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生物醫學測量技術范文1
【關鍵詞】計算機技術 生物醫學 心電監護 應用
計算機技術在生物醫學領域中的廣泛應用逐漸成為必然趨勢，能夠及時完成醫學圖像的生成與處理、生物信號的測量及傳輸等工作。在心電監護中的應用則是通過計算機技術處理生物信號，從而及時有效的對檢測結果處理并分析，同時針對患者的病情快速診斷，有助于提高治療效率，特別是在遠程心電監護領域中的應用前景十分廣闊。
1 計算機技術在生物醫學領域的應用分析
1.1 控制與測量
計算機技術屬于現階段生物醫學中的重要技術，通過計算機可以對人體的生命特征作出生物量、化學量及物理量等多方面的檢測與分析。計算機的控制技術在生物電子學中的發展值得關注，最具代表性的就是生物傳感器的研究，現階段已經向著微型化與集成化的方向發展；同時還包括對微弱生物信號的檢測、抗干擾的研究、植入式測量與控制系統的研究、生物遙測與遙控技術的研究等。
1.2 成像與處理
伴隨著新型計算機的出現，X-CT的問世象征著電子計算機技術和傳統醫療技術的相互融合，由此推動了現階段醫學領域影像診斷技術發生的革命性變革。生物醫學圖像成像技術包含著電阻抗斷層成像技術、電生理成像技術、光學CT、三維圖像分析等。
1.3 監護與監測
監護系統主要是由傳感器、信號處理器及診斷與治療系統組成，其中也有相應的記錄報警裝置。計算機檢測系統可以把對患者的部分信息參數提供給醫生，使他們獲取到相應的醫療方案，并以此作為重要的依據。監護技術中涉及到醫學微弱信號的檢測與提取技術、信號的處理與特征提取技術、醫學信號的綜合分析技術。
1.4 生物芯片
生物芯片在二十世紀八十年代提出，最初的定義為分子電子器件。主要是將生物的活性分子和有機功能分子組建出的微小單元實現對生物信息的收集、存儲和分析的生物計算機。在二十世紀九十年展迅速，生物芯片可以匯集大量的信息資料，從而進行生化反應，對蛋白分子、活體細胞等進行分析并處理。
1.5 微型醫療器械
微型醫療器械主要是以毫米為測量單位，此類設備用于清除動脈阻塞，可以及時殺死癌細胞，對體內病變進行監視等，比如水槌式微型機械、微型鑷子及二極管激光等。
2 計算機技術在心電監護中的應用分析
心電信號是人類最早研究并應用至臨床醫學上的生物電信號，因此屬于當前生物醫學領域中重要的研究對象。當前，心電監護系統的要求不僅僅停留于顯示病人的心電波形，更加關注的是通過計算機的處理和分析功能，有效的整合各種生理參數的檢測結果，讓醫務人員及時的作出相應判斷，對心電監護的實時性與有效性理智分析，從而提升準確的分析能力，讓計算機技術為處理核心的多種心電監護儀器成為研究重點。
2.1 分類
遠程心電監護就是利用計算機技術、通信技術及電子技術等實現心電圖的監測，從發展歷程上分析，遠程心電監護系統包含著Holter系統、TTM系統、心電遙測監護系統。其中，心電遙測監護系統能夠提升檢測的實時性，但是會抑制病人的某些活動，并且難以進行長時間的監護。即便心信號可以實時的反映到遙測分析系統中，但是受到通訊、醫療電子儀器廣泛應用的影響，使其抗干擾能力較差。
2.2 模式
當前，無線遙測心電監護主要是建立在紅外、GSM及GPRS等無線模式上，伴隨著移動通信技術的蓬勃發展，實現了人們大范圍的通訊便利，建立在移動通信技術基礎之上的遠程無線心電監護也備受關注，成為了當前遠程心電監護系統的研究重點，特別是目前第四代移動通信技術的發展。建立在GSM移動通信網GPRS功能的遠程移動心電監護系統，可以及時對心電信號進行監測，同時還能實現網絡共享，體現出良好的臨床應用價值。
2.3 問題
現階段，無線遙測心電監護雖然具備良好的應用前景，但是存在的諸多問題不容忽視。比如，對于某些具有突發性和危險性的心臟病患者，系統的時效性發揮不明顯，導致救護不及時。這就需要系統具備最基本的實時自動分析功能，嚴格杜絕漏檢、誤判等弊病。伴隨著科學技術的進步與發展，醫學技術也在進一步提升，無線遙測產品的市場前景良好，因此無線遙測技術成為了監護產品競爭中的重要因素。應該采取先進的無線射頻技術，通過開放統一的網絡傳送病人的相關信息，在保障性能的同時，提升系統的通用性、兼容性、抗干擾性，由此推動遠程監護、遠程醫療的應用。新型的嵌入式系統實現了先進計算機技術與心電監護的融合，在軟硬件的高效設計下，提升了系統的便捷性、高性能，適合用于對成本、功耗、體積等方面嚴格要求的便攜式無線遙測監護設備，在現代社會，逐漸成為便攜式多參數監護儀應用領域中的研究重點。
3 結語
計算機技術在當代生物醫學和心電監護中的應用前景良好，大大提升診療效率的同時，滿足了當前對于實時性的需要。伴隨著計算機技術的蓬勃發展，生物醫學和心電監護更好的迎合了時代的發展需求，通過嵌入式、無線通信技術、網絡技術等支撐作用，促使未來監護系統的市場主流向著模塊化、網絡化、人性化的方向發展。
參考文獻
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生物醫學測量技術范文2
在教育部《關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》頒發后，全國掀起了深化本科教學改革的熱潮。但受原有教學模式和傳統教育觀念的影響，長期以來《生物醫學電子學》的課堂教學主要采取自下而上的教學模式，即從運算放大器的工作原理開始，然后利用這些運算放大器構建一些基本電路，分析這些基本電路的功能，最后給出這些電路的應用例子。但在這種教學模式中學生的學習是被動的，因此需要教師在課程內容和講授方法上進行改革。近年來，我們課程組采用自上而下的教學方法，增強實驗課內容，改革實驗考試方法，充分調動學生學習的積極性，使學生主動掌握如何設計具體電路，同時更早開始設計實用電路。本教學改革旨在把學生融入有意義的任務完成的過程中，讓學生積極地學習、自主地進行知識建構，增強學習興趣。
1教學內容改革
《生物醫學電子學》的開設時間通常是在大三第二學期或大四第一學期，學生已經學完了《電路分析》、《信號與系統》和《模擬電子技術》等課程?！渡镝t學電子學》既是電子學的后續和提高課程，又為今后能更好地從事生物物理學和生物醫學儀器設計的研究打下技術基礎。我們使用的教材主要有《MedicalInstrumentation:ApplicationandDesign》，1997;李剛等編著的《現代測控電路》;蔡建新，張唯真編著的《生物醫學電子學》，1997。本課程的主要內容包括:生物醫學信號測量的特殊性及基本條件，信號的檢測、處理、變換和傳輸的基本理論與方法，涉及的電子電路以半導體集成電路為主，注重新型、實用及通用性。通過學習，讓學生較深入地理解電子測量的基本概念、以及解決問題的基本思想方法，逐步掌握測量電路的設計。本課程的理論課共54學時，以生物電信號源為起點，分別介紹生物電檢測的基本方法，生物電信號放大、隔離、濾波和射頻傳輸中的基本理論與方法，使學生能使用放大器和模擬電子學設計我們要實現的系統功能。
我們采用自上而下的講課方法，即先從整體考慮:系統的測量的精度與性能、被測量的量、被測量信號的大小與頻率。然后是測量系統的使用條件和所具有的功能，如信號的顯示、記錄、存儲及其它一些功能。再以信號增益和誤差分配，來確定前向信號通道(即從傳感器到模數轉換器的模擬信號放大、處理部分電路)所需信號放大、濾波或變換電路的級數，各級的增益，濾波器的階數、形式和截止頻率等。最后確定各個組成部分的具體設計要求。在第一節課上，我們將從心電，血壓到超聲，CT儀器，再到醫院實驗室儀器和治療儀器的實際電路圖給學生看，找出儀器電路的共同點，得出一般儀器的一般框架。在此基礎上，將醫學儀器的一般框架與整個課程即將講授的內容逐一聯系起來，讓學生從整體上知道學習的內容和目的。針對每一章，我們也是從一個生理量測量開始，提出技術指標和原始設計要求，然后逐漸過渡到與實際醫學儀器中相關的電路。與此同時，結合各類大學生電子競賽題目，組織學生設計能實現不同功能的集成運算放大器電路，給他們提供開放實驗室，讓學生通過實驗過程，將理論知識轉化為實踐技能，有利于知識的鞏固與吸收。
2實驗改革和手段創新
2．1實驗教學改革
生物醫學電子學實驗課是為了配合生物醫學電子學理論課而設置的，實踐性較強。實驗室是高等學校教學和科研的重要基地，高校的實驗教學與實驗室建設工作是衡量高校辦學實力和人才培養質量的重要標志。過去的實驗課，采用電子實驗箱，任課教師在課前把儀器設備及元器件準備好，學生做實驗就是依照實驗手冊在實驗箱面板上插線，根本看不到電路，學生處于被動地位。采用實驗箱在學生不斷增多情況下，不僅增加教學經費和占用空間，學生也依賴于實驗室。改革后的實驗課由三部分組成，一部分是用Mutisim(一個能Windows下運行的專門用于電子線路仿真與設計的EDA工具軟件)仿真，另一部分是實驗箱實驗，最后一部分是課程設計，即綜合性設計實驗。隨著計算機技術的發展，一部分實驗采用國際流行的電子輔助設計軟件———美國國家儀器公司的Mu-tisim，它不僅是一個能在Windows下運行的專門用于電子線路仿真與設計的EDA工具軟件，也是一個能裝進計算機的實驗室。它具有直觀的圖形界面，整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數據、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。它還有來自美國模擬器件公司(AnalogDevices)、德州儀器(TexasIn-struments)和凌力爾特公司(LinearTechnologies)豐富的元器件和模塊庫和從數字萬用表、函數信號發生器、雙通道示波器、掃頻儀到邏輯分析儀高性能的測試儀器。所設計出的電路除了可用于實驗室的測量之外，還可以做直流工作點分析、交流分析、瞬態分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、參數掃描分析、溫度掃描分析、極點———零點分析、傳輸函數分析、靈敏度分析、最壞情況分析和蒙特卡羅分析等定量分析。Multisim不僅提供了高指標的虛擬儀器和充足的元器件資源，還彌補了因實驗儀器及經費不足造成的缺憾。更為重要的是只要有一臺計算機就能擁有自己的實驗室，打破了時間和空間的限制，學生可以在不同的時間、地點和領域自主進行實驗，增強他們提出問題、分析問題和解決問題的能力，并發展自己的興趣愛好。Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的問題。學生有機會按自己的思維開展設計性實驗，使他們進行研究性和探索性實驗成為可能。在利用仿真軟件的同時，開展實際硬件的實驗。
實驗室資源有:42臺連著計算機和測量儀表的實驗臺。針對有限的實驗臺資源，把學生分為14個小組，每組安排3人，以小組為單位進行實驗并考核。課程組教師同時擔任著每個小組的實驗導師，學生可以自由提問，教師負責指導他們測量問題、指正錯誤，但不能給出設計思路和方案。通過這樣與學生在實驗中的接觸，了解他們的水平。在實驗操作中，不給出任何具體的提前寫好的實驗提綱，要求學生根據命題自己計劃在實驗中做什么。為了在實驗室的時間更有效率，要求預習實驗，通過仿真軟件來確定設計是否正確，并在實驗箱面包板上將設計圖連線。在實驗室沒有安排固定實驗時，就對學生開放，讓學生可以自由準備實驗。實驗操作的重要環節是開展小組討論，其目的是使學生找出課堂給出的設計問題的解決方案，以便在實驗期間做好準備。約半個小時長的小組討論主要解決以下問題:①理解題目:每位學生都要發現自己有沒有不清楚和不理解的地方。②發表創造性意見:學生對問題能自由想象，展開討論。小組中的一個人記錄問題。③評估上述意見:學生把他們的觀點、意見組織好，把無關的分類出來，把和問題重點相關的記錄下來。④解決問題或計劃如何解決問題:提出具體設計思路和實踐方案。這時，課程組的教師可以幫助他們弄清或解釋相關提問，但要讓學生自己組織施行，只有學生太偏離目標的時候才出來指正。通過這樣的實驗課訓練，很多本科生都利用寒暑假，備戰各種電子大賽，自主設計智能模擬儀器等，在參賽的之余體會到利用運算放大器的靈活性、趣味性及優勢。#p#分頁標題#e#
2．2實驗考核改革
在實驗教學改革中，削減了驗證性實驗，提高綜合性和設計性實驗的比例［2］。為了得到更多的反饋以不斷改進實驗課內容，我們把傳統的實驗考試改為在課程學習中的三次考試。每次以提出設計問題的方式教完固定的某一模塊內容后，相關的檢查設計能使學生對該模塊的學習有更深入的理解。比如要求學生設計一套儀器放大器，這需要學生了解ElectronicsWorkbench安裝方法與運行方式電路仿真技術的基本知識;掌握集成運算放大器的主要性能參數及其含義;掌握儀器放大器的構成形式、原理、特點及其適用場合。在放大器的大致結構確定下來之后，分析儀器放大器的頻率響應;在幅頻特性曲線上找出設計放大器的截止頻率;改編反饋電阻，觀察反饋電阻對幅頻特性的影響。這部分便與傳統的模擬電子學課程銜接起來了，同時檢查了學生對理論知識的理解和應用能力。考試內容:需要上交的一系列解決問題的方法，學生可以自己獨立或者以小組為單位一起解決問題。我們分小組對每位學生都給出不同的題目，每位學生都要上交個人解決方法的電子版作業，用特定的元件性質來設計和搭建實現不同功能的測量電路?？荚嚂r以小組為單位，每個人單獨匯報設計思路，監考教師和其他學生都可以對設計提問，根據學生的解答和設計來給出分數。實驗課考試的總分是以上三部分考試的平均分。只有以上三部分測驗都合格，才能算通過實驗考試。剛開始這門課的教學改革時，不少學生第一次考試成績都很不理想，但到學期末的最后一次考試成績普遍都有了很大提高，說明這種改革的確提高了學生解決問題的積極性和動手能力。
生物醫學測量技術范文3
關鍵詞：生物醫學；測試技術；傳感器
中圖分類號：O6-33；G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）49-0131-02
一、引言
面向生物醫學工程專業開設《測試技術與傳感器》是一門以研究自動檢測系統中的信息提取、信息轉換和信息處理的理論和技術為主要內容，集光、機、電于一體，綜合物理、化學、生物、材料、電子、電氣、計算機、機械等學科技術的實踐性非常強的專業基礎課。杭州電子科技大學生儀學院目前開設的《測試技術與傳感器》課程的課程目的為系統論述測試系統及其基本特性；介紹測試系統中傳感器的結構、基本原理和典型應用，以及傳感器的發展趨勢、選用原則等，它是實現測試與自動控制的重要環節，儀器專業的重要專業基礎課，也是自控原理、智能儀器課程設計、虛擬儀器課程設計的基礎。
二、存在問題
目前該課程的教學狀況及存在的問題：（1）測試技術與傳感器技術屬于多學科交叉滲透課程，涉及電學、磁學、光學、化學等學科，對先修課要求較高，現有的教學內容，以教師課堂講授為主，側重于原理的介紹及公式的推導，學生看不見，摸不著，缺乏感性認識，容易出現枯燥、難以學好的感覺，加上很大一部分學生的學習主動性差，學習態度上不太重視，沒有投入必要的精力和時間，直接影響教學效果。（2）現行傳感器教材比較繁多，有的以傳感器原理為主線，有的以過程參數測量為主線，但是很多教材都沒有涉及新型傳感器的理論知識及其應用，不利于學生拓寬知識面，不符合寬口徑人才培養模式。（3）目前傳感器課程的實驗環節以驗證性實驗為主，主要使學生掌握常用傳感器的使用和標定方法，以及相應傳感器的測量轉換電路設計。（4）課程考核方式一般是以考試為主，輔以作業、實驗、考勤評價，這種考核方法很難激發學生的學習積極性和主動性，不能真實反映學生的學習能力、對知識的掌握程度及其專業應用能力。
傳感課程教學方法研究大多是自動化、精密儀器專業中對該課程的教學方法研究。結合本專業優勢，本文提出通過使用啟發式教學、結合臨床實際教學、結合多媒體等手段豐富教學方法，提高生物醫學傳感教學效果。這些方法對提高生物醫學專業的傳感教學提供了重要改進措施，對提高教學質量具有重要意義。改革和完善《測試技術與傳感器》課程的教學模式，通過研究型教學，訓練學生的高級思維能力和解決實際問題的操作能力，培養學生主動學習、獨立學習與終身學習的能力，使學生具備一流大學本科生的素養，提高核心競爭力。
三、改革目標
1.本文擬從課堂教學模式、課程教材多樣性模式、實驗課教學模式等方面研究并探索出具有杭州電子科技大學生物醫學特色的“測試技術與傳感器”研究型教學模式，培養學生的高級思維能力、解決實際問題的操作能力、交流溝通能力，在大學學習結束后，離開校園和教師，具有繼續自主學習的能力。
2.在以基本傳感測試單元為框架的知識體系的基礎上，收集整理基于生理學與工程應用或醫學臨床現象結合的傳感學科交叉內容，為編寫生物醫學工程等工科專業適用的生物傳感教材、論文等提供教學資料并制定教材理論體系框架。
四、具體措施
（一）課堂教學模式探索
1.教師課堂講授重點為最核心的知識點，對具有遷移價值的學科基本原理進行闡述。講授內容少而精，對重點、難點講深講透，引導學生多角度、深層次地理解基本原理，而對事實性知識點，則少講或不講；講授內容寬而新，以學科的發展為大背景，了解課程基本原理在大學科中的定位，以及與學科最新發展的聯系。
教學內容較多，面面俱到的教學難以完成教學任務，教學效果并不佳。根據傳感檢測特點和生物醫學工程等相關專業的培養需要，設計該課程的課程體系以各傳感器基本功能為主，尤其是電感、電容、電壓、應變片、磁電式傳感等章節作為教學重點和難點，其中的各個章節的應用與心電、腦電、肌電內容相關聯，引入生物醫學工程重要的研究領域――腦機交互，作為重點講解；而光敏、氣敏、熱敏等章節內容相對簡單，容易理解，不做重點講解。因此，可據此分配授課時間，突出教學重點。
2.教師根據核心知識點，提出知識點總結分析歸納問題、實際應用相關問題等，由學生課程小組分別選擇問題，課后參閱書本、資料，提出解決方案，并由課程小組代表發言，課堂展示并交流。
此外，在各個傳感系統中識記結構部分內容瑣碎難記，而生物醫學工程專業對這部分內容的要求并不高，不要求掌握詳細結構，在理解傳感結構及工作原理的基礎上，日后工作或科研中用到這部分內容時能夠通過查閱參考書獲得信息即可，課堂講解突出章節綱要，對其中涉及的工程應用現象補充材料介紹。
3.課堂教學中，教師講述研究課題開題報告基本格式及其具體實例，由學生自我提出學科感興趣的實際問題，參閱相關資料和解決方法，模擬寫作研究課題開題報告。為更好地服務于生物醫學工程專業的學科交叉特點，在生物醫學傳感的教學過程中注意整理、添加與工程應用和醫療儀器的內容。比如，在講解壓電傳感基礎上增加相關的醫療應用講解，如人工瓣膜、血壓監測計等器件的工作原理內容；在講解電感基礎上，增加當前無創呼吸電感檢測的原理等介紹，這些內容對激發學生興趣、啟發學生的創新思維具有重要作用。然而，這部分內容還比較零散，沒有形成良好的體系，此外，目前還沒有專門適用于生物醫學工程等工科專業的生物傳感生理學教材。在講解醫療方向的應用時，要注意資料的收集、整理和系統化，不僅可以很好地服務于生物醫學工程等專業的培養要求，還將對編寫工科專業專用的生物醫學傳感教材提供課程資料和理論框架。
4.課程教材模式探索。課程教材采用開放性體系，教師圍繞教學目標研讀現行的先進教材的基礎之上，為學生推薦至少2本以上國內外先進教材，包括英文原版教材，對應于不同核心知識點，引導學生學會知識點的尋找、分析、歸納、比較，并利用各種國內外文獻網絡進行最新相關進展的補充和學習。引導學生盡可能或完全避免學一門課程只讀一本書的現象。
在課堂教學中，除了使用多媒體和板書進行理論教學之外，還有意識地利用網絡公開課等引導學生的自主學習。在我校圖書館的視頻資源中有國內外著名大學的視頻公開課，利用這些強大的網絡資源可以彌補課時少、課程任務重的矛盾。比如，在該課程教學中，原理介紹部分占課時較少，在對重點器件結構和系統課堂講解的前提下，其中一些具體的設計內容布置給學生自學。除了緩解課時不足的矛盾，網絡課程資源還可補充教學內容，加深學生對知識的理解。
教師發展學習平臺中的相關傳感課程講述，由經驗豐富的名師授課，通過網絡觀看可加深對理論學習的印象，還可激發學生的學習興趣。不僅豐富了學生的學習資源，更重要的是，在這種教學過程中，向學生示范了資料收集和獲取信息的方法，提高了學生自主學習的能力。
（二）實驗課教學模式探索
1.基礎性實驗：圍繞測試技術與傳感器的核心知識點，掌握傳感器的基本原理及信號檢測，這類實驗主要屬于驗證性實驗。
2.綜合性實驗：模擬生產或生活實際中的某一具體項目開展，學生可根據被測對象的不同選擇各自合適的傳感器，實驗室配備電壓表、電流表、指示燈、蜂鳴器、計數器等設備，用于學生自行完成線路的連接，也可根據學生的具體情況拓展知識點，綜合性實驗可在做的過程中讓學生將學到的理論知識貫穿起來，整個項目采用3～4人為一小組的團隊形式，以學生為主體，教師可適時地進行引導，循序漸進地實施項目，完成知識、技能和相關能力的學習。
3.提高性實驗：對于提高階段，我們將嘗試結合虛擬儀器實驗平臺，虛擬儀器技術是儀器智能化發展的一個重要方向。我們增設實驗內容要求學生采用軟件LABVIEW或VB、VC等作為開發工具，設計直觀友好的用戶交互界面。如有可能還可根據檢測分析的結果產生相應的輸出控制信號。
4.除了實驗教學，在與醫療儀器相關的腦機交互研究方面還可成立大學生科研活動小組，開展多種課外科技活動。其中申請者是該科研活動小組的指導教師之一。結合該課程的教學改革，擬吸收對生物醫學方向感興趣的同學加入，主要以觀摩實驗和學習實驗方法為主，在活動參與中激發學生專業興趣、促進專業學習。
五、總結
本文針對面向生物醫學工程專業開設的《測試技術與傳感器》課程當前存在的問題，結合生物醫學專業學科交叉特色，提出了相應的改革目標和措施，使學生能自主使用各種通用傳感和專用醫療儀器平臺，靈活選擇信號分析方法，加強對儀器平臺分析的能力和對結果的理性認識，發揮該課程的實踐性優勢。通過施行開放式的《測試技術與傳感器》課程教學模式改革，注重實驗知識的延伸，完善考核制度等改革措施，最大程度地增強學生的自主性與參與性，培養社會需要的創新型、應用型、復合型、外向型的“醫工結合”型儲備人才。
參考文獻：
[1]杭州電子科技大學教務處.生物醫學工程專業及醫學信息工程專業培養計劃[Z].杭州電子科技大學本科專業培養計劃，2011.
生物醫學測量技術范文4
關鍵詞：生物醫學工程；計算方法；教學改革
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）22-0119-02
一、引言
《計算方法》綜合了計算數學和計算機科學相關知識，具體研究利用計算機解決數學問題的相關理論和相關方法。該課程作為我校生物醫學工程專業本科學生的課程，目前僅有理論教學環節，教學效果有待提高。本文結合生物醫學工程專業特點，基于我院在醫學影像成像方法的研究成果，借助我校信息學科與計算機學科的優勢，對《計算方法》課程教學改革進行探討。將《計算方法》課程的理論知識應用于醫學成像中，包括CT成像、近紅外光學成像和光致超聲成像等，以期摸索出適合生物醫學工程專業學生的《計算方法》實驗教學體系，培養知識與能力并重、理論與實踐兼顧的創新型生物醫學人才。
二、計算方法課程特點及教學存在的問題
隨著科學技術特別時計算機科學與技術的高速發展，科學計算已成為繼理論分析、實驗研究之后的第三種科學研究手段。計算方法研究利用計算機解決科學問題的相關理論和方法，是科學計算的核心。作為數學理論與工程應用之間的一個紐帶，計算方法在很多學科領域發揮著重要作用，很多高校已將該課程作為學生的必修或選修基礎課程。
計算方法緊密結合數學理論和計算機科學，是數學的一個重要分支，也是理工科學生一門重要的基礎課程。計算方法研究利用計算機解決數學問題的相關理論和方法，強調計算機技術的實際應用和數學算法的工程實現，對學生的動手能力有較高的要求。由于與工程實踐密切結合，該課程的教學必須理論與應用并重。
《計算方法》課程具有以下特點：（1）計算方法課程不僅涉及高等數學中學過的相關理論內容，而且注重運用這些理論去解決問題，而不是理論本身。它有助于加深學生對數學理論的理解和認識。（2）計算方法課程公式較多而且難記。（3）強調對計算機的使用，尤其是在計算機上借助一定的軟件平臺實現相關算法。
生物醫學工程是一門興起于20世紀60年代的交叉學科，涉及化學、數學、物理、藥學、生物t學、電子技術、工程技術、材料、計算機技術和信息技術等眾多學科及領域。該學科綜合了工程學、生物學和醫學的理論和方法，具有綜合性強、知識結構交叉跨度大、發展速度快等特點。從事該專業的本科生不僅需要電子技術、生命科學、電子與信息科學相關的基礎理論知識；而且還需具備生物醫學與工程技術相結合的科學研究能力。由于生物醫學工程學科知識結構的交叉性和綜合性，對高校培養的該專業人才需要更高、更全面的能力素質要求。
我校生命科學技術學院將《計算方法》課程作為大三生物醫學工程與生物技術專業學生的選修課，經過幾年的教學，存在的主要問題如下：
1.《計算方法》課程教學內容照本宣科，與生物醫學工程專業基本無聯系。目前，課程教學內容與生物醫學工程專業以及生命科學技術學院研究方向基本上沒有聯系，結合不夠緊密，沒有將生物醫學工程專業領域涉及的科學計算學生所學專業領域科學計算問題融入教學計劃和教學內容。
2.《計算方法》重點在于理論教學，對數值實驗能力的強調不夠。以往的教學環節中，選用的教材在內容安排上沒有對數值計算過程中實驗過程的描述。老師在授課過程中，忽略了學生數值實驗能力的培養。實際上，這門課程不僅具有完整的理論體系，更是一門實踐性很強的課程，數值實驗在該課程中必不可少。
三、教學改革具體措施
針對上述問題，本文從教學內容、教學模式和考核方法等方面進行研究，結合生物醫學工程專業特點，基于生命科學技術學院科研平臺，加強數值實驗，摸索適合生物醫學工程專業學生的《計算方法》實驗教學體系，培養知識與能力并重、理論與實踐兼顧的創新型生物醫學人才。
1.擴展《計算方法》教學內容。我?！队嬎惴椒ā氛n程選用西北工業大學出版社出版的教材《計算方法》，教材內容包括計算誤差、基于二分法和迭代法的方程近似求解、直接法和多種迭代法求解線性方程組、特征值和特征向量的計算、最小二乘法求解方程組、曲線擬合、曲線插值、以及數值積分與數值微分等，課程內容大部分涉及的都是數學理論，以及各種方法的詳細推導，教材上的例子主要是簡單的數學問題，與實際應用聯系較小，與生物醫學工程專業更是沒有聯系。我們在教學過程中，結合我院科研以及生物醫學工程專業特點，在理論講解與公式推導的同時，融合醫學成像具體實例，讓學生了解如何在本專業領域運用該課程相關知識。
2.開設《計算方法》實驗教學。為提高學生動手能力，我們在經典計算方法課程內容基礎上，結合生命學院科研項目，加入與生物醫學工程專業相關的應用實例，例如CT圖像重建，計算方法課程中的迭代法和最小二乘法均可用于CT圖像重建，基于學院CT硬件系統采集的數據，結合合適的成像模型，學生上機編程完成CT圖像重建。通過該實例學生不僅了解了CT成像原理，更掌握計算方法在CT成像中的應用。再例如輻射傳輸方程的求解問題，該問題在生物醫學成像中普遍存在。輻射傳輸方程屬于復雜的偏微分方程，在光學成像前向建模中，需要求解該方程，而計算方法課程中有一章的內容講解偏微分方程的數值求解方法，學生可以開展基于數值方法的輻射傳輸方程求解。同時，我們加大編程仿真，特別要指導學生應用所學知識進行生物醫學工程應用實踐。
3.完善《計算方法》教學模式?！队嬎惴椒ā氛n程的目的是讓學生利用計算機，結合一定的軟件工具，解決實際問題?？紤]到課程特點，以及學生前期已經學習Matlab語言，我們使用Matlab軟件作為計算方法的編程工具。我們在當前計算方法課程的課堂教學安排中，除了理論教學，還增加仿真實驗。教師在課堂講解時，進行詳細演示，同時要求學生課后進行編程與上機。課后作業采用計算機編程完成，學生提交報告，給出程序代碼以及運行結果。使學生通過仿真實驗掌握計算方法中的理論知識，同時學會編程運用計算方法相關內容解決實際問題，提高動手能力。
4.改進《計算方法》考核方式。傳統《計算方法》課程考核采用筆試形式，主要考查的是學生對基本知識點的掌握情況。本文改革中，我們兼顧知識與能力的評價標準考核學生學習效果。評價標準主要包括：計算方法基本理論知識、基于Matlab工具的編程仿真實現計算方法相關算法、生物醫學工程實際問題解決能力。對于計算方法基本理論知識的考核，采用筆試閉卷形式；對基于Matlab工具的編程仿真實現計算方法相關算法，考核學生在計算機上利用Matlab語言編程實現誤差分析、二分法和迭代法求解方程組、數據插值、數據擬合、數值積分與微分等；對于生物醫學工程實際問題解決能力的考察，給出兩到三個生物醫學應用問題，要求學生根據現有數學模型，基于測量數據問題求解，并給出誤差分析結果?？傊?，采用形式多樣的考核方式，對學生的綜合能力進行測評。
四、結語
本論文對計算方法課程改革進行了探討，構建教學研用有機結合的計算方法教學體系。通過基礎知識傳授、計算機仿真實驗、醫學斷層成像具體問題實踐，建立包括基礎理論――驗證實驗――應用實踐三個層次的相互銜接的計算方法學教學體系；同時，生物醫學工程專業背景下的算方法教學，融合了包括分子數學、生物、計算機與信息等多學科知識，對學生的理論、實踐與應用能力協同訓練與提升，為多學科交叉復合型創新人才的培養奠定基礎。
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Teaching Reform of "Computational Methods" for Biomedical Engineering Students
CHEN Duo-fang
（School of Life Science and Technology，Xidian University，Xi'an，Shaanxi 710071，China）
生物醫學測量技術范文5
【關鍵詞】量子成像；單像素成像；鬼磁共振血管造影；量子光學相干斷層掃描；綜述
前言
生命科學的發展離不開各種成像設備和手段，圖像分析從手工繪制到靜態照片，再到如今的計算機（半）自動測量。今天的成像技術產生了大量的數據，需要可視化、多維度、定量和動態的圖像分析。隨著理論的發展和技術的進步，量子成像自20世紀90年代登上了歷史舞臺，伴隨著其成像的高分辨率、非局域性和抗干擾性強等天然優勢，在生物醫學、保密通信、軍事和氣象等領域有著很高的應用前景。
1量子成像
1.1概念和歷史
量子成像，又稱鬼成像（GhostImaging）或關聯成像（CorrelatedImaging），是利用輻射場的量子漲落來獲取物體信息的一種非局域成像方法。典型的量子成像方式為糾纏光源符合成像，基本過程如圖1所示。首先用自發參量下轉換的方法制備糾纏光源，即當泵浦激光通過非線性晶體時，由于隨機的真空漲落，一個泵浦光會以很小的概率劈裂為一對糾纏雙光子，此過程滿足能量、動量守恒，因此兩光子具有時間、偏振、頻率、自旋糾纏等特性。下轉換光子經分束器PBS后分成兩路，分別稱為信號光和閑置光。待成像物體置于信號光一路，用一個無空間分辨能力的桶探測器接收；閑置光一路無待測物體，信息由可探測空間光場分布的空間探測器接收。因此，無論是信號光還是閑置光，任何一路的單獨測量都無法成像，但兩路的符合關聯計數卻能恢復物體的像。量子成像的實現歸功于1956年Brown等［1］利用二階光強干涉的方法測量雙星角半徑的實驗，而在此之前，光的干涉都是基于相干光源的一階干涉實驗。在Brown等的實驗中，干涉不再要求必須是相干光源，因此產生干涉的兩束光的光程差幾乎不影響測量結果，大大提高了實驗的抗干擾性。1994年，Ribeiro等［2］利用糾纏光子對首次觀測到非相干光源下的楊氏雙縫干涉現象；Shih等［3］和Pittman等［4］觀測到滿足高斯成像公式的量子幾何成像；隨后，Strekalov等［5］實現了量子干涉和量子衍射實驗；1999年，Fonseca等［6］觀測到雙縫的亞波長干涉現象，即干涉條紋間距為同波長相干光干涉條紋間距的一半，可見量子成像可以實現超越衍射極限的超分辨成像。以上實驗都是基于糾纏光源實現的，那么“糾纏”是量子成像的必要條件嗎？答案是否定的。自2002年起，隨著贗熱光源關聯成像［7］、真實光源關聯成像［8］、非相干熱光場無透鏡關聯成像［9］和亞波長干涉［10］相繼實現，經典熱光場的關聯成像也得以證實。人們發現關聯成像不僅可以用基于糾纏光子的量子理論來解釋，同時也可以用基于統計光學的經典理論來解釋。
1.2單像素成像
除了基于糾纏光子對的符合計數成像和基于熱光場的強度關聯成像之外，另一個與量子成像密不可分的概念是單像素成像，又稱計算關聯成像。2008年，Shapiro［11］從理論上證實了量子成像中閑置光一路的信息可以通過對光場的計算得出，因此并不是量子成像所必須的，該理論的可行性隨后得以證實［12］。計算關聯成像中光源可由激光照射空間光調制器產生強度漲落光場，這一過程由計算機控制，因此閑置光一路的光強、相位等理論測量值已知，實驗中無需包含空間探測器的閑置光一路，只需一個無空間分辨能力的桶探測器即可成像。將桶探測器收集到的光強信號和空間光調制器的理論數據進行符合關聯運算，即可得到最終的像。單像素成像方法由于少了一路閑置光，較普通量子關聯成像方法而言，實驗光路更簡單，因此實用性和可操作性更強。
1.3量子成像的優勢
與傳統成像方式相比，量子關聯成像凸顯出了明顯的優勢：（1）成像分辨率高。經典成像受限于瑞利衍射極限，而亞波長干涉現象的發現預示著量子成像可以實現超越衍射極限的超分辨成像。對于N個糾纏光源的系統，Boto等［13］于1999年證實了其在理論上可將成像分辨率提高N倍。（2）非局域成像，抗干擾能力強。首先，量子成像中“物的探測”與“像的重建”是分開進行的，并且可以用非空間探測器（桶探測器或單像素探測器）獲取物體的空間信息。其次，量子成像可以實現非相干光源的相干成像，因此成像結果不受光路擾動影響，在一定程度上可以消除大氣湍流和散射介質對成像的干擾，提高成像的抗干擾能力。（3）采樣少，速度快，成像效率高。量子成像中的光場可以看作是服從高斯分布的隨機噪聲，利用壓縮感知理論［14-16］，可以實現在采樣數遠低于奈奎斯特采樣極限的情況下，以很高的概率進行圖像的恢復，從而大大減少測量次數，提高成像速度，而無需像傳統的成像方式那樣對待測物體進行逐點全像素采樣。
2量子成像的醫學應用
2.1鬼磁共振血管造影
傳統的磁共振血管造影是一種成熟的技術，可以精確地描繪多個區域的血管形態。為了降低背景信號，增加圖像對比度和分辨率，我們通常采用加速并行處理技術，然而，若標準相控陣線圈的并行加速因子過大，則會引入嚴重的圖像噪聲。鬼磁共振血管造影是一種全新的血管成像方法，它可以用于非對比和對比度增強的血管造影技術。即使在更大的并行加速因子條件下，也可以近乎完美地對背景噪聲進行抑制。三維數據集的偶數kz行用強化前的數據填充，奇數行用強化后的數據。沿kz方向的信號調制產生了一個對比度增強的血管的鬼像，這個像可以用最大強度投影來處理，并在三維空間中旋轉，就像傳統的磁共振血管造影一樣。Edelman等［17］對6名健康受試者分兩組進行掃描，成像區域從腎動脈穿過大腿上部，一組用傳統磁共振血管造影，另一組用鬼磁共振血管造影。磁共振血管造影在血管醒目性和背景抑制性上都優于傳統磁共振血管造影，并且可以提高掃描速度，支持更大的并行加速因子。
2.2量子光學相干斷層掃描
近年來，許多非傳統的量子光源已成為人們關注的焦點，但很少有實際應用出現，其中一個應用是量子光學相干斷層掃描［18-19］，這是一個四階干涉光學切片技術，利用自發參量下轉換產生頻率糾纏的光子對。量子光學相干斷層掃描的一個典型優點是它天生不受群速度色散的影響［18］，而傳統的光學相干斷層掃描是一種二階干涉測量方案，會造成群速度色散，從而降低成像的分辨率。在光學相干斷層掃描的背景下，量子光學相干斷層掃描在處理群速度色散和圖像分辨率方面有著絕對優勢。Nasr等［20］實現了量子光學相干斷層掃描的第一個實驗生物樣本：一個涂有金納米顆粒的洋蔥表皮組織，將三維圖像以不同深度的二維橫截面和不同橫向位置的二維軸向剖面展示出來。量子光學相干斷層掃描在提高源光子通量、增強空間分辨率、縮短圖像采集時間方面有著明顯的優勢，未來有望成為一種可行的生物成像技術。
2.3X射線量子成像
最近，X射線成功實現了量子成像，開啟了X射線鬼斷層攝影的可能性。單像素相機方案的成功，結合壓縮感知方法，可以實現從更少的測量中產生圖像，這無疑為X射線量子光學相干斷層掃描提供了重要思路?？梢钥隙ǖ氖?，X射線鬼成像可以減少輻射劑量。因為一般來說，圖像質量與總流量成正比，但高能光子（如X射線）會對生物有機體造成輻射損傷，因此如何降低輻射劑量，同時保持圖像質量是一個根本問題。Zhang等［21］利用桌面X射線源，用預錄的一系列散斑場作為參考光信號，另一路放置待測物體，由桶探測器接收后進行計算關聯成像。通過這種方法，可以成功地在超低X射線照度下，甚至在準單光子水平下，獲得高質量的X射線鬼成像圖像。與傳統的X射線成像相比，同一輻射劑量可以獲得較高的對比噪聲比，因此這項新技術可以大大減少對生物標本的輻射損傷。在此之前，所有已發表的X射線鬼成像的重建都是一維的，因此探討二維和三維的X射線鬼成像是非常有醫學意義的。Kingston等［22］結合鬼成像和傳統斷層攝影技術，對X射線鬼斷層掃描技術給出了一些建議，提供間接和直接兩種方法來進行X射線量子光學相干斷層掃描：（1）過濾后投影，通過重建二維鬼投影來獲得三維圖像；（2）同步迭代重建技術，直接從X射線的鬼斷層掃描成像數據到三維重建。目前還不清楚哪種方法會在該領域的未來發展中更有效。不過在未來，基于機器學習和人工智能的改進方法會逐漸成為X射線鬼成像的重要組成部分。
2.4用單像素探測進行生物組織的透射成像
長期以來，科學家們一直關注的一個挑戰是，如何清楚地看到被渾濁介質隱藏的物體，如生物組織，這對疾病的早期診斷有著重要的意義。光學方法是一個很好的候選者，具有非侵入性和快速成像的優勢，并且不像電離輻射那樣會造成健康風險。然而，與超聲波或X射線相比，光學測量最大的問題是進入組織的穿透深度較淺。一般的解決方案是模擬漫射光子的隨機傳播成像技術，如多譜光聲斷層攝影，或者混合熒光分子斷層攝影，此技術可以達到更深的穿透深度（在組織中超過1cm），但缺點是分辨率較低。Duran等［23］利用壓縮感知理論對生物組織進行單像素成像，提供了一種能在散射介質中成像的新技術。在此之前，單像素成像實驗都是考慮沒有散射的照明傳輸，而在生物醫學中，通過散射介質進行圖像傳輸是至關重要的。因此需要展示一個完全嵌入在非齊次介質中的吸收物體的單像素成像。作為初步的實驗，Duran等［23］為一個被若干全息擴散器隱藏的物體進行單像素成像，可見單像素成像的效果在全波段都優于傳統成像。為了進一步測試在生物組織中的成像，隨后擴散器被兩個3mm厚的雞胸肉所取代。對于這樣的組織厚度，多重散射是最終成像結果的主要影響因素。擊中目標的光線由兩個疊加的部分組成：一個強大的漫射暈加上一個帶有弱信號的圖像。由圖可見，雖然單像素成像的分辨率仍然優于傳統成像方法，但是對于不同波長的光，單像素相機的效果呈現出了差異性。
生物醫學測量技術范文6
【關鍵詞】 時頻分析方法 醫學信號處理 應用
前言：生物系統是生物醫學信號的主要來源，通過生物醫學信號，生物系統中生理狀態、結構狀態的信息都可以顯現出來，因此，生物醫學信號具備很高的使用價值，不過，生物醫學信號使用價值的發揮程度取決于對其分析的程度，當分析的越徹底時，使用價值越高。在對生物醫學信號進行分析時，應用了時頻分析方法，彌補了傳統分析方法的不足，提高了分析的有效性。
一、時頻分析方法概述
1、線性時頻分析方法。線性時頻分析方法是時頻分析方法中的一種，包含短時傅里葉變換（STFT）、Gabor變換（GT）、小波變換（WT）等。在短時傅里葉變換與Gabor變換中，二者分別具備各自的定義公式，通過對二者的公式對比可以發現，當短時傅里葉變換采用Gaussian窗時，就是Gabor變換。無論是這兩種變換形式中的哪種，在對信號進行分析時，均是通過單一的窗函數來實現。對于小波變換，所具備的時頻局域化特征更加的明顯，在利用小波變換進行分析時，與信號的本質特征基本上一致，因此，小波變換的應用前景更加的廣闊。
2、時頻分布。在時頻分布的思想中，以時頻平面為基礎，通過二維分布函數的找尋，將時頻平面中每個點的能量密度準確的反映出來，而且，對于一些基本性質，函數都能同時的滿足。實際上，此二維分布函數是存在的，WVD就是其中典型的一種，具備非常好的數學性質。
二、視頻分析方法在醫學信號處理中的應用
1、在心電圖（ECG）分析中的應用。對于心肌狀況的診斷，需要借助ECG來實現，此種診斷方法不具備創傷性。在ECG中，包含一系列連續的PQRST波，所表示的含義是在不同的心動周期中，心肌所具備的不同狀態。ECG信號的非平穩行為比較多，傳統的信號分析方法無法進行準確的分析，因此，為了提升分析的準確性，應用了時頻分析方法。當左、右兩個心房出現激動的情況時，整個過程由P波來表示，在對P波進行檢測時，困難比較大，不過在應用了時頻分析方法之后，難度大大的降低。近年來，在對ECG信號進行分析時，心室晚電位越來越受到人們的關注，通過對心室晚電位的分析，能夠準確的預告心律失常，因此，其臨床價值非常大，由于心室晚電位的信號非常微弱，導致檢測的難度比較大，不過，應用了WT方法之后，就可以較好的檢測出來。2、在心音（PCGs）信號處理中的應用。通過對胸部表面的測量，就可以獲知心音信息。當心動周期處于正常狀態下時，心音包含兩部分，分別為第一心音（S1）和第二心音（S2），當主動脈瓣膜閉合時，產生S1，當肺動脈瓣膜閉合時，產生S2。在PCGs信號中，包含的成份是比較多的，在早期的信號分析中，采用了聲譜圖法、譜圖方法等，但是分析效果都存在一定的缺陷，不過，在應用了時頻分析之后，分析效果顯著的提升。在具體的PCGs信號分析試驗中，試驗者分別采用了WT和STFT方法來進行分析，由分析結果可知，WT所具備的分辨率更高，更加適合心音信號處理。3、在腦電圖（EEG）分析中的應用。EEG包含三種類型，一種是非瞬態自發性EEG，一種是瞬態自發性EEG，還有一種是誘發性EEG。在對第一種信號進行分析時，傳統的FT和線性模型法是比較適用的，不過，對于后兩種方法是不適用的，對此，專家和學者展開了深入的研究。在EEG信號中，包含EP信號，EP信號的隱藏性極強，因此，在對其進行檢測和分析時，難度非常大，在利用傳統的同步平均法進行分析時，需要進行相應的假設，然而在進一步的驗證中，發現假設成立的理由并不充分。因此，利用時頻分析方法進行了研究，研究發現，此種方法是具備較高的適用性，可以進行進一步的研究。4、在胃電圖（EGG）分析中的應用。慢波和尖峰波共同組成了胃的肌電活動，通過EGG信號的分析，可以更好的掌握胃電活動的規律。與ECG、EEG的信噪相比，EGG的信噪比較少，主要有呼吸聲、運動聲、其他肌電活動聲，因此，直接解釋的方法并不適用。在對EGG進行分析時，時頻分析是一項非常重要工作，通過時頻分析方法可以有效的對其信號進行分析。
結論：現如今，時頻分析方法已經在生物醫學信號分析中應用的非常廣泛，除了心電圖信號、心音信號、腦電圖信號以及胃電圖信號之外，還在肌電圖信號、心率變異信號、呼吸聲等多個方面的醫學信號處理中有所應用。通過時頻分析方法的應用，提升了醫學信號處理的效果，進而有效的增強了生物醫學信號的臨床價值，便于醫生更好的根據醫學信號分析出病人的情況。在未來的生物醫學信號處理中，時頻分析方法將會有更加深入的應用。
參 考 文 獻
[1]葉繼倫，鄭崇勛，郭聳峰等.一種改進的時頻分布算法及其在醫學信號處理中的應用[J].重慶醫科大學學報，2013，12（03）：230-233.
