引論：我們?yōu)槟砹?篇生物醫(yī)學(xué)分析范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時(shí)的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。

生物醫(yī)學(xué)分析:生物醫(yī)學(xué)虛擬儀器技術(shù)分析

1生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程設(shè)置及教學(xué)現(xiàn)狀

我校自2003年開辦生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)以來,根據(jù)醫(yī)科院校特點(diǎn),以為醫(yī)療和醫(yī)學(xué)研究服務(wù)為目的,培養(yǎng)能將醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合,從事醫(yī)學(xué)影像、醫(yī)療電子儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的研發(fā)、操作和管理工作,并且能夠開展生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究的人才[1]。該專業(yè)主要學(xué)習(xí)生命科學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息圖像傳輸、處理等有關(guān)的基礎(chǔ)理論知識以及醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的科學(xué)知識,設(shè)置的主干課程有:“電路原理”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”“微機(jī)原理”“生物醫(yī)學(xué)傳感器”“醫(yī)療儀器原理”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理”“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”等。另外憑借醫(yī)學(xué)院校的優(yōu)勢還開設(shè)了一些醫(yī)學(xué)方面的基礎(chǔ)課,生理學(xué)、人體解剖等。為了提高教學(xué)質(zhì)量,更好的達(dá)到教學(xué)效果,所開設(shè)的這些課程基本上都需要做實(shí)驗(yàn)演示,以增強(qiáng)形象性效果和形象性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)教育中是必要手段。幾乎每門課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都需要用到各種各樣的電子儀器,主要包括示波器、信號發(fā)生器等。在傳統(tǒng)教學(xué)中基本上都是使用相對獨(dú)立、功能固定的電子儀器,不能夠隨意更改它們的結(jié)構(gòu)和功能。對于需要電子計(jì)算機(jī)之類的課程而言,一般都得配備幾十套教學(xué)儀器來供教學(xué)使用,這些儀器設(shè)備還需要不斷更新維護(hù),教學(xué)成本比較高。另外,在醫(yī)學(xué)院校對于和醫(yī)學(xué)相關(guān)的專業(yè)課程很多實(shí)驗(yàn)實(shí)際操作比較困難,效果不理想。中國的醫(yī)學(xué)教育資源本身很緊張,另外醫(yī)院的設(shè)備多是大型設(shè)備,體積龐大,價(jià)格昂貴,操作使用復(fù)雜,臨床使用要求高,一般院校很難滿足大型醫(yī)療設(shè)備的教學(xué)使用需要。因此,在醫(yī)學(xué)院校的教學(xué)中就出現(xiàn)很多問題,比如醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的人體生理參數(shù)采集等演示效果不好,所以,傳統(tǒng)的醫(yī)療儀器教學(xué)只能偏重于理論講解,不夠生動,即使有個(gè)別實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?其教學(xué)效果也不理想。在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費(fèi)較少的情況下,如果大量增加常規(guī)儀器、儀表的配置,學(xué)校財(cái)力難以支付。這樣容易造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想,對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)創(chuàng)新及實(shí)踐能力都有一定影響。隨著現(xiàn)代測試功能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的密切結(jié)合,出現(xiàn)的虛擬儀器技術(shù)可以幫助我們克服一些硬件上不能解決的難題,彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀器教學(xué)的不足。

2虛擬儀器在課程中的應(yīng)用

2.1虛擬儀器簡介

虛擬儀器(VirtualInstrument,VI)是一種新興的儀器,一種功能意義上的儀器,在以通用計(jì)算機(jī)為主的硬件基礎(chǔ)上,由用戶自己設(shè)計(jì)定義虛擬的操作面板,測試功能由軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[2]。其實(shí)質(zhì)是以計(jì)算機(jī)為核心的儀器系統(tǒng)與電腦軟件技術(shù)的密切結(jié)合,將儀器裝入計(jì)算機(jī)。通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件融合,通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的由硬件電路完成的功能,利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制端,利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能來管理儀器系統(tǒng),完成對信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析處理等,可以多種形式輸出結(jié)果,少量的硬件模塊則為虛擬儀器的正常運(yùn)行提供信號I/O接口設(shè)備來完成不同要求的測試。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器沒有的性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn),具有很強(qiáng)的靈活開放性。不同領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師都借助虛擬儀器來解決工作與課題中的實(shí)際問題。所以,虛擬儀器自誕生以來就在測量、航空航天、自動化、遠(yuǎn)程教學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[3]。LabVIEW是美國NI(NationalInstrument)公司推出的一種基于圖形化編程的軟件開發(fā)工具,將功能強(qiáng)大的圖形化設(shè)計(jì)平臺LabVIEW與相關(guān)硬件結(jié)合應(yīng)用于教學(xué)上,能夠使傳統(tǒng)理論教學(xué)與實(shí)際有效結(jié)合,幫助學(xué)生完成從理論到實(shí)踐的學(xué)習(xí)。LabVIEW軟件平臺結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡等相關(guān)硬件可以開發(fā)出示波器、信號發(fā)生器等常用的電子儀器,不僅可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器且擺脫了傳統(tǒng)電子儀器功能單一、更換維護(hù)麻煩等缺點(diǎn)[4]。將基于LabVIEW的虛擬儀器應(yīng)用在教學(xué)中極大提高了教學(xué)效率,已經(jīng)逐漸成為一種新的手段。

2.2在醫(yī)療儀器教學(xué)中應(yīng)用

“醫(yī)學(xué)儀器原理”是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。該課程涉及了醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、計(jì)算機(jī)、信號處理、傳感器技術(shù)等方面的知識,是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的科目。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生,要掌握常見的醫(yī)療儀器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理,而且還要具有一定的創(chuàng)新思想和科研水平,有開發(fā)和設(shè)計(jì)高水平的醫(yī)療電子儀器的素質(zhì)[5]。因此做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平和綜合能力的關(guān)鍵。醫(yī)學(xué)儀器原理實(shí)驗(yàn)主要將人體生理信號的檢測及處理分析作為教學(xué)內(nèi)容,包括了人體血壓信號、心電、體溫、呼吸、脈搏等生理參數(shù)的測量。生物醫(yī)學(xué)信號由傳感器轉(zhuǎn)變成電信號,因?yàn)槿梭w生理信號比較微弱要先經(jīng)過信號的放大、濾波等預(yù)處理,再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡。信號通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)上以后,利用LabVIEW的圖像化語言進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的各種分析,包括數(shù)值分析、頻譜分析等,再通過儀器軟面板把結(jié)果顯示在電腦上。我們以人體呼吸測量為例,這種設(shè)備一般只在醫(yī)院常見,用于教學(xué)中的儀器基本上沒有。因此講過理論原理后,學(xué)生不能夠真正透徹的明白,無法滿足教學(xué)上的需要。我們利用少量硬件設(shè)計(jì)結(jié)合LabVIEW軟件編程構(gòu)建了一個(gè)人體呼吸測量系統(tǒng),采用阻抗式呼吸測量原理,硬件電路主要涉及放大和濾波環(huán)節(jié),限于篇幅就不詳細(xì)說明了。圖1為基于LabVIEW平臺搭建的呼吸測量面板圖,針對學(xué)生教學(xué)取得了很好的效果,同學(xué)們一致反映對呼吸測量的原理有了更透徹的認(rèn)識,并且能學(xué)習(xí)新的軟件技術(shù),擴(kuò)展知識面。在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)只需要根據(jù)實(shí)際情況,比如是呼吸測量還是心電測量等,通過軟件編程及很少的硬件連接便可完成實(shí)驗(yàn)任務(wù),即節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本,又利于實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新,讓 教師和學(xué)生脫離了傳統(tǒng)教學(xué)儀器功能單一的框框,更重要的是可以充分提高學(xué)生積極性和發(fā)揮創(chuàng)造性,像搭積木一樣,根據(jù)不同的測試需要,在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)基于虛擬儀器技術(shù)的測試測量裝備,這樣做還能夠充分的節(jié)省高校技術(shù)資源[6]。

2.3在信號處理類課程教學(xué)中應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)設(shè)置的信號處理類課程主要有:“數(shù)字信號處理”“信號與系統(tǒng)”“生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理”等。這些課程中往往涉及大量抽象的概念、公式,老師上課的時(shí)候也只是講解推導(dǎo)公式或證明算法,學(xué)生沒有直觀印象,無法把函數(shù)公式與實(shí)際波形相聯(lián)系,理解起來非常困難,從而很大程度的影響了教學(xué)效果。我們以“數(shù)字信號處理”課程為例作一簡單介紹。“數(shù)字信號處理”是一門理論性很強(qiáng)的,以算法為核心的科目。為了使學(xué)生深入理解教材上提到的理論算法,需要通過仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證那些理論。LabVIEW軟件平臺的特點(diǎn)之一就是具有豐富的運(yùn)算且靈活高效的信號處理功能,LabVIEW圖形化信號處理平臺由多個(gè)信號處理與數(shù)學(xué)函數(shù)庫組成,包含小波變換、濾波器設(shè)計(jì)、時(shí)頻分析、圖像處理等工具包,將信號處理的各種功能轉(zhuǎn)化為VI函數(shù),給使用者提供了方便、簡單的編程途徑,從函數(shù)庫調(diào)用這些現(xiàn)成的VI函數(shù)就可以迅速完成信號處理。學(xué)生能一目了然地看到程序的運(yùn)行情況,也可以比較不同的參數(shù)對結(jié)果的影響。在數(shù)字信號處理教學(xué)中濾波器是重點(diǎn)知識,也是教學(xué)難點(diǎn)。在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍對于濾波器的作用弄不明白,另外根據(jù)學(xué)習(xí)的理論知識怎樣設(shè)計(jì)出有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的數(shù)字濾波器也不清楚。在講授濾波器時(shí),在LabVIEW中信號處理函數(shù)面板中的濾波基本函數(shù)欄進(jìn)行選擇,在虛擬儀器前面板上放置多個(gè)圖形顯示控件,完成對濾波器的設(shè)計(jì),還可以同時(shí)顯示多個(gè)濾波器的濾波結(jié)果,這種學(xué)習(xí)方式簡單明了,學(xué)生很容易理解抽象的概念從而掌握所學(xué)知識。另外LabVIEW圖形化的編程語言有助于學(xué)生在比較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出相對復(fù)雜的數(shù)字信號處理程序,增加了同學(xué)們的自信,提高了其學(xué)習(xí)積極性。虛擬儀器技術(shù)強(qiáng)大的功能可以使其對學(xué)生開展形象、直觀的教學(xué)方式,靈活的應(yīng)用于教學(xué)中,不僅可以幫助學(xué)生深刻領(lǐng)會抽象的理論知識,扎實(shí)掌握所學(xué)知識,同時(shí)還可以提高他們的學(xué)習(xí)興趣,達(dá)到教學(xué)效果。

3小結(jié)

虛擬儀器的出現(xiàn)是測試領(lǐng)域的一次革命,是儀器領(lǐng)域一個(gè)新的風(fēng)向標(biāo),它使現(xiàn)代測試測量系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大,且更加的靈活高效、經(jīng)濟(jì),高等教育領(lǐng)域也正在汲取著這種優(yōu)勢,壯大著它的發(fā)展。實(shí)踐證明在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)中引入虛擬儀器技術(shù),不僅能夠使教學(xué)內(nèi)容和時(shí)展、科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合,而且可以有效促進(jìn)師生的教學(xué)互動,給學(xué)生極大地參與感,對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和動手綜合能力都有幫助。隨著生物醫(yī)學(xué)和電子信息技術(shù)、虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展,生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教學(xué)改革與研究任重而道遠(yuǎn),如何使高校培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才需要我們不斷努力探索。

生物醫(yī)學(xué)分析:生物醫(yī)學(xué)成像數(shù)字化設(shè)計(jì)思考

1引言

多通道輻射成像探測器已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中,探測器的輸出信號經(jīng)過多通道的前端模擬讀出電路處理,然后被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字化后進(jìn)行圖像重建[1].模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digitalConverter,ADC)將前端讀出電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊,ADC的性能直接決定了生物醫(yī)學(xué)成像的質(zhì)量.在多通道前端電子系統(tǒng)中,一般有三種方案實(shí)現(xiàn)信號由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換.首先,使用多個(gè)并行的ADC后接一個(gè)數(shù)字多路選擇器的結(jié)構(gòu)[2].這種方法中,采用低速或中速的ADC如逐次逼近型(SAR)ADC就能滿足要求,但是由于每個(gè)通道配置一個(gè)ADC,將占用很大的面積,而且消耗較大的功耗.其次,采用多通道的ADC結(jié)構(gòu)[3].常見的結(jié)構(gòu)如斜坡(Ramp)ADC,但是這種結(jié)構(gòu)對比較器的精度要求很高,而且需要高頻采樣時(shí)鐘,另外通道之間也存在串?dāng)_的影響.第三種方案是采用一個(gè)模擬多路選擇器和一個(gè)高速ADC實(shí)現(xiàn)[4].ADC可采用快閃式(Flash)或流水線式(Pipeline)結(jié)構(gòu).快閃式ADC因其消耗較大功耗而不適合高分辨率的情況.流水線ADC把整體上要求的轉(zhuǎn)換精度平均分配到每一級,降低了對模擬電路精度的要求,同時(shí)流水線結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換速率幾乎與級數(shù)無關(guān),因此能夠在速度、功耗和分辨率方面獲得的折衷[5-7].基于以上分析,本文采用模擬多路選擇器+流水線ADC結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)多通道前端電子系統(tǒng)中模擬到數(shù)字的高速轉(zhuǎn)換.

2設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)生物醫(yī)學(xué)成像前端電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及信號處理的要求,本文提出了多通道流水線結(jié)構(gòu)的前端電子系統(tǒng).圖1所示為多通道前端電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及信號處理時(shí)序.如圖1(a)所示,探測器模組通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生16通道的微弱電荷信號,經(jīng)過前端讀出電路的放大及整形,在一個(gè)時(shí)間窗口(5.12μs)內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓輸出.模數(shù)轉(zhuǎn)換器在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)完成16通道的模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換.圖1(b)所示為前端電子系統(tǒng)的信號處理時(shí)序,探測器信號的模擬讀出、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出分別在三個(gè)相鄰的時(shí)間窗口內(nèi)依次流水式完成,有效降低了對電路速度的要求,提高了系統(tǒng)處理效率?；谝陨戏治?本文提出的多通道流水線ADC結(jié)構(gòu)如圖2所示.Vin<0>、Vin<1>、…Vin<15>為16個(gè)通道的模擬讀出信號,經(jīng)過輸入處理電路后分別得到一對差分模擬信號Vinp、Vinn.流水線ADC完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換,輸出8-bit數(shù)字信號Din<7:0>.輸出處理模塊緩存該數(shù)據(jù),并在下一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)輸出.輸入處理電路完成16個(gè)通道的模擬信號的多路選擇,并將其轉(zhuǎn)換成差分信號.流水線ADC采用8-bit25Ms/s每級1.5bit的PipelineADC結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換.輸出處理電路處理并緩存當(dāng)前時(shí)間窗口的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),并在下個(gè)時(shí)間窗口輸出.時(shí)序控制模塊完成整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的時(shí)序控制,產(chǎn)生16路信號選擇的開關(guān)信號、流水線ADC的時(shí)鐘信號以及用于數(shù)據(jù)存儲并輸出的控制信號.多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作時(shí)序如圖3所示.tw(=5.12μs)為一個(gè)時(shí)間窗口;tc0(=0.2μs)為通道0轉(zhuǎn)換時(shí)間;tc15(=0.2μs)為通道15轉(zhuǎn)換時(shí)間;tc(=0.8μs)為16個(gè)通道總的轉(zhuǎn)換時(shí)間;ts(=0.64μs)為轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存儲的時(shí)間;to(=0.64μs)為數(shù)據(jù)輸出時(shí)間.D0、D1…D15為當(dāng)前窗口轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù);D0’、D1’…D15’為上個(gè)時(shí)間窗口轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù),在當(dāng)前窗口輸出.根據(jù)系統(tǒng)要求,一個(gè)時(shí)間窗口定義為5.12μs.外部輸入時(shí)鐘Clk_50M為50MHz,系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘Clk_25M為25MHz,它是將Clk_50M二分頻后得到的.當(dāng)窗口復(fù)位信號(Window)變?yōu)楦唠娖胶?電路開始工作,SW<0>產(chǎn)生40ns的高脈沖,選通通道0的模擬信號,接著SW<1>產(chǎn)生40ns的高脈沖,選通通道1的模擬信號…….每隔一個(gè)時(shí)鐘周期(40ns),一個(gè)模擬信號進(jìn)入流水線ADC,當(dāng)通道1的模擬信號轉(zhuǎn)換完畢后,每隔一個(gè)時(shí)鐘周期(40ns)輸出一路8-bit數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)串行進(jìn)入寄存器Wi(i=0,1…15),然后并行進(jìn)入寄存器Ri(i=0,1,…,15),等待下個(gè)時(shí)間窗口輸出.時(shí)間窗口復(fù)位結(jié)束后,在時(shí)鐘Clk_out(25MHz)的控制下,寄存器R<0:15>中存儲的上個(gè)時(shí)間窗口轉(zhuǎn)化得到的數(shù)據(jù)串行輸出.

3電路實(shí)現(xiàn)

3.1輸入處理電路

輸入處理電路如圖4所示.虛線左邊為16通道模擬多路選擇器電路,時(shí)序控制電路生成控制信號SW<15:0>,SW<15:0>信號同一時(shí)刻只有一個(gè)為高電平.當(dāng)SW為高電平時(shí),Vin通道的開關(guān)閉合,第i通道的模擬信號連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,其余通道懸空.開關(guān)采用CMOS傳輸門實(shí)現(xiàn),要求導(dǎo)通電阻小.在設(shè)計(jì)CMOS開關(guān)時(shí)要選擇合理的K值,即滿足(W/L)p=K*(W/L)n,使得開關(guān)導(dǎo)通電阻在輸入電壓擺幅內(nèi)變化最小.通過對CMOS傳輸門導(dǎo)通電阻在不同尺寸時(shí)的仿真,確定當(dāng)K=4.2時(shí),導(dǎo)通電阻變化最小.

3.2流水線轉(zhuǎn)換電路

本文提出的數(shù)字化結(jié)構(gòu)要求在一個(gè)時(shí)間窗口(即5.12μs)內(nèi)實(shí)現(xiàn)16個(gè)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換.根據(jù)系統(tǒng)對信號轉(zhuǎn)換分辨率的要求,文中采用8-bit25Ms/s的pipelineADC結(jié)構(gòu).由圖3可知,完成16通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換所需時(shí)間為0.8μs,考慮窗口復(fù)位所需時(shí)間,總的時(shí)間小于1μs,滿足窗口大小的要求.另外,由于所需轉(zhuǎn)換時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)時(shí)間窗口,因此該結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展到更多通道應(yīng)用.流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示.Vip、Vin為差分輸入信號,Clk為25MHz采樣時(shí)鐘,S1、S2為兩相不交疊時(shí)鐘,D<7∶0>為轉(zhuǎn)換后的最終數(shù)字輸出.在基于閉環(huán)運(yùn)算放大器的開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)中,單級有效位數(shù)少使得電路的反饋因子較大,并且流水級中運(yùn)放的負(fù)載較小,運(yùn)放的增益與帶寬要求減小,可容忍的失調(diào)電壓范圍變大,比較器精度要求降低.在文獻(xiàn)[8]中提到,對于分辨率小于10bit的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器,流水級一般采用較低的有效位數(shù)(小于2~3bit).因此,本文采用單級1.5bit的流水線結(jié)構(gòu).8-bit25Ms/s的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對運(yùn)放的增益和帶寬要求不高,同時(shí)差分結(jié)構(gòu)可使信號擺幅增加一倍,因此運(yùn)放采用典型的全差分套筒式共源共柵結(jié)構(gòu).由于比較器是在采樣階段結(jié)束后開始工作,比較結(jié)果用于保持放大階段,因此需要一個(gè)高速比較器.本文比較器電路采用動態(tài)鎖存比較器結(jié)構(gòu),鎖存控制信號為采樣信號取反.通過Hspice仿真,比較器完成比較所需時(shí)間約為900ps.流水級電路輸出的比較數(shù)據(jù)為溫度計(jì)碼格式,傳統(tǒng)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路在進(jìn)行數(shù)字校正之前需要使用碼制轉(zhuǎn)換電路先將溫度計(jì)碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼.本文的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路通過改變數(shù)字校正電路輸入的順序,使得溫度計(jì)碼直接可以進(jìn)行數(shù)字校正.

3.3時(shí)序控制和輸出處理電路

時(shí)序控制電路和輸出處理電路遵循數(shù)字電路設(shè)計(jì)流程,采用Verilog-HDL語言描述.時(shí)序控制電路主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能:(1)產(chǎn)生控制16通道模擬開關(guān)的SW信號,這可以通過具有17個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn);(2)控制轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)存儲,由于pipelineADC從開始轉(zhuǎn)換到得到及時(shí)個(gè)數(shù)據(jù)所需時(shí)間是固定的,并且一個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)數(shù)據(jù),因此可以采用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生控制信號;(3)控制所存儲數(shù)據(jù)的輸出,采用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生控制信號.輸出處理電路主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:1)存儲pipe-lineADC轉(zhuǎn)換后的16個(gè)通道的數(shù)據(jù);(2)在下一個(gè)時(shí)間窗口順序輸出16組的8-bit數(shù)據(jù).本文采用的存儲與輸出策略如圖6所示.當(dāng)存儲控制信號en_w有效,在clk_write的上跳沿將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)Din<7:0>串行寫入寄存器W0,W1.….W15,然后通過Ri寄存器的B輸入端并行寫入寄存器R0,R1,…,R15.在下一個(gè)時(shí)間窗口,寄存器W0,W1,…,W15又存儲新的數(shù)據(jù),寄存器R0,R1,…,R15則在clk_read的上跳沿串行輸出所存儲的數(shù)據(jù).

4仿真驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)遵循數(shù)?；旌想娐贰爸虚g相遇”的Top-down設(shè)計(jì)方法,采用TSMC0.18μmmixedsignalCMOS工藝,模擬部分(包括輸入處理電路和流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路)的電源電壓為3.3V,數(shù)字部分(包括時(shí)序控制和輸出處理電路)的電源電壓為1.8V,運(yùn)用S pectreVerilog仿真工具,進(jìn)行了全電路的仿真驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明在及時(shí)個(gè)時(shí)間窗口復(fù)位結(jié)束后,16通道的單端模擬信號依次通過模擬多路選擇器單端轉(zhuǎn)差分流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器存儲與輸出;在第二個(gè)時(shí)間窗口復(fù)位結(jié)束后順序輸出前一時(shí)間窗口存儲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù).同時(shí),下一組16通道的單端模擬信號進(jìn)行單端轉(zhuǎn)差分、模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲.全電路仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)方案可以滿足特定時(shí)間窗口下16通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換.16通道的模擬多路選擇及單端轉(zhuǎn)差分處理如圖7所示(以通道0和通道1為例).SW<0>、SW<1>分別為通道0和通道1的開關(guān)控制信號;Vin-put為模擬多路選擇器的輸出;Vip、Vin為產(chǎn)生的差分信號,共模電壓為1.8V;S1為流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣信號,高電平有效.SW提前采樣信號S1半個(gè)時(shí)鐘周期有效,當(dāng)S1有效時(shí),差分信號Vip、Vin已達(dá)到穩(wěn)定,從而保障正確的模數(shù)轉(zhuǎn)換.流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能仿真如圖8所示(輸入正弦信號頻率為1.0375MHz,幅度為±0.5V,采樣頻率為25.6MHz).由仿真結(jié)果計(jì)算可得,DNL為-0.62~0.67LSB,INL為-0.39~0.72LSB,SNR為45.99dB,SFDR為40.57dB,ENOB為6.03bit.

5結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像前端電子系統(tǒng)的多通道流水線數(shù)字化電路.在分析成像前端電子系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了流水式的前端模擬信號處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出結(jié)構(gòu),并完成了模擬多路選擇、單端轉(zhuǎn)差分、流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲與輸出等模塊的電路實(shí)現(xiàn)和仿真.流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的性能滿足8-bit25Ms/s的性能要求,全電路仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的電路滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,并具有進(jìn)一步擴(kuò)展通道數(shù)的能力。

生物醫(yī)學(xué)分析:生物醫(yī)學(xué)光學(xué)探析

1會議概況

工業(yè)激光和生物醫(yī)學(xué)光學(xué)國際學(xué)術(shù)會議于1999年10月25~27日在華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)交流中心舉行。H.wcber教授和干福熹院士擔(dān)任大會主席,來自14個(gè)國家和地區(qū)的221位代表(境外代表46人)出席了會議。會議得到美國SPIE的支持,正式出版了會議論文集SPIE(工業(yè)激光論文集卜3862和SPIE(生物醫(yī)學(xué)光學(xué)論文集關(guān)3863.前者共收錄論文121篇,其中,國外作者論文13篇;后者共收錄論文95篇,其中國外作者論文31篇。大會特邀了世界激光和生物醫(yī)學(xué)光學(xué)領(lǐng)域的著名學(xué)者作主題報(bào)告,全體大會4個(gè)特邀報(bào)告,工業(yè)激光分會8個(gè)邀請報(bào)告,生物醫(yī)學(xué)光學(xué)分會4個(gè)邀請報(bào)告,這些特邀報(bào)告和邀請報(bào)告學(xué)術(shù)水平高,均反映了當(dāng)前國內(nèi)外研究的前沿課題。

2工業(yè)激光研究的近期熱點(diǎn)

在工業(yè)激光器領(lǐng)域,由于半導(dǎo)體激光器迅速發(fā)展,準(zhǔn)連續(xù)器件已達(dá)到4kw.因此,在許多應(yīng)用領(lǐng)域均有采用半導(dǎo)體激光器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣體激光器及固體激光器的發(fā)展趨勢。但是,由于半導(dǎo)體激光器目前光束質(zhì)量較差,作為過渡的發(fā)展階段是大量采用半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器,其激光輸出功率也已達(dá)到4kw級,光束質(zhì)量獲得明顯改善。因此,在世界市場上,1998年固體激光器的銷售金額,首次超過了CO:激光器。據(jù)估計(jì),近期激光技術(shù)的應(yīng)用在高功率激光器方面仍然會以COZ激光器和固體激光器為主。在激光應(yīng)用領(lǐng)域,除了高功率激光應(yīng)用以外,國外已經(jīng)在激光精密加工領(lǐng)域開展了深入的研究工作,如法國利用準(zhǔn)分子激光超精密打孔、劃線,精度非常高,孔徑圓整、光滑,在陶瓷如S13N;,A12O3等方面的精密處理方面已有深人的研究。本次會議涉及到準(zhǔn)分子激光應(yīng)用的文章有15篇,涉及領(lǐng)域有激光淀積超導(dǎo)薄膜,金剛石薄膜、非晶金剛石薄膜等,激光制備光柵,激光制備納米顆粒。我國大陸學(xué)者主要把準(zhǔn)分子激光用于制備薄膜,臺灣大學(xué)是用準(zhǔn)分子激光制備光柵,法國學(xué)者用激光制備納米顆粒?？梢妵庥脺?zhǔn)分子激光加工開展面比我國廣泛。從本次會議看,國外今后重點(diǎn)發(fā)展研究領(lǐng)域和前沿課題包括:高功率半導(dǎo)體激光器,近五年內(nèi)千瓦級器件將會實(shí)現(xiàn)實(shí)用化;半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器,特別是盤片固體激光器近五年內(nèi)也將會突破千瓦級;半導(dǎo)體激光泵浦全固體化紫外激光器已突破3W,如果能提高一個(gè)量級,將會逐步取代紫外氣體激光器;利用準(zhǔn)分子激光對電子元器件處理作了很深入的研究,在這些方面已成為激光超精密加工應(yīng)用的重要發(fā)展方向。國內(nèi)外在激光制備薄膜方面的研究始終是一大熱點(diǎn)。我國半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)差,不僅在集成電路發(fā)展方面吃了大虧,現(xiàn)在看來在光電子工業(yè)的發(fā)展方面又要重復(fù)以前的錯(cuò)誤。國內(nèi)有幾個(gè)單位發(fā)展半導(dǎo)體激光器,主要側(cè)重在通訊應(yīng)用。高功率半導(dǎo)體激光器及短波長半導(dǎo)體激光器差距很大,應(yīng)予以足夠的重視。在發(fā)展高功率激光器件,包括氣體和固體與國際水平差距更大。從會上兩個(gè)非常有代表的報(bào)告可知,其一是英國He:i。t一watt大學(xué)的D.R.Hall教授報(bào)告的平板波導(dǎo)高功率激光器件.代表了當(dāng)代國際先進(jìn)水平,從基本原理到結(jié)構(gòu)特性,均報(bào)告得比較詳細(xì),內(nèi)容也很豐富。其二是德國柏林技術(shù)大學(xué)H.Webe:教授報(bào)告的激光二極管泵浦的固體激光器,特別是針對激光二極管泵浦源的特點(diǎn),提出了一種新型的腔體結(jié)構(gòu),很有特色與創(chuàng)新,在他的論文中有比較精辟的論述。此外,德國斯圖加特宇航技術(shù)物理研究所主任Willyl,.Bohn博士,介紹了他們的激光二極管泵浦圓盤型固體激光器,在一片直徑5mm,厚度不足1mm的激光介質(zhì)上,可取得500W的激光輸出。部分代表與他討論了與此有關(guān)的問題:①增益長度短為何能獲得這么高的激光輸出?②高摻雜晶體將產(chǎn)生晶格缺陷,直徑5mm,厚度不足1mm的激光介質(zhì)是如何制備出來的?③泵浦光如何進(jìn)人激光介質(zhì),怎樣實(shí)現(xiàn)均勻的泵浦?④是否可用更多的圓盤串在諧振腔光路上獲得更大的輸出?目前德國已解決了前三個(gè)問題。對于大于5kw輸出的固體激光器介質(zhì)熱畸度仍不可忽略,輸出光束質(zhì)量大大下降,還有待進(jìn)一步研究解決方法。在激光與材料相互作用方面,我們的研究大多注意在諸如激光的光斑直徑、功率、照射時(shí)間、速度等參數(shù)和工藝的研究上。而對激光與材料相互作用的機(jī)理研究尚不夠,如激光照射到材料表面后,激光是如何燒蝕材料表面的,材料對激光的吸收與反射,材料表面吸熱后如何進(jìn)行傳熱?對材料表面組織結(jié)構(gòu)改變及其形成機(jī)制,缺乏深人的研究。在激光與材料相互作用機(jī)理方面應(yīng)加強(qiáng)研究力度。對這些基礎(chǔ)研究有一定深度后,在激光加工應(yīng)用中的工藝就有了理論依據(jù)。

3生物醫(yī)學(xué)光學(xué)研究的近期熱點(diǎn)

本次會議還涉及到光學(xué)層析成像及光譜學(xué)的理論與模型、生物監(jiān)測的光學(xué)成像與光譜學(xué)、適用于生物醫(yī)學(xué)和臨床的相干域光學(xué)方法、生物光譜學(xué)和顯微學(xué)、激光與組織的相互作用、激光醫(yī)療等方面。以下就生物醫(yī)學(xué)光學(xué)研究的一些近期進(jìn)展和熱點(diǎn)問題作一概述。(l)光學(xué)層析成像及光譜學(xué)技術(shù)的理論與模型。關(guān)于生物組織光學(xué)層析成像和光譜學(xué)技術(shù)的理論與建模研究一直是國際生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的研究重點(diǎn)。由BrittionChanee博士主持的“OptiealtomographyanDSPeetroseopy:theoryandmode1s”專題會議吸引了眾多聽眾。來自各國的科學(xué)家報(bào)道了該領(lǐng)域的近期研究成果和應(yīng)用。俄羅斯valeryv.Tuchin教授報(bào)道了活組織光學(xué)特性參數(shù)控制的有關(guān)成果,其離體和在體的實(shí)驗(yàn)均證明了通過使用葡萄糖、trazograph等滲透活性助劑可改變?nèi)搜垤柲?、皮膚等纖維組織的光散射特性。美國StevenIJ.Jacques教授做了《生物組織科學(xué)和工程中的光學(xué)技術(shù)》的特邀報(bào)告,J.R.M。盯ant教授介紹了生物組織中光散射的基本機(jī)理研究的進(jìn)展。麻省理工學(xué)院的李興德博士報(bào)道了衍射層析成像技術(shù)的近期進(jìn)展,提出了一種用于高散射介質(zhì)中擴(kuò)散光子密度波快速、近場衍射層析成像的角譜算法,該算法可用于有限大小介質(zhì),并能同時(shí)重建吸收和散射系數(shù)。賓夕法尼亞大學(xué)的張思豪博士報(bào)告了基于混濁介質(zhì)中,用動態(tài)光散射技術(shù)測量深層組織中血流的一種方法,該方法可用于深層組織中的血流動力學(xué)圖像的重建。華中科技大學(xué)的張智報(bào)道了用分形理論進(jìn)行人眼角膜內(nèi)皮細(xì)胞圖像分析的初步結(jié)果。(2)生物組織的光學(xué)成像和用于生物監(jiān)測的光譜學(xué)技術(shù)。九十年代以來,美國、歐洲、日本等國都在該領(lǐng)域投人了大量的人力和資金,本次會議共有26篇論文涉及此項(xiàng)專題。其內(nèi)容包括組織光學(xué)成像和組織光學(xué)參數(shù)測量、光學(xué)腦功能成像、近紅外光譜術(shù)的血流動力學(xué)測量、組織超微弱發(fā)光檢測、擴(kuò)散光子密度波和X射線層析成像等。

StevenL.Jacques教授報(bào)道了一種基于偏振光攝像機(jī)的組織成像系統(tǒng).該系統(tǒng)可用于對淺表皮膚的成像,其優(yōu)點(diǎn)是可避免較深層組織擴(kuò)散光子對成像造成的影響,同時(shí)也能有效消除表層皮膚鏡面反射及黑色素積淀的影響。美國約翰?霍普金斯大學(xué)劉亂副教授提出了一種用于數(shù)字乳房X射線照相術(shù)的新型光學(xué)禍合電子成像技術(shù),該技術(shù)的獨(dú)到之處在于使用新穎的CCD掃描和防輻射

設(shè)計(jì).可用小尺寸CCD成像器進(jìn)行大范圍視場的成像,且不損失空間分辨率.解決了現(xiàn)有電子成像器在成像所需分辨率下,面積不足以覆蓋整個(gè)乳房的問題。哈佛醫(yī)學(xué)院DavidA.BoaS博士等人比較了采用近紅外光譜術(shù)和擴(kuò)散光學(xué)層析成像技術(shù),定量測量組織整體和局部血氧變化的異同。如何定量測量組織中血氧的變化是當(dāng)前迫切需要解決的問題.雖然當(dāng)前有幾種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)定量監(jiān)測,但使用不方便,因而需要研制簡便易用的檢測裝置,以滿足日益發(fā)展的市場需求。美國得克薩斯農(nóng)機(jī)大學(xué)汪立宏博士?報(bào)道了聲致發(fā)光層析成像和掃頻超聲調(diào)制光學(xué)層析成像技術(shù)的近期進(jìn)展。聲致發(fā)光成像技術(shù)利用聚焦超聲波激發(fā)組織內(nèi)部發(fā)光,實(shí)現(xiàn)在生物組織內(nèi)部的選擇性光激發(fā),從而實(shí)現(xiàn)對較深層組織毫米量級分辨率的光學(xué)層析成像。會議中,利用無損傷的光學(xué)成像技術(shù)研究大腦功能和腦血液動力學(xué)變化成為與會者普遍關(guān)注的問題之一。華中科技大學(xué)駱清銘教授報(bào)道了用大腦功能近紅外光學(xué)成像器研究視覺刺激、手指運(yùn)動時(shí)大腦視覺、運(yùn)動皮層的活動以及前額葉在工作記憶和情緒活動中作用的成果;中科院心理研究所的楊炯炯博士用大腦功能近紅外光學(xué)成像器研究了左前額葉在非相關(guān)詞對編碼中的作用;日本Kagoshima大學(xué)王鋼博士報(bào)道了用基于大腦活動內(nèi)源信號檢測的光學(xué)成像系統(tǒng).研究不同顏色形狀的物體對猴子進(jìn)行視覺刺激時(shí)其大腦皮層的活動;清華大學(xué)WemaraIicllty報(bào)道了用近紅外光譜術(shù)研究大腦活動時(shí)氧合作用變化的結(jié)果。

(3)生物醫(yī)學(xué)和臨床的相干域光學(xué)方法。在該專題中,弱相干光學(xué)層析成像(OC丁)成為會議關(guān)注的熱點(diǎn)。近年活躍在相干域光學(xué)方法及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究領(lǐng)域的加利福尼亞大學(xué)陳忠平博士報(bào)告了目前OCT.ODT(光學(xué)多普勒層析成像)的近期研究成果,日本的劉紀(jì)元博士也就OCT技術(shù)的進(jìn)展做了特邀報(bào)告。中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、清華大學(xué)的代表都報(bào)道了各自在()CT方面的研究結(jié)果。(4)生物光譜學(xué)和顯微術(shù)。為獲得生物組織內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)信息,從細(xì)胞、分子水平研究諸多生命現(xiàn)象的微觀機(jī)理,近兒十年來人們一直致力于各種顯微成像技術(shù)的發(fā)展研究。會上,代表們報(bào)道了在激光掃描共焦顯微成像、熒光與光譜成像以及散射介質(zhì)中光信息的獲取等方面的研究進(jìn)展。如:加拿大英哥侖比亞癌癥研究中心曾海山博士報(bào)道了一種利用熒光成像.可檢測呼吸道與胃腸道早期癌癥的系統(tǒng)。澳大利亞維多利亞大學(xué)顧敏教授報(bào)道了在混沌介質(zhì)中,他們用角度門法代替時(shí)間門法,以提高成像的效率。(5)激光與生物組織的相互作用。激光與生物組織的相互作用和組織光學(xué)所涉及的內(nèi)容十分廣泛,在生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論和臨床診斷研究中具有重大的意義。代表們就激光與組織相互作用時(shí)的光散射、干涉、光機(jī)械、光熱、光化學(xué)效應(yīng),生物組織中光子的遷移規(guī)律,以及低功率激光生物效應(yīng)等方面進(jìn)行了廣泛深人的研究討論。在光熱效應(yīng)方面,美國得克薩斯大學(xué)R.D.Glickman教授提出欽YAG激光器用于泌尿系統(tǒng)結(jié)石碎石治療的主要機(jī)理是光熱燒蝕作用。俄勒岡醫(yī)療激光中心解嘩博士報(bào)道了半導(dǎo)體激光器用于尿道焊接的研究成果。日本自由電子激光研究所的K.Awazu報(bào)道了用紅外自由電子激光研究動脈硬化區(qū)組織光熱效應(yīng)的進(jìn)展。昆明理工大學(xué)周凌云教授報(bào)道了生物組織激光光熱效應(yīng)微觀機(jī)理的量子理論分析。另外,華南師范大學(xué)劉頌豪院士、加拿大J.R.North和匈牙利Dezso.Gal教授等還報(bào)道了光動力治療方面的研究進(jìn)展。

4建議

(1)支持幾個(gè)單位重點(diǎn)發(fā)展高功率半導(dǎo)體激光器及短波長半導(dǎo)體激光器;(2)提高半導(dǎo)體激光器輸出光束質(zhì)量的相關(guān)光學(xué)元件的研究與生產(chǎn);(3)發(fā)展半導(dǎo)體激光泵浦的盤片固體激光器;(4)發(fā)展光纖相位共扼技術(shù),解決高功率固體激光器光束質(zhì)量;(5)發(fā)展萬瓦以上的C02激光器的關(guān)鍵單元技術(shù),例如氣動窗口、固體窗口、高頻或射頻激勵技術(shù),氣體激光動力學(xué)等,開展數(shù)萬瓦CO:激光器的研制及其應(yīng)用研究;(6)法國馬賽大學(xué)的MichelAutric教授在專題發(fā)言中提出,準(zhǔn)分子激光技術(shù)是21世紀(jì)的加工技術(shù)。我國在用準(zhǔn)分子激光進(jìn)行微加工和制備新材料方面還應(yīng)加大人力和財(cái)力的投入,以趕上世界在此領(lǐng)域的發(fā)展。此外,部分國外代表就如何幫助華中科技大學(xué)開設(shè)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)方面的課程,依托華中科技大學(xué)建立生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)虛擬研究中心,定期提供國外近期研究信息,在網(wǎng)上科研動態(tài)與相關(guān)科研項(xiàng)目,共享有關(guān)軟件與數(shù)據(jù),提供網(wǎng)上教學(xué)資料等內(nèi)容進(jìn)行了多次討論,并達(dá)成共識。這對于國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)學(xué)科的建設(shè),將產(chǎn)生積極的推動作用。

生物醫(yī)學(xué)分析:生物醫(yī)學(xué)本科生教育分析

一、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科特點(diǎn)

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科是運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)原理與方法,從工程學(xué)的角度研究生物體(特別是人體)的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系,揭示生命現(xiàn)象、探索生命本質(zhì),研究和開發(fā)用于防病治病、人體功能輔助及衛(wèi)生保健的人工材料、制品、裝置、系統(tǒng)和工程技術(shù)的一門綜合性學(xué)科[1],是理工類學(xué)科與生物醫(yī)學(xué)學(xué)科深度交叉、高度融合的邊緣性學(xué)科,所涵蓋的領(lǐng)域十分廣泛,具有“覆蓋廣、交叉深、發(fā)展快、變化多”等其他學(xué)科不具有的特點(diǎn)。根據(jù)研究側(cè)重點(diǎn),生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科可分為信息技術(shù)型、材料技術(shù)型、生物技術(shù)型、生物醫(yī)學(xué)研究型、醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)型、臨床生物醫(yī)學(xué)工程、軍事生物醫(yī)學(xué)工程等7類[2]。當(dāng)前討論和研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域主要有:生物醫(yī)學(xué)材料、生物力學(xué)、醫(yī)療信息技術(shù)、生物芯片與傳感技術(shù)、組織工程及再生醫(yī)學(xué)、介入醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)療器械等7個(gè)方面[3]。

二、醫(yī)科院校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科專業(yè)教育現(xiàn)狀分析

高等醫(yī)科院校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科和臨床醫(yī)學(xué)結(jié)合緊密,醫(yī)學(xué)大背景很深厚,具備豐富的醫(yī)學(xué)類學(xué)科教學(xué)資源和優(yōu)越的臨床設(shè)備實(shí)踐條件等優(yōu)勢,但同時(shí)因?qū)W科體系不完善、教學(xué)師資力量比較薄弱、專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投資大等影響因素,一定程度上制約了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科專業(yè)的高效快速發(fā)展。

1.理工學(xué)科體系不完善。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)科涵蓋面非常廣,廣到什么程度呢?可以用四個(gè)字形容———“包羅萬象”,如果用“學(xué)科頻譜”來描述學(xué)科涵蓋面寬度,生物醫(yī)學(xué)工程無疑是88個(gè)一級學(xué)科中“頻譜寬度”最寬的學(xué)科。目前大多數(shù)開設(shè)生物工程學(xué)的高等醫(yī)科院校,物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科相比理工科院校比較薄弱,而且缺乏材料、自動化等重要工程學(xué)科的有力支撐,這些支撐學(xué)科的缺少會導(dǎo)致相應(yīng)課程設(shè)置不完善以及綜合性實(shí)踐訓(xùn)練平臺缺乏,學(xué)生無法系統(tǒng)地學(xué)習(xí)工程類課程,得不到系統(tǒng)扎實(shí)的工程技術(shù)訓(xùn)練,影響人才培養(yǎng)目標(biāo)的整體實(shí)現(xiàn)。

2.復(fù)合型師資比較缺乏。要實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)醫(yī)工結(jié)合與交叉的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才目標(biāo),首先需建設(shè)一支醫(yī)工結(jié)合與交叉的復(fù)合型師資隊(duì)伍方陣。在高等醫(yī)科院校,生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)師資隊(duì)伍中具有理工科教育背景和醫(yī)學(xué)教育背景的教師比較多,而既懂醫(yī)學(xué)又懂工程技術(shù),能將工程技術(shù)與醫(yī)學(xué)需求緊密結(jié)合起來的復(fù)合型、交叉型、融合型師資比較缺乏,教師隊(duì)伍知識結(jié)構(gòu)普遍不夠合理,與各相關(guān)學(xué)科交叉融合能力弱,這些現(xiàn)狀一定程度上影響了課程體系構(gòu)建以及教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

3.創(chuàng)新能力培養(yǎng)不扎實(shí)。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)85%以上的基礎(chǔ)課和專業(yè)(基礎(chǔ))課程都要開展實(shí)踐教學(xué),必須建設(shè)相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)平臺,這些實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要求高、儀器設(shè)備多、投入大,部分院校在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入不足,單獨(dú)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程比較少,實(shí)踐教學(xué)體系不夠完善;課程標(biāo)準(zhǔn)中演示性、驗(yàn)證性等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)設(shè)置比較多,而綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)設(shè)置比較少[4];缺乏“大學(xué)生電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新基地”等綜合性實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)硬件軟件平臺和組織管理經(jīng)驗(yàn);學(xué)生規(guī)模小,缺少其他理工科學(xué)科支撐,組隊(duì)參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯設(shè)計(jì)競賽等活動較為困難。

4.學(xué)生專業(yè)思想不牢固。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)作為一門新興的邊緣學(xué)科,覆蓋面廣,涉及領(lǐng)域跨度大,專業(yè)知識體系復(fù)雜,專業(yè)課程內(nèi)容在各學(xué)科之間交叉頻繁,本科學(xué)生對本專業(yè)缺乏深入的了解、足夠的信心和學(xué)習(xí)熱情;相對材料、自動化、機(jī)械、通信以及臨床、醫(yī)學(xué)影像等專業(yè),生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生所學(xué)知識普遍存在“寬而不精”,“廣而不細(xì)”等問題,就業(yè)時(shí)相對處于劣勢;部分學(xué)生由于學(xué)習(xí)任務(wù)重、壓力大,導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性、主動性不高,專業(yè)思想不夠牢固,甚至影響到專業(yè)整體的學(xué)習(xí)風(fēng)氣。

三、對策初探

高等醫(yī)科院校要盯準(zhǔn)醫(yī)工結(jié)合的復(fù)合型高級工程技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo),突出學(xué)科交叉綜合培養(yǎng)、工程技術(shù)意識培養(yǎng)、創(chuàng)新能力素質(zhì)培養(yǎng),深化教學(xué)改革,加大教學(xué)投入,改善教學(xué)環(huán)境,加強(qiáng)隊(duì)伍建設(shè),充分發(fā)揮醫(yī)學(xué)院校資源優(yōu)勢,積極探索具有醫(yī)科院校特色的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教育培養(yǎng)模式,構(gòu)建科學(xué)合理的課程體系和實(shí)踐教學(xué)體系,不斷提升生物醫(yī)學(xué)工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1.堅(jiān)持走“先研究生后本科生”的教育培養(yǎng)模式?！案采w廣、交叉深、發(fā)展快、變化多”等特點(diǎn)決定了生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科專業(yè)的開設(shè)和建設(shè),對教學(xué)基本建設(shè)、課程體系構(gòu)建、師資隊(duì)伍力量、實(shí)踐教學(xué)平臺等方面要求比較高,必須具備一定水平的軟硬件條件。醫(yī)科院校在開設(shè)建設(shè)之初,往往存在培養(yǎng)方向不明確、課程體系不科學(xué)、平臺條件不完善、師資力量不足等困難和問題,因此,對于計(jì)劃開設(shè)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的高等醫(yī)科院校來說,要堅(jiān)持走“先研究生培養(yǎng)后本科生培養(yǎng)”的教育培養(yǎng)模式,通過5-10年時(shí)間的研究生培養(yǎng)和學(xué)科建設(shè),加強(qiáng)教學(xué)基本建設(shè),積累教學(xué)經(jīng) 驗(yàn),規(guī)范教學(xué)管理,建設(shè)一支高素質(zhì)師資隊(duì)伍和一批高水平的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺,構(gòu)建完善的課程培養(yǎng)體系和實(shí)踐教學(xué)體系,為本科生培養(yǎng)創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)條件和學(xué)習(xí)環(huán)境。

2.積極探索與理工院校聯(lián)合培養(yǎng)的教育模式。綜合性大學(xué)與醫(yī)科院校在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)科建設(shè)方面優(yōu)勢互補(bǔ)、劣勢互存。綜合性大學(xué)具有完善的理工類學(xué)科體系,師資隊(duì)伍力量比較強(qiáng),基礎(chǔ)課程比較成熟,實(shí)踐教學(xué)條件平臺比較完善,組織學(xué)生參加全國大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”設(shè)計(jì)競賽和全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的經(jīng)驗(yàn)豐富,在工程技術(shù)人才培養(yǎng)方面具有完善的培養(yǎng)體系和成熟的培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn),但缺乏醫(yī)學(xué)類學(xué)科教學(xué)資源和臨床實(shí)踐條件,缺乏與臨床需求緊密結(jié)合的先決條件。因此,醫(yī)科院校要在充分發(fā)揮自身資源優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,積極探索與理工院校聯(lián)合培養(yǎng)的教育模式,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。校校聯(lián)合培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享、優(yōu)勢互補(bǔ),提高育人質(zhì)量的前提是:加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),聯(lián)合制定人才培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案,構(gòu)建科學(xué)合理的課程體系和實(shí)踐教學(xué)體系,建立健全聯(lián)合培養(yǎng)的質(zhì)量保障體系和綜合評價(jià)體系。

3.積極探索產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的教育培養(yǎng)模式。產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的教育培養(yǎng)模式是以產(chǎn)學(xué)合作、雙向參與為基本原則,以工學(xué)結(jié)合、定崗實(shí)踐為實(shí)施途徑和方法,以提高學(xué)生綜合能力素質(zhì)、適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展對人才的需要為目標(biāo)的人才培養(yǎng)模式。通過實(shí)施產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的培養(yǎng)模式,高等醫(yī)科院?？蓮?qiáng)化與科研院所和醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的聯(lián)系和溝通,改善教學(xué)培養(yǎng)功能不足,充分發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研各方主體優(yōu)勢,有效解決師資力量不強(qiáng)、支撐學(xué)科不完善、創(chuàng)新能力培養(yǎng)不扎實(shí)等瓶頸問題。實(shí)踐證明,實(shí)施產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,是生物醫(yī)學(xué)工程高等教育的成功經(jīng)驗(yàn),也是培養(yǎng)高素質(zhì)生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)人才的必由之路[5]。高等醫(yī)科院校應(yīng)樹立研究與產(chǎn)業(yè)化并舉的教育培養(yǎng)理念,深化教學(xué)改革,積極探索產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的教學(xué)培養(yǎng)模式,構(gòu)建構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研一體化的運(yùn)行機(jī)制。

生物醫(yī)學(xué)分析:淺論實(shí)驗(yàn)動物福利對生物醫(yī)學(xué)的重要性

實(shí)驗(yàn)動物學(xué)是醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究的方法,同時(shí)又促進(jìn)了醫(yī)學(xué)生物學(xué)的發(fā)展,是能夠把醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的諸多項(xiàng)目領(lǐng)入新的境地的。實(shí)驗(yàn)動物福利工作的好與壞,不但反映了實(shí)驗(yàn)動物學(xué)科建設(shè)的成就,而且還影響著生物醫(yī)學(xué)研究成果的社會性及公眾認(rèn)可程度。重視實(shí)驗(yàn)動物福利,既是科學(xué)發(fā)展的必然趨勢,同時(shí)也是人文關(guān)懷精神的需要。提高實(shí)驗(yàn)動物福利水平,也成為了社會公眾所關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。

一、實(shí)驗(yàn)動物對生物醫(yī)學(xué)的貢獻(xiàn)

實(shí)驗(yàn)動物是生物、醫(yī)學(xué)等研究、開發(fā)、應(yīng)用的重要支撐和保障條件。當(dāng)前,社會的飛速發(fā)展帶動了基因工程技術(shù)等方面的快速發(fā)展,實(shí)驗(yàn)動物科學(xué)也迎來一個(gè)新的時(shí)代,這使得在實(shí)驗(yàn)動物活體內(nèi)的集整體水平、分子水平和細(xì)胞水平于一體的研究成為了可能,從而促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)的整體研究、發(fā)展。

二、動物福利的由來和發(fā)展

早在19世紀(jì)初期,英國人就開始注意動物的福利的問題。不過,當(dāng)時(shí)并沒有提出“動物福利”這個(gè)詞,而是以“反對虐待動物”或“防止虐待動物”字面出現(xiàn)的。

動物福利是20世紀(jì)六七十年代西方國家發(fā)起的運(yùn)動,到80年代中期,全世界已有263個(gè)動物福利或組織機(jī)構(gòu)分布于152個(gè)國家和地區(qū)。關(guān)于動物的權(quán)利,就是要確定動物是否遭受虐待的問題,即人們對事件的評價(jià)是否屬在受虐的范圍。

在我國內(nèi)地,涉及到動物保護(hù)或動物福利的法律法規(guī)性文件有以下幾個(gè):①1988年11月8日第七屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第四次會議通過的《中華人民共和國野生動物保護(hù)法》;②1992年3月1日林業(yè)部的《中華人民共和國陸生野生動物保護(hù)實(shí)施條例》;③1988年11月14日國家科委的《實(shí)驗(yàn)動物管理?xiàng)l例》。④2006年9月30日國家科委的《關(guān)于善待實(shí)驗(yàn)動物的指導(dǎo)性意見》。

實(shí)際上,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,就是動物福利運(yùn)動發(fā)展的一個(gè)過程。在各種的研究、實(shí)驗(yàn)中,利用各種實(shí)驗(yàn)動物作為研究實(shí)驗(yàn)對象,我們已在科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得許多的重大成就,這不僅得利于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,實(shí)驗(yàn)動物也是我們諸多成果的必然條件。盡管現(xiàn)在在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,有許多科研人員不斷追求著一系列的非動物模型,但模型畢竟不能夠模擬人體或動物的復(fù)雜機(jī)制的。在人類的社會發(fā)展中,在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中,動物實(shí)驗(yàn)仍是不可缺少的一項(xiàng),動物福利也必將成為可持續(xù)發(fā)展的。

三、在生物醫(yī)學(xué)研究中的動物福利

實(shí)驗(yàn)動物是人類在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的的“替代者”,在各項(xiàng)科學(xué)研究中,它們?yōu)榱巳祟惖尼t(yī)學(xué)事業(yè)、人類的身體健康,承受著痛苦。生物科學(xué)的最終目的,是促進(jìn)人類的健康,推動社會的進(jìn)步。從感情上來講,我們應(yīng)當(dāng)尊重和愛護(hù)實(shí)驗(yàn)動物,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)動物所承受的,正是我們?nèi)祟悩O有可能正在承受的。現(xiàn)代在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,我們所做的每一項(xiàng)科研項(xiàng)目基本是離不了實(shí)驗(yàn)動物的,那么動物福利也就成為了一個(gè)不可回避的問題。

四、認(rèn)識動物福利意義

學(xué)習(xí)、探討實(shí)驗(yàn)動物及實(shí)驗(yàn)動物福利的問題,是有能夠明確學(xué)科人員自我社會地位和價(jià)值的,是能夠認(rèn)識到自己所從事的職業(yè)可以長久發(fā)展的,從而推動生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展。重視實(shí)驗(yàn)動物福利的工作,不僅對自然科學(xué)的進(jìn)步有所幫助,同時(shí)還會推動社會科學(xué)的進(jìn)步。實(shí)驗(yàn)動物福利問題是人類美好心靈的體現(xiàn),同科學(xué)研究的有效性也是息息相關(guān)的。在我國的醫(yī)學(xué)院校,只有多開設(shè)實(shí)驗(yàn)動物學(xué)的課程,才能夠達(dá)到為生物醫(yī)學(xué)研究做準(zhǔn)備的目的,是培養(yǎng)未來的醫(yī)務(wù)、科研人員的基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)動物學(xué)在教育方面涉及到兩個(gè)內(nèi)容,即學(xué)科本身的知識和自身的職業(yè)道德教育。對學(xué)生的教育時(shí),要讓學(xué)生在接受學(xué)科知識和技能的訓(xùn)練過程中,要將動物福利放置于重要的位置,要讓學(xué)生懂得尊重實(shí)驗(yàn)動物,讓他們意識到要從道德、人文關(guān)懷上去管理和使用實(shí)驗(yàn)動物,這樣在學(xué)生到以后的工作中,就會以更加敬業(yè)的態(tài)度對待自己的工作。

五、動物福利發(fā)展的趨勢

實(shí)驗(yàn)動物對人類社會有著積極地意義,動物實(shí)驗(yàn)又對人類的健康有著非常重要意義。動物福利則是直接反應(yīng)著動物實(shí)驗(yàn)效果的好壞,反應(yīng)著關(guān)系到人類健康的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)事業(yè)中。只有全社會共同努力,推動動物福利事業(yè)的發(fā)展,在我們的的生產(chǎn)生活中才能有所更好的保障?，F(xiàn)代的醫(yī)學(xué)事業(yè)有著許多的新的醫(yī)療技術(shù)均是與動物實(shí)驗(yàn)分不開的,可以讓我們過上更為健康的生活。那么動物福利的重要性我們就可想而知樂。

總之,實(shí)驗(yàn)動物學(xué)是人類能夠認(rèn)識自我、保護(hù)自我的重要的科學(xué)手段。隨著現(xiàn)代社會的不斷進(jìn)步,生命科學(xué)研究的不斷深入,對實(shí)驗(yàn)動物質(zhì)量有了更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。我國的實(shí)驗(yàn)動物學(xué)科的發(fā)展,正處于加速前進(jìn)的時(shí)期。我們正需要從自身做起,能夠從意識上認(rèn)識到動物福利的重要性,從而真正的做到保護(hù)實(shí)驗(yàn)動物,保護(hù)我們?nèi)祟愖陨淼慕】怠?