生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材改革淺析

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摘要：作為本學(xué)科本科教育必修課程之一，生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)這門課程對學(xué)生日后使用、改進(jìn)及設(shè)計(jì)適用于生物醫(yī)學(xué)問題的傳感器及相關(guān)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。但由于該學(xué)科本身的特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，目前適用于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材不但數(shù)量較少，且均存在一定的局限性。本文基于目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和生物醫(yī)學(xué)工程本科生培養(yǎng)的需求，初步探討了關(guān)于面對生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材改革的思路。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)工程；生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)；教材改革

一、前言

傳感器及相關(guān)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，與醫(yī)療相關(guān)的檢測分析（生理狀態(tài)常規(guī)檢測、心電圖及腦電圖等）、成像造影（顯微CT、核磁共振及紅外成像等）及慢性病監(jiān)控和輔助治療（糖尿病、高血壓）中，生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)都起到了至關(guān)重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，不斷有新的高性能傳感器及技術(shù)被開發(fā)出來，這些器件和方法將為醫(yī)療事業(yè)提供突破性的機(jī)遇。因此掌握生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的相關(guān)知識對與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科生的就業(yè)和科研發(fā)展均有著積極的現(xiàn)實(shí)意義。由于該課程對于生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的重要性，目前大部分院校的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)都開設(shè)了相應(yīng)的課程，但是目前出版的適用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材種類較少，很多院校仍然選用了適合工科電類專業(yè)的一般性傳感器及技術(shù)教材進(jìn)行教學(xué)?；诠た祁悓I(yè)的應(yīng)用核心指導(dǎo)思想和生物醫(yī)學(xué)工程的學(xué)科特殊性，本文淺析了目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材的優(yōu)點(diǎn)和局限性，初步探討了關(guān)于面前生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材改革的思路。

二、目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材的優(yōu)點(diǎn)和局限性

（一）目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材的優(yōu)點(diǎn)

由于經(jīng)典傳感原件和技術(shù)大部分為電學(xué)原件或圍繞電學(xué)原件開發(fā)，其后續(xù)信號處理也依賴由電學(xué)原件構(gòu)成的處理系統(tǒng)，目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)所用教材的編纂者通常在電路設(shè)計(jì)，數(shù)字電路和模擬電路方面有較高的學(xué)術(shù)造詣，對于不同類型的電學(xué)傳感器（差動、電容及電感傳感器等）及其相關(guān)電路（直流/交流電橋等）的設(shè)計(jì)從原理到適用性及誤差分析均有完整的分析和論述，本科生掌握基本知識點(diǎn)后，結(jié)合模擬電路所學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容能有效將這些經(jīng)典電學(xué)敏感元件運(yùn)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

（二）目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材的局限性

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的理論和方法而發(fā)展起來的交叉學(xué)科，其基本任務(wù)是運(yùn)用工程技術(shù)手段，研究和解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題?；诠た茟?yīng)用導(dǎo)向的特殊性和生物醫(yī)學(xué)工程作為交叉學(xué)科的特質(zhì)，面向生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的教材應(yīng)在一般工科教材的基礎(chǔ)上與生物醫(yī)學(xué)問題進(jìn)一步結(jié)合，但是目前生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)課程相關(guān)的教材均存在一定的局限性。

1.課程內(nèi)容與生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科特色結(jié)合較少。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的器件或技術(shù)，往往需要針對相關(guān)的研究對象（人體或是細(xì)胞）進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時在實(shí)際應(yīng)用中，生物信號由于其特殊性（信號強(qiáng)度微弱、干擾源多等）對于傳感器的要求也與一般信號具有明顯的區(qū)別。如果不能對這些信號的產(chǎn)生機(jī)制、作用方式和基本特性有一定深度的理解，學(xué)生無法將所學(xué)的傳感器知識運(yùn)用以解決實(shí)際的生物或臨床問題。目前常用的教材通常還是采取一般傳感技術(shù)教材的編寫思路，根據(jù)不同類型的傳感器進(jìn)行章節(jié)分類，筆者認(rèn)為這樣的結(jié)構(gòu)編排不適合生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)課程的教學(xué)。過于偏重器件的原理和設(shè)計(jì)而忽略對被測信號進(jìn)行系統(tǒng)分析不利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的思考能力。

2.課程內(nèi)容缺乏與生物醫(yī)學(xué)傳感器件和技術(shù)相關(guān)的非電學(xué)內(nèi)容。由于經(jīng)典的傳感器件和技術(shù)大部分與電子器件或儀器相關(guān)，因此目前一般傳感器教材的編撰通常以此為主要內(nèi)容。但是由于工科面向應(yīng)用的本質(zhì)要求，傳感器及技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域時，面臨了一些特別的問題。例如，針對腦電信號檢測通常要求對采集的信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)處理分析；針對腫瘤細(xì)胞的篩查需要超小型高靈敏的傳感器探針；針對長時間測量的可穿戴式裝置要求信號檢測部分能盡可能與機(jī)體緊密結(jié)合等。這些必須依賴改進(jìn)材料或者升級軟件算法等手段解決，而這些內(nèi)容在解決實(shí)際問題中起到至關(guān)重要的作用。目前常用的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材中缺乏這些與生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)際問題密切相關(guān)的非電學(xué)知識，影響了學(xué)生對生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)的系統(tǒng)性認(rèn)識。

三、生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材編寫新思路

在目前常用的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材的基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合自己的授課心得，初步提出了一些面向應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材的改革思路。基于這些新的思路，在授課過程中啟發(fā)學(xué)生申請傳感器相關(guān)發(fā)明專利若干項(xiàng)。

（一）增強(qiáng)教材的應(yīng)用導(dǎo)向性

改變圍繞傳感器件和技術(shù)的編寫思路，以生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用為導(dǎo)向，根據(jù)目前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常見的檢測信號（如腦電信號、心電信號、脈搏及血壓測量等）和檢測用技術(shù)（顯微CT、核磁共振等）劃分章節(jié)，每一章的知識點(diǎn)包括這些被測信號的產(chǎn)生機(jī)制、特點(diǎn)（如強(qiáng)度、靜態(tài)量或動態(tài)量、常見誤差干擾等）、目前實(shí)際應(yīng)用中常用的檢測方式（接觸式或非接觸式）、模塊（如敏感原件及相關(guān)電路）、信號處理方法（如腦電的分析算法等）、檢測目的，及發(fā)展趨勢。通過這種層層遞進(jìn)的邏輯關(guān)系促進(jìn)學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和記憶。

（二）補(bǔ)充與生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)相關(guān)的非電學(xué)內(nèi)容

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器件和技術(shù)的外延在不斷擴(kuò)大，很多基于非電元件的高靈敏度的傳感方法目前已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用。這些傳感器件和技術(shù)作為基于經(jīng)典電學(xué)敏感元件設(shè)計(jì)的傳感器的補(bǔ)充，有利于學(xué)生理解傳感器及技術(shù)的核心思想，對于學(xué)生參加后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新競賽中所用傳感器件提供更多的選擇點(diǎn)。目前有部分生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材已經(jīng)添加了少量相關(guān)的非電學(xué)內(nèi)容，但是仍然以介紹性質(zhì)為主。筆者認(rèn)為應(yīng)該對這些目前已經(jīng)投入實(shí)際使用的非電學(xué)傳感器件和技術(shù)針對相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)問題按照上一節(jié)的編寫思路展開，把其中知識要點(diǎn)（如檢測的基本原理等）也提高到應(yīng)知應(yīng)會的要求。同時考慮到各個院校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科發(fā)展差異性的影響，為偏重分子生物學(xué)和生物材料的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科所編寫的教材可以進(jìn)一步增加這些非電學(xué)內(nèi)容的廣度和深度。

四、展望

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，更多高靈敏度的傳感器件和技術(shù)將不斷被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，面向生物醫(yī)學(xué)工程的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)教材也要與時俱進(jìn)，不斷推陳出新，力求在本科教學(xué)中既能給學(xué)生奠定良好的基礎(chǔ)，又能引領(lǐng)學(xué)生了解該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，并能更好地結(jié)合實(shí)際生物醫(yī)學(xué)問題運(yùn)用所學(xué)的知識，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供更多的可能。

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作者：胡克 王偉 朱松盛 竺明月 段磊 吳小玲 單位：南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系南京醫(yī)科大學(xué)附屬江蘇省口腔醫(yī)院