全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第2期
2009年4月
Vol. 21, No. 2
Apr., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)02-0212-04
生物医学工程的研究范围
江渊声
(麻省理工大学，哈佛大学)
摘　要：“生物医学工程”这个词汇蕴含了三个专业领域的相互影响：生物学(最广义的范围讲是基于
物理学和化学的一门基础科学)、医学(治疗疾病的科学)和工程学(设计及建造对人类有用的物品的科学)。
在 20 世纪 50 年代中期，我被任命组建一个实验室，这个实验室需要结合这三大学科，并致力于听觉
研究。在过去的 50 年中，我们的实验室(由麻省理工大学、哈佛大学、麻省总医院及麻省眼耳医院共
同管理)树立了一个优秀的范例，证明虽然有一些实际的困难，科学家、临床医师和工程师们仍然可以
很好地合作。我们的经验之一是，往往一些最成功的发现是基于对基本科学知识的发展，而不是来源
于对特定临床需要的靶向性研究。然而，“研究与发展”常常需要有技术创新教育背景，并能与数
个领域的专家充分交流的特殊工作人员。因此，在目前这个环境与社会问题需要传统意义上非生物医学
工程领域的技术专家的时代，生物医学工程师的培养问题及资源应如何在发达国家与发展中国家之间分
配的问题的探讨，都具有十分重要的现实意义。
关键词：生物医学工程；电子耳蜗；耳聋
中图分类号：R318; R764.43　　文献标识码：A
The scope of biomedical engineering
KIANG Nelson
(Massachusetts Institute of Technology, Harvard University, USA)
Abstract: The term “biomedical engineering” implies the interaction of three professions: biology (a basic
science that in its broadest sense draws upon physics and chemistry), medicine (the care of the sick), and
engineering (the design and construction of things useful to humans). In the mid-1950s I was asked to start a
laboratory that would combine these three disciplines, focused on the study of hearing. Over the past five
decades, this laboratory (jointly operated by the Massachusetts Institute of Technology, Harvard University,
the Massachusetts General Hospital, and the Massachusetts Eye and Ear Infirmary) can provide some specific
examples of how scientists, clinicians, and engineers can work together despite certain practical difficulties.
One of the lessons is that some of the most successful applications developed out of esoteric basic knowledge
rather than research targeting identified clinical needs. Nevertheless, “R and D” (Research and Development)
often requires a special kind of person with training in the art of technical innovation, who can communicate
easily with specialists in a number of fields. Thus, issues concerning the education of biomedical engineers and
how to allocate resources in developed and developing countries are most relevant in an era when environmen-
tal and social problems require technical expertise in areas not traditionally regarded as within the province of
biomedical engineering.
Key words: biomedical engineering; cochlear implant; deafness
收稿日期：2008-12-15
通讯作者：bnk@epl.meei.harvard.edu
213第2期 江渊声：生物医学工程的研究范围
1　生物医学工程学
什么是生物医学工程? 我 1955 年开始攻读博
士，几年之后才出现了生物医学工程的概念。这是
将非常不同的两种人才结合在一起的学科，第一种
我称之为生物医学工程学(biomedical engineering,
BME)Ⅰ类人才。他们的特点是：(1)致力于科学的
新应用；(2)从事跨学科领域的科学研究；(3)由于
需了解很多不同领域，需要广泛的教育背景；(4)
具有创新精神以发现新的事物；(5)一般在大学院
校、研究所和工业实验室工作；( 6 ) 由于没有盈
利，他们需要资金帮助。另外一种我称之为 B M E
Ⅱ类人才，他们的特点是：(1 )主要工作是设计、
制造和检修仪器；(2)致力于针对性较强的工作项
目；(3)培训范围相对较窄； (4)具有手工业者职业
精神，他们重复做相似的工作，并越来越熟练。这
一特点与外科医生类似；(5)一般在公司或研究所从
事技术性工作，并需与用户交流；(6)他们的工作
可直接创造收入。
以波士顿为例，BME Ⅰ类人才由综合性大学培
养，B M E Ⅱ类人才由技术学校培养。有趣的是，
目前的趋势是培养Ⅰ类人员的Ⅱ类工作能力，或培
养Ⅱ类人员的Ⅰ类能力以得到同时具有这两种才能
的 B M E 新型人才。
现代生物医学工程学中需解决的重要问题:(1)长
时程规划与短时内解决问题；(2)教育与培训；(3)理
论与应用；(4)集中领导与局部管理；(5)政府资助与
私人投资；(6)国际主义、地方主义与民族主义。
今天在座的各位多是一类人才，今天的会议是
德国和中国科学家合作的国际主义的典型范例。但
需要注意的是，事实上BMEⅡ类人才比Ⅰ类人才要
多出很多。
2　BME 具体工作方式
下面我将通过回顾电子耳蜗产生的过程以阐述
我的观点。 毫无疑问，电子耳蜗的产生是工程师、
医生和科学家共同努力的结果。人工耳蜗是目前为
数不多的生物医学工程成功范例。
我们知道，内耳是个很复杂的充分分化的器
官，它由很多不同类别的细胞规律排列而组成，并
通过神经纤维与大脑相联系。每一特定频率的声音
信息通过相应的神经元传递到大脑的特定部位。这
是一个非常复杂和精细的系统，毛细胞是将声音信
息的机械信号转化为电化学信号的换能器。耳聋患
者的这类细胞完全死亡，很多病例是由这一水平的
病变引起。病毒感染、老龄化、耳毒性药物等因
素可导致这种病变的发生。出现这种情况后，听觉
会完全消失。
3　电子耳蜗的产生过程
一个很重要的问题是，如果神经元细胞仍然存
活，是否能通过刺激耳聋患者体内的这些神经元以
使他们重新获得听力？这就是电子耳蜗所需起到的
作用。1953 年，法国科学家将人造电极植入耳蜗，
观察电流刺激能得到何种效果，发现在人类耳蜗
中，电极刺激可产生声音，虽然这并非是有用听
力。后来很多人将电极植入内耳，并以各种信号刺
激耳蜗，但都没有得到有用的听觉。1956 年，我
们的实验室开始研究内耳神经纤维的正常作用，并
以此为基础产生了现代电子耳蜗的雏形(图1)。截
至目前，电子耳蜗的发明绝对是个巨大的成功。成
千上万个耳聋患者由于使用了电子耳蜗而重新获得
听力，可正常交流，甚至可正常使用电话。其中
特别是婴儿期电子耳蜗的植入是个很大的成功。20
世纪50年代，我们找到了新生儿耳聋的诊断方法。
目前在很多发达国家，这种检查被纳入医保范围，
新生儿出生后必须检查是否患有耳聋，因为如果出
生时就患有耳聋，早期(如一岁)植入人工耳蜗，其
可随着大脑的发育，将人工耳蜗的刺激信号与大脑
整合。在发达国家，目前唯一的问题是发现耳聋患
儿时，是应该单耳植入电子耳蜗还是双耳植入。
图1　正常耳与电子耳蜗植入耳的结构图
4　应用电子耳蜗所需的具体工作
目前对电子耳蜗使用者检查发现，这种治疗方
法是完全成功的。要达到这种成功，需要很多不同
方面工作人员的共同努力。这些工作包括以下方面:
214 生命科学 第21卷
(1)手术 (手术入路、 控制感染、再植入等)；(2)生
理学(电生理、神经编码、中枢植入等)；(3)材料
科学(组织相容性、免疫学、感染、材料的长时程
降解等)；(4)政府支持 (资金投入、政策调控、研
究支持等)；(5)社会学 (社会支持团体、耳聋社团
等)；(6)法律 (知情同意、质量控制、政策法规
等)；(7)心理学 (心理物理学、学习、认知、语
言的建立等)；(8) 声学 (声场、相关信息relevant
cues、换能器等)；(9)艺术 (音乐、情感交流等)；
(10) 商业 (保险、capital formation、商业竞争、
研究支持等)；(11)工程学 (信息处理方案、 功能系
统等)；(12)生产 (装配、制造等)；(13)康复 (教
育、职业因素、故障等)；(14) 发育生物学(耳聋
的早期诊断、婴幼儿电子耳蜗植入、再生等) ；
(15)病理学 (神经条件、 新骨生长、长时程退化等)
(图 2)。
需要强调的是，这个整体工作由各方面工作人
员共同完成，每个岗位的人所需关心的只是他工作
领域的范围，很多工作人员，甚至对其他部分的工
作一无所知，并且不需要了解。因此，B M E 的成
功并非是由政府计划所能做到的，而是由不同领域
的工作人员共同努力的结果。
1962年，我们对人工耳蜗的成功做了个总结，
认为之前人工耳蜗实验失败的原因是人们试图用一
种单一信号替代耳蜗的作用，而这并非正常耳蜗的
工作方式。而我们研究内耳单一神经纤维的作用的
工作成果发现每个神经元和神经纤维有自己特定的
作用，对特定频率的声音起反应，因此我们用不同
的电子信号传递不同的声音信息。这就是人工耳蜗
成功的基础。
综上所述，B M E 的范围是极其广泛的，它包
括了我们所知道的几乎一切的知识，但如何使BME
真正起作用，利用科学的发展给社会和大众造福是
问题的关键所在。
[参　考　文　献]
[1] Kiang NYS, Peake WT. Physics and physiology of hearing
[M]// Atkinson RC, Herrnstein JJ, Lindzey G, et al (eds).
Handbook of experimental psychology. New York: John
Wiley, 1988
[2] Kiang NYS, Guinan JJ Jr, Liberman MC, et al. Feedback
control mechanisms of the auditory periphery: implications
for cochlear implants [C]// Banfai P (ed.) Cochlear implant:
current situation. Basel: International Cochlear Implant
Symposium, 1987: 131-51
[3] Kiang NYS, Liberman MC, Sewell WF, et al. Single unit
clues to cochlear mechanisms. Hearing Res, 1986, 22: 171-82
[4] Kiang NYS, Peripheral neural processing of auditory infor-
mation [M]// Handbook of physiology, section 1: the ner-
vous system. Bethesda: American Physiological Society,
1984: 639-74
[5] Kiang NYS, Fullerton BC, Richter EA, et al. Artificial stimu-
图2　应用电子耳蜗所需的具体工作
215第2期 江渊声：生物医学工程的研究范围
lation of the auditory system. Adv Audiol, 1984, 1: 6-17
[6] Kiang NYS, Keithley EM, Liberman MC. The impact of
auditory nerve experiments on cochlear implant design. Ann
NY Acad Sci, 1984, 405: 114-21
[7] Kiang NYS, Eddington DK, Delgutte B. Fundamental con-
siderations in designing auditory implants. Acta Otolaryngol,
1979, 87: 204-18
[8] Kiang NYS, Stimulus representation in the discharge pat-
terns of auditory neurons [M]// Tower DB. The nervous
system New York: Raven Press, 1975: 81-96
[9] Kiang NYS, Moxon EC. Physiological considerations in ar-
tificial stimulation of the inner ear. Ann Otol Rhinol Laryngol,
1972, 81: 714
[10] Kiang NYS, Moxon EC, Levine RA. Auditory-nerve activ-
ity in cats with normal and abnormal cochleas [M]//
Wolstenholme GEW, Knight J. Ciba foundation symposium
on sensorineural hearing loss. London: J. & A. Churchill,
1970: 241-273
[11] Kiang NYS. A survey of recent developments in the study
of auditory physiology. Ann Otol Rhinol Laryngol, 1968, 77:
656
[12] Kiang NYS. Discharge patterns of single fibers in the Cat’s
auditory nerve, research monograph No. 35[M]. Cambridge:
MIT Press, 1965
[13] Kiang NYS, Watanabe T, Thomas EC, et al. Stimulus coding
in the Cat’s auditory nerve, preliminary report. Ann Otol
Rhinol Laryngol, 1962, 71: 1009
¬ÄÈ ÕûÀí