类应用便于订制精确的个性化假体，实现个性化医疗需求。根据患者缺损组织数据量身订制的假肢，可提高假肢设计的精确性，提高手术精确度，确保患者的功能恢复，减少患者的痛苦。

3.3 个性化植入体制造。人体许多部位的受损组织，需要个性化定制。如人类面部颌骨（包括上下颌骨） 形态复杂， 极富个性特征， 形成了个体间千差万别的面貌特点。人类的头颅骨，需要准确与颅内大脑等软组织精确匹配扣合，人体的下肢骨、脊柱骨等会严重影响患者今后的步态及功能恢复。因此这类修复体可通过3D打印技术实现个性化订制和精确 “克隆”受损组织部位和形状。

3.4 组织工程支架制造。如通过3D打印技术设计和制备具有与天然骨类似的材料组分和三维贯通微孔结构，使之高度仿生天然骨组织结构和形态学特征，赋予组织工程支架高度的生物活性和骨修复能力。

3.5 生物活体器件构建以及器官打印。此方面的应用大多涉及活体细胞的生物3D打印技术。细胞三维结构体的3D构建可以通过活细胞及其外基质材料的打印构建活体生物器件。如英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作，首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能。美国康奈尔大学研究人员最近在其发表的研究论文中称，他们利用牛耳细胞在3D打印机中打印出人造耳朵，可以用于先天畸形儿童的器官移植。

3.6 药物筛选生物模型。药物筛选指的是采用适当的方法，对可能作为药物使用的物质（采样）进行生物活性、药理作用及药用价值的评估过程。作为筛选，需要对不同化合物的生理活性做大规模横向比较，因此有研究人员指出通过3D打印技术，精确设计仿生组织药物病理作用模型，可以使人们开在短时间内大规模高通量筛选新型高效药物。最近，四川大学联合加州大学圣地亚哥分校等科研机构，通过3D打印技术设计了一款肝组织仿生结构药物解毒模型（如图1-c），该研究成果发表在最近一期的Nature Communications上，受到3D打印研究领域的广泛关注。

3D打印在生物医学工程中应用：（a）3D打印磷酸钙骨组织工程支架； （b）3D打印细胞、活体器官构件；（c）3D打印肝组织仿生结构药物解毒模型。

4 结束语

三维打印技术正处在蓬勃兴起的阶段，3D打印技术在生物医学工程中得到了广泛的应用，其应用以及发展现状表明：3D打印在体外器官模型、组织工程与再生医学、个性化医疗以及新药研发等方面展现出广阔的应用前景。抓住生物材料及植入器械的三维打印技术新一轮发展浪潮，发展我国生物三维打印技术，对发展我国生物材料医疗器械产业步入国际先进水平具有十分重要的意义。

参考文献

[1]Kenichi Arai1， Shintaroh Iwanaga， HidekiToda， Capi Genci， Yuichi Nishiyama， Makoto Nakamura. Three-dimensional inkjet biofabrication based on designed images[J]. Biofabrication， 2011， （3）.

[2]Calvert P. Materials Science： printing cells[J]. Science， 2007.

[3]Mironov V， Reis N， Derby B. Bioprinting： a beginning[J]. Tissue Enginerring. 2006.

[4]Karoly Jakab， Francoise Marga， Cyrille Norotte， Keith Murphy， Gordana VunjakNovakovic， Gabor Forgacs. Tissue engineering by self-assembly and bio-printing of living cells[J]. Biofabrication， 2010， （2）.

[5]Vladimir Mironov， Richard P. Visconti， Vladimir Kasyanov， Gabor Forgacs， Christopher J. Drake， Roger R. Markwal. Organ printing： Tissue spheroids as building blocks[J]. Biomaterials， 2009， （30）.

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[中图分类号]G633.91 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2012）10-0227-01

20世纪末与21世纪初，人们发现，当代科学的发展和重大科学技术成就的取得，越来越依赖于不同学科之间的交叉与融合，许多有影响的科技成果，都是在学科的交互和交叉点上取得的。典型的例子是2003诺贝尔医学奖，它们的获得者是物理学科（曼斯菲尔德）和化学学科（劳特布尔）的研究背景，他们的研究与医学研究的交叉结合产生了对人类发展具有极大影响的杰出成果——核磁共振图像技术在临床诊断和医学研究上的突破。

一、交叉学科内涵和生物学实例

1.交叉学科内涵。交叉学科指的是两个或多个学科相互合作，在同一个目标下进行的学术活动。

2.生物科学领域中的交叉学科实例。

（1）生物化学；（2）生物医学工程；（3）生物信息学；（4）生物物理学；（5）生物数学。

二、交叉学科复合式教学体系内涵及生物交叉学科优势

（一）交叉学科复合式教学体系内涵

交叉学科复合式教学体系是指以交叉学科为基础，以培养复合型人才为目标，遵循系统原则，采用复合式设计方法，对教学要素（教学目标、教学理念、教学主体、教学方法、教学内容、教学管理、教学原则、教学手段、教学评价等）进行交叉复合，达到优化匹配，形成高效的人才生成复杂系统，具有开放性、复杂性、实践性、实用性、创新性及综合性等特征的教学体系。[1]

（二）生物交叉学科优势

1.交叉学科的范式是：A领域的研究问题，用B领域的方法。而这种研究方法和研究问题的重新组合，往往能产生很多新的发现，从而使得交叉学科能够得以蓬勃发展。这也是最大优势。

2.生物交叉学科优势。（1）它融合了不同学科的范式，推动了以往被专业学科所忽视的领域的研究，打破了专业化的垄断现象；（2）增加了各学科之间的交流，形成了许多新的学科；（3）创造了以“问题解决”（problem-soving）研究为中心的研究模式，推动了许多重要实践问题的解决。[2]

3.生物交叉学科实例包括：（1）生物化学；（2）化学生物学；（3）生物医学工程；（4）生物信息学；（5）生物物理学；（6）生物数学。

三、佳木斯大学生物交叉学科创新人才培养模式的实践

1.本科生导师制。导师制是一种教育制度，与学分制、班建制同为三大教育模式。导师制由来已久，早在19世纪，牛津大学就实行了导师制，其最大特点是师生关系密切。[3]

2.佳木斯大学生物交叉学科本科生创新能力训练体系模式。（1）佳木斯大学生物交叉学科本科生研究性学习的训练模式；（2）佳木斯大学生物交叉学科本科生研究型讨论的训练模式；（3）佳木斯大学生物交叉学科本科生研究课题文献资料查询和综述、成果总结发表和研究论文写作的训练模式。

3.佳木斯大学生物交叉学科本科研究型毕业设计模式。佳木斯大学生命科学学院教学指导委员会按照教育部的有关规定和人才培养目标的要求，根据生物交叉学科专业人才培养的规律、特点和实际，制定符合生物交叉学科特点的《本科毕业论文（设计）工作管理办法》。

4.佳木斯大学生物交叉学科本科生职业技能鉴定培养模式。佳木斯大学职业技能鉴定所面向佳木斯大学生物交叉学科本科生及社会需求，开展职业技能鉴定。在大学生中开展“双证书”制度，提高学生的职业技能水平和就业竞争力。

5.佳木斯大学生物交叉学科本科生攻读第二学位培养模式。

6.佳木斯大学生物交叉学科本科生课外自主科研与合作科研培养模式。（1）自主科研：佳木斯大学生命科学学院生物交叉学科本科生课外早期探索自己感兴趣的研究方向；结合毕业设计（论文），继续从事和完成他们自己的研究课题。（2）合作科研：佳木斯大学生命科学学院生物交叉学科本科生课外早期经过探索和初步训练以后，参加教师的高层次科研项目的研究，结合毕业设计（论文），继续从事和完成他们自己的研究课题。[4]

【参考文献】

[1]胡树华，兰飞，范文芳.交叉学科的复合式教学体系设计研究[J].江苏高教，2007.7：69-71.

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主管单位：中国科学技术协会

主办单位：中国解剖学会

出版周期：双月刊

出版地址：陕西省西安市

语

种：双语

开

本：大16开

国际刊号：1000-7547

国内刊号：61-1061/R

邮发代号：52-214

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1985

期刊收录：

CBST 科学技术文献速报(日)(2009)

中国科学引文数据库(CSCD―2008)

核心期刊：

中文核心期刊(2008)

中文核心期刊(2004)

中文核心期刊(2000)

中文核心期刊(1996)

中文核心期刊(1992)

期刊荣誉：

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中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0066-01

数字图像处理技术是指应用计算机对数字图像信息进行处理，涵盖了计算机科学与技术、数学、光物理学等多个领域。数字图像可以小到电子显微镜的图像，大到遥感图像、航空照片或者天文望远镜的图像，因此在生物医学工程、工业、农牧业、国防军事、多媒体等方面都有着十分广泛的应用。物体三维重建是数字图像处理的重要内容。人眼看到的世界是三维立体的，但是传统照相机、CCD或者CMOS图像传感器获取的图像都是二维平面的，不具备深度信息。这种二维成像系统限制了人类对真实世界中复杂的物体的感知和理解的能力。计算机三维重建的出现，突破了传统二维成像系统的局限，重建后的图像直观、逼真，可任意旋转、逐层剥离以及定量分析，显著提高了人类对世界的认识理解能力。

1 计算机三维重建

计算机三维重建是利用计算机数字图像处理技术根据真实场景的数据重建出具有准确几何信息和照片真实感的三维模型，并可进行多角度显示的技术。这些精确的三维模型，不仅能用于场景可视化和虚拟漫游，还可以满足数据的存档、测量和分析等更高层次的需求，尤其适用于辅助教学、生物医学工程、医学诊断、航天、工业测量、地理信息、数字文物和古建筑、电子商务等多种领域。

计算机三维重建方法有两种：一种是利用精密的硬件设备，如激光扫描仪、深度扫描仪等，直接测量出物体表面点的三维坐标。这种方法是直接对三维物体的空间信息进行处理，精度较高，但是设备要求极高，因此极大地限制了该技术的使用。另一种是通过相机或摄像机获得二维数字图像，然后通过数学模型计算出物体的三维结构。后一种方法数字图像容易获得，但重建结果易受到其他因素的影响，本文就此方法展开研究。

2 二维数字图像的三维重建

2.1 二维数字图像的获取

二维数字图像的获取包括物体外观图像的获取和物体内部图像的获取。物体外观图像的获取通常通过2台以上照相机或摄像机从不同角度拍摄，比如3D电影的制作。物体内部图像的获取，通常为断层扫描或连续切片成像，比如计算机X射线断层扫描（CT）、激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）成像、生物标本连续切片的显微成像等。

2.2 二维数字图像的预处理

二维数字图像通过三维成像软件来处理，不同领域有各自适用的软件，比如：3D Studio Max，适用于广告、影视、工业和建筑设计、游戏的三维成像和动画；Amira，Mimics，适用于识别生命科学和生物医学数据；Oasis montaj，适用于地球物理勘探、钻探、地球化学勘探等。软件对图像经过增强、图像定位校正和图像分割等预处理后进行三维重建。

图像增强：现在的数字成像技术，基本可以得到分辨率高、清晰度好的图像，但如果前期成像较模糊，可以通过对比度增强、Gamma校正、锐化或噪声消除等方法进行处理，以突出目饲域。

定位校正：多台相机或摄像机从不同角度拍摄的物体外观图像、生物标本连续切片的显微成像由于不能准确定位，还需进行图像定位校正。

图像分割：在对图像的研究和应用中，人们往往仅对图像中的某些特定的、具有独特性质的区域感兴趣，这些区域称为目标或前景（其他部分称为背景）。可根据灰度、颜色、纹理和形状等提取感兴趣目标，从而把图像分割成若干互不交迭的区域，并使这些特征在同一区域内呈现出相似性，而在不同区域间呈现出明显的差异性。常用的分割方法有：基于灰度阈值的图像分割、交互式图像分割、基于活动轮廓或者形变模型的分割等等。针对不一样的图像和待分割的图像特点，可以选择不一样的分割方法。图像分割是图像处理的基本前提，同时也是一个经典难题，到目前为止还没有一种图像分割方法是通用的。

2.3 图像的三维重建

二维数字图像的三维重建技术有两种：表面绘制和体绘制。举例而言，你站在一辆汽车前，只能看到外观，但无法观察到车子内部的结构如发动机，这是表面绘制；假设汽车和车内中的结构都是半透明的，就可以同时看到所有的细节，这就是体绘制所要达到的效果，即三维透视。表面绘制是表示三维物体形状最基本的方法，可以提供三维物体形状的全面信息。它是从数字图像中抽取一系列相关表面，并用多边形拟合近似后，再通过传统的图形学算法显示出来。体绘制是依据三维体数据，将所有体细节同时展现在二维图片上，可以在一幅图像中显示多种物质的综合分布情况，并且可以通过不透明度的控制，反应等值面的情况。该方法特别适合于云雾、流体、大脑软组织、气体等无固定形状的体数据图像的生成，产生的图像真实感强。

3 面临的问题

二维数字图像的三维重建是数字图像处理技术十分活跃的研究方向，虽然这一领域的发展十分迅速，但仍有一些方面是需要进一步提高。（1）提高计算精度：图像分割是人工手动完成，然后通过数学方法来实现，这涉及到个人知识熟悉程度和计算精度，如果个人经验不足，或者计算精度不够，则图像效果不符合客观实际，不一定能够达到人眼识别的舒适度。因此，基于专业知识的图像分割标准化方面还有待进一步研究。（2）计算精度和处理速度之间的矛盾：图像处理需要巨大的数据运算，运算量远大于文本处理，所以在提高运算精度的同时还要考虑提高运算速度。（3）计算机三维重建是研究工具，必须加强交叉学科间的联合研究，才能够在推广应用上取得进步。

参考文献

[1]陈汗青，万艳玲，王国刚.数字图像处理技术研究进展[J].工业控制计算机，2013，26（1）：72-74.

[2]孙宇阳.基于单幅图像的三维重建技术综述[J].北方工业大学学报，2011，23（1）：9-12.

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当前教学体系存在的主要问题：口腔医学研究生课程内容或多或少存在与本科课程的交叉重复，研究生部分课程内容的高深层级性只是体现在对本科生课程内容上，难以体现不同层次人才培养在课程设置上的递进性，客观上降低了研究生的课程要求，影响了研究生培养质量。口腔研究生阶段课程设置的涵盖面较窄，课程体系相对局限于特定学科范围之内，如专业选修课的设置多数按三级学科设置，不能很好体现知识扩展的功用，导致研究生知识面的狭窄，研究视野受到很大的局限。此外，授课方式仍然以课堂讲授为主，过多强调教师在教学中的主导地位；在对学习效果的评估考核上，考核的范畴更多地限于教师讲授的内容。教学目标的改革：坚持把研究方法的学习和练习放在首要位置。熟练地掌握研究方法是科研能力的核心要素，能够直接决定一项科学研究的质量，所以应该坚持把研究方法的学习和训练作为重要的一环。作者在课程学习的早期阶段开设研究方法学课程，向研究生介绍研究的一般程序、基本原则和基本方法，学习如何提出问题、如何查阅文献、如何收集材料、如何分析数据、如何得出结论、什么是合理借鉴与引用等等。教学内容的改革：开设跨学科、跨专业课程。当前的研究生课程各个学科间的相互渗透、交叉、继承性和综合性都表现的极为突出，知识界限也日趋模糊，课程设置应多样而灵活，才能使研究生具有全面的知识结构，激发研究生的创新意识，提高其创新能力。作者在医学院公共学位课中，也开设了《诺贝尔奖论文剖析》等课程，受到研究生的广泛欢迎；在专业课方面，在我国国内较早开设了《口腔分子生物学与口腔实验动物模型》、《口腔颌面部发育生物学与再生医学》及《口腔生物材料学》等口腔医学研究生“十二五规划教材”课程，初步实现了从传授型课程向创造型课程的转变，提升了研究生科学思维和创新思维的能力和水平。教学方式和评估体系的改革：努力改变研究生被动参与教学的情况，提升其学习的主动性。在授课上主要采用专题讲座、论文和综述汇报、专题讨论、学习班等方式，着重提出“以干促学”、“以干代训”的理念，即针对研究生科研工作的实际需求，组织教学活动，促进其学习知识的主动性。如针对文献管理，组织研究生参加本校图书馆举办的《NoteExpress学习班》，针对临床研究，组织了《Cochrane－Style系统评价培训班》，针对SCI论文写作，组织了《SCI插图规范化操作研讨班》，针对基因组学、蛋白组学等前沿研究，邀请校内外专家及著名生物医学厂商举办各种学习班等等。这些工作不但提升了研究生学习的热情和效率，还促进了作者所在医院的科研产出，很多研究生也据此获得了“光华基金”、“吴世华基金”及“国家奖学金”等奖励和荣誉。

2研究生创新平台建设的创新与实践

研究生培养平台的不足：近年来，各种大型精密仪器在高校逐渐普及，然而，硬件设施具备了，相应的管理工作却没有跟上，取得的效果却并不理想。首先，某些专业性很强的仪器被不科学地安置于常规实验室中，使它们不能被充分利用，即使应用，也大大降低了其在科研中的价值。其次，研究生进入实验室做实验，由于实验技术人员的缺少及精力所限，使研究生缺乏正规的指导与培训，即便是技术人员，也存在专业水平差，对新技术、新方法掌握不熟练等问题，不能正确引导研究生分析和思考在科研实践中遇到的理论或技术难题，这些都直接地影响了研究生创新能力的提高。整合现有研究生创新平台：在西安交通大学“行动计划”的支持下，作者及所在团队整合了当时医院的3个研究所组建了统一的“口腔医学研究中心”。研究中心建设的基本原则是“三个集中和一个避免”：①集中实验区域；②集中设备和材料，将原有实验室的全部设备和材料无偿划拨给实验中心；③集中人力，采用引进、培养和调整的方针，建立了一支专职的研究和管理队伍，即中心实验室不但要有设备还要有思想；④避免重复建设，与校内其他平台建设交流，共享大型设备，节省资金用于必需设备和有特点的设备的购买。该医院实验室由专人负责日常的维护和管理，研究生进入实验室之前进行培训，并针对每个研究生开设课题方向进行实验技术指导，使其基础实验能力与理论水平相匹配；同时，要求研究生学会详细观察实验的现象、综合分析实验的结果，切实提高了其实验的操作能力。搭建校企产学研战略合作平台：实践证明，遵循“临床到实验室再回到临床的道路（bed－beach－bed）”的转化医学规律的产、学、研联合，无疑是一种非常好的研究生培养模式。咸阳西北医疗器械（集团）有限公司是目前我国规模最大、综合实力最强的口腔医疗器械专业制造厂商，经过较长时间酝酿和深入磋商，作者所在医院已与其初步搭建了一个校企产、学、研战略合作平台。目标是在口腔医疗设备器械领域开展更广泛的技术合作，旨在实质性地加强高等学校与企业间的密切合作，积极开展口腔医学工程技术和相关医疗设备的开发和应用研究，研发具有自主知识产权的、高科技含量的先进仪器技术，促进向先进产品的转化。合作除了可充分发挥该院口腔医疗特色及优势，面向区域服务地方，不断提升区域创新能力，实现自身发展和区域发展良性互动之外，还可以共同培养研究生，并为他们提供科研实践的最好基地。

3研究生交叉、开放式培养模式的创新与实践

3．1研究生传统培养模式的弊端

单一导师制：我国的研究生招生规模逐年扩大，导师少、研究生多的结构性矛盾日益突出，单一导师制带来的弊端日益凸现。首先，师生人数比例失调，严重制约了研究生培养质量的提高和研究生知识水平的发展；其次，为了满足研究生教育的需求，各个学校都降低了硕士生、博士生导师的遴选标准，导致研究生培养质量出现参差不齐的现象；最后，知识时代的学科交叉性要求研究生具有宽广的知识面，而单一导师的知识局限性会导致研究生学习范围过窄、知识结构不宽，单一导师制度已经无法适应当前科学技术多学科交叉融合发展的趋势。研究生培养模式封闭：目前的研究生教育仍然满足于传统意义的教学与科研上，医学院临床医学和基础医学的区分较为严格，造成在招生方面，由于就业容量的限制，口腔基础医学招生较为困难；而口腔临床医学专业的研究生，又对从事基础研究缺乏积极性，因此，培养出来的学生也不可避免地存在医学创新能力上的不足。在封闭的培养模式下，优秀的研究生教育资源，包括导师资源、课程资源、科学研究试验条件等无法在国内各高校之间相互开放，更缺乏国际学术交流、讲座、合作科研等培养研究生所不可或缺的国际性育人氛围和环境。

3．2以学生为主体的、多导师合作制的改革

在研究生培养教学中，导师对研究生培养质量起着举足轻重的作用，如何保持导师队伍的质量是保证研究生培养质量的关键。为提高口腔医学研究生的培养质量，充分发挥导师的指导作用，作者所在医院采用合作导师培养模式，建立合理的导师引入机制，并不断探索研究生培养的“导师负责制”、“导师组”、“合作导师”相结合的多元化的研究生培养新模式，以期全面提升学科综合力。在学科交叉的氛围和环境中，激发学生的创新思维，拓宽学生的知识面，进而提高研究生的创新和实践能力。尤其是该医院与西安交通大学的基础研究和材料学院等相关研究教师合作，共同指导研究生完成课题研究，这种校内跨学科合作导师模式，既可以让学生掌握系统化的专业理论知识，开拓了思维，又发挥学校不同学科的综合优势，并且直接推动了该医院交叉学科“口腔生物医学”的成立。西安交通大学口腔医学与生物学、基础医学、临床医学、材料科学与工程和生物医学工程等多学科共同建设“口腔生物医学”交叉学科博士点，依托该校优势学科和“医工”结合的优势，为培养具有国际视野和交叉学科思维能力、深谙生物学、材料学及生物医学工程学技术和实验研究方法，并能够从生物学理论的高度解决复杂的社会－心理－生物医学模式下的口腔医学问题的高端医、教、研人才提供了新的思路。

3．3研究生交叉、开放培养模式的改革

为提高研究生教育水准，应当全面开放研究生培养的客观环境，把加强研究生学术活动品牌建设作为提高研究生创新能力和培养质量的重要手段。研究生的培养不仅需要加强与其它高校的合作与交流，还应该通过国际合作和交流开拓学术视野，改善研究生教育的学术生态环境。近年来，作者所在医院同美国、德国、日本、挪威等国家的10余所著名大学口腔医学研究领域的国际顶级专家和知名学者建立了广泛的学术交流与课题合作，选送研究生到国外高水平实验室开展科研工作，并取得了一定的成果，为构建以创新为核心的开放式多学科交叉培养机制建设贡献了力量。同时，为推动创新人才的培养，吸引研究生优秀生源，鼓励和支持优秀研究生从事科研创新研究，学校设立“西安交通大学口腔医院科研创新基金”，各项目资助经费已经开始在研究生科研活动中发挥效应，对研究生创新能力的培养和训练起到了激励和支持的作用。此外，还广泛招收国际留学生，在国际研究生的创新性教育方面积累了相当多的经验，扩大了该医院的国际知名度。实践证明。只有通过以创新能力为核心的交叉、开放式研究生培养模式的探索和一系列创新举措的实施，才能构筑与高水平研究型大学相适应的开放式研究生培养体系，不断提升研究生培养质量和创新能力。

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宣传贯彻党和国家有关方针政策，及时报道本领域内的重大科技成果与最新进展，传播新理论、新知识、新技术和新方法，促进我国医学装备技术相关学科的发展和学术交流，服务于我国卫生事业进步和医学科技创新。追踪医学装备发展趋势，汇聚国际、国内医学装备相关领域研究与应用、科技创新、制造工程的学术理论与实践、专题研究、研发成果、实验研究及工程技术等，集成构建学术信息平台。

2栏目设置

《中国医学装备》杂志现开设的主要栏目有：学术论著(生物医学工程学、技术评估、数字医学、转化医学、实验科学、管理科学等)、综述、维修工程及企业风采、专访、专题及简讯等。

3来稿要求及注意事项

3.1稿件要求

文稿应具有科学性、创新性、先进性、实用性，要求资料可靠、论点明确、文字精炼、层次分明、数据准确以及统计学处理表述规范。论著、综述每篇文字不宜超过5000字，研究报告不宜超过4000字，其他文稿限在3000字以内。来稿请附单位推荐信并盖公章，同时将文稿电子版发送到投稿系统。3.2文题力求简明，主题明确；中文文题一般以20个汉字以内为宜，英文题名应与中文题名含义一致，以不超过10个实词为宜，第一个实词首字母应大写。

3.3署名

作者应按其顺序依次排列姓名为一行。不同单位者，可在作者名右上角用阿拉伯数字作角注，单位名称按角注序号另起行，单位名称应具体到科室，第一作者单位名称需附有英文名称，两单位之间以分号隔开。第一作者需附作者简介(包括：姓名、性别、出生年月、学历、职务或职称、研究方向或从事专业)、正面免冠彩照一张(像素在300kb以上，照片需要单独发电子邮件)。通讯作者在其姓名后上标“*”，并附通讯作者电子邮箱。

3.4摘要

各类论文需附有中、英文摘要，摘要按目的、方法、结果(给出主要数据)和结论4部分，并以第三人称撰写，文中不可出现“本文”、“作者”、“笔者”等主语。中文摘要字数要求在200～400字。

3.5关键词

论著需标引能充分反映本文主题的3～5个中、英文关键词，并使用美国国立医学图书馆最新版《IndenMedicus》及中文医学主题词表(MESH)的列词。

3.6参考文献

以最新阅读过的近5年公开发表的文献写作标准为宜，文中引用处以角码标注。论文的参考文献一般不少于15条。参考文献书写格式如下：期刊：序号作者姓名(如作者超过3人者，只列出前3名，后加“,等”或“,etal”).文题[J].期刊名(外文期刊可用标准缩写，不加缩写点),年,卷(期):起止页.期刊文献著录格式示例：[1]蒋东平,何贤国,何燕,等.西门子磁共振射频系统原理与故障分析[J].中国医学装备,2011,8(9):69-72.[2]KamnikR,ShiJQ,Murray-SmithR,etal.NonlinearmodelingofFES-supportedstanding-upinparaplegiaforselectionoffeedbacksensors[J].IEEETransactiononNeuralSystemsandRehabilitationEngineering,2005,13(1):40-52.书籍：序号作者姓名(如作者超过3人者，只列出前三名，后加)“,等”或“,etal”).书名[M].版次.出版地:出版单位(国外出版物可用标准缩写，不加缩写点):起止页.书籍文献著录格式示例：[1]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].2版.北京:电子工业出版社,2011:325-358.

3.7基金文章

文章所涉及的课题如取得国家或省、部级以上的基金或属攻关项目，应在文题页左下方脚注中证明，如“本题为×××基金资助课题(基金编号×××)，课题名称”并附基金证书复印件。凡属基金、课题(国家级、省部级、直辖市级)类文章在本刊优先发表。

3.8推荐信

来稿需附单位推荐信。推荐信应注明对稿件的评审意见以及不涉及保密、署名无争端以及无一稿两投等项。

4稿件处理时限

根据《中华人民共和国著作权法》(简称《著作权法》)，并结合本刊具体情况，凡来稿接到本刊回执后3个月内再未接到稿件录用通知单者，作者可投递他刊，请自留底稿，对不用来稿一律不退回。

4.1来稿文责自负

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性早搏(房早)是心房内异位起搏点提前发生的激动。房颤是一种以心房不协调活动而导致的心房机械功能恶化为特征的快速心律失常。两者都是临床上常见的心律失常。房颤的危害主要有：①潜在的血栓栓塞，以脑栓塞为主，致残率高；②恶化心脏功能，如心房丧失泵血作用，心排血量降低；③降低生活质量，由于心室搏动极不匀齐，患者易感觉心慌、乏力等不适。房颤早期治疗疗效尚可，但反复发作后可形成难治性房颤，所以了解房颤诱发的因素和机制有重要意义。

1 房性早搏是心房颤动的始动因素

房颤绝大多数由器质性心脏病引起，极少数无明确病因[1]。人群研究显示，孤立性房颤的发生率占所有房颤的比例不到1.2%。

孙艺红等的研究显示：225次房颤中，210次均由房早诱发；诱发房颤的早搏联律间期较未诱发房颤的早搏联律间期缩短25ms。研究认为相当一部分房颤是由心房内某一特殊的异位起搏点触发的[2]。王兴德等的研究显示：50例患者的290次房颤发作的心电触发因素中，房早占86.2%；触发房颤的房早联律间期比为触发房颤的房早联律间期缩短40ms以上[3]。因此探讨房早诱发的房颤具有重要的临床价值。

2房颤的相关机制分析

房颤是一种多因素共同作用下的病变，其病因主要有①神经内分泌因素（手术、代谢紊乱、药物、酒精等）②心脏结构病变（心肌炎症、心肌肥厚、瓣膜病变、纤维样变等）③肺部疾病（肺心病、肺栓塞等）④其他（遗传等）。

目前，房颤的发生机制倾向于触发机制和维持机制的共同作用。大量的研究支持心房基质异常在维持房颤中的作用[3]。而触发机制在房颤的发生与维持中也起了非常重要作用；房早、房速、房扑等因素均可触发房颤，其中房性早搏是最重要因素之一[4]。房颤前频繁的房早刺激心房，可能导致心房急性电重构，房内传导时间延长，容易折返而始动房颤。

触发房颤的房早联律间期缩短表明心房不应期的延长，这时，心房肌的有效不应期、相对不应期、易颤期都相应延长[5]，房早来的越早，越易落入心房肌的易颤期或落入折返窗口中而增加房早诱发房颤的概率[6]。

房颤发生前的频发房早可能通过刺激心房，使得电活动在心肌中扩布，从而形成折返和微折返而诱发房颤。

3小结

目前我们对房颤的机制认识还非常有限，但临床数据表明，我们可以从房性早搏入手，来预防和治疗早期房颤，从而提高患者的生活质量和生存率。

参考文献

[1] 赵易.心房颤动.心电学杂志,2007,26(2):114-122.

[2] 孙艺红,杨光,胡大一.动态心电图评价阵发性心房颤动的发作特点.生物医学工程与临床,2004,8(1):26-28.

[3] 王兴德,蒋兆华,韩晓勤等.阵发性心房颤动初始节律的动态心电图观察.中华现代内科学杂志,2009,6(5):329-331.

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人出生后大约12―15个月就开始独立行走。此后一生中，步行成为人体活动最基本的方式之一，人的步行姿态在一定程度上是与人体所处生物学因素及环境因素相互作用的体现。步态分析是对人体步行从运动学、动力学、肌肉工作特征及其运动控制等方面，进行系统的分析研究。研究者们通过对步行姿态（步态）的研究，对人的行走功能进行评定、对疾病的恢复效果进行评价、对不正常步态进行矫正、对行走辅助功能提供参考。步态研究已经成为生物力学及医学界的一个重要课题，国内外学者们对此做了广泛而深入的研究。本文通过对步态研究的方法、研究进展等方面作综述，希望为以后步态问题的深入研究提供参考。

1.步态研究的方法的发展

随着人类科技的进步，步态研究的方法在不断更新。从原始的肉眼观察、简单工具测量到应用数码摄像技术、计算机模拟，到目前最为先进的步态系统研究方法。方法的更新和进步使步态研究更加准确和丰富，为人类的健康作出了巨大的贡献。

1.1肉眼观察法

19世纪德国生理学家webers兄弟首先发表了对人体的基本位移形式―步行的研究。由于受到当时条件的限制，他们采用了观察法，通过素描及绘画的方法对步态进行了描述［1］。这也是较早对人体步态的研究之一。很显然，这种方法的精确性差，而且仅能够粗略地描述人体的步态。所以，这种方法随着时代的发展已经不再为人们所采用。但是，他们的研究方法引发了人们对步态研究的无穷探索。

1.2走纸法［2］

走纸法是一种较为古老的步态研究方法。它是通过对测试者所走过的足迹进行测量，借助简单的工具进行步态分析的方法。这种研究法所能得到的参数很少，而且测试的工作量较大，且因为测量工具问题误差较大。至今，这种方法逐渐被淘汰。从研究方法学来说，这种方法是人类利用测量工具研究步态的开始。

1.3摄影摄像法

随着科学技术的发展，人们开始利用性能较高的摄影摄像技术分析人体步态。使用两到三台互相垂直的摄像机对人体正常步行进行拍摄。然后利用计算机分析系统对步态参数进行测定。这种方法的精确度较高，参数分析的范围比以往任何方法都要大。通过这种方法，我们可以得到步态的时间、空间、时间―空间参数，包括人体步行时的重心曲线，肢体各关节的运动曲线等。通过这些数据，我们可以对人体步行的稳定性、协调性、节奏性、对称性进行评价，从而为疾病恢复、步态矫正、假肢研制等提供重要的参考。这种方法的缺点是反馈速度慢，以及对一些力学参数的测定无能为力等。所以目前研究者主要用摄影摄像法与三维测力台配合使用，使研究更加全面，更加有说服力。

1.4三维测力台法

这种方法是让测试者在测力台上按测试要求正常步行，测力台的内部的电阻受压后，应变片因拉伸或压缩而产生电阻的电信号变化，通过放大后进入连接的计算机处理［3］。通过这种方法，我们可以获得步态的力学参数，如足底压力分布、空间各方向的分力、与地面的支撑反作用力等。通过这些参数，我们可以对行走的稳定性、对称性等进行评价。目前这一技术已经比较成熟，典型的有kistler测力台和AMFI测力台。测力台所得力学参数与数码影像分析所得的时空参数相结合，综合人体相关生理知识，我们已经能够对步态进行较为精确的描述。

1.5步态分析系统法

它由计算机、测力板和测角仪组成，利用随身携带的单片机，记录由测角仪测得的关节角度信号，并由与测力板以及安装在步行道上的压力开关相连的光电装置，控制单片机和测力板的同步周期采样，测试完毕后，用串行通讯方法将单片机的采样信号输入计算机处理，而整个步行采用无电线连接测试，并针对以往简易步态测试装置不能确定人置的不足，建立了能确定着地足位置的积分方程，再利用测角仪测得的关节角度信号和用多刚体力学建立的人体步行运动学、动力学程序，使得它像各种先进的红外步态分析系统一样，计算出步行的各种能量变化、人体行走位置、关节受力和肌肉力矩等。我国也开展了各种简易步态分析系统的研究，较有代表性的工作有：微机化步态分析系统［4］和靴式步态分析系统［5］。

2.步态研究的进展及对人类健康所作的贡献

2.1对不正常步态的研究及对人类健康的贡献

所谓不正常步，即步态特征的变化超出正常范围。whittle（1996）列出四点被视为不能正常行走的特点，一是两腿不能交替支持人体重量，二是在单腿支撑时不能静力性或动力性保持平衡，三是摆动腿不能前摆到一位置上从而变为支撑的作用，四是力量不足以令下肢移动的同时带动上肢。异常步态有时很明显仅凭肉眼观察就可看出，而有时必须通过实验仪器才可以得出步态异常。

近年来，以步态分析的方法来评估及治疗肌肉骨骼和神经方面的研究发展迅速，并由此进一步推动了对不正常步态的深入研究。这方面的研究很多，如刘永斌［6］等人对三截一瘫残疾者进行步态测试，以反映人体行走姿态变化时间历程的周期、时相及反映支撑反力的三维离曲线为基础，用特征函数的基本概念进行归类组合，提出5个相应的经验公式，以此对三截一瘫患者的行走功能进行评定。Rozendal［7］等通过三维步态分析系统提供三维平面的地面与反力的向量图，绘出偏瘫病人足―地接触力的向量环，可以发现健侧和患侧下肢的力量环和形态明显不同，借此可客观评定步态异常机理。Granataetal.（2000）［8］通过步态分析，研究延长肌腱的治疗方法对儿童脑瘫病人的影响，等等。除此以外，临床步态实验室也在不断增加。对于不正常步态的研究，可以帮助早期偏瘫、脑瘫等功能性疾病的诊断，还可以通过矫正促进疾病的恢复。医学界正在越来越多地应用步态研究成果为人类健康服务。

2.2对正常步态的研究及应用

一个正常的步态周期，通常由脚跟着地开始，至同侧脚跟再次着地为止，包括支撑和摆动阶段［9］。对正常步态的研究主要是从步态的时间、空间、时―空、力学等参数入手研究各年龄段、各类不同职业的群体、不同形体特征的步态差异，对人类的步行规律及相关影响因素进行探讨。

国内外研究主要集中于老年人、儿童等特殊人群的步态。而对于成年人特别是与步态与运动能力的关系的研究较少。如Hills and parker（1991）［10］研究表明身高与步幅显著相关。Mann and hagg（1980）研究表明，正常儿童以自然步速行走，支撑时间是整个步行周期的62%，且支撑时间似乎并不随年龄而变化。只有在步行节奏改变时，如跑或快速步行时变化才比较明显，其他学者的研究也支持了这一点。另外，granata，abel，anddamiano（2000）［11］对下肢关节角度和关节角速度的变化做了研究，指出步行时关节角度的大小是与肌肉的活动和发力是相关的。北京体育大学赵芳、周兴龙等（1996）［12］分析139名普通中老年人在正常步行下的步态，其目的是研究从中年到老年这一衰老过程步态指标的变化，希望能将步态指标作为中老年人体质衰老的评价标准。另外，一些学者对肥胖儿童、长期负重、高跟鞋等对步态的影响也做了一些研究。这些研究对于人体步态矫形，塑造人的形体美，以及利用人体步态参数为肢体残疾者制作合适的假肢，促进青少年形体的健康发展等起到了巨大的作用。不足的是对健康成年人步态与身体功能、步态与人体运动功能关系的研究还较少，相信随着研究手段的日益完善，这方面会取得较大的进步。

3.讨论

3.1随着科学技术的发展，对步态研究的方法也日益完善。从原始的观察法、走纸法等发展到准确全面的影像技术、测力台技术和步态测试系统。国内外很多学者仍然在努力尝试研究更为科学的研究方法，并且陆续有报导。另外，因应医学上对病态步态分析应用的要求，临床步态实验室不断增加，并且朝向实用性、准确性、系统性、低成本方向发展。

3.2随着研究方法的不断进步，步态研究也在不断深入，通过对正常步态从时间、空间、时间―空间、力学等参数的测定，对人体正常行走的规律及不同人群的步态特征的研究也取得了很大的成功。对一些特殊形体如肥胖、长期负重及等人群的步态也开始研究。这些研究对评价人体行走功能、矫正不正常步态等提供了科学的依据。病态步态方面的研究如“三截一瘫”者步态，为科学诊断及恢复治疗、恢复评定提供了重要参考。不足的是，对步态与运动功能的关系，健康成年人步态与身体功能的关系等的研究还较少，希望这方面能够引起研究者的重视。

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篇11

胶原蛋白又称胶原，是一种由3条肽链拧成螺旋纤维状细胞外蛋白质。胶原蛋白是人体含量最丰富的蛋白质，富含人体需要的脯氨酸、甘氨酸、羟脯氨酸等氨基酸，主要存在于人体皮肤、内脏、血管、骨骼、肌腱、眼睛、牙齿等部位，其功能是维持皮肤和组织器官的形态结构，也是修复各损伤组织的重要原料。

随着生活质量的提高，人们越来越追求绿色与天然，而胶原蛋白就是一种纯天然的绿色材料，现在在医学、食品、化妆品、生物材料等方面均有应用。现就胶原蛋白的应用情况及发展前景作一下探讨。

1.在医学方面的应用

胶原蛋白具有低免疫原性，这是它作为医用生物材料的基础；其生物相容性使胶原与宿主细胞及组织之间有良好的相互作用，成为其中的一部分表达生理功能；胶原能被特定的蛋白酶降解，具有生物降解性。除此外，粉状的胶原蛋白提取物经低温酶降解后会在温水中慢慢溶解，有易于人体吸收和利用。

对胶原蛋白进行加工处理制成烧伤敷料用于皮肤烫伤、烧伤的护理和治疗，可以防止细菌感染、缓和伤痛，恢复皮肤光彩。Yannas、王旭[1]等人的实验，充分证明了这一点。胶原蛋白对皮肤有很大的亲和力，其生物相容性使机体对它有良好的吸收作用，达到皮肤修复的功能。胶原能够与血小板结合产生止血作用，目前已经广泛应用于各种手术过程中的出血治疗。胶原蛋白在创伤外科中也作为粘合剂与其他生物材料合用。

除了作为烧伤敷料、止血剂、皮肤移植材料应用于医学临床，胶原蛋白也制成注射用溶液来做小针美容及治疗皮肤疾病，胶原蛋白还被作为药物载体、外科缝线、支架材料、骨骼、心脏瓣膜和各种生物工程膜代用品在临床治疗过程中发挥作用，广泛地应用于医院的各个科室。据国外有关报告，胶原蛋白还可改善骨质疏松症及关节病，具有抗胃溃疡、抗高血压、抑制癌细胞、调节免疫功能等作用。

2.在食品方面的应用

我们日常生活中从猪、牛皮、骨骼、肌腱得到的吃起来粘软而具有弹性的胶质，就是胶原蛋白。优质的胶原蛋白主要产于日本和德国，日本三文鱼中的胶原蛋白质量是最好的，其次是德国德尔牛中的。胶原蛋白营养丰富，口感清淡，易消化，在食品方面有着独特的优越性[2]。

首先，胶原蛋白可制成功能保健食品，市场上已有胶原多肽口服液、氨基酸饮料等。研究表明，胶原蛋白能够减少机体对铝质的积累，有效防止了老年痴呆；同时它可以降低血液中的甘油和胆固醇，改善微循环，对冠心病、脑部疾病有预防治疗作用；其中所含的甘氨酸可以抑制中枢神经，产生镇静作用[3]。还有报道称，把胶原蛋白制成补钙食品来用，只要服用足够的胶原蛋白，就能够保证机体对钙质的需要。

其次，胶原蛋白可作为食品添加剂，在肉制品、饮料、乳制品、糕点糖果以及冷冻食品中都有应用。胶原蛋白可作为改良剂[4]加入肉制品中增加蛋白质的含量，再辅以色素染色，不仅营养丰富口感好，而且颜色也让人有食欲。明胶和鱼胶在啤酒和葡糖酒以及茶饮料等行业中作为澄清剂被广泛使用，效果十分明显。胶原多肽也在乳制品、糖果及面包中使用，不仅增加了营养价值，美化了外观，还可以提高食用机体的免疫力。

除以上所述，胶原蛋白还可作为食品包装材料。人造肠衣、内包装膜以及涂层材料都是以胶原蛋白为原料的包装材料：人造肠衣制作工艺简单，口感好，多用于香肠类的肉制品；包装膜是以胶原蛋白为主料，添加CaCl2、甘油等制成，用作糖果蜜饯的内包装膜，既能保鲜又能食用；胶原还可作为涂膜层材料涂在食品表面可以避免食品氧化，保证食品的原始风味并使其表面有光泽。

3.在化妆品上的应用

蛋白质是最重要的生命物质。胶原具有生物相容性，其结构与皮肤胶原很相似，不刺激皮肤就能渗入到皮肤的深层，改善肌肤的结构，补充皮肤所需要的氨基酸，它是一种很好的化妆品原料或添加剂。胶原蛋白的生物及物理特性赋予了其美容功效[5]：营养、防皱、保湿、美白、修复、配伍亲和等等。

胶原蛋白含有丰富的亲水基团和氨基酸，可以补充皮肤所需的水分及养分，活化皮肤表皮细胞，加速真皮细胞生长，促进组织新陈代谢，保持皮肤弹性，防止皱纹出现，使之健康亮丽！生活节奏的加快，社会女性难免工作紧张、精神压力大，再加上阳光中紫外线的直接照射以及周围环境的污染，促使了肌肤的老化，而一般的化妆品治标不治本，因此要真正地保护肌肤不受损害，必须针对皮肤的结构与成分，进行由内而外的保养。外用加口服，才能达到最佳效果。对于凹陷性皮肤缺损，注射用胶原蛋白注射后不仅起到支撑作用，而且能够使患者长出新组织与周围正常皮肤协调起到修复作用。在20世纪70年代，美国就已经推出注射用牛胶原，用来祛斑除皱纹及瘢痕的治疗修复。

此外，胶原蛋白制品还有护发、丰胸的作用。而又有人说胶原蛋白还有减肥的功效：水解胶原蛋白能够延长燃烧脂肪的分子代谢过程，从而燃烧更多的脂肪达到减肥的目的；胶原蛋白对机体的细胞修复作用会消耗大量能量，而这一过程只能在睡眠状态下进行，因此只需服用水解胶原蛋白就能够轻松地减肥。

胶原蛋白被称为“骨中之骨，肤中之肤，肉中之肉”，它与我们机体的各个部位都密不可分，在医学、食品及化妆品等与日常生活息息相关的领域都有着广泛的应用。除此以外，胶原蛋白在饲料工业、生物发酵方面也被广泛接纳，并带来良好的经济效益及环境效益。随着人们对胶原蛋白的日益关注，我们相信它会在更加广阔的领域中应用。

参考文献:

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篇12

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2015.29.044

糖尿病（Diabetes Mellitus，DM）是以高血糖为主要特征的慢性代谢性疾病[1]，主要由遗传、环境和行为等多种因素所致。2011年，WHO在报告中指出全球糖尿病患者共计达3.46亿。2013年，全世界共有3.82亿名糖尿病患者，其中90%是2型糖尿病[2-3]，预期到2035年全世界患者将增加至5.92亿名[4]。2010年3月世界糖尿病联盟（IDF）的统计数据中显示，中国地区糖尿病患者中成人患者达9240万[5]。有统计显示，2013年全球因糖尿病所造成的花费估计达5480亿美元[6]。《中国卫生计年鉴》及国家卫生服务调查的数据显示，从1993年到2004年，我国糖尿病的直接医疗费用增长速度达到19.90%，高于全国卫生总费用的年均增长速度，甚至超过我国同期的GDP数值。糖尿病的直接医疗费用在所有被调查的慢性疾病中位居第二[7-8]。糖尿病及其并发症的康复治疗消耗大量财力物力，给我国社会造成严重的经济负担。因此，探索经济高效的预防和治疗方法成为全国乃至全世界人们迫在眉睫的工作。

1 时间生物学研究现状

以周期为特征，以一定时间间隔不断重复的生命活动现象称为生物节律。生物节律是人体及众多哺乳动物内在的固有节律。其中，昼夜节律是机体最基本、最重要的生物节律。时间生物学则是一门以生物节律为基础，研究生命活动的周期规律及其产生机制与应用的新兴交叉性生命学科。

国外时间生物学领域的研究起步较早，早在19世纪70年代生物节律学就作为一门学科而存在。瑞士科学家汉斯・斯恩研究发现人体的心理、生理机能表现出生物节律性。到20世纪50年代，美国生物学家佛兰斯・哈尔贝格（Franz Halberg）通过实验发现血液中的白细胞计数表现出近似24 h的周期性变化规律，提出了近似昼夜节律（circadian rhythm）的概念。80年代后时间生物学领域得到了快速全面发展。有研究通过动物实验验证了大鼠下丘脑视交叉上核（SCN）对生物节律的中枢调控作用，即视交叉上核被破坏后，大鼠的节律性活动出现紊乱，但修复、重建该结构能够重新建立正常的昼夜节律。目前，大量研究已经证实了近日钟基因的转录及其后期的调控引起的分子振荡是生物节律产生的重要原因。下丘脑视交叉上核（SCN）为节律的中枢振荡器。在中枢振荡器的调节下细胞产生周期性生化反应和基因活性表达[9]。90年代末，生物节律基因被克隆[10-11]。Buijs等学者证实了视网膜-下丘脑（SCN）束中抑制性递质γ-氨基丁酸（GABA）的存在[12]；随后，Liu等[13-14]研究发现GABA是控制SCN细胞相互同步的调节因子。

早在2000多年前，中国传统医学就融合了时间生物学概念，认为人体的内在节律与季节、节气、时辰等时间节律周期密切相关，即所谓的“天人相应”。《素问》有云：“病在肝，愈于夏，甚于秋，秋不死，持于冬，起于春……”即指出肝病病情变化的时间节律性特点。“五运六气”以及“阴阳学说”也是中医从时间生物节律角度对人体与四时、日月、年及轮的关系做出的精辟论述[15]。同时，中医还强调“因时制宜”和“因天时而调气”的治疗原则，在取血用药方面总结出“子午流注”和“灵龟八法”的经验方法。时间生物学在航空航天方面的研究也已开展多年。苏洪余等[16]综述了空间时间生物学的研究进展，为拓展时间生物学在空间领域的发展创造了条件。我国学者孙学川[17]在80年代将时间生物学引入体育领域，他明确了择时体育疗法的原则和意义，同时也对现代时间康复学进行了定义。孙学川[17]指出根据患者个体的生物节律特征，制定和实施体育疗法，可加速机体康复进程，为现代时间康复学和择时体育疗法的进一步研究奠定了理论基础。童建[18]也指出机体的代谢和功能都具有节律性变化，周期性振荡才是生命的基本特征。徐军等[19]通过对不同物种有关调控昼夜节律基因的转录因子的研究，进一步讨论果蝇和人类生物钟调节的共同分子机制。时间生物学在治疗学方面已取得了很多重要临床研究进展[20]，如睡眠调节，心血管病、糖尿病以及肿瘤的择时药物治疗等。甚至，在此基础上开拓了时间毒理学、时间卫生学、时间预防学等新领域。

2 血糖、胰岛素生理状态下的昼夜节律特征

生理状态下，人体血糖水平在一定范围内不断波动，其波动具有周期节律性。下丘脑的视交叉上核（SCN）是生物节律的中枢起搏点，而起搏性信号物质来源于松果体分泌的褪黑素。陈树春[21]在综述中指出，人体胰岛素生理水平和胰岛素分泌存在昼夜节律。血糖浓度的不断波动引起胰岛素分泌水平的变化，使之呈脉冲式分泌，但20∶00胰岛素敏感性要高于08∶00。对健康人体进行24 h动态血糖监测发现，血糖峰值在13∶00或14∶00，谷值为03∶00，呈现周期节律性。同时，通过试验发现葡萄糖耐糖试验也具有昼夜节律[22]。

大鼠是一种夜行动物，生理活动周期与人类相反。血压和心率等基础指标在在光期较低，暗期较高。于福生[23]在研究中指出，明、暗各12 h的环境条件下，健康大鼠在不进行摄食活动的明期血糖浓度稳定在一定水平。进入暗期后，由于食物的摄入，血糖浓度明显增加，即显现出明显的昼低夜高的节律。刘晓平等[24]在实验中证实了以上结论，并指出正常大鼠血糖峰值大约在18∶00，谷值在06∶00。Raquel等[25]进一步指出大鼠血糖值昼夜变动过程更接近余弦曲线，峰谷值分别在暗期中间和明期中间。也有学者对小鼠血糖节律进行研究：自然状态下，小鼠血液内源性胰岛素水平的变化也具有明显的昼夜节律，节律周期中峰值相位在13∶00左右，谷值相位在00∶00。当然，动物的种系不同其血糖或胰岛素浓度变化的节律也可能不同，但正常大鼠血糖和血清胰岛素水平均呈昼夜节律性变化是肯定的。

3 血糖、胰岛素病理状态下昼夜节律的变化

糖尿病的发生，可导致血糖水平的异常波动，使其正常节律性遭到破坏，尽管血糖也存在明显波动，但其波动无周期节律性[26]。有资料显示，2型糖尿病患者胰岛素的正常节律紊乱甚至消失，且其脉冲式分泌变得不规则[27]。Boden[28]通过高糖钳夹试验发现二型糖尿病患者一级亲属的胰岛素分泌节律出现异常，胰岛素敏感性8∶31最低，晚间19∶04最高，与正常人相反。同时，糖尿病患者血压、心率等指标也出现昼夜节律特征的丧失[29-30]。

对正常大鼠及糖尿病大鼠血糖节律的比较研究发现：健康大鼠血糖存在昼夜节律，糖尿病疾病状态下大鼠24 h血糖水平出现明显波动，但各时间点的血糖值差异不具有显著性，提示糖尿病大鼠血糖昼夜节律受到了破坏[26]。刘晓平等[24]经余弦法分析提示，糖尿病大鼠24 h血糖值虽有明显变化，但变化无显著性差异，提示糖尿病大鼠血糖无昼夜节律性。另有学者对小鼠血糖的昼夜节律进行研究发现，病理状态下小鼠血糖水平显著升高，峰谷值时间相位发生移动，且峰谷值差异不具有统计学意义[31]。正常组小鼠血糖呈现双峰谷值，峰值出现在10 am和10 pm，糖尿病状态下，峰值延迟至10 am和2 am；谷值由6 am和6 pm推至2 pm和6 am。

4 糖尿病的择时治疗

机体的生理功能表现为昼夜节律性变化，不同时刻对药物的敏感性不同。按照生物周期性变化，以及药物的生物利用度、血药浓度代谢等情况设计临床给药方案，科学选择最佳的给药时间，可以更好地发挥药物疗效，减少不良反应，促使患者尽快康复。20世纪60年代国外学者就将择时的概念运用到临床治疗中，该实验依据肾上腺皮质激素分泌释放的昼夜节律，改进强的松服用时间。研究结果显示常规的强的松服用方法，即每日4次每次2.5 mg，较每日08∶00时服用10 mg的方式疗效差，且副作用大。也有实验指出，晚上服用糖皮质激素对肾上腺皮质激素的抑制作用是清晨用药的2倍。於丽红等[32]通过临床研究推测甘精胰岛素皮下注射后12～13 h存在峰值，利用药物代谢规律以及血糖的生物节律，选择18∶00注射甘精胰岛素，可以在不增加胰岛素用量的前提下，简单方便地实现快速平稳降糖，减少血糖波动。许良银等[33]在综述中也指出，在不改变药物剂量的情况下，一个变动周期的不同相位用药，可能会对机体产生完全相反的作用。

目前，大量动物实验证实以上观点。付雪艳等[26]在玉液汤对大鼠糖尿病的时间治疗学作用研究中指出，玉液汤治疗糖尿病，效果明显受时间因素影响。在大鼠正常血糖节律的谷值点，即06∶00时刻，疗效要高于其他时刻，主要表现在降低血糖、血脂，提高胰岛素和C肽含量等方面。因此，该研究依据生物节律科学选择给药时间可以明显提高疗效。马孔琛等[31]在研究中指出相同剂量的胰岛素在不同时刻对小鼠血糖作用强度不同，在04∶00-08∶00血糖降低50%左右，而在20∶00可使血糖降低70%。健康小鼠血糖的血糖出现双峰值，分别是10 am和10 pm，双谷值的时间为是6 am和6 pm。而在高血糖状态下，小鼠峰值与谷值时间发生移位，出现明显的节律紊乱。采用健脾降糖方治疗小鼠糖尿病6 am较6 pm血糖的昼夜节律恢复得更为理想。曾晓玲[34]利用电针刺激治疗大鼠糖尿病，餐前、餐后以及随机治疗组疗效有显著差异，其中餐后治疗组血糖下降明显。Monnier等[35]对200例非胰岛素治疗的T2DM患者进行跟踪研究发现，白天血糖和胰岛素浓度相对于其他时间点（8∶00 am、2∶00 pm、

5∶00 pm）在11∶00 am左右最高，建议血糖监测在10∶00进行，监测结果可作为治疗方案修改的依据。康世英等[36]对糖尿病患者进行针刺治疗，发现依据胰岛素分泌节律，在峰值时择时治疗组空腹血糖、餐后2 h血糖、24 h尿糖定量、糖化血红蛋白等指标下降明显，血糖的恢复程度与西药组相近，但明显优于不择时针刺组及胰岛素分泌低谷时针刺组。有试验通过不同时间段运动对糖尿病患者病情影响的分析发现，不同时间段运动对糖化血红蛋白影响效果差异不具有统计学意义，但是对血脂的影响具有显著性，提出患者可根据自身情况自行选择运动时段，若想达到调节血脂的目的建议选择晚餐后[37]。张虹等[38]利用时间生物学原理指导社区糖尿病患者择时运动、择时饮食、择时用药、择时监测血糖，康复效果显著。因此，笔者认为该路径能提高患者对糖尿病的认识，有效控制血糖，防止或延缓慢性并发症发生，提高患者的生活质量。

总之，从时间生物学视角出发，依据DM的生物节律择时用药治疗，可调整病理状态下的节律紊乱，进而达到缓解病情、预防并发症甚至疾病转归的理想效果。

5 总结与展望

机体血糖、胰岛素水平的生理性波动呈现昼夜节律性变化，而在糖尿病病理状态，两者的动态调节遭到破坏，昼夜节律发生紊乱。然而，节律的改变并不意味着节律的消失。因此，顺应人体的生物节律，结合药物代谢动态，科学选择最佳干预时间及药物剂量，可最大限度发挥药效，获得理想的治疗效果。然而，人体生物节律周期与药物剂量、药物代谢周期的完美结合，需要针对具体病情有的放矢地实施。目前，时间生物学在疾病治疗方面的研究已逐步成熟，而对疾病预防和诊断方面研究甚少。如能及早预测机体病理状态，可提前实施干预预防。因此，未来运用生物节律的变化来预测疾病的发生趋势和诊断将成为新的研究方向。

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篇13

1 有限元法的发展历史及在人体生物力学中的运用

1.1有限元法的发展历史 有限元法（finite elementsmethods，FEM）即有限元素法[1]，是一种在工程科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电磁学、生物力学等问题。其基本思想是把一个由无限个质点和有无限个自由度构成的连续体划分为有限个小单元体组成的集合体，用离散化的有限单元模型代替原有物体。通过对每个单元的力学分析，获得整个连续体的力学性质。有限元法最早可上溯到20世纪40年代。现代有限法的第一个成功的尝试是在 1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时成功应用有限元法求解。1960年，Clough第一次提出了"有限元法"概念，使人们认识到它的功效。我国河海大学教授徐芝纶院士首次将有限元法引入我国，对它的应用起了很大的推动作用。

1.2有限元法运用于人体生物力学研究 1972年，Brekelmans[2]等首次报道将有限元分析方法应用于生物力学方面研究。80年代后，应用范围逐步扩展到颅面骨、颌骨、股骨、牙齿、关节、颈椎、腰椎及其附属结构等生物力学研究中。随着计算机技术的发展、分析工具的完善以及实践的增多，有限元方法显示了极大的优越性并已逐渐成为研究人体生物力学的重要手段。人体力学行为研究基本无法采用传统的力学实验方式来进行，因而有限元建模愈来愈成为深化人体认识的有效措施。基于有限元软件日益完善的建模功能及兼融其它计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件特性，真实再现三维人体骨骼、肌肉、血管、器官等组织成为可能，并在虚拟现实实验中，通过材料赋值、几何约束、固定载荷等过程，对挤压、拉伸、弯曲、扭转、三点弯、抗疲劳等力学实验进行模拟，能求解获得给定实验条件下模型任意部位变形、内部能量变化、应力/应变分布、极限破坏等数据[3]。

1.3有限元法在人体生物力学研究中的建模思路 有限元建模即建立为数值计算提供原始数据的计算模型，需要通过建立几何模型、材料赋值、网格划分、施加约束与载荷，最后进行求解等步骤实现，是有限元法仿真试验最关键环节。摸型的几何相拟性直接影响计算的结果，医学有限元模型的建立首先需要获得人体特定部位的几何数据，数据可以从几何参数设定、激光扫描、标本切片和磨片以及医学影像图像获得。其中医学影像法最为以无创的方式提供了高精度的人体解剖结构形态，基于医学影像技术建模是目前人体有限元建模的主要手段，可以实现人体解剖结构的可视化乃至生物力学仿真的有限元模型。包括X射线、超声、CT、MRI等途径，其中CT扫描是主流方式，CT结合MRI是新亮点。

通过X射线照片方式建模是指利用不同方位的多幅X射线照片获得几何数据重建三维模型，是一种经济、可行的方式。但因信息获取不完整，建模过程复杂，对研究者经验要求较高，现行医学有限元建模中应用较少。还有研究者基于超声影像技术建模，如赵婷婷[4]等基于超声建立了乳腺有限元模型；张桂敏[5]等在研究二尖瓣狭窄患者二尖瓣下游湍流剪应力变化方面，运用超声影像图像建立了二维有限元模型，为心瓣流体力学研究探索新的方法学途径。目前基于超声的有限元分析研究多集中在机械制造、土木工程等领域，并多采用二维有限元法分析，还没有注意到与医学相关的基本超声影像技术的三维有限元研究相关报道。这或许是因为基于超声影像技术的力学研究本就较少，三维、四维超声的概念提出较晚，与重点应用在工程技术方面的有限元法结合运用更是鲜有。相较X线与超声而言，CT/MRI图像法在医学有限元建模中应用更为普遍。MRI技术具有很高的组织对比分辨率、解析高以及无离子化辐射等特点，能清晰显示人体结构的组织学差异和生化变化。基于MRI图像能获得细致的几何模型。但MRI偏向于对肌腱、韧带等软组织的分辨，对骨的分辨不如CT清晰。此外，目前国内常用的核磁共振机扫描层厚和扫描间距一般都在2mm以上，无法获得更详细的几何数据，影响到重建图像的清晰度精确性。基于CT扫描获得几何数据的建模的方法目前应用最为广泛。CT根据密度不同来确定信号的强弱，可以通过调节扫描条件，使任何复杂形态和各种密度的组织都有较高的分辨率，适用于任何复杂形态和各种密度的三维结构。可清晰显示骨与软组织的边界，通过医学成像系统能获得骨骼比较准确的几何数据，其不足之处在于对软组织的分辨率相对较低，无法从医学成像系统获得准确的肌肉、韧带、腔等组织几何数据，须参考相关解剖资料。CT/MRI数据重建的三维模型，能够真实的再现被扫描对象的表面特征及内部结构，CT的空间分辨率高于MRI，CT对骨组织与软组织边界显示更为清晰，而MRI的对比分辨率高于CT，特别是软组织对比明显优于CT。通过CT结合MRI法将能融合二者优势，但对研究者图像处理技术有更高的要求。通过文献检索发现，目前CT提取骨组织结合MRI提取软组织方法的研究报道较少。徐志才[6]等基于CT影像数据构建了包含股骨、胫骨和腓骨的实体模型，并基于MRI影像数据构建了包含股骨软骨、胫骨软骨、内外侧半月板和内外侧副韧带的三维实体模型。将CT和MRI影像数据进行配准融合，获得包含骨性和非骨性结构的膝关节三维实体模型。

2 有限元建模的常用软件

人体生物力学有限元模型的精确性对有限元分析结果的合理性有直接影响。三维重建技术与有限元方法及其他虚拟现实技术的结合是未来发展的方向，这有赖于这些集成强大图像处理功能的有限元软件的发展。常用的建模辅助软件有：MIMlCS、MATLAB、CAD、Geomagic Studio等软件。其中最常用的是MIMlCS软件，它的FEA模块可以将扫描输入的数据进行快速处理建立3D模型，然后对表面进行网格划分以应用在有限元分析中。它还可基于扫描数据的亨氏单位对体网格进行材质分配。MIMICS的网格重划功能能方便地将不规则三角片转化成趋近于等边的三角片，显著提高STL模型的质量和处理速度，对输入数据进行最大限度的优化，目前版本已发展到MIMICS17.0。现常用有限元软件有：Ansys、ABAQUS、NASTRAN、COSMOS等。其中最常用的是Ansys软件，目前版本已发展到Ansys15.0。

3 手部三维有限元的运用进展

手部因其解剖结构复杂、运动灵活精细、力学分析困难的周围组织对手部力学因素有重要影响等方面原因，研究较人体其它部位明显偏少。在工程领域方面，杨德伟[7]等基于CT扫描数据结合ABAQUS软件建立了手抓握模型。几何模型通过人手CT扫描后简化处理得到，建立的手模型简化为以皮肤、肌肉、神经、血管等软组织为整体的软组织模型和手部骨骼模型两部分，手部复杂的组织结构未曾细化。抓握功能通过参数约束、程序运动规划控制下实现，而并非基于神经肌电活动模拟，也非通过骨、肌肉施加荷载得到，本模型在工程领域有一定实用价值，但远不能满足医学研究的需要；陈志翔[8]等在研究机器人虚拟手过程中，通过参考手部解剖结构，建立手部肌肉模型，并以程序设计约束指间运动关系，通过控制肌肉收缩量来实现手指运动，较好的拟真了手指运动机理。但模型基于数学方程人为控制，而非通过人手实际解剖结构获得。在医学领域方面，Carrigan等[9]通过CT扫描，最先建立了包括韧带、软骨、8块骨骼在内的手腕关节复合模型；国外的Ko等和国内的郭欣等[10]都建立了腕管的三维有限元模型，为进一步探讨腕部结构的力学行为提供了一个可操作的平台；Anderson等[11]最早通过腕关节三维有限元模型模拟了创伤性关节炎病理改变；Bajuri MN[12]等通过CT扫描，参照诊断标准，建立了首例类风湿性关节炎患者腕关节三维有限元模型。国内其它学者也以解决临床问题为出发点，对手的部分结构三维有限元模型的建立进行了积极的探索，如孟立民[13]建立了第一、二掌骨和大多角骨三维有限元模型，并模拟Bennett骨折和微型外固定器外固定及克氏针内固定治疗情形，研究两种治疗方法优劣问题；董谢平等[14]以中国力学可视人原始资料为依据，构建带软组织的正常手腕和佩带腕保护器手腕的三维有限元模型，验证了腕保护器防护腕部骨折的有效性；颜冰珊等[15]建立了正常下尺桡关节三维有限元模型研究了前臂桡骨骨折的临床问题；张浩[16]等基于现有个人电脑平台，建立了腕关节有限元模型，进一步证明利用医学图像处理软件和三维重建软件准确、快捷地构建腕关节的三维有限元模型有可行性。

4 小结

手部建模是虚拟现实领域研究的热点之一，在工程领域主要是机器人手的拟真研究，尤重抓握功能，在医学领域更多涉及腕关节这一部分结构，囊括手部骨骼、关节、肌肉、韧带、筋膜、血管、神经、皮肤等组织结构较完整的手部有限元模型尚未见诸报道。手部的骨骼、关节数目较多、相互关联较复杂，是一个复合性的机械结构，在建模时要同时考虑到骨骼、关节面、韧带、肌腱及其它周围组织在生物力学中的作用。目前，手部有限元建模研究较人体其它部位少，还没有形成较完整、成熟的模型，更没有统一的建模标准。如何将三维可视化手建成物理手的有限元模型是现阶段研究难点，也是实现虚拟生理手模型建立的必然阶段，相信随着计算机技术的进步及多学科更好的融合，手部有限元模型研究将有更为广阔的前景。

参考文献：

[1]江见鲸，何放龙.有限元法及其应用[M].北京：机械工业出版社，2006：1.

[2]Brekelmans Wam，Rybicki EF，Burdeaux BD.A new method to analyze the mechanical behavior of skeletal parts[J].ACTa Ortho Scand，1972，43：301-305.

[3]Ibarz E， Herrera A，Mas Y， et al.Development and kinematic verification of a finite element model for the lumbar Spine：application to disc degeneration[J].Biomed Res Int，2013，7（5）：185.

[4]赵婷婷，严碧歌.有限元仿真分析超声弹性成像[J].生物医学工程学杂志，2011，28（1）：138-141.

[5]张桂敏，石应康.与多谱勒相结合的人体二尖瓣狭窄下游湍流剪应力二维有限元分析[J].医用生物力学，2001，16（4）：203-209.

[6]徐志才，胡广洪.胫骨模型对膝关节有限元分析结果影响的探讨[J].数字医学研究与应用，2014，4（9）：69-72.

[7]杨德伟.基于ABAQUS的三维有限元抓握手模型的建立与研究[J].机械设计与制造工程，2013，42（11）：18-21.

[8]陈志翔.虚拟人食指肌肉控制及运动约束研究[J].计算机科学与探索，2013，11：1040-1047.

[9]Carrigan SD， Whiteside RA.Development of a three-dimensional finite element model for carpal load transmission in a static neutral posture[J].Ann Biomed Eng，2003，31（6）：718-725.

[10]郭欣，樊瑜波，李宗明.掌向拉伸力作用下腕管的三维有限元分析[J].中国生物医学工程学报，2007，26（4）：561-566.

[11]Anderson DD，Deshpande BR，Daniel TE，et al.A three-dimensional finite element model of the radiocarpal joint：distal radius fraCTure step-off and stress transfer[J].Iowa Orthop J，2005，25：108-117.

[12]Bajuri MN，Kadir MR，Amin IM，Ochsner A. Biomechanical analysis of rheumatoid arthritis of the wrist joint [J].Proc Inst Mech Eng H，2012，226（7）：510-20.

[13]孟立民，苏啸天，张银光.微型外固定支架和克氏针治疗Bennett骨折的三维有限元分析[J].中国组织工程研究，2012，16（9）：1626-1630.