生物醫(yī)學傳感技術教材改革淺析

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

關鍵詞：生物醫(yī)學工程；生物醫(yī)學傳感技術；教材改革

一、前言

傳感器及相關技術在生物醫(yī)學工程領域有著廣泛的應用，與醫(yī)療相關的檢測分析（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)學傳感技術都起到了至關重要的作用。隨著科學技術水平的飛速發(fā)展，不斷有新的高性能傳感器及技術被開發(fā)出來，這些器件和方法將為醫(yī)療事業(yè)提供突破性的機遇。因此掌握生物醫(yī)學傳感技術的相關知識對與生物醫(yī)學工程專業(yè)的本科生的就業(yè)和科研發(fā)展均有著積極的現(xiàn)實意義。由于該課程對于生物醫(yī)學工程學科的重要性，目前大部分院校的生物醫(yī)學工程專業(yè)都開設了相應的課程，但是目前出版的適用于生物醫(yī)學工程專業(yè)的生物醫(yī)學傳感技術教材種類較少，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教材進行教學?；诠た祁悓I(yè)的應用核心指導思想和生物醫(yī)學工程的學科特殊性，本文淺析了目前生物醫(yī)學傳感技術教材的優(yōu)點和局限性，初步探討了關于面前生物醫(yī)學工程學科的生物醫(yī)學傳感技術教材改革的思路。

二、目前生物醫(yī)學傳感技術教材的優(yōu)點和局限性

（一）目前生物醫(yī)學傳感技術教材的優(yōu)點

由于經(jīng)典傳感原件和技術大部分為電學原件或圍繞電學原件開發(fā)，其后續(xù)信號處理也依賴由電學原件構成的處理系統(tǒng)，目前生物醫(yī)學傳感技術所用教材的編纂者通常在電路設計，數(shù)字電路和模擬電路方面有較高的學術造詣，對于不同類型的電學傳感器（差動、電容及電感傳感器等）及其相關電路（直流/交流電橋等）的設計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后，結合模擬電路所學知識和實驗課的內(nèi)容能有效將這些經(jīng)典電學敏感元件運用到系統(tǒng)設計中。

（二）目前生物醫(yī)學傳感技術教材的局限性

生物醫(yī)學工程學是綜合生物學、醫(yī)學和工程學的理論和方法而發(fā)展起來的交叉學科，其基本任務是運用工程技術手段，研究和解決生物學和醫(yī)學中的有關問題。基于工科應用導向的特殊性和生物醫(yī)學工程作為交叉學科的特質(zhì)，面向生物醫(yī)學工程專業(yè)的教材應在一般工科教材的基礎上與生物醫(yī)學問題進一步結合，但是目前生物醫(yī)學傳感技術課程相關的教材均存在一定的局限性。

1.課程內(nèi)容與生物醫(yī)學工程學科特色結合較少。在生物醫(yī)學領域應用的器件或技術，往往需要針對相關的研究對象（人體或是細胞）進行設計，同時在實際應用中，生物信號由于其特殊性（信號強度微弱、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)生機制、作用方式和基本特性有一定深度的理解，學生無法將所學的傳感器知識運用以解決實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教材的編寫思路，根據(jù)不同類型的傳感器進行章節(jié)分類，筆者認為這樣的結構編排不適合生物醫(yī)學傳感技術課程的教學。過于偏重器件的原理和設計而忽略對被測信號進行系統(tǒng)分析不利于培養(yǎng)學生解決實際問題的思考能力。

2.課程內(nèi)容缺乏與生物醫(yī)學傳感器件和技術相關的非電學內(nèi)容。由于經(jīng)典的傳感器件和技術大部分與電子器件或儀器相關，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用的本質(zhì)要求，傳感器及技術應用于生物醫(yī)學工程領域時，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行統(tǒng)計和數(shù)據(jù)處理分析；針對腫瘤細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體緊密結合等。這些必須依賴改進材料或者升級軟件算法等手段解決，而這些內(nèi)容在解決實際問題中起到至關重要的作用。目前常用的生物醫(yī)學傳感技術教材中缺乏這些與生物醫(yī)學工程實際問題密切相關的非電學知識，影響了學生對生物醫(yī)學傳感技術的系統(tǒng)性認識。

三、生物醫(yī)學傳感技術教材編寫新思路

在目前常用的生物醫(yī)學傳感技術教材的基礎上，筆者結合自己的授課心得，初步提出了一些面向應用的生物醫(yī)學傳感技術教材的改革思路?；谶@些新的思路，在授課過程中啟發(fā)學生申請傳感器相關發(fā)明專利若干項。

（一）增強教材的應用導向性

改變圍繞傳感器件和技術的編寫思路，以生物醫(yī)學應用為導向，根據(jù)目前生物醫(yī)學領域常見的檢測信號（如腦電信號、心電信號、脈搏及血壓測量等）和檢測用技術（顯微CT、核磁共振等）劃分章節(jié)，每一章的知識點包括這些被測信號的產(chǎn)生機制、特點（如強度、靜態(tài)量或動態(tài)量、常見誤差干擾等）、目前實際應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。通過這種層層遞進的邏輯關系促進學生對知識點的理解和記憶。

（二）補充與生物醫(yī)學傳感技術相關的非電學內(nèi)容

隨著科學技術的不斷發(fā)展，傳感器件和技術的外延在不斷擴大，很多基于非電元件的高靈敏度的傳感方法目前已經(jīng)由實驗室研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應用。這些傳感器件和技術作為基于經(jīng)典電學敏感元件設計的傳感器的補充，有利于學生理解傳感器及技術的核心思想，對于學生參加后續(xù)的課程設計和創(chuàng)新競賽中所用傳感器件提供更多的選擇點。目前有部分生物醫(yī)學傳感技術教材已經(jīng)添加了少量相關的非電學內(nèi)容，但是仍然以介紹性質(zhì)為主。筆者認為應該對這些目前已經(jīng)投入實際使用的非電學傳感器件和技術針對相關的生物醫(yī)學問題按照上一節(jié)的編寫思路展開，把其中知識要點（如檢測的基本原理等）也提高到應知應會的要求。同時考慮到各個院校生物醫(yī)學工程學科發(fā)展差異性的影響，為偏重分子生物學和生物材料的生物醫(yī)學工程學科所編寫的教材可以進一步增加這些非電學內(nèi)容的廣度和深度。

四、展望

隨著科學技術的快速發(fā)展，更多高靈敏度的傳感器件和技術將不斷被應用于生物醫(yī)學工程領域，面向生物醫(yī)學工程的生物醫(yī)學工程專業(yè)的生物醫(yī)學傳感技術教材也要與時俱進，不斷推陳出新，力求在本科教學中既能給學生奠定良好的基礎，又能引領學生了解該領域的發(fā)展趨勢，并能更好地結合實際生物醫(yī)學問題運用所學的知識，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)科大學基礎醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系南京醫(yī)科大學附屬江蘇省口腔醫(yī)院