Виртуальные приборы обработки медицинских данных

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
"__" __________________20__ г.
Рабочая программа дисциплины
ВИРТУАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ ОБРАБОТКИ МЕДИЦИНСКИХ
ДАННЫХ
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины «Виртуальные приборы обработки медицинских данных»
Целью освоения дисциплины «Виртуальные приборы обработки медицинских данных» является изучение современного программного обеспечения и методов автоматизации научных исследований в биомедицине:
1) фундаментальные аспекты применения цифровых электронновычислительных машин для автоматизации научных исследований;
2) архитектуру и конструктивные особенности современных цифровых
электронно-вычислительных машин;
3) основы программирования и построения языков программирования;
4) интерфейс современного компьютера и особенности его взаимодействия с различными внешними устройствами;
5) особенности современного графического интерфейса пользователя и
его программирование;
6) принципы цифро-аналогового и аналогово-цифрового преобразований физических величин, устройства цифрового ввода и вывода электрических сигналов;
7) цифровые датчики изображений и особенности представления изображений в цифровой форме;
8) методы автоматизированного проектирования и оптимизации оптических систем;
9) Основы автоматизации научных исследований с использованием пакета программ National Instruments LabVIEW.
2.Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина «Виртуальные приборы обработки медицинских данных»
относится к факультативным дисциплинам ФТД1. Дисциплина «Виртуальные приборы обработки медицинских данных» в рамках учебного плана связана с дисциплинами профессионального цикла профиля «Медицинская фотоника», такими как:
 Специальный физический практикум
 Методы определения спектральных параметров биологических сред
 Спектральные методы в медицинской диагностике
 Медицинская электроника
 Параллельные вычисления в задачах клеточной динамики
 Методы регистрации электрической активности организма
 Графический интерфейс своими руками
Дисциплина «Виртуальные приборы обработки медицинских данных» призвана формировать знания в области цифровой электронно-вычислительной
техники, программирования и автоматизации научных исследований.
При изучении курса «Виртуальные приборы обработки медицинских
данных» студенты должны иметь теоретическую подготовку по следующим
разделам и темам общего курса физики: механика, электричество и магнетизм, колебания и волны, оптика, физика атома, а также математики: математический анализ, аналитическая геометрия, теория поля, теория вероятности
и теория случайных процессов.
Студенты должны иметь навыки самостоятельной работы с учебными
пособиями и монографической учебной литературой, умение решать физические задачи, требующие применения дифференциального и интегрального
математического аппарата, умение производить приближенные преобразования аналитических выражений (для решения оптических задач, важно подчеркнуть, это умение имеет особое значение). Также студентам необходимы
навыки работы на персональном компьютере с математическими пакетами
программ (MatLab, MathCad), графическим (например, Microcal Origin) и текстовым (например, Microsoft Word) редакторами, иметь навыки работы на
физических экспериментальных установках, умение оформления результатов
экспериментов с использованием графического материала и с оценкой погрешностей измерений.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Виртуальные приборы обработки медицинских данных»
- способностью адаптироваться к изменению научного и научно- производственного профиля своей профессиональной деятельности, к изменению
социокультурных и социальных условий деятельности (ОК-7);
-
способностью к коммуникации в научной, производственной и социальнообщественной сферах деятельности, свободное владение русским и иностранным языками как средством делового общения (ОК-8);
-
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);
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать:
 фундаментальные
аспекты
применения
цифровых
электронновычислительных машин для автоматизации научных исследований;
 архитектуру и конструктивные особенности современных цифровых электронно-вычислительных машин;
 основы программирования и построения языков программирования;
 интерфейс современного компьютера и особенности его взаимодействия с
различными внешними устройствами;
 особенности современного графического интерфейса пользователя и его
программирование;
 принципы цифро-аналогового и аналогово-цифрового преобразований физических величин, устройства цифрового ввода и вывода электрических
сигналов;
 цифровые датчики изображений и особенности представления изображений в цифровой форме;
 методы автоматизированного проектирования и оптимизации оптических
систем;
 основы автоматизации научных исследований.
•Уметь:
 применять цифровые электронно-вычислительных машины для автоматизации научных исследований;
 эксплуатировать современные цифровые электронно-вычислительные
машины;
 программировать с использованием современных языков программирования;
 организовать взаимодействие компьютера с различными внешними
устройствами;
 программировать современный графический интерфейс пользователя;
 грамотно использовать принципы цифро-аналогового и аналоговоцифрового преобразований физических величин;
 регистрировать оптическим изображения при помощи цифровых датчики
изображений;
 организовать автоматизированное проектирование и оптимизацию оптических систем;
 использовать современные информационные технологии для автоматизации научных исследований.
•Владеть:
 фундаментальными аспектами применения цифровых электронновычислительных машин для автоматизации научных исследований;
 навыками
применения
современных
цифровых
электронновычислительных машин;
 основами программирования;
 навыками использования интерфейса современного компьютера для организации взаимодействия с различными внешними устройствами;
 навыками проектирования графического интерфейса пользователя;
 методами ввода и вывода электрических сигналов;
 навыками обработки изображений в цифровой форме;
 методами автоматизированного проектирования и оптимизации оптических систем;
 навыками автоматизации научных исследований.
4. Структура и содержание дисциплины «Виртуальные приборы
обработки медицинских данных»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единиц 108
часов.
№
п/п
Раздел дисциплины
Семестр
Неделя
семестра
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и трудоемкость (в часах)
Лекц.
1
2
3
4
5
6
7
Введение
Основы цифровой вычислительной
техники
Интерфейс и
программирование
Цифроаналоговые и
аналоговоцифровые
преобразователи
Цифровые
датчики оптического
изображения
Системы
сбора данных
и виртуальные приборы
Программирование в
среде National Instruments
LabVIEW
Итого
Практ.
Самост.
2
2
1
3
1
1
–
8
–
5
2
5
1
8
5
2
7
1
8
10
2
9
2
7
10
2
11
1
7
10
2
13
2
7
20
9
45
54
Лаб.
Формы текущего контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Формы промежуточной аттестации (по семестрам)
УО-1
ПР-2
УО-3
Содержание дисциплины «Виртуальные приборы обработки медицинских данных»
Основы цифровой вычислительной техники
1. Цифровые электронно-вычислительные машины в современной науке и
технике. Применение ЭВМ в оптических исследованиях и конструировании
оптических приборов.
2. Двоичная система счисления. Представление двоичных чисел в памяти
ЭВМ. Арифметические операции с двоичными числами.
3. Двоичная логика. Логические операции. Логические элементы. Двоичный
сумматор.
4. Элементы ЭВМ. Триггер. Регистр. Память. Сдвигающий регистр. Дешифратор.
5. Структура и принцип действия микропроцессора. Основные команды
микропроцессора.
Интерфейс и программирование
6. Элементарные операции с данными. Программа. Подпрограмма. Операции ветвления. Цикл.
7. Ассемблер. Языки программирования. Объектно-ориентированное программирование.
8. Работа компьютера с внешними устройствами. Организация интерфейса.
Прерывания
9. Интерфейс пользователя. Устройства ввода-вывода информации. Графический интерфейс пользователя и его особенности.
Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи
10. Представление физических величин в цифровой форме. Квантование и
дискретизация сигналов. Ошибки и потеря информации при аналоговоцифровом преобразовании.
11. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Суммирование токов и масштабирующие резисторы. Интегрирующие ЦАП.
12. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП параллельного кодирования. АЦП последовательных приближений. Преобразование напряжения
в частоту. Интегрирующие АЦП. Дельта-сигма преобразователи.
13. Основы цифровой обработки сигналов.
Цифровые датчики оптического изображения
14. Представление изображения в цифровой форме. Разрешение, количество
каналов и глубина цвета. Особенности дискретизации и квантования изображений.
15. Полупроводниковые датчики оптических изображений. Датчики с активными пикселями и на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью.
16. Датчики цветного изображения.
17. Основы цифровой обработки изображений.
Системы сбора данных и виртуальные приборы Постановка задачи при
оптимизации оптических систем
18. Способы получения исходной системы для последующей оптимизации
19. Выбор корригируемых функций и коррекционных параметров.
20. Особенности проектирования виртуальных приборов
Программирование в среде National Instruments LabVIEW
21. Среда программирования LabVIEW 8.5. Особенности графического программирования.
22. Основные функции с среде LabVIEW.
23. Работа с файлами и массивами. Графическое отображение информации.
24. Программирование интерфейса пользователя. Событийно ориентированное программирование.
25. Цифровая обработка сигналов и изображений.
26. Управление внешними устройствами.
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Виртуальные приборы обработки медицинских данных» используются следующие виды учебных занятий: лекции,
консультации, контрольные работы, самостоятельные работы.
В рамках лекционных занятий предусмотрены активные формы учебного процесса: разбор конкретных ситуаций, натурные демонстрации и обсуждение наблюдаемых оптических явлений и эффектов, компьютерные демонстрации с использованием современных цифровых систем изобразительной техники.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
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, нерассмотренных на лекциях;
- выполнение комплекса заданий теоретического характера, расчетных и
графических по всем разделам дисциплины;
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения этой
работы предусмотрен на практических занятиях по данной дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных
в программе дисциплины и нерассмотренных 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 – экзамена 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;
Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
«Виртуальные приборы обработки медицинских данных»
а) Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля
1. Цифровые электронно-вычислительные машины в современной науке и
технике.
2. Применение ЭВМ в оптических исследованиях и конструировании оптических приборов.
3. Двоичная система счисления.
4. Представление двоичных чисел в памяти ЭВМ.
5. Арифметические операции с двоичными числами.
6. Двоичная логика. Логические операции. Логические элементы.
7. Двоичный сумматор.
8. Элементы ЭВМ.
9. Триггер
10. Регистр. Память.
11. Сдвигающий регистр.
12. Дешифратор.
13. Структура и принцип действия микропроцессора.
14. Основные команды микропроцессора.
15. Элементарные операции с данными.
16. Программа.
17. Подпрограмма.
18. Операции ветвления.
19. Цикл.
20. Ассемблер. Языки программирования.
21. Объектно-ориентированное программирование.
22. Работа компьютера с внешними устройствами.
23. Организация интерфейса. Прерывания
24. Интерфейс пользователя. Устройства ввода-вывода информации.
25. Графический интерфейс пользователя и его особенности.
26. Представление физических величин в цифровой форме.
27. Квантование и дискретизация сигналов. Ошибки и потеря информации
при аналогово-цифровом преобразовании.
28. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
29. Суммирование токов и масштабирующие резисторы. Интегрирующие
ЦАП.
30. АЦП параллельного кодирования.
31. АЦП последовательных приближений.
32. Преобразование напряжения в частоту.
33. Интегрирующие АЦП.
34. Дельта-сигма преобразователи.
35. Основы цифровой обработки сигналов.
36. Представление изображения в цифровой форме. Разрешение, количество
каналов и глубина цвета. Особенности дискретизации и квантования изображений.
37. Датчики изображения с активными пикселями.
38. Датчики изображения на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью.
39. Датчики цветного изображения.
40. Основы цифровой обработки изображений.
41. Постановка задачи при оптимизации оптических систем.
42. Способы получения исходной системы для последующей оптимизации
43. Выбор корригируемых функций и коррекционных параметров.
44. Особенности автоматизированного проектирования различных оптических систем
45. Особенности графического программирования в среде программирования
LabVIEW 8.5.
46. Основные функции среде LabVIEW.
47. Работа с файлами и массивами. Графическое отображение информации.
48. Программирование интерфейса пользователя. Событийно ориентированное программирование.
49. Цифровая обработка сигналов и изображений.
50. Управление внешними устройствами в среде LabVIEW.
б) Контрольные вопросы и задания для промежуточной аттестации по итогам
освоения дисциплины
1. Цифровые электронно-вычислительные машины в современной науке и
технике. Применение ЭВМ в оптических исследованиях и конструировании
оптических приборов.
2. Двоичная система счисления. Представление двоичных чисел в памяти
ЭВМ. Арифметические операции с двоичными числами.
3. Двоичная логика. Логические операции. Логические элементы. Двоичный
сумматор.
4. Элементы ЭВМ. Триггер. Регистр. Память. Сдвигающий регистр. Дешифратор.
5. Структура и принцип действия микропроцессора. Основные команды
микропроцессора.
6. Элементарные операции с данными. Программа. Подпрограмма. Операции ветвления. Цикл.
7. Ассемблер. Языки программирования. Объектно-ориентированное программирование.
8. Работа компьютера с внешними устройствами. Организация интерфейса.
Прерывания
9. Интерфейс пользователя. Устройства ввода-вывода информации. Графический интерфейс пользователя и его особенности.
10. Представление физических величин в цифровой форме. Квантование и
дискретизация сигналов. Ошибки и потеря информации при аналоговоцифровом преобразовании.
11. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Суммирование токов и масштабирующие резисторы. Интегрирующие ЦАП.
12. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). АЦП параллельного кодирования. АЦП последовательных приближений. Преобразование напряжения
в частоту. Интегрирующие АЦП. Дельта-сигма преобразователи.
13. Основы цифровой обработки сигналов.
14. Представление изображения в цифровой форме. Разрешение, количество
каналов и глубина цвета. Особенности дискретизации и квантования изображений.
15. Полупроводниковые датчики оптических изображений. Датчики с активными пикселями и на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью.
16. Датчики цветного изображения.
17. Основы цифровой обработки изображений.
18. Постановка задачи при оптимизации оптических систем.
19. Способы получения исходной системы для последующей оптимизации
20. Выбор корригируемых функций и коррекционных параметров.
21. Особенности автоматизированного проектирования различных оптических систем
22. Среда программирования LabVIEW 8.5. Особенности графического программирования.
23. Основные функции с среде LabVIEW.
24. Работа с файлами и массивами. Графическое отображение информации.
25. Программирование интерфейса пользователя. Событийно ориентированное программирование.
26. Цифровая обработка сигналов и изображений.
27. Управление внешними устройствами в среде LabVIEW.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Современная микроскопия в биофизических исследованиях»
а) основная литература:
1. Бройдо, В. Л., Ильина, О.П., Архитектура ЭВМ и систем : учеб. для вузов .
– 2-е изд. М.; СПб. [и др.]: Питер, 2009. – 720 с.
2. Антонова, Г. М., Байков, А. Ю., Современные средства ЭВМ и телекоммуникаций, М.: Изд. центр "Академия", 2010. – 141 с.
3. Левин, А.Ш. Самоучитель работы на компьютере. Начинаем с Windows,
М.; СПб. [и др.]: Питер, 2005. – 717 с.
б) дополнительная литература:
4. Богачёв, К.Ю. Основы параллельного программирования. М.: БИНОМ.
Лаб. знаний, 2003. – 342 с.
5. Ишин, С.А., Соловьев, Ю.В. Логические элементы. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001. – 27с.
6. Каймин, В.А. Информатика: М.: Инфра-М. 2002. – 271 c.
7. Пантелеев,
В. Г. Егорова, О. В. Клыкова, Е. И. Компьютерная микроскопия, М. : Техносфера, 2005. – 303 с.
8. Розеншер Э. Оптоэлектроника. М: Техносфера. 2006. – 588 с.
9. Ратхор Т.С. Цифровые измерения. АЦП/ЦАП. Техносфера. 2006. – 350 c.
10.Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов, М: СПб Питер. 2007. – 750
с.
11.Цифровая обработка сигналов и изображений / под ред. В.И. Кравченко
М: ФИЗМАТЛИТ 2007-544 с.
12.Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М: Техносфера.
2009 – 855 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Программное обеспечение National Instruments LabVIEW 8.5 Professional Development system.
Учебные и учебно-методические материалы, размещенные на сайте кафедры
оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г.
Чернышевского http://optics.sgu.ru/library/education
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Виртуальные приборы обработки медицинских данных»
Доска, мел/маркеры, компьютер, мультимедийный проектор, ПЗС-камера.
Оборудование для лабораторных работ:
1. Компьютер персональный – 10 шт.
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 к.ф.-м.н., доцент
Федосов И.В.
Программа одобрена на заседании кафедры Оптики и биофотоники
от 14 января 2011 года, протокол № 1/11
Зав. кафедрой оптики и биофотоники
д.ф.-м.н., профессор
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин