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長庚大學 生物醫學工程博士學位學程
學程簡介

一、             緣由

隨著全球人口高齡化之趨勢及政府近年來大力推動生物醫學工程相關產業,且生物醫學工程技術對於醫療產業升級與醫療照護品質提升有密切關聯,因此,生物醫學工程已被列為國家十二項重點科技之一,「醫療保健產業」也列為兩兆雙星重大產業所明訂之十大新興產業。近年來國內各研究單位如工研院及國家衛生院均分別成立生物醫學工程中心及研究小組,積極發展生物醫學工程相關研究;此外國科會也大力支持各研究機構從事生物感測、醫療影像、組織工程、醫療光電系統、智慧型醫用儀器、網際網路醫療應用及遠距醫療等相關研究,並於竹北及路竹科學園區成立生醫產業發展專區鼓勵廠商進駐,建立我國生物醫學工程相關產業聚落。

長庚大學工學院自成立以來,在「理論」與「實務」結合的教學目標下,配合長庚醫院臨床醫療需求,積極推動「生物醫學工程」相關之教學和研究工作。目前長庚醫院病床數超過八千床,是國內最大的醫療服務系統之一,有一流醫師素質和醫療設備,且醫療績效佳,更有廣泛的疾病病例可供臨床研究,是國內發展「生物醫學工程」之良好環境。本校工學院與長庚醫院有密切合作研究關係,在跨領域合作下,進行各項醫療照顧自動化、復健設備、醫療輔具以及醫療機電整合系統等開發,已有具體成效。

本校為推動跨領域、整合型生醫工程研究,於97年正式成立跨系所之「生醫工程研究中心」,並分為「生醫感測」、「功能性醫學影像」、「組織工程」及「老人輔助科技」等重點研究領域,共有34位專任教師及長庚醫院20位醫師參與,五年來研究成果共發表了307篇期刊論文及43件專利及5件技術移轉,確實發揮了跨系所資源整合及群策群力團隊合作研究之效益。有鑑於此,本院擬整合各系所生醫工程教學資源,增設工學院「生物醫學工程博士學位學程」,以期發揮生醫工程跨領域科技整合、院內教學研究資源共享及建立本院院務發展特色之目標。

 

       

 

二、              發展方向與重點

 

         本博士學位學程將招收非理工(醫學)背景及理工背景碩士,並以培育生醫「產品經理」(product manager)及「計畫主持人」(project leader)為訓練目標;生醫「產品經理」為具非理工(醫學)背景經過基礎工程相關課程訓練,擔任界定所擬開發產品之臨床需求與功能,並與研發團隊人員共同訂定工程規範,在研發過程須能與研發團隊工程人員溝通、協調、共同解決問題,並協助產品開發完成後之臨床驗證實驗。至於生醫「計畫主持人」則是具理工背景經過基礎生物醫學相關課程訓練,擔任生醫研發專案計畫主持人,負責計畫之執行,並與生醫產品經理溝通、協調,完成產品設計、製作、系統整合與功能測試等工作,以確保所開發之產品符合臨床需求與功能。為達到上述訓練目標,在課程設計上有下列規劃:

1.         理工背景學生需修兩門醫學相關基礎必修課程及「醫療器材開發與驗證」課程,一門研究領域專業選修課程及兩門經指導老師認可與其研究主題相關之醫學院選修課程,且需至醫院臨床實驗實習兩個月,以充實其從事生醫工程研究所需臨床知識,日後在扮演「計畫主持人」時具有與醫護人員溝通產品需求的能力。

2.         非理工(醫學)背景學生需修兩門工程相關基礎必修課程及「醫療器材開發與驗證」課程,兩門研究領域專業課程及一門經指導老師認可與其研究主題相關之工學院選修課程,以充實其從事生醫工程研究所需工程知識,日後在扮演生醫「產品經理」時具有與工程人員溝通生醫產品開發構想及了解生醫產品開發內容的能力。

3.         學生在完成上述基礎必修及選修課程後,需於入學後第三年結束前通過資格考試。每位博士生之資格考試科目共四門,其中兩門為所選定之基礎必修課程,一門為所選定之研究領域專業選修課程及一門與研究主題相關之醫(工)學院選修課程。

      在研究方面,本學位學程要求每位博士生必須有兩位論文指導教授,其中一位理工背景之老師為其主要指導教授,另一位則為醫學背景(醫生或醫學院老師)之共同指導教授。至於生醫工程博士學程之研究發展方向將配合本校「生醫工程研究中心」之重點研究領域規劃「生物感測」、「功能性醫療影像」、「組織工程」及「老人輔助科技」等四項,進行基礎及產品開發應用研究。四項發展方向分述如下:

1.         生物感測研究領域:

  
生物感測乃是結合電子工程、光電工程、化學工程、微奈米製造工程與生命科學及生物技術,透過多樣的感測原理配合新穎的生物技術,期望能達到快速疾病診斷感測、檢體少量檢驗感測及高靈敏生醫感測,提供醫事人員更方便快速的感測方式與平台,進而促進病人福祉。藉著結合本校工學院原有半導體光電、生物材料、奈米機械系統
(nano mechanical system)及晶片技術與醫學院之生物化學及細胞分子生物學研究相關之基礎學科,擬訂本校工學院目前生物感測領域之研究發展方向為奈米生物感測材料、生物感測元件、生物實驗室晶片及生物感測之居家檢測系統等。研究重點包括:(1)奈米生物感測材料:目的在於解決當需要做長期且侵入式監控生理感測時,感測材料與人體組織之生物相容性問題,結合本校化工與材料及生化與生醫工程既有基礎,進而研發創新的奈米生物感測材料; (2)生物感測元件設計:利用光電與半導體等技術為基礎,將人體的生理指標轉化成以光或電的訊號呈現,設計新型元件,進而開發具有高靈敏度及具可靠度生醫檢驗平台及產品; (3) 生物實驗室晶片:利用新型感測元件的開發平台與電子電機相關專長的系統晶片設計技術結合,樣品前處理、樣品反應、樣品偵測及訊號放大等多項功能,實現在如手掌大小的晶片上,形成生物實驗室晶片;(4)生物感測之居家檢測系統開發:以微型感測器搭配生理訊號處理電路,開發非侵入式生理訊號監測產品,提供方便一般大眾均能操作的使用介面及生物感測模組,促進使用意願達到居家檢測及早期發現的功能。為確保生物感測開發產品能符合臨床需求,將與醫學院及長庚醫院合作,利用開發出的各式生物感測器應用於臨床上,如生物標記的快速檢測、高靈敏度細菌感染檢測等,以驗證感測器的可靠度及靈敏度,朝向早期發現、早期治療的預防醫學方向邁進。

2.         功能性醫療影像研究領域:

      
醫學影像技術之發展趨勢為分子影像及功能影像。分子影像
(Molecular Imaging) 係指利用各種醫學影像系統,觀察生物活體內在分子層次的各種功能現象。分子影像技術可以用於生物病理與藥物的相關研究,藉由活體生物的分子功能影像分析,可快速而有效地評估新藥的療效。而功能影像(Functional Imaging)指的是利用影像提供解剖上的資訊外,進一步利用影像處理技術將某物理現象變化粹取,以了解人體功能性指標之變化。相較於傳統利用醫學影像解剖結構上的變異來微疾病診斷,分子影像及功能影像可以更早一步利用分子生物化學上的變化以及發病前組織器官功能性上之變異來診斷疾病,以掌握治療先機並早期處理。本校工學院在分子/功能性影像領域之發展方向為利用核磁共振影像、正子斷層掃描影像、以及先進光學影像進行分子及功能性成像之關鍵技術開發,希望應用在退化及腫瘤疾病之早期診斷。研究重點包含: (1) 發展核磁共振影像(Magnetic Resonance Imaging)之分子影像技術,找出具有標誌特定生理功能變化,並可進一步用來診斷疾病(如精神異常、腦部退化或癌症等)的標定性影像; (2)發展新一代頻譜影像 (MR Spectroscopy) 技術,提供高解析度的活體生物代謝訊息及快速的掃描時間,以應用在臨床檢測上; (3)發展近紅外光光譜 (Near-infrared Spectroscopy; NIRS) 技術,以量測人體生理訊號,得到組織含氧血紅素(oxy-hemoglobin)和去氧血紅素(deoxy-hemoglobin)吸收光譜差異,輔助臨床上腫瘤早期偵測 (4)發展正子斷層影像(Positron Emission Tomography, PET)技術,進行癌症、心臟血流灌注、心肌存活檢定及腦部病變診斷等;(5)發展光同調斷層掃描影像(Optical Coherence Tomography, OCT)技術,進行臨床活體切片檢查平台開發,以及癌症(口腔癌、大腸癌等)、皮膚病變及視網膜的篩檢;(6)發展光聲影像 (Photoacoustic Imaging) 技術,應用於活體深層組織血流分析以及乳癌篩檢。未來將以先進的分子/功能性影像作為研究題材,除了持續關鍵性技術開發外,也將與長庚醫療體系建立緊密合作關係,利用所開發之影像技術進行臨床實驗,並協助退化性疾病及癌症之早期診斷,最終朝向大規模臨床應用之目標邁進。

 3.         組織工程研究領域:

  
組織工程是應用工程與生命科學之原理與技術,將人工培養的活性細胞或組織等移植到體內,使受到損傷的人體臟器或組織再生,進而恢復健康之醫療策略。一般而言,構成組織工程的三要素為細胞,支撐細胞生長所需的骨架,及影響細胞行為的訊息因子。本校工學院在組織工程領域之發展方向為肝組織工程、軟骨組織工程、眼角膜組織工程、骨組織工程及脂肪組織工程研究等。研究重點包括:
(1)利用新式脈衝直流電漿系統,改質材料的表面性質,並且接枝具生物辨識性的分子,以促進細胞貼附、生長與功能表現;(2)使用材料表面構形技術,使兩種細胞能夠在限定的區域內生長,並觀察細胞-細胞間的交互作用,以瞭解細胞在共培養的條件下作用的機制;(3) 創新骨架設計,以期使支架能表現出高生物相容性、親水性與含水量,且具有適當的機械強度及足夠的官能基可供改質修飾,也期望能藉由支架材料本身的組成成份來促進細胞間、或材料與細胞間的作用力;(4)為增加生醫材料實用性 (如形狀加工容易、高細胞植入量及達成非侵入性的治療方式等),亦將開發具有可注射特性的骨架材料;(5)生物反應器研發,以提供適當的環境供細胞大量增殖、控制細胞分化、提供生物模擬環境及製造人工組織與器官。因此將自行研發三類生物反應器,第一類是做為細胞的增生與擴大培養的工具,以在體外增加細胞的數量為主,例如幹細胞的培養。第二類是利用生物反應器配合載體與細胞培養,在體外形成組織或器官,例如軟硬骨等。第三類是將生物反應器搭配細胞做為體內移植或體外生理輔助儀器,例如生物型人工肝臟輔助系統等。除此,為確保組織工程研究於再生醫學之適用性,在結合細胞與骨架進行體外靜態及反應器培養後,將與長庚醫院專科醫師共同進行人工肝臟、人工骨移植、脂肪替代物、人工軟骨移植與人工眼角膜移植活體動物實驗,驗證組織工程產品有效性及功能性,並以此為基礎申請臨床實驗,進行轉譯醫學研究。

4.         老人輔助科技研究領域:

        因為醫療與科技的進步,人口老化已是目前各國的主要社會問題,如何提供良好的照護環境與妥善的協助以減緩人口老化對整體社會衝擊是當前政府最重要的工作之ㄧ。由於近年來資訊、通訊技術的快速發展,建構老人輔助科技新技術,讓長者借由科技的輔助過著「老的慢,病的輕,活的好」的優質生活環境,以協助長者擁有健康的身體及良好的精神狀況,並做好疾病預防、及早治療以減少發病機率及病後後遺症,巳成為各先進國家重要研究課題。本博士學位學程成立後將著重於培育資訊、通訊產品開發經理為目標,該產品整合無線通訊網路、感測技術、嵌入式系統、資料探勘及臨床醫學等技術,建構一智慧型老人輔助科技資訊系統,提供日常生活中醫、食、住、行及育樂等各項之照護功能。本校工學院在老人輔助科技領域之研發方向與重點為:(1)生理感測技術研發:整合生理感測、無線傳輸及智慧型處理等技術,開發微型省電感測設備,達到即時監測老人各項重要生理參數之目的;(2)健康照護資訊平台建立:利用資料倉儲、機器學習、人工智慧等技術,除了建立長期生理量測資料、居家生活網絡資料、社群活動與醫療照護等資料庫外,也將進一步探討老人健康照護理想健康促進機制;(3)大腦認知功能研究:老人的退化過程中除了常見的生理與身體兩方面的功能外,還包括心智與情緒兩方面的問題,因此將結合資訊工程、機械電子、無線感測、功能性影像分析以及臨床醫學診斷等關鍵性技術,建構一套可應用於失智症的完整照護模式,主要研究工作包括(i)透過對高齡者日常生理、精神、行為、認知與社會關係等面向的持續觀察與追蹤,建立各項評估失智症的危險因子指標;(ii)整合多媒體3D技術,透過電腦互動的方式來評估分析記憶、邏輯與運算能力,做為臨床輔助診斷的參考依據;(4)即時神經回饋機制研究:利用即時神經回饋(Real-time Neurofeedback)技術,設計各種不同的刺激模式激發受測者,再透過功能性核磁共振成像技術觀察治療前後腦部活化區域的位置變化,了解受測者的大腦的反應。這些擷取出來的醫學影像,透過雲端計算平台即時回饋、臨床診斷輔助工具之協助及支援決策等技術核心分析後,進而提供失智症治療效果評估、即時回饋復健效果評估以及針對影像的差異呈現給予醫師診斷上的輔助建議。

 

三、              學位學程與世界學術潮流之趨勢

 

1.        生物醫學工程是一門生物、醫學和工程多學科交叉的跨領域學門,它是用現代科學技術之理論和方法,研究新材料、新技術、新儀器設備,用於預防疾病、治療疾病、保健及提高醫療水準的一門新興學科。又因全球老年化的趨勢及醫療保健器材需求迫切,生物醫學工程更逐漸成為熱門學科。近年來,國內原來只有中原、陽明、成功、台灣大學等少數學校設立生物醫學工程相關系所,已迅速擴展到目前共有16所大專院校設立生物醫學工程相關系所,由此顯見國內學術界對生物醫學工程學術發展之重視。又如美國Whitaker Foundation近幾年來鼓勵全美各大學成立生物醫學工程相關學程或系所,而且生物醫學工程系所成立後均可獲得該基金會補助,因此,生物醫學工程也已成為美國甚或全球各知名大學積極成立之新興科系及研究趨勢。

2.         由於生物醫學工程與醫療照護治療品質之提升息息相關,而生醫產品除了須仰賴醫學背景人才提供臨床需求(needs),結合理工背景人才之專業技術(seeds),才能開發出臨床實用之產品。如果生醫產品之研發缺乏醫學背景人才參與,研發工作團隊將無法確切掌握臨床問題及產品應用所需之功能,所開發之產品將不符合臨床實用性;另外生醫產品之研發,如缺乏理工背景人才之參與,將無法融入新科技於生醫產品設計內,產生創新生醫產品。因此本項生物醫學工程學位學程將招收理工與非理工(醫學)兩種背景之學生,結合長庚大學工程與醫學方面豐富教學資源以及長庚醫院完善臨床教學與實習資源,分別設計不同訓練課程,以期培育具有生醫工程領域紮實專業以及未來扮演生醫「產品經理」(product manager)及「計畫主持人」(project leader)角色的能力,使學生在博士班期間就能有跨領域整合生醫產品研發之訓練,未來才能因應國內發展生醫產業,落實政府推動生醫產品/技術自主化之目標。

 

 

 

四、             學位學程與國家社會人力需求評估

 

1.        我國自民國八十二年起邁入高齡化社會,在人口逐年老化及政府實施全民健保之際,醫療保健品質的提升已成為大家所關切的課題,然而醫療作業除了仰賴醫師專業的技術外,醫療診斷設備及生物醫學工程科技的配合運用也是提高醫療品質的主要關鍵;我國醫療器材90%仰賴國外產品進口,進口總值每年達100億元以上,全民健保實施後,市場年成長率達15%;然而,我國在各項科技領域如機械、電子、半導體等均已臻國際水準,如何整合各基礎科技與醫學應用,發展生醫產品已成為近年來政府推動生醫保健產業之施政重點。有鑑於此,行院已明訂公佈「台灣生技起飛鑽石行動方案」、「健康照護升值白金方案」、「醫療器材跨部會發展方案」等計畫,使生技醫療保健相關產業成為我國二十一世紀國家科技發展重點之一。因此欲提振國內「生技醫療保健產業」,培育「生物醫學工程」高階研發人才之需求更形殷切。

2.        根據教育部訂定「100學年度大學總量發展規模與資源條件標準」之建議,國內大學應依行政院重大政策所建議之六大新興產業人才需求,進行增設或調整招生名額。工學院「生物醫學工程博士學位學程」係配合教育部政策及我國發展「醫療保健產業」研發人力需求所成立。

3.     本項生醫工程博士學位學程之學生來源將包括理工背景與非理工(醫學)背景等兩類:理工背景學生如醫學工程碩士、資訊工程碩士、機械工程碩士、醫療機電工程碩士、化工與材料工程碩士、生化生醫工程碩士、光電工程碩士等;非理工(醫學)背景學生將招收醫學院醫學系及其他相關系所碩士。以期培育成為具有生醫工程領域紮實專業能力,及扮演生醫「產品經理」(product manager)或生醫產品研發「計畫主持人」(project leader)角色能力,未來學生畢業後將可依其背景及研究專長投入國內生醫產業產品研發之就業市場。

 

 

 

五、              學位學程與學校整體發展

 

        長庚大學自民國76年創校以來,便以「培育具有豐富學術理論及實務技術之專業人才,以提升全民健康水準及促進工業升級」為教育目標,歷年來均獲教育部評定為 辦學績效卓越之綜合大學,也是教育部核定為國內唯一私立大學接受五年五百億重點研究發展補助之學校。本校前身為長庚醫學院,因此成立工學院後便強調培育「醫學」與「工程」整合之跨領域人才為發展重點,除了成立醫療機電及生化生醫工程等獨立研究所外,兩年前也正式成立「生醫工程研究中心」,分為「生醫感測」、「功能性醫學影像」、「組織工程」及「老人輔助科技」等跨系所研究領域,並於工學大樓十樓設立生醫工程研究共同實驗室及研究室,佔地436平方公尺。近五年來研究成果共發表了307篇期刊論文及43件專利及5件技術移轉。其中老人輔助科技研究團隊也爭取到經濟部科專(計畫名稱:銀髮族優質照護計畫),確實發揮了跨系所資源整合及群策群力團隊合作研究之效益。除此,本院在生醫工程之研究成果也已獲數所國外大學(新加坡南洋理工大學、澳洲墨爾本大學、香港理工大學及大陸清華大學等)肯定,並簽訂學術合作研究備忘錄,共同執行數項國際合作研究計畫。因此工學院生醫工程博士學位學程符合學校整體校務發展方向與建立本校「醫學」與「工程」整合之教學特色。