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生物医学测量技术范文1
【关键词】计算机技术 生物医学 心电监护 应用
计算机技术在生物医学领域中的广泛应用逐渐成为必然趋势，能够及时完成医学图像的生成与处理、生物信号的测量及传输等工作。在心电监护中的应用则是通过计算机技术处理生物信号，从而及时有效的对检测结果处理并分析，同时针对患者的病情快速诊断，有助于提高治疗效率，特别是在远程心电监护领域中的应用前景十分广阔。
1 计算机技术在生物医学领域的应用分析
1.1 控制与测量
计算机技术属于现阶段生物医学中的重要技术，通过计算机可以对人体的生命特征作出生物量、化学量及物理量等多方面的检测与分析。计算机的控制技术在生物电子学中的发展值得关注，最具代表性的就是生物传感器的研究，现阶段已经向着微型化与集成化的方向发展；同时还包括对微弱生物信号的检测、抗干扰的研究、植入式测量与控制系统的研究、生物遥测与遥控技术的研究等。
1.2 成像与处理
伴随着新型计算机的出现，X-CT的问世象征着电子计算机技术和传统医疗技术的相互融合，由此推动了现阶段医学领域影像诊断技术发生的革命性变革。生物医学图像成像技术包含着电阻抗断层成像技术、电生理成像技术、光学CT、三维图像分析等。
1.3 监护与监测
监护系统主要是由传感器、信号处理器及诊断与治疗系统组成，其中也有相应的记录报警装置。计算机检测系统可以把对患者的部分信息参数提供给医生，使他们获取到相应的医疗方案，并以此作为重要的依据。监护技术中涉及到医学微弱信号的检测与提取技术、信号的处理与特征提取技术、医学信号的综合分析技术。
1.4 生物芯片
生物芯片在二十世纪八十年代提出，最初的定义为分子电子器件。主要是将生物的活性分子和有机功能分子组建出的微小单元实现对生物信息的收集、存储和分析的生物计算机。在二十世纪九十年展迅速，生物芯片可以汇集大量的信息资料，从而进行生化反应，对蛋白分子、活体细胞等进行分析并处理。
1.5 微型医疗器械
微型医疗器械主要是以毫米为测量单位，此类设备用于清除动脉阻塞，可以及时杀死癌细胞，对体内病变进行监视等，比如水槌式微型机械、微型镊子及二极管激光等。
2 计算机技术在心电监护中的应用分析
心电信号是人类最早研究并应用至临床医学上的生物电信号，因此属于当前生物医学领域中重要的研究对象。当前，心电监护系统的要求不仅仅停留于显示病人的心电波形，更加关注的是通过计算机的处理和分析功能，有效的整合各种生理参数的检测结果，让医务人员及时的作出相应判断，对心电监护的实时性与有效性理智分析，从而提升准确的分析能力，让计算机技术为处理核心的多种心电监护仪器成为研究重点。
2.1 分类
远程心电监护就是利用计算机技术、通信技术及电子技术等实现心电图的监测，从发展历程上分析，远程心电监护系统包含着Holter系统、TTM系统、心电遥测监护系统。其中，心电遥测监护系统能够提升检测的实时性，但是会抑制病人的某些活动，并且难以进行长时间的监护。即便心信号可以实时的反映到遥测分析系统中，但是受到通讯、医疗电子仪器广泛应用的影响，使其抗干扰能力较差。
2.2 模式
当前，无线遥测心电监护主要是建立在红外、GSM及GPRS等无线模式上，伴随着移动通信技术的蓬勃发展，实现了人们大范围的通讯便利，建立在移动通信技术基础之上的远程无线心电监护也备受关注，成为了当前远程心电监护系统的研究重点，特别是目前第四代移动通信技术的发展。建立在GSM移动通信网GPRS功能的远程移动心电监护系统，可以及时对心电信号进行监测，同时还能实现网络共享，体现出良好的临床应用价值。
2.3 问题
现阶段，无线遥测心电监护虽然具备良好的应用前景，但是存在的诸多问题不容忽视。比如，对于某些具有突发性和危险性的心脏病患者，系统的时效性发挥不明显，导致救护不及时。这就需要系统具备最基本的实时自动分析功能，严格杜绝漏检、误判等弊病。伴随着科学技术的进步与发展，医学技术也在进一步提升，无线遥测产品的市场前景良好，因此无线遥测技术成为了监护产品竞争中的重要因素。应该采取先进的无线射频技术，通过开放统一的网络传送病人的相关信息，在保障性能的同时，提升系统的通用性、兼容性、抗干扰性，由此推动远程监护、远程医疗的应用。新型的嵌入式系统实现了先进计算机技术与心电监护的融合，在软硬件的高效设计下，提升了系统的便捷性、高性能，适合用于对成本、功耗、体积等方面严格要求的便携式无线遥测监护设备，在现代社会，逐渐成为便携式多参数监护仪应用领域中的研究重点。
3 结语
计算机技术在当代生物医学和心电监护中的应用前景良好，大大提升诊疗效率的同时，满足了当前对于实时性的需要。伴随着计算机技术的蓬勃发展，生物医学和心电监护更好的迎合了时代的发展需求，通过嵌入式、无线通信技术、网络技术等支撑作用，促使未来监护系统的市场主流向着模块化、网络化、人性化的方向发展。
参考文献
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生物医学测量技术范文2
在教育部《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》颁发后，全国掀起了深化本科教学改革的热潮。但受原有教学模式和传统教育观念的影响，长期以来《生物医学电子学》的课堂教学主要采取自下而上的教学模式，即从运算放大器的工作原理开始，然后利用这些运算放大器构建一些基本电路，分析这些基本电路的功能，最后给出这些电路的应用例子。但在这种教学模式中学生的学习是被动的，因此需要教师在课程内容和讲授方法上进行改革。近年来，我们课程组采用自上而下的教学方法，增强实验课内容，改革实验考试方法，充分调动学生学习的积极性，使学生主动掌握如何设计具体电路，同时更早开始设计实用电路。本教学改革旨在把学生融入有意义的任务完成的过程中，让学生积极地学习、自主地进行知识建构，增强学习兴趣。
1教学内容改革
《生物医学电子学》的开设时间通常是在大三第二学期或大四第一学期，学生已经学完了《电路分析》、《信号与系统》和《模拟电子技术》等课程。《生物医学电子学》既是电子学的后续和提高课程，又为今后能更好地从事生物物理学和生物医学仪器设计的研究打下技术基础。我们使用的教材主要有《MedicalInstrumentation:ApplicationandDesign》，1997;李刚等编著的《现代测控电路》;蔡建新，张唯真编著的《生物医学电子学》，1997。本课程的主要内容包括:生物医学信号测量的特殊性及基本条件，信号的检测、处理、变换和传输的基本理论与方法，涉及的电子电路以半导体集成电路为主，注重新型、实用及通用性。通过学习，让学生较深入地理解电子测量的基本概念、以及解决问题的基本思想方法，逐步掌握测量电路的设计。本课程的理论课共54学时，以生物电信号源为起点，分别介绍生物电检测的基本方法，生物电信号放大、隔离、滤波和射频传输中的基本理论与方法，使学生能使用放大器和模拟电子学设计我们要实现的系统功能。
我们采用自上而下的讲课方法，即先从整体考虑:系统的测量的精度与性能、被测量的量、被测量信号的大小与频率。然后是测量系统的使用条件和所具有的功能，如信号的显示、记录、存储及其它一些功能。再以信号增益和误差分配，来确定前向信号通道(即从传感器到模数转换器的模拟信号放大、处理部分电路)所需信号放大、滤波或变换电路的级数，各级的增益，滤波器的阶数、形式和截止频率等。最后确定各个组成部分的具体设计要求。在第一节课上，我们将从心电，血压到超声，CT仪器，再到医院实验室仪器和治疗仪器的实际电路图给学生看，找出仪器电路的共同点，得出一般仪器的一般框架。在此基础上，将医学仪器的一般框架与整个课程即将讲授的内容逐一联系起来，让学生从整体上知道学习的内容和目的。针对每一章，我们也是从一个生理量测量开始，提出技术指标和原始设计要求，然后逐渐过渡到与实际医学仪器中相关的电路。与此同时，结合各类大学生电子竞赛题目，组织学生设计能实现不同功能的集成运算放大器电路，给他们提供开放实验室，让学生通过实验过程，将理论知识转化为实践技能，有利于知识的巩固与吸收。
2实验改革和手段创新
2．1实验教学改革
生物医学电子学实验课是为了配合生物医学电子学理论课而设置的，实践性较强。实验室是高等学校教学和科研的重要基地，高校的实验教学与实验室建设工作是衡量高校办学实力和人才培养质量的重要标志。过去的实验课，采用电子实验箱，任课教师在课前把仪器设备及元器件准备好，学生做实验就是依照实验手册在实验箱面板上插线，根本看不到电路，学生处于被动地位。采用实验箱在学生不断增多情况下，不仅增加教学经费和占用空间，学生也依赖于实验室。改革后的实验课由三部分组成，一部分是用Mutisim(一个能Windows下运行的专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件)仿真，另一部分是实验箱实验，最后一部分是课程设计，即综合性设计实验。随着计算机技术的发展，一部分实验采用国际流行的电子辅助设计软件———美国国家仪器公司的Mu-tisim，它不仅是一个能在Windows下运行的专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件，也是一个能装进计算机的实验室。它具有直观的图形界面，整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。它还有来自美国模拟器件公司(AnalogDevices)、德州仪器(TexasIn-struments)和凌力尔特公司(LinearTechnologies)丰富的元器件和模块库和从数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪到逻辑分析仪高性能的测试仪器。所设计出的电路除了可用于实验室的测量之外，还可以做直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点———零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析等定量分析。Multisim不仅提供了高指标的虚拟仪器和充足的元器件资源，还弥补了因实验仪器及经费不足造成的缺憾。更为重要的是只要有一台计算机就能拥有自己的实验室，打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力，并发展自己的兴趣爱好。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的问题。学生有机会按自己的思维开展设计性实验，使他们进行研究性和探索性实验成为可能。在利用仿真软件的同时，开展实际硬件的实验。
实验室资源有:42台连着计算机和测量仪表的实验台。针对有限的实验台资源，把学生分为14个小组，每组安排3人，以小组为单位进行实验并考核。课程组教师同时担任着每个小组的实验导师，学生可以自由提问，教师负责指导他们测量问题、指正错误，但不能给出设计思路和方案。通过这样与学生在实验中的接触，了解他们的水平。在实验操作中，不给出任何具体的提前写好的实验提纲，要求学生根据命题自己计划在实验中做什么。为了在实验室的时间更有效率，要求预习实验，通过仿真软件来确定设计是否正确，并在实验箱面包板上将设计图连线。在实验室没有安排固定实验时，就对学生开放，让学生可以自由准备实验。实验操作的重要环节是开展小组讨论，其目的是使学生找出课堂给出的设计问题的解决方案，以便在实验期间做好准备。约半个小时长的小组讨论主要解决以下问题:①理解题目:每位学生都要发现自己有没有不清楚和不理解的地方。②发表创造性意见:学生对问题能自由想象，展开讨论。小组中的一个人记录问题。③评估上述意见:学生把他们的观点、意见组织好，把无关的分类出来，把和问题重点相关的记录下来。④解决问题或计划如何解决问题:提出具体设计思路和实践方案。这时，课程组的教师可以帮助他们弄清或解释相关提问，但要让学生自己组织施行，只有学生太偏离目标的时候才出来指正。通过这样的实验课训练，很多本科生都利用寒暑假，备战各种电子大赛，自主设计智能模拟仪器等，在参赛的之余体会到利用运算放大器的灵活性、趣味性及优势。#p#分页标题#e#
2．2实验考核改革
在实验教学改革中，削减了验证性实验，提高综合性和设计性实验的比例［2］。为了得到更多的反馈以不断改进实验课内容，我们把传统的实验考试改为在课程学习中的三次考试。每次以提出设计问题的方式教完固定的某一模块内容后，相关的检查设计能使学生对该模块的学习有更深入的理解。比如要求学生设计一套仪器放大器，这需要学生了解ElectronicsWorkbench安装方法与运行方式电路仿真技术的基本知识;掌握集成运算放大器的主要性能参数及其含义;掌握仪器放大器的构成形式、原理、特点及其适用场合。在放大器的大致结构确定下来之后，分析仪器放大器的频率响应;在幅频特性曲线上找出设计放大器的截止频率;改编反馈电阻，观察反馈电阻对幅频特性的影响。这部分便与传统的模拟电子学课程衔接起来了，同时检查了学生对理论知识的理解和应用能力。考试内容:需要上交的一系列解决问题的方法，学生可以自己独立或者以小组为单位一起解决问题。我们分小组对每位学生都给出不同的题目，每位学生都要上交个人解决方法的电子版作业，用特定的元件性质来设计和搭建实现不同功能的测量电路。考试时以小组为单位，每个人单独汇报设计思路，监考教师和其他学生都可以对设计提问，根据学生的解答和设计来给出分数。实验课考试的总分是以上三部分考试的平均分。只有以上三部分测验都合格，才能算通过实验考试。刚开始这门课的教学改革时，不少学生第一次考试成绩都很不理想，但到学期末的最后一次考试成绩普遍都有了很大提高，说明这种改革的确提高了学生解决问题的积极性和动手能力。
生物医学测量技术范文3
关键词：生物医学；测试技术；传感器
中图分类号：O6-33；G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）49-0131-02
一、引言
面向生物医学工程专业开设《测试技术与传感器》是一门以研究自动检测系统中的信息提取、信息转换和信息处理的理论和技术为主要内容，集光、机、电于一体，综合物理、化学、生物、材料、电子、电气、计算机、机械等学科技术的实践性非常强的专业基础课。杭州电子科技大学生仪学院目前开设的《测试技术与传感器》课程的课程目的为系统论述测试系统及其基本特性；介绍测试系统中传感器的结构、基本原理和典型应用，以及传感器的发展趋势、选用原则等，它是实现测试与自动控制的重要环节，仪器专业的重要专业基础课，也是自控原理、智能仪器课程设计、虚拟仪器课程设计的基础。
二、存在问题
目前该课程的教学状况及存在的问题：（1）测试技术与传感器技术属于多学科交叉渗透课程，涉及电学、磁学、光学、化学等学科，对先修课要求较高，现有的教学内容，以教师课堂讲授为主，侧重于原理的介绍及公式的推导，学生看不见，摸不着，缺乏感性认识，容易出现枯燥、难以学好的感觉，加上很大一部分学生的学习主动性差，学习态度上不太重视，没有投入必要的精力和时间，直接影响教学效果。（2）现行传感器教材比较繁多，有的以传感器原理为主线，有的以过程参数测量为主线，但是很多教材都没有涉及新型传感器的理论知识及其应用，不利于学生拓宽知识面，不符合宽口径人才培养模式。（3）目前传感器课程的实验环节以验证性实验为主，主要使学生掌握常用传感器的使用和标定方法，以及相应传感器的测量转换电路设计。（4）课程考核方式一般是以考试为主，辅以作业、实验、考勤评价，这种考核方法很难激发学生的学习积极性和主动性，不能真实反映学生的学习能力、对知识的掌握程度及其专业应用能力。
传感课程教学方法研究大多是自动化、精密仪器专业中对该课程的教学方法研究。结合本专业优势，本文提出通过使用启发式教学、结合临床实际教学、结合多媒体等手段丰富教学方法，提高生物医学传感教学效果。这些方法对提高生物医学专业的传感教学提供了重要改进措施，对提高教学质量具有重要意义。改革和完善《测试技术与传感器》课程的教学模式，通过研究型教学，训练学生的高级思维能力和解决实际问题的操作能力，培养学生主动学习、独立学习与终身学习的能力，使学生具备一流大学本科生的素养，提高核心竞争力。
三、改革目标
1.本文拟从课堂教学模式、课程教材多样性模式、实验课教学模式等方面研究并探索出具有杭州电子科技大学生物医学特色的“测试技术与传感器”研究型教学模式，培养学生的高级思维能力、解决实际问题的操作能力、交流沟通能力，在大学学习结束后，离开校园和教师，具有继续自主学习的能力。
2.在以基本传感测试单元为框架的知识体系的基础上，收集整理基于生理学与工程应用或医学临床现象结合的传感学科交叉内容，为编写生物医学工程等工科专业适用的生物传感教材、论文等提供教学资料并制定教材理论体系框架。
四、具体措施
（一）课堂教学模式探索
1.教师课堂讲授重点为最核心的知识点，对具有迁移价值的学科基本原理进行阐述。讲授内容少而精，对重点、难点讲深讲透，引导学生多角度、深层次地理解基本原理，而对事实性知识点，则少讲或不讲；讲授内容宽而新，以学科的发展为大背景，了解课程基本原理在大学科中的定位，以及与学科最新发展的联系。
教学内容较多，面面俱到的教学难以完成教学任务，教学效果并不佳。根据传感检测特点和生物医学工程等相关专业的培养需要，设计该课程的课程体系以各传感器基本功能为主，尤其是电感、电容、电压、应变片、磁电式传感等章节作为教学重点和难点，其中的各个章节的应用与心电、脑电、肌电内容相关联，引入生物医学工程重要的研究领域――脑机交互，作为重点讲解；而光敏、气敏、热敏等章节内容相对简单，容易理解，不做重点讲解。因此，可据此分配授课时间，突出教学重点。
2.教师根据核心知识点，提出知识点总结分析归纳问题、实际应用相关问题等，由学生课程小组分别选择问题，课后参阅书本、资料，提出解决方案，并由课程小组代表发言，课堂展示并交流。
此外，在各个传感系统中识记结构部分内容琐碎难记，而生物医学工程专业对这部分内容的要求并不高，不要求掌握详细结构，在理解传感结构及工作原理的基础上，日后工作或科研中用到这部分内容时能够通过查阅参考书获得信息即可，课堂讲解突出章节纲要，对其中涉及的工程应用现象补充材料介绍。
3.课堂教学中，教师讲述研究课题开题报告基本格式及其具体实例，由学生自我提出学科感兴趣的实际问题，参阅相关资料和解决方法，模拟写作研究课题开题报告。为更好地服务于生物医学工程专业的学科交叉特点，在生物医学传感的教学过程中注意整理、添加与工程应用和医疗仪器的内容。比如，在讲解压电传感基础上增加相关的医疗应用讲解，如人工瓣膜、血压监测计等器件的工作原理内容；在讲解电感基础上，增加当前无创呼吸电感检测的原理等介绍，这些内容对激发学生兴趣、启发学生的创新思维具有重要作用。然而，这部分内容还比较零散，没有形成良好的体系，此外，目前还没有专门适用于生物医学工程等工科专业的生物传感生理学教材。在讲解医疗方向的应用时，要注意资料的收集、整理和系统化，不仅可以很好地服务于生物医学工程等专业的培养要求，还将对编写工科专业专用的生物医学传感教材提供课程资料和理论框架。
4.课程教材模式探索。课程教材采用开放性体系，教师围绕教学目标研读现行的先进教材的基础之上，为学生推荐至少2本以上国内外先进教材，包括英文原版教材，对应于不同核心知识点，引导学生学会知识点的寻找、分析、归纳、比较，并利用各种国内外文献网络进行最新相关进展的补充和学习。引导学生尽可能或完全避免学一门课程只读一本书的现象。
在课堂教学中，除了使用多媒体和板书进行理论教学之外，还有意识地利用网络公开课等引导学生的自主学习。在我校图书馆的视频资源中有国内外著名大学的视频公开课，利用这些强大的网络资源可以弥补课时少、课程任务重的矛盾。比如，在该课程教学中，原理介绍部分占课时较少，在对重点器件结构和系统课堂讲解的前提下，其中一些具体的设计内容布置给学生自学。除了缓解课时不足的矛盾，网络课程资源还可补充教学内容，加深学生对知识的理解。
教师发展学习平台中的相关传感课程讲述，由经验丰富的名师授课，通过网络观看可加深对理论学习的印象，还可激发学生的学习兴趣。不仅丰富了学生的学习资源，更重要的是，在这种教学过程中，向学生示范了资料收集和获取信息的方法，提高了学生自主学习的能力。
（二）实验课教学模式探索
1.基础性实验：围绕测试技术与传感器的核心知识点，掌握传感器的基本原理及信号检测，这类实验主要属于验证性实验。
2.综合性实验：模拟生产或生活实际中的某一具体项目开展，学生可根据被测对象的不同选择各自合适的传感器，实验室配备电压表、电流表、指示灯、蜂鸣器、计数器等设备，用于学生自行完成线路的连接，也可根据学生的具体情况拓展知识点，综合性实验可在做的过程中让学生将学到的理论知识贯穿起来，整个项目采用3～4人为一小组的团队形式，以学生为主体，教师可适时地进行引导，循序渐进地实施项目，完成知识、技能和相关能力的学习。
3.提高性实验：对于提高阶段，我们将尝试结合虚拟仪器实验平台，虚拟仪器技术是仪器智能化发展的一个重要方向。我们增设实验内容要求学生采用软件LABVIEW或VB、VC等作为开发工具，设计直观友好的用户交互界面。如有可能还可根据检测分析的结果产生相应的输出控制信号。
4.除了实验教学，在与医疗仪器相关的脑机交互研究方面还可成立大学生科研活动小组，开展多种课外科技活动。其中申请者是该科研活动小组的指导教师之一。结合该课程的教学改革，拟吸收对生物医学方向感兴趣的同学加入，主要以观摩实验和学习实验方法为主，在活动参与中激发学生专业兴趣、促进专业学习。
五、总结
本文针对面向生物医学工程专业开设的《测试技术与传感器》课程当前存在的问题，结合生物医学专业学科交叉特色，提出了相应的改革目标和措施，使学生能自主使用各种通用传感和专用医疗仪器平台，灵活选择信号分析方法，加强对仪器平台分析的能力和对结果的理性认识，发挥该课程的实践性优势。通过施行开放式的《测试技术与传感器》课程教学模式改革，注重实验知识的延伸，完善考核制度等改革措施，最大程度地增强学生的自主性与参与性，培养社会需要的创新型、应用型、复合型、外向型的“医工结合”型储备人才。
参考文献：
[1]杭州电子科技大学教务处.生物医学工程专业及医学信息工程专业培养计划[Z].杭州电子科技大学本科专业培养计划，2011.
生物医学测量技术范文4
关键词：生物医学工程；计算方法；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）22-0119-02
一、引言
《计算方法》综合了计算数学和计算机科学相关知识，具体研究利用计算机解决数学问题的相关理论和相关方法。该课程作为我校生物医学工程专业本科学生的课程，目前仅有理论教学环节，教学效果有待提高。本文结合生物医学工程专业特点，基于我院在医学影像成像方法的研究成果，借助我校信息学科与计算机学科的优势，对《计算方法》课程教学改革进行探讨。将《计算方法》课程的理论知识应用于医学成像中，包括CT成像、近红外光学成像和光致超声成像等，以期摸索出适合生物医学工程专业学生的《计算方法》实验教学体系，培养知识与能力并重、理论与实践兼顾的创新型生物医学人才。
二、计算方法课程特点及教学存在的问题
随着科学技术特别时计算机科学与技术的高速发展，科学计算已成为继理论分析、实验研究之后的第三种科学研究手段。计算方法研究利用计算机解决科学问题的相关理论和方法，是科学计算的核心。作为数学理论与工程应用之间的一个纽带，计算方法在很多学科领域发挥着重要作用，很多高校已将该课程作为学生的必修或选修基础课程。
计算方法紧密结合数学理论和计算机科学，是数学的一个重要分支，也是理工科学生一门重要的基础课程。计算方法研究利用计算机解决数学问题的相关理论和方法，强调计算机技术的实际应用和数学算法的工程实现，对学生的动手能力有较高的要求。由于与工程实践密切结合，该课程的教学必须理论与应用并重。
《计算方法》课程具有以下特点：（1）计算方法课程不仅涉及高等数学中学过的相关理论内容，而且注重运用这些理论去解决问题，而不是理论本身。它有助于加深学生对数学理论的理解和认识。（2）计算方法课程公式较多而且难记。（3）强调对计算机的使用，尤其是在计算机上借助一定的软件平台实现相关算法。
生物医学工程是一门兴起于20世纪60年代的交叉学科，涉及化学、数学、物理、药学、生物t学、电子技术、工程技术、材料、计算机技术和信息技术等众多学科及领域。该学科综合了工程学、生物学和医学的理论和方法，具有综合性强、知识结构交叉跨度大、发展速度快等特点。从事该专业的本科生不仅需要电子技术、生命科学、电子与信息科学相关的基础理论知识；而且还需具备生物医学与工程技术相结合的科学研究能力。由于生物医学工程学科知识结构的交叉性和综合性，对高校培养的该专业人才需要更高、更全面的能力素质要求。
我校生命科学技术学院将《计算方法》课程作为大三生物医学工程与生物技术专业学生的选修课，经过几年的教学，存在的主要问题如下：
1.《计算方法》课程教学内容照本宣科，与生物医学工程专业基本无联系。目前，课程教学内容与生物医学工程专业以及生命科学技术学院研究方向基本上没有联系，结合不够紧密，没有将生物医学工程专业领域涉及的科学计算学生所学专业领域科学计算问题融入教学计划和教学内容。
2.《计算方法》重点在于理论教学，对数值实验能力的强调不够。以往的教学环节中，选用的教材在内容安排上没有对数值计算过程中实验过程的描述。老师在授课过程中，忽略了学生数值实验能力的培养。实际上，这门课程不仅具有完整的理论体系，更是一门实践性很强的课程，数值实验在该课程中必不可少。
三、教学改革具体措施
针对上述问题，本文从教学内容、教学模式和考核方法等方面进行研究，结合生物医学工程专业特点，基于生命科学技术学院科研平台，加强数值实验，摸索适合生物医学工程专业学生的《计算方法》实验教学体系，培养知识与能力并重、理论与实践兼顾的创新型生物医学人才。
1.扩展《计算方法》教学内容。我校《计算方法》课程选用西北工业大学出版社出版的教材《计算方法》，教材内容包括计算误差、基于二分法和迭代法的方程近似求解、直接法和多种迭代法求解线性方程组、特征值和特征向量的计算、最小二乘法求解方程组、曲线拟合、曲线插值、以及数值积分与数值微分等，课程内容大部分涉及的都是数学理论，以及各种方法的详细推导，教材上的例子主要是简单的数学问题，与实际应用联系较小，与生物医学工程专业更是没有联系。我们在教学过程中，结合我院科研以及生物医学工程专业特点，在理论讲解与公式推导的同时，融合医学成像具体实例，让学生了解如何在本专业领域运用该课程相关知识。
2.开设《计算方法》实验教学。为提高学生动手能力，我们在经典计算方法课程内容基础上，结合生命学院科研项目，加入与生物医学工程专业相关的应用实例，例如CT图像重建，计算方法课程中的迭代法和最小二乘法均可用于CT图像重建，基于学院CT硬件系统采集的数据，结合合适的成像模型，学生上机编程完成CT图像重建。通过该实例学生不仅了解了CT成像原理，更掌握计算方法在CT成像中的应用。再例如辐射传输方程的求解问题，该问题在生物医学成像中普遍存在。辐射传输方程属于复杂的偏微分方程，在光学成像前向建模中，需要求解该方程，而计算方法课程中有一章的内容讲解偏微分方程的数值求解方法，学生可以开展基于数值方法的辐射传输方程求解。同时，我们加大编程仿真，特别要指导学生应用所学知识进行生物医学工程应用实践。
3.完善《计算方法》教学模式。《计算方法》课程的目的是让学生利用计算机，结合一定的软件工具，解决实际问题。考虑到课程特点，以及学生前期已经学习Matlab语言，我们使用Matlab软件作为计算方法的编程工具。我们在当前计算方法课程的课堂教学安排中，除了理论教学，还增加仿真实验。教师在课堂讲解时，进行详细演示，同时要求学生课后进行编程与上机。课后作业采用计算机编程完成，学生提交报告，给出程序代码以及运行结果。使学生通过仿真实验掌握计算方法中的理论知识，同时学会编程运用计算方法相关内容解决实际问题，提高动手能力。
4.改进《计算方法》考核方式。传统《计算方法》课程考核采用笔试形式，主要考查的是学生对基本知识点的掌握情况。本文改革中，我们兼顾知识与能力的评价标准考核学生学习效果。评价标准主要包括：计算方法基本理论知识、基于Matlab工具的编程仿真实现计算方法相关算法、生物医学工程实际问题解决能力。对于计算方法基本理论知识的考核，采用笔试闭卷形式；对基于Matlab工具的编程仿真实现计算方法相关算法，考核学生在计算机上利用Matlab语言编程实现误差分析、二分法和迭代法求解方程组、数据插值、数据拟合、数值积分与微分等；对于生物医学工程实际问题解决能力的考察，给出两到三个生物医学应用问题，要求学生根据现有数学模型，基于测量数据问题求解，并给出误差分析结果。总之，采用形式多样的考核方式，对学生的综合能力进行测评。
四、结语
本论文对计算方法课程改革进行了探讨，构建教学研用有机结合的计算方法教学体系。通过基础知识传授、计算机仿真实验、医学断层成像具体问题实践，建立包括基础理论――验证实验――应用实践三个层次的相互衔接的计算方法学教学体系；同时，生物医学工程专业背景下的算方法教学，融合了包括分子数学、生物、计算机与信息等多学科知识，对学生的理论、实践与应用能力协同训练与提升，为多学科交叉复合型创新人才的培养奠定基础。
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Teaching Reform of "Computational Methods" for Biomedical Engineering Students
CHEN Duo-fang
（School of Life Science and Technology，Xidian University，Xi'an，Shaanxi 710071，China）
生物医学测量技术范文5
【关键词】量子成像；单像素成像；鬼磁共振血管造影；量子光学相干断层扫描；综述
前言
生命科学的发展离不开各种成像设备和手段，图像分析从手工绘制到静态照片，再到如今的计算机（半）自动测量。今天的成像技术产生了大量的数据，需要可视化、多维度、定量和动态的图像分析。随着理论的发展和技术的进步，量子成像自20世纪90年代登上了历史舞台，伴随着其成像的高分辨率、非局域性和抗干扰性强等天然优势，在生物医学、保密通信、军事和气象等领域有着很高的应用前景。
1量子成像
1.1概念和历史
量子成像，又称鬼成像（GhostImaging）或关联成像（CorrelatedImaging），是利用辐射场的量子涨落来获取物体信息的一种非局域成像方法。典型的量子成像方式为纠缠光源符合成像，基本过程如图1所示。首先用自发参量下转换的方法制备纠缠光源，即当泵浦激光通过非线性晶体时，由于随机的真空涨落，一个泵浦光会以很小的概率劈裂为一对纠缠双光子，此过程满足能量、动量守恒，因此两光子具有时间、偏振、频率、自旋纠缠等特性。下转换光子经分束器PBS后分成两路，分别称为信号光和闲置光。待成像物体置于信号光一路，用一个无空间分辨能力的桶探测器接收；闲置光一路无待测物体，信息由可探测空间光场分布的空间探测器接收。因此，无论是信号光还是闲置光，任何一路的单独测量都无法成像，但两路的符合关联计数却能恢复物体的像。量子成像的实现归功于1956年Brown等［1］利用二阶光强干涉的方法测量双星角半径的实验，而在此之前，光的干涉都是基于相干光源的一阶干涉实验。在Brown等的实验中，干涉不再要求必须是相干光源，因此产生干涉的两束光的光程差几乎不影响测量结果，大大提高了实验的抗干扰性。1994年，Ribeiro等［2］利用纠缠光子对首次观测到非相干光源下的杨氏双缝干涉现象；Shih等［3］和Pittman等［4］观测到满足高斯成像公式的量子几何成像；随后，Strekalov等［5］实现了量子干涉和量子衍射实验；1999年，Fonseca等［6］观测到双缝的亚波长干涉现象，即干涉条纹间距为同波长相干光干涉条纹间距的一半，可见量子成像可以实现超越衍射极限的超分辨成像。以上实验都是基于纠缠光源实现的，那么“纠缠”是量子成像的必要条件吗？答案是否定的。自2002年起，随着赝热光源关联成像［7］、真实光源关联成像［8］、非相干热光场无透镜关联成像［9］和亚波长干涉［10］相继实现，经典热光场的关联成像也得以证实。人们发现关联成像不仅可以用基于纠缠光子的量子理论来解释，同时也可以用基于统计光学的经典理论来解释。
1.2单像素成像
除了基于纠缠光子对的符合计数成像和基于热光场的强度关联成像之外，另一个与量子成像密不可分的概念是单像素成像，又称计算关联成像。2008年，Shapiro［11］从理论上证实了量子成像中闲置光一路的信息可以通过对光场的计算得出，因此并不是量子成像所必须的，该理论的可行性随后得以证实［12］。计算关联成像中光源可由激光照射空间光调制器产生强度涨落光场，这一过程由计算机控制，因此闲置光一路的光强、相位等理论测量值已知，实验中无需包含空间探测器的闲置光一路，只需一个无空间分辨能力的桶探测器即可成像。将桶探测器收集到的光强信号和空间光调制器的理论数据进行符合关联运算，即可得到最终的像。单像素成像方法由于少了一路闲置光，较普通量子关联成像方法而言，实验光路更简单，因此实用性和可操作性更强。
1.3量子成像的优势
与传统成像方式相比，量子关联成像凸显出了明显的优势：（1）成像分辨率高。经典成像受限于瑞利衍射极限，而亚波长干涉现象的发现预示着量子成像可以实现超越衍射极限的超分辨成像。对于N个纠缠光源的系统，Boto等［13］于1999年证实了其在理论上可将成像分辨率提高N倍。（2）非局域成像，抗干扰能力强。首先，量子成像中“物的探测”与“像的重建”是分开进行的，并且可以用非空间探测器（桶探测器或单像素探测器）获取物体的空间信息。其次，量子成像可以实现非相干光源的相干成像，因此成像结果不受光路扰动影响，在一定程度上可以消除大气湍流和散射介质对成像的干扰，提高成像的抗干扰能力。（3）采样少，速度快，成像效率高。量子成像中的光场可以看作是服从高斯分布的随机噪声，利用压缩感知理论［14-16］，可以实现在采样数远低于奈奎斯特采样极限的情况下，以很高的概率进行图像的恢复，从而大大减少测量次数，提高成像速度，而无需像传统的成像方式那样对待测物体进行逐点全像素采样。
2量子成像的医学应用
2.1鬼磁共振血管造影
传统的磁共振血管造影是一种成熟的技术，可以精确地描绘多个区域的血管形态。为了降低背景信号，增加图像对比度和分辨率，我们通常采用加速并行处理技术，然而，若标准相控阵线圈的并行加速因子过大，则会引入严重的图像噪声。鬼磁共振血管造影是一种全新的血管成像方法，它可以用于非对比和对比度增强的血管造影技术。即使在更大的并行加速因子条件下，也可以近乎完美地对背景噪声进行抑制。三维数据集的偶数kz行用强化前的数据填充，奇数行用强化后的数据。沿kz方向的信号调制产生了一个对比度增强的血管的鬼像，这个像可以用最大强度投影来处理，并在三维空间中旋转，就像传统的磁共振血管造影一样。Edelman等［17］对6名健康受试者分两组进行扫描，成像区域从肾动脉穿过大腿上部，一组用传统磁共振血管造影，另一组用鬼磁共振血管造影。磁共振血管造影在血管醒目性和背景抑制性上都优于传统磁共振血管造影，并且可以提高扫描速度，支持更大的并行加速因子。
2.2量子光学相干断层扫描
近年来，许多非传统的量子光源已成为人们关注的焦点，但很少有实际应用出现，其中一个应用是量子光学相干断层扫描［18-19］，这是一个四阶干涉光学切片技术，利用自发参量下转换产生频率纠缠的光子对。量子光学相干断层扫描的一个典型优点是它天生不受群速度色散的影响［18］，而传统的光学相干断层扫描是一种二阶干涉测量方案，会造成群速度色散，从而降低成像的分辨率。在光学相干断层扫描的背景下，量子光学相干断层扫描在处理群速度色散和图像分辨率方面有着绝对优势。Nasr等［20］实现了量子光学相干断层扫描的第一个实验生物样本：一个涂有金纳米颗粒的洋葱表皮组织，将三维图像以不同深度的二维横截面和不同横向位置的二维轴向剖面展示出来。量子光学相干断层扫描在提高源光子通量、增强空间分辨率、缩短图像采集时间方面有着明显的优势，未来有望成为一种可行的生物成像技术。
2.3X射线量子成像
最近，X射线成功实现了量子成像，开启了X射线鬼断层摄影的可能性。单像素相机方案的成功，结合压缩感知方法，可以实现从更少的测量中产生图像，这无疑为X射线量子光学相干断层扫描提供了重要思路。可以肯定的是，X射线鬼成像可以减少辐射剂量。因为一般来说，图像质量与总流量成正比，但高能光子（如X射线）会对生物有机体造成辐射损伤，因此如何降低辐射剂量，同时保持图像质量是一个根本问题。Zhang等［21］利用桌面X射线源，用预录的一系列散斑场作为参考光信号，另一路放置待测物体，由桶探测器接收后进行计算关联成像。通过这种方法，可以成功地在超低X射线照度下，甚至在准单光子水平下，获得高质量的X射线鬼成像图像。与传统的X射线成像相比，同一辐射剂量可以获得较高的对比噪声比，因此这项新技术可以大大减少对生物标本的辐射损伤。在此之前，所有已发表的X射线鬼成像的重建都是一维的，因此探讨二维和三维的X射线鬼成像是非常有医学意义的。Kingston等［22］结合鬼成像和传统断层摄影技术，对X射线鬼断层扫描技术给出了一些建议，提供间接和直接两种方法来进行X射线量子光学相干断层扫描：（1）过滤后投影，通过重建二维鬼投影来获得三维图像；（2）同步迭代重建技术，直接从X射线的鬼断层扫描成像数据到三维重建。目前还不清楚哪种方法会在该领域的未来发展中更有效。不过在未来，基于机器学习和人工智能的改进方法会逐渐成为X射线鬼成像的重要组成部分。
2.4用单像素探测进行生物组织的透射成像
长期以来，科学家们一直关注的一个挑战是，如何清楚地看到被浑浊介质隐藏的物体，如生物组织，这对疾病的早期诊断有着重要的意义。光学方法是一个很好的候选者，具有非侵入性和快速成像的优势，并且不像电离辐射那样会造成健康风险。然而，与超声波或X射线相比，光学测量最大的问题是进入组织的穿透深度较浅。一般的解决方案是模拟漫射光子的随机传播成像技术，如多谱光声断层摄影，或者混合荧光分子断层摄影，此技术可以达到更深的穿透深度（在组织中超过1cm），但缺点是分辨率较低。Duran等［23］利用压缩感知理论对生物组织进行单像素成像，提供了一种能在散射介质中成像的新技术。在此之前，单像素成像实验都是考虑没有散射的照明传输，而在生物医学中，通过散射介质进行图像传输是至关重要的。因此需要展示一个完全嵌入在非齐次介质中的吸收物体的单像素成像。作为初步的实验，Duran等［23］为一个被若干全息扩散器隐藏的物体进行单像素成像，可见单像素成像的效果在全波段都优于传统成像。为了进一步测试在生物组织中的成像，随后扩散器被两个3mm厚的鸡胸肉所取代。对于这样的组织厚度，多重散射是最终成像结果的主要影响因素。击中目标的光线由两个叠加的部分组成：一个强大的漫射晕加上一个带有弱信号的图像。由图可见，虽然单像素成像的分辨率仍然优于传统成像方法，但是对于不同波长的光，单像素相机的效果呈现出了差异性。
生物医学测量技术范文6
【关键词】 时频分析方法 医学信号处理 应用
前言：生物系统是生物医学信号的主要来源，通过生物医学信号，生物系统中生理状态、结构状态的信息都可以显现出来，因此，生物医学信号具备很高的使用价值，不过，生物医学信号使用价值的发挥程度取决于对其分析的程度，当分析的越彻底时，使用价值越高。在对生物医学信号进行分析时，应用了时频分析方法，弥补了传统分析方法的不足，提高了分析的有效性。
一、时频分析方法概述
1、线性时频分析方法。线性时频分析方法是时频分析方法中的一种，包含短时傅里叶变换（STFT）、Gabor变换（GT）、小波变换（WT）等。在短时傅里叶变换与Gabor变换中，二者分别具备各自的定义公式，通过对二者的公式对比可以发现，当短时傅里叶变换采用Gaussian窗时，就是Gabor变换。无论是这两种变换形式中的哪种，在对信号进行分析时，均是通过单一的窗函数来实现。对于小波变换，所具备的时频局域化特征更加的明显，在利用小波变换进行分析时，与信号的本质特征基本上一致，因此，小波变换的应用前景更加的广阔。
2、时频分布。在时频分布的思想中，以时频平面为基础，通过二维分布函数的找寻，将时频平面中每个点的能量密度准确的反映出来，而且，对于一些基本性质，函数都能同时的满足。实际上，此二维分布函数是存在的，WVD就是其中典型的一种，具备非常好的数学性质。
二、视频分析方法在医学信号处理中的应用
1、在心电图（ECG）分析中的应用。对于心肌状况的诊断，需要借助ECG来实现，此种诊断方法不具备创伤性。在ECG中，包含一系列连续的PQRST波，所表示的含义是在不同的心动周期中，心肌所具备的不同状态。ECG信号的非平稳行为比较多，传统的信号分析方法无法进行准确的分析，因此，为了提升分析的准确性，应用了时频分析方法。当左、右两个心房出现激动的情况时，整个过程由P波来表示，在对P波进行检测时，困难比较大，不过在应用了时频分析方法之后，难度大大的降低。近年来，在对ECG信号进行分析时，心室晚电位越来越受到人们的关注，通过对心室晚电位的分析，能够准确的预告心律失常，因此，其临床价值非常大，由于心室晚电位的信号非常微弱，导致检测的难度比较大，不过，应用了WT方法之后，就可以较好的检测出来。2、在心音（PCGs）信号处理中的应用。通过对胸部表面的测量，就可以获知心音信息。当心动周期处于正常状态下时，心音包含两部分，分别为第一心音（S1）和第二心音（S2），当主动脉瓣膜闭合时，产生S1，当肺动脉瓣膜闭合时，产生S2。在PCGs信号中，包含的成份是比较多的，在早期的信号分析中，采用了声谱图法、谱图方法等，但是分析效果都存在一定的缺陷，不过，在应用了时频分析之后，分析效果显著的提升。在具体的PCGs信号分析试验中，试验者分别采用了WT和STFT方法来进行分析，由分析结果可知，WT所具备的分辨率更高，更加适合心音信号处理。3、在脑电图（EEG）分析中的应用。EEG包含三种类型，一种是非瞬态自发性EEG，一种是瞬态自发性EEG，还有一种是诱发性EEG。在对第一种信号进行分析时，传统的FT和线性模型法是比较适用的，不过，对于后两种方法是不适用的，对此，专家和学者展开了深入的研究。在EEG信号中，包含EP信号，EP信号的隐藏性极强，因此，在对其进行检测和分析时，难度非常大，在利用传统的同步平均法进行分析时，需要进行相应的假设，然而在进一步的验证中，发现假设成立的理由并不充分。因此，利用时频分析方法进行了研究，研究发现，此种方法是具备较高的适用性，可以进行进一步的研究。4、在胃电图（EGG）分析中的应用。慢波和尖峰波共同组成了胃的肌电活动，通过EGG信号的分析，可以更好的掌握胃电活动的规律。与ECG、EEG的信噪相比，EGG的信噪比较少，主要有呼吸声、运动声、其他肌电活动声，因此，直接解释的方法并不适用。在对EGG进行分析时，时频分析是一项非常重要工作，通过时频分析方法可以有效的对其信号进行分析。
结论：现如今，时频分析方法已经在生物医学信号分析中应用的非常广泛，除了心电图信号、心音信号、脑电图信号以及胃电图信号之外，还在肌电图信号、心率变异信号、呼吸声等多个方面的医学信号处理中有所应用。通过时频分析方法的应用，提升了医学信号处理的效果，进而有效的增强了生物医学信号的临床价值，便于医生更好的根据医学信号分析出病人的情况。在未来的生物医学信号处理中，时频分析方法将会有更加深入的应用。
参 考 文 献
[1]叶继伦，郑崇勋，郭耸峰等.一种改进的时频分布算法及其在医学信号处理中的应用[J].重庆医科大学学报，2013，12（03）：230-233.
