Медицинская электроника - Саратовский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по
учебно-методической работе
___________________Е.Г.Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Медицинская электроника
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Медицинская электроника» является освоение
теоретических знаний и практических навыкав по применению электронных
схем в биомедицинской аппаратуре, что соответствует основной цели
магистратуры в части получения углубленного профессионального
образования, позволяющего выпускнику успешно работать в избранной
сфере деятельности в РФ и за рубежом, обладать универсальными и
предметно-специализированными компетенциями, способствующими его
социальной мобильности, востребованности на рынке труда и успешной
карьере.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина
«Медицинская электроника» относится к дисциплинам
профессионального цикла, курс (М2Р2) читается во 2 семестре. Форма
итоговой аттестации — зачет.
Изучаемый в рамках дисциплины материал
основан, с одной
стороны, на базовых знаниях обучаемых в области электроники (например,
дисциплина бакалавриата «Аналоговая и цифровая электроника в
биофизическом эксперименте»), а с другой — на материале курсов по
физическим методам диагностики и терапии в медицине и физиологии
(«Физические методы регистрации физиологических параметров»,
«Обработка данных медицинского эксперимента» ).
Дисциплина связана с другими лекционными курсами магистратуры:
«Физические методы в медицинской диагностике и терапии», «Методы
регистрации электрической активности организма».
Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и
навыки могут быть непосредственно использованы обучаемым при
выполнении аттестационной работы магистра и в последующей
профессиональной деятельности.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Медицинская электроника»
В процессе освоения обучаемым дисциплины «Медицинская электроника»
достигается освоение общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК)
компетенций, характеризуемых:
 способностью
самостоятельно
приобретать
с
помощью
информационных технологий и использовать в практической
деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях
знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности,
расширять и углублять своё научное мировоззрение (ОК-З);
2
 способностью использовать знания современных проблем физики,
новейших достижений физики в своей научно-исследовательской
деятельности (ПК-2);
 способностью использовать свободное владение профессионально
профилированными знаниями в области информационных
технологий, современных компьютерных сетей, программных
продуктов и ресурсов Интернет для решения задач
профессиональной деятельности, в том числе находящихся за
пределами профильной подготовки (ПК-5);
 способностью свободно владеть разделами физики, необходимыми
для решения научно-инновационных задач (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-6).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать физические основы работы электронных схем, типовую
реализацию и назначение функциональных узлов аппаратуры медицинского
назначения.
Уметь читать принципиальные электрические схемы медицинских
электронных устройств диагностического и терапевтического назначения,
выделять структурные взаимосвязи между функциональными блоками,
оценивать характеристики узлов медицинской аппаратуры с позиций их
соответствия решаемым задачам.
Владеть знаниями и навыками по синтезу устройств медицинской
электроники на уровне функциональных блоков, электронных узлов на
уровне принципиальных схем, уметь использовать специализированное
программное обеспечение для моделирования работы и отладки типовых
узлов аппаратуры биомедицинского назначения.
4. Структура и содержание дисциплины «Медицинская электроника»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, включая
16 часов лекций, 16 часов практических занятий и 40 часов на
самостоятельную работу.
4.1. Структура дисциплины
№
Раздел дисциплины
п/п
Формы
текущего
Виды учебной работы,
контроля
включая
Сем Неделя
успеваемости
самостоятельную
естр семестра
(по неделям
работу студентов и
семестра)
трудоемкость (в часах)
Формы
промежуточной
3
аттестации (по
семестрам)
1
2
3
4
5
6
7
8
Введение.
Электрические
измерения в медицине
Электроды и
микроэлектроды.
Резистивные датчики.
Полупроводниковые
фотопреобразователи.
Термоэлектрические
преобразователи.
Пьезоэлектрические
преобразователи
Функциональные узлы
электронных устройств
медицинского
назначения
Структура и
схемотехника
диагностических и
терапевтических
устройств
ВСЕГО
2
1
Л(1)
ПР(1) СР(2)
2
1
Л(1)
ПР(1) СР(2)
2
2
2
3
Л(2)
Л(2)
ПР(2) СР(2)
ПР(2) СР(2)
2
4
Л(2)
ПР(2) СР(2)
2
5
Л(2)
ПР(2) СР(2)
2
6,7
Л(4)
ПР(4) СР(18)
2
8
Л(2)
ПР(2) СР(10)
Л(16)
ПР(16) СР(40)
4.2. Содержание дисциплины
Тема 1. Введение. Электрические измерения в медицине.
Датчики неэлектрических величин, регистрируемых электронными
приборами и их использование в медицине. Основные сведения о
измерительных преобразователях и их классификация. Погрешности
преобразования, точность и диапазон, порог чувствительности. Общий
принцип достижения наибольшей эффективности средств измерений.
Принцип
согласования
сопротивлений
преобразователей.
Измерительные цепи прямого и уравновешивающего преобразования.
Динамические свойства средств измерений.
Тема 2. Электроды и микроэлектроды.
Электроды
электрокардиографов
и
электроэнцефалографов.
Металлические и
стеклянные микроэлектроды для регистрации
внутриклеточных и мембранных потенциалов.
Эквивалентные
схемы
замещения системы электрод-организм. Металлические
электроды
для
4
оценки ионного состава. Стеклянные электроды для РН-метрии,
Ионселективные электроды и их применение для биохимического анализа.
Тема 3. Резистивные датчики.
Механические упругие преобразователи, реостатные преобразователи,
тензорезисторы, медицинские динамометры и эргометры.
Тема 4. Полупроводниковые фотопреобразователи.
Фотодатчики и их использование в медицинской аппаратуре.
Радиационные и фотоэлектрические приборы для фотометрических
измерений и
для регистрации инфракрасного и ультрафиолетового
излучения. Полупроводниковые рентгенодатчики. Световые, вольтамперные
и спектральные характеристики фотодатчиков. Применение фотоприборов
в медицинской электронной аппаратуре и в приборах для биохимического
анализа. Полупроводниковые
фотоприемники.
Фотоэлектрические
умножители, схемы их включения и области применения.
Тема 5. Термоэлектрические преобразователи.
Металлические
и
полупроводниковые
термосопротивления.
Термисторы.
Области применения термодатчиков в медицине. Электронные
медицинские
термометры. Устройства терморегуляции в биохимических
лабораториях.
Применение
фотодатчиков,
чувствительных
к
инфракрасному излучению, для
измерения
температуры
кожных
покровов. Принцип действия и устройство
медицинских тепловизоров.
Термоанемометрические измерители легочной
вентиляции.
Электронные медицинские термометры.
Тема 6. Пьезоэлектрические преобразователи.
Физическая природа пьезоэффекта. Конструкции преобразователей.
Специфические
погрешности.
Пьезоэлектрические
датчики
ультразвукового излучения на основе титаната бария, используемые в УЗ
терапевтической и
диагностической аппаратуре.
Тема 7. Функциональные узлы электронных устройств медицинского
назначения
Измерительные усилители. Обратные связи и их применение для
повышения
эксплуатационных
характеристик
измерительных
усилителей. Измерительные модуляторы и демодуляторы. Фильтры.
Типовые схемы пассивных и активных фильтров в аппаратуре
биомедицинского назначения. Генераторы и выходные каскады
излучающих устройств. Генераторы с внешним возбуждением.
Согласование выхода оконечного каскада и излучающей нагрузки.
5
Тема 8. Структура и схемотехника диагностических и терапевтических
устройств.
Типовые приемы схемной реализации измерительных каналов.
Структурная схема современного медицинского полиграфа с
электронной обработкой информации. Регистрирующие каналы ЭКГ.
Блоки реографии и фонокардиографии. Аппаратура для УВЧ терапии.
Ультразвуковая
терапевтическая
техника.
Электронные
электростимуляторы.
Функциональные
узлы
силовой
части
электроаппаратуры медицинского назначения.
5. Образовательные технологии
Лекционные занятия с использованием мультимедийных средств.
Предусматривается чередование «классической» лекционной подачи
материала и интерактивных методик в форме интерактивного решения
поставленных преподавателем задач методом «мозгового штурма» силами
обучаемых.
При выполнении лабораторных и(или) практических занятий
предусматриваются технологии, побуждающие обучаемых к нестандартному,
творческому подходу при решении поставленных задач, включая
самостоятельный поиск и привлечение информации и неуказанных
преподавателем источников с оценкой степени ее достоверности, а также к
формированию и отработке командного подхода в решении поставленных
задач.
В ограниченном объеме предусмотрено применение образовательных
технологий, использующих создание
конкурентной среды между
микрогруппами студентов при выполнении лабораторных и вычислительных
заданий сходной тематики.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Наполнение объема часов самостоятельной работы предусмотрено в виде
самостоятельного поиска в сети интернет и освоения обучающимися
разделов, не освещенных в лекциях.
6
Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной
литературе;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины, не рассмотренных на лекциях;
- изучение теоретического и технического материала по методическим
руководствам и документации.
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная сверхкороткая самостоятельная работа
обучающихся по изучению теоретического лекционного материала и
итогам самостоятельной работы; контроль выполнения этой работы
предусмотрен в начале каждого лекционного занятия по данной
дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины и не рассмотренных на лекциях
предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых
выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль
выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках
промежуточного контроля по данной дисциплине;
- выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического
характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины
предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на
лекциях; предусматривается письменное выполнение этой самостоятельной
работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением;
контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен при
завершении изучения дисциплины по представленному в печатном виде
отчету по этому виду самостоятельной работы;
Список контрольных вопросов по освоению основных понятий и
положений дисциплины
1. Охарактеризуйте основные типы датчиков, используемых в медицине и
биологии.
2. Дайте определение величинам: погрешность преобразования, точность
и диапазон, порог чувствительности.
3. Измерительные цепи прямого и уравновешивающего преобразования.
4. Охарактеризуйте устройство и основные параметры электродов
электрокардиографов и электроэнцефалографов, металических и
стеклянных электродов для регистрации внутриклеточных и
мембранных потенциалов.
5. Резистивные датчики.
7
6. Полупроводниковые фотопреобразователи и их использование в
медицинской аппаратуре.
7. Охарактеризуйте области применения термодатчиков в медицине.
8. Пьезоэлектрические преобразователи: принцип действия, конструкции,
типовое применение в терапевтической и диагностической аппаратуре.
9. Получите основные соотношения, характеризующие действие
обратных связей на параметры измерительного усилителя.
10. Опишите устройство и применение измерительных модуляторов и
демодуляторов.
11. Приведите и объясните типовые схемы фильтров в аппаратуре
биомедицинского назначения.
12. Охарактеризуйте основные схемы построения генераторов.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Медицинская электроника»
а) основная литература:
1. М. Джонс. Электроника - практический курс.(A Practical Introduction to
Electronic Circuits). Серия: Мир электроники, Издательство: Техносфера, 2006
г., 512 стр.
2. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных
устройств. М: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005, 525 с.
б) дополнительная литература:
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, в 2 Т. , Т. 2., - М: Мир,
1986, 590с.
2. Электрическая схема регуляции процессов жизнедеятельности.-М.:МГУ,
1992.
3. Плонси Р., Барр Р. Биоэлектричество: Количественный подход .- М.:Мир,
1992.
4. Электрический импеданс биологических тканей .- М.:ВЗПИ, 1990.
5. Микрокомпьютеры в физиологии - М.:Мир, 19990.
6. Илюшов Г.С., Чагиров Б.И. Основы конструирования электронной
медицинской техники. - С-Петербург, ЛЭТИ,1994
7. Бриндли К. Измерительные преобразователи М.: Энергоатомиздат, 1991.
8. Ревин Т.В., Кострикин А.М. Метрология и змерительная техника:
Генераторные и измерительные преобразователи. - М.:Минск, 1994.
9. Логика и клиническая диагностика. - М.:Наука, 1994. 9. Самойлов В.О. и
др. Низкочастотная биоакустика. - С-Петербург, 1994
10. Зима В.Л. Биофизические методы исследований: Электроника и
электробиофизика. - Киев, 1990.
8
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Медицинская электроника»
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет,
специализированное программное обеспечение для выполнения
практических работ.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика и
профилю подготовки Медицинская фотоника.
Автор:
профессор кафедры оптики и биофотоники,
д.ф.-м.н., профессор
Д.Э. Постнов
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 24 января 2011 года, протокол № 1/11.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
9