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西安交通大学生命科学与技术学院

西安交通大学生命科学与技术学院成立于2000年末,在原西安交大、西安医科大学、陕西财经学院三校合并的基础上建立的。承担有国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、国家863973以及省部级、企事业单位科研合同等项目的研究工作。学院建有三个重点实验室、一个国家人才培养基地、一个工程研究中心、二个博士后流动站,生物医学工程学科是国家级重点学科。

学院下设两个系(生物医学工程系、生物科学与工程系)、六个研究所(生物医学工程研究所、生物医学工程与仪器研究所、生物医学分析技术与仪器研究所、癌症研究所、分子遗传学研究所、线粒体生物医学研究所)、二个研究中心(生物信息学研究中心、康复科学与技术研究中心)。依托学校的整体实力,学院还建有三个重点实验室(现代医学电子技术及仪器国家专业实验室、生物医学信息工程教育部重点实验室、生物医学工程陕西省重点实验室)、一个国家人才培养基地(国家生命科学与技术人才培养基地)、一个工程研究中心(国家医疗保健器具工程研究中心西安交通大学分部)。

研究方向

医学信息与仪器、生物医学超声、计算生物信息学与应用技术、生物医学技术与仪器、分子遗传学、统计遗传学、肿瘤生物学与肿瘤免疫、线粒体生物医学、生物物理学、康复工程与技术等。

该院承担有国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、国家863973以及省部级、企事业单位科研合同等项目的研究工作。每年在国内外重要刊物上发表学术论文百余篇。出版了多本有影响的教科书和学术专著。曾获得国家发明奖、国家科技进步奖共4项、省部级奖近20项。生命科学与技术是二十一世纪重要发展学科领域,生命科学与技术学院正在稳步向前发展。

学科建设

生物医学工程

生物医学工程学科创立于1978年,是国内第一批成立该专业的学校,同年开始招收硕士研究生,1984年获批为博士点学科。1988年获批为生物医学仪器及工程专业唯一的国家重点学科,并建立博士后流动站,2002年又获批为国家重点学科。1989年建立现代医学电子技术及仪器国家专业实验室。1999年建立生物医学工程陕西省重点实验室,2000年建立生物医学信息工程教育部重点实验室,是长江学者特聘教授首批设岗学科,与国外7所大学和研究中心建立有实质性的合作关系。

本学科已形成一支由40余名 教授、副教授与青年博士为主体的结构合理、高水平的学术团队,其中博士生导师12名,国家有突出贡献中青年专家2名。自1988年以来,共承担国家和国际合作科研项目60多项,获国家发明奖2项、国家科技进步奖4项、省部级科技进步奖20多项。1996年以来,完成和承担科研项目近百项,科研经费二千多万元,其中包括国家基金、重点科技攻关项目、国家杰出青年基金、863项目等。在国内外重要期刊发表学术论文500多篇,撰写和出版专著两本。获省部级科技进步奖11项,获准专利12项。

生物化学与生物分子学

生物化学与分子生物学是生命科学的核心学科之一。生物化学与分子生物学硕士学科点建立于1996年,2000年建立博士学科点,该点有硕士生导师10人,博士生导师5人。现已形成蛋白质及其基因工程、微生物学、分子遗传学、分子肿瘤学、生物化学工程、生物分离工程,细胞培养工程等具有一定特色的稳定的研究方向。承担国家自然科学基金10项,省级基金12项和各类横向课题,获专利4项,发表英文学术论文16篇。

该专业的主要学位课程包括:高等生物化学、分子生物学研究进展、生物化学与分子生物学实验技术、细胞分子生物学 、分子遗传学、基因工程原理和生物安全等。本学科培养的研究生能够掌握坚实的生物化学与分子生物学基础理论和专业知识,理论联系实际,具有运用本专业知识解决生物化学、分子生物学和生物技术等方面问题的能力,能从事生物化学与分子生物学的科学研究和高等院校的教学工作。该专业几年来已招收硕士研究生43人,其中15人已获得硕士学位,招收博士研究生45名,期中在读博士研究生37人。

生物物理学

生物物理是生命学科的主干学科之一。西安交通大学生物物理学科点于2000年获得硕士学位授予权,2003年获得博士学位授予权。它主要以生命科学与技术学院的五个研究所(包括生物医学工程研究所、分离科学研究所、癌症研究所、生物医学工程与仪器研究所、生物科学与工程研究所)为依托,同时也隶属于现代医学电子技术与仪器国家专业实验室、生物医学信息工程教育部重点实验室、生物医学工程陕西省重点实验室。另外,它还借助于生物医学光子学教育部网上合作研究中心西安交通大学分部这一平台进行研究、交流和合作。

生物物理学科的发展目标是紧密结合生命学科的发展,以生命科学前沿和核心领域的科学研究为龙头,以分子光子学、生物学、生物信息学三大学科的建设为主线,发挥各学科综合优势,培养德、智、体全面发展的高层次专门人才,建设具有交大特色的生物物理学科点。

康复科学与理疗学

2003 年,经教育部批准,西安交通大学建立了康复医学与理疗学学科硕士点和博士点,是全国率先建立该学科博士点的重点高校之一。并于2004年正式向全国招收硕士和博士研究生。

西安交通大学康复医学与理疗学学科将以国际著名大学康复科学与技术学科发展为参照系,以神经与组织功能康复、临床康复医学(含骨科和临床康复)、康复机械电子工程和残疾心理与社会问题研究 (含残疾人心理学、残疾人法学和社会保障体系)等四个研究方向为支撑点,形成以强调多学科交叉,强调医工结合,强调康复科学与技术对康复医学发展的作用为核心的学科体系。

近些年来,西安交通大学分布在生物医学工程、骨科与临床康复、机械工程、心理学、法学和社会学等学科的各课题组围绕康复这个主题,开展了大量科研和教学工作。如:承担的国家级和省部级科研项目有44项,合计科研经费1072万元;成果转让1项,成果转让费30万元;拥有发明专利3项。各课题组发表论文313篇,其中55篇被SCI/EI/ISTP收录。

在教学与人才培养方面,出版教材12部;获省级优秀教学成果奖1项。这些业绩与成果为西安交通大学康复学科的发展奠定了基础。

西安交通大学建立了康复医学与理疗学学科由36名教师组成,其中:教授、副教授占64% 。在学科带头人中,有在生物医学工程领域做出突出贡献的著名专家;有在中国康复工程、临床康复、骨科与脊柱康复、康复机械电子工程等领域做出优异成绩并担任着重要学术职务的学者教授、后起之秀;还有被美国知名大学康复科学与技术学院聘任的兼职教授。康复医学与理疗学学科与国外许多知名大学有着广泛的合作。国际健康与康复领域的三位著名活动家、教授、学者已被我校聘为客座教授。

病理学与病理生理学

1993年经国务院学位办批准为病理学博士学位授权单位,2001年被授予基础医学博士后流动站。

主要研究方向是肿瘤免疫、免疫病理、肿瘤分子遗传。

生物因素与肿瘤是本学科研究的重点, 鉴于高危型HPV感染是宫颈该癌的主要始动因素,而陕西略阳地区是宫颈癌高发区,我们开展了HPV预防性疫苗的研究,HPV16预防性疫苗的研制已成为我室研究的主线之一,VLP疫苗、植物疫苗,乃至重组痢疾杆菌-HPV减毒活疫苗的研究已达国内领先及国际先进水平。

肿瘤生物治疗已成为肿瘤治疗的主要模式之一。在生物反应调节剂、细胞因子、肿瘤过继性免疫治疗、自体瘤细胞疫苗的试验方面已取得显著进展,其中用放疗、化疗减除淋巴细胞行免疫重建及瘤苗注射的动物实验已达国际水平,正准备向临床转化。

肿瘤逃逸机制是研究的重点内容之一。对肿瘤局部免疫微环境曾进行过长期深入研究,认为肿瘤浸润淋巴细胞不活化是肿瘤免疫不能排斥肿瘤的根本原因。正在用蛋白组学技术分析肿瘤浸润淋巴细胞缺乏活化的分子机制。

承担国家自然科学基金面上项目11项,国家863课题1项,美国CMB课题1项。省部级科技进步奖3项。

近几年来,我们已与美国俄勒冈健康科学大学肿瘤研究中心Earle A. Chiles研究所,美国哥伦比亚大学放射肿瘤学研究室,英国帝国理工大学医学院传染病学系建立了长期合作关系,上述学术机构的学术带头人Bernard A. Fox教授,Jun Yu高级研究员,Yuxin Yin教授,Hongming Hu高级研究员被聘为我校兼职教授,定期来我室讲学,进行学术交流。我们与俄勒冈健康科学大学肿瘤研究中心Earle A. Chiles研究所,美国哥伦比亚大学放射肿瘤学研究室合作培养博士生,已有三名博士生接受联合培养,一人已经完成学业回国报效母校。

实验室建设

教育部重点实验室

生物医学信息工程教育部重点实验室是2000年经教育部批准,在原世行贷款建设项目——现代医学电子技术及仪器国家专业实验室的基础上组建。实验室依托于西安交通大学,现任实验室主任为万明习教授,学术委员会主任为俞梦孙院士。

实验室的主要研究方向为:(1)医学信息工程与仪器;(2)生物医学超声;(3)心脏电生理与心脏起搏;(4)计算生物信息学及应用技术。实验室现有固定人员34人,其中教授21人,副教授7人。

实验室现有面积近5000平方米,相对集中。现有设备800多台套,价值4800多万元,其中30万元以上大型设备33台套,总价值2605万元。

2000年以来,实验室完成和承担科研项目114项,其中,“973”“863”和国家重点科技攻关项目8项、国家自然科学基金37项。获得省部级奖4项,发明专利9项。在国内外重要学术期刊上发表论文452篇,SCIEI收录160余篇。验室平均每年招收博士后2名,博士研究生25名,硕士研究生50名。并接受国内外访问学者和外国留学生来实验! [5] 

科研成果(部分成果)

心电脑电定征检测技术及应用基础研究

获得2003年度教育部提名国家科学技术奖

本项目是应用现代信号处理技术,检测心、脑电信号特征信息,提取敏感的特征参量,对心电脑电特异性实现定征检测,并研究其应用基础的关键技术,为心、脑血管疾病早期确诊提供科学依据。主要内容和特点:

1.心电信号特征检测及定征分析:最早将小波变换技术用于 ECG (心电)特征点的检测,通过特征尺度选择、模极大值检测、奇异度计算、孤立和冗余模极大值线的消除等方法,应用小波良好的局部时频特性,剔除伪差干扰的影响,达到在较强干扰信号下,不仅对 QRS 波正确检测率可达99.8 %,而且能正确检测包括微弱 P 波在内的重要的特征点,大大提高心电定征分析的精度和科学性。论文在国际杂志发表后,影响大,国际多次引用, 2000 年获国际经典引文奖,是我国学者在测量和信号检测领域唯一获此奖的论文。在心肌缺血定征、心率变异分析等方面,提出一些新方法,如提出矢量心电二维谱重构和分析技术,以检测心肌缺血程度等。

2.心电数据实时压缩、优化编码技术:先后提出多种适用于不同情况的无损、微损、高压缩比、高保真的高效心电数据压缩编码方法,可实现高精度的心电信号分析;还提出了对起搏心电采用精确触发的起搏脉冲和心电信号同步记录技术,从而使起搏心电动态记录分析达到实用化,应用效果好。已申报三项发明专利。

3.脑电定征检测:应用非线性分析、时频分析、尤其是分辨率高的三次递归双谱估计方法等技术对局灶性缺血脑电特征信息和参量进行检测提取,可敏感定征脑缺血区域和程度。采用多分辨 Tsallis 熵改进的Wigner 分布、非线性动力学分析方法等技术检测癫痫特征波,并对癫痫脑电进行系统的分析研究。

4.诱发电位快速提取:采用小波变换,奇异性检测去噪等方法,根据诱发电位信号、自发脑电与噪声之间奇异性的区别及模极大值沿尺度传递的不同特点,消除信号中的自发脑电和噪声,重构出消噪后的诱发电位,实现诱发电位快速提取,已用于脑科学的基础研究。

发表论文 70 多篇,国际重要学术刊物 5 , SCI 收录 5 篇, EI 收录 15 篇, ISTP 收录 7 篇,被 SCI 的论文他引 53 次。

发明专利: Holter 系统的无损数据压缩方法及其装置

长时间数字连续记录式 Holter 系统中用于记录体表心电信号的记录器由病人随身携带,由于记录器体积要尽可能小,所采用处理器( CPU )的处理能力和存储器的容量都受到严格限制。由于受存储器容量的限制,大多数数字式 Holter 系统均采用不同的数据压缩方法,由于一般处理器( CPU )的性能较弱,为保证数据压缩的实时性,压缩算法一般为可快速实现的时域直接压缩法。数据重构得到的波形生硬,严重影响了其临床应用价值。本发明的目的是克服上述现有技术的缺点,提出一种采用可完全重构整──整滤波器组对心电信号实现高效无损数据压缩并用统计分析技术对心电信号和起搏信号同时编码存储的方法,并用该方法开发具有高性能的 Holter 产品。

发明专利: Holter 系统的双采样方法

心电信号的频带一般为 0—40Hz ,即使考虑其高频成分的心室晚电位信息,频带也不超过 300Hz ,所以采样率为 1000Hz 以下。而起搏信号是宽度不大于 1ms 的脉冲信号,为记录其波形采样率应在 30KHz 以上。由于这两个采样率相差甚远,用单一的采样率难以同时记录心电信号波形和起搏信号波形。绝大部分 Holter 产品仅记录心电信号波形,而有少数产品可同时记录心电信号波形和起搏信号位置,这些产品均没有同时记录心电信号波形和起搏信号波形的功能。本发明采用双采样率的方法同时记录心电信号波形和起搏信号波形,并用该方法开发具有起搏心电分析功能的 Holter 产品。

发明专利: Holter 系统的数据压缩方法及其装置

在长时间数字连续记录式 Holter 系统中,由于受多方面因素的影响,很难在有效降低算法复杂度的同时保证高的数据压缩率和高的信息保真度。另外不具有保留心室晚电位这样的高频低幅信息的能力,且对高频干扰十分敏感。本发明提出一种采用整──整小波变换对心电信号实现高效数据压缩的方法,并用该方法开发具有更高性能的 Holter 产品。

项目名称: “ KF — 2000 动态心电图记录分析系统

以上述发明专利为核心开发的“ KF — 2000 动态心电图记录分析系统 2003 年通过了的由陕西省科技厅组织的科技成果鉴定,鉴定委员会一致认为:系统具有功能强、性价比高、一机多用等显著特点。系统设计思想先进合理,功能完善,操作简便,总体上达到国际先进水平。该成果 2004 年获陕西高等学校科学技术一等奖,并得到国家科技部和财政部科技创新基金的资助,成功实现科技成果转化。

KF-2000 型动态心电图监测与分析系统

本系统是综合应用现代信号处理技术、模式识别技术、计算机等技术,以高性能的数字信号处理器为基础研制出的高技术医学仪器。动态心电监测与分析系统又简称 Holter ,它可以对病人的 24/48 小时 3 导或 12 导心电图进行连续记录和分析,适用于心血管疾病的早期诊断、偶发病症的捕捉、复杂心血管疾病的诊断、心率变异分析、高频心电分析和起搏器功能评价等。

本系统由两大部分组成:心电记录器和分析工作站。在记录器中,采用先进的高性能低功耗的数字信号处理器 TMS5410 为硬件核心组成双 CPU 系统,实现多导高频高精度心电数据采集,并采用新型大容量 FLASH 存储器作为记录媒体,记录器与主机的数据传输采用 USB 通讯。在软件算法上采用自主专利整整小波变换及多分辨分析技术实现记录高效、高保真数据压缩。同时利用自主专利技术,使用不同的采样率分别记录起搏脉冲和起搏电图。

在分析方法方面,基于小波变换的特征点检测技术,能有效剔除伪差干扰信号,对微弱 P 波有很好的效果,经标准心电数据库( MIT )和临床应用证明,该算法具有广泛的适应性,平均正确检测率大于 99.5% 。在软件功能方面,不仅能完成心律失常分析, ST 段分析,还实现了心率变异分析、高频心电分析和起搏器功能评价等。在软件实现方面,采用面向对象的设计方法,实现有机组合的多窗口显示编辑和多文档管理,具有方便灵活的人机界面。

静止悬浮式激光散射法血细胞分类计数系统

本项目的目标是在全面系统研究血细胞散射机理的基础上,建立测量血细胞尺寸分布的光学计算理论与数据处理方法,提出适合及红细胞,白细胞及血小板的理论散射模型。通过其散射光强,绘制出细胞直径与细胞数目的百分率,对标准颗粒和血液进行对比测量,验证模型和算法的正确性及有效性。利用线阵 CCD 光电探测技术,研制出静止悬浮式激光散射法血细胞分类计数测定仪样机,实现红细胞、血小板的计数及白细胞的计数。其测量方法简单,适合用于医疗诊所等卫生部门使用。

可吸收性骨缺损修复填充颗粒

生物可吸收性骨组织缺损修复填充颗粒主要应用在牙科、颌面外科、整形外科、骨科和骨病科,用于手术修复填充因各种原因引起的骨组织缺损或强化萎缩的人体硬组织。当这种骨内植入材料填充于骨缺损后,它的作用类似于骨组织的临时支架,它能够与宿主骨产生骨性结合,在新生骨组织生长的同时被生物降解吸收,最终被新生长的骨组织替代,达到迅速恢复骨骼的解剖形态和生理功能的目的,再生性地修复骨组织缺损。它的使用将加速骨组织的再生及生长,促进人体受损骨骼的康复。

由于先天性的和创伤性的原因,以及骨肿瘤、骨囊肿和其它切除术造成的骨缺损,需要大量的骨填充替代材料。自体骨组织是最好的骨组织缺损修复填充材料,但供应十分有限;异体骨组织又可能存在免疫和病理上的问题,因此,对人工合成的具有生物活性和可可吸收性的骨组织填充修复材料的临床需求不断增加,应用前景广阔。

人体硬组织中的无机矿物质是磷灰石,化学成分与合成的羟基磷灰石相似。可吸收性磷酸钙生物陶瓷,在化学成分上与人体硬组织中无机矿物质相似,显示了良好的生物相容性。这种可吸收性的骨组织缺损修复填充颗粒在植入体内以后,能够迅速吸附各类生物活性细胞,激活骨组织的再生机制,在体液、细胞、酶等的共同作用下,迅速被降解吸收转化为生物活性骨组织,是理想的骨组织填充修复材料。

远程医疗家庭监护网

远程医疗是才发展起来的生物医学工程学科的一个分支,它是采用计算机、通信技术组成一定的网络,将病区与病区、医院与医院,家庭与医院以及地区与地区间联网,实现远程监护和远程会诊。随着人们生活水平的不断提高。对保健提出了更高的要求。一种设计合理,技术先进,经济、实用、可靠,价格适宜的家庭监护仪将会受到社会的欢迎。为此,我们研究开发了远程医疗家庭监护网。它由一个中心站和多个用户机组成。用户机采集、存储病人的心电信号、测量血压和体温,并通过程控市话网将这些参数传送到中心站。中心站同时接收多路用户传来的生理参数,并完成存储、显示、自动分析、打印等功能。医生根据这些参数,结合用户以往的病案,给用户回复治疗意见。

监护网由中心站和若干用户机通过公共电话网构成。中心站由一台高档计算机及通讯电路组成。本监护网同一时间可为 8 个用户提供服务。中心站配备完整的病案管理系统,对于自己的用户,中心站可储存其详细病史及健康状况资料,当中心站收到用户机传来的信息后,将更新此用户的病案资料。用户机由心电、体温、血压模块构成。血压作为可选件提供给用户。在设计上,选用具有高可靠性的电子器件和部件,保证了系统和各模块的可靠性及准确性。心电图、血压、体温数据以数字方式采用 QAM2400bps QAM 调制传输。数据传输采用成帧方式,设置校验字,以保证数据的无失真传输。用户机多为单人独立使用,数据采集及通讯分时完成,以保证生理参数提取时尽量避免由于四肢的活动而带来的干扰。

本系统采用普通电话线作为传输介质,集实时监测、诊断、保健、急救指导为一体的新型院外监护系统。监护中心站通过电话线可同时对 8 位院外患者的心电、血压和体温进行实时监测,因而本系统既可用作院内监护的延续,也可用来协助诊断不明原因的心悸、胸闷、胸痛和晕厥患者的病情,或用于手术后恢复期,急性心肌梗塞后,室性心律失常,高血压病患者的监测和指导治疗。目前我国城市医院中应用的远程监护系统多是进口设备,单参数,如以色列的 Card Guard 8000 TTM 远程心电监护系统,美国的 PACEERT 远程心电监护系统等。由于这些进口设备昂贵,难以普及推广。我们研制的多参数监护仪,采用数字传送,模块化结构,通过电话线传输,使用方便,价格适宜,是一种新型远程医疗家庭监护系统,定有广阔的市场前景。

下属机构

生物科学与工程系

建立于1979年。现有教授4名、副教授和讲师9人、高工和工程师3名。系内设有一个研究所,主要研究方向为:(1)生物医学超声、(2)生物微系统、功能成像与分子成像、(3)生物医学信号获取、处理与仪器、(4)远程医疗及医学信息系统等。承担国家自然科学基金(面上、重点和杰出)、863、省部级课题和重大横向合同等项目。获国家发明奖2项和国家科技进步奖1项。

生物医学工程系

成立于1995, 现有全职教师17人,包括教授、副教授、讲师等,是生物工程本科专业,生物学硕士点和生物化学与分子生物学博士点支撑单位。系内设有生物科学与工程研究所和癌症研究所。承担本科生、硕士生、博士生的教学与人才培养工作。主要研究方向为:生物分子标记及其基因工程,微生物分子遗传学与药物生物化学,肿瘤的免疫预防和免疫治疗,尤其是HPV预防性疫苗的研究。承担国家自然科学基金、973重大基础研究前期研究专项、863、省部级课题和横向合同等项目。

生物医学工程研究所

成立于1987年,现有教授5人、副教授4人,讲师和工程师3人。是生物医学工程国家重点学科,生物医学信息工程教育部重点实验室的主要支撑单位,以应用基础研究和高层次人才培养为主要任务。主要研究方向:神经系统功能信息检测与处理、神经性功能障碍及运动功能康复、佩带式医学仪器、医学成像技术及医疗信息系统、医学信息检测的物理学方法等。承担国家自然科学基金(面上、重点)、国家重点科技攻关、863等项目。

生物信息学研究中心

成立于2001 年,现有教授4人、副教授和讲师8人、高工和工程师3人。是生物医学工程、生物化学与分子生物学硕士点和博士点支撑单位。下设1个蛋白质质谱分析公用平台和2个研究所。主要研究方向为:计算生物信息学、分子与统计遗传学、生物材料与纳米生物技术、细胞与神经信息学、分离科学与技术等。承担国家自然科学基金(面上、重点、重大计划)、省部级课题和横向合同等项目。