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摘要:“生物医学传感器与检测技术”是江苏大学生物医学专业的主干专业课程,该课程跨学科,将生物医学原理与检测技术有机融合在一起,存在理论性强、内容抽象等特点,不利于学生理解掌握、实际应用。本文从实验方法、手段等方面介绍了江苏大学生物医学专业心电信号检测实验教学的改革,改革效果表明学生不仅对实验产生了浓厚的兴趣,而且能更好地将生物、电子等专业知识融合在一起。
关键词:生物医学;心电检测;实验教学;电子技术
作者简介:沈敏(1972-),女,江苏姜堰人,江苏大学电气信息工程学院,助理研究员,江苏大学电气信息工程学院博士研究生,主要研究方向:计算机检测与无线传感网络;温军玲(1975-),女,河北保定人,江苏大学电气信息工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:生物医学检测、自动化控制。(江苏 镇江 212013)
21世纪是生命科学与医学的世纪,医学研究、临床医疗等离开了检测寸步难行,生物医学传感器与检测技术是现代生物与医学发展的重要手段和工具,作为一门医、工结合的新兴交叉学科,“生物医学传感器与检测技术”理论性强、内容抽象,必须加强实验教学,才能提高学生的动手能力与专业水平。[1]
“生物医学传感器与检测技术”关于人体生物电检测方面的实验主要有心电、脑电、肌电、眼电等,传统的实验模式主要是让学生正确使用电极、仪器设备和相关的应用软件等进行测量,得到实验数据。这种以测量为主导的验证性实验,与温度、湿度、压力等信号检测的方法大同小异,一方面,学生在做完实验后,往往只得到了一批数据和图像,无法进一步巩固所学的生物医学原理、电子技术等专业知识;[2]另一方面,由于在实验过程中,学生只要学会使用仪器设备和相关的应用软件就可以了,做完实验后往往没有对生物电信号的特点留下深刻的印象,并且现成的黑箱子一般的仪器设备,就像傻瓜机一般,学生不需扎实掌握相关仪器设备专业知识就能学会使用,不利于激发学生的主动性与开创性。
为此,江苏大学电气信息工程学院生物医学专业以心电信号的检测为开端,对生物电信号检测的实验教学方法进行了改革。除了传统的验证性实验,还开发了对比的综合设计实验,使学生不仅能够掌握心电信号的检测方法,而且还学会设计开发其检测电路,并且在解决问题时巩固了所学的专业知识。
以下从实验方法、手段等方面介绍心电信号检测实验教学的改革。
一、心电信号的特点
无论是对心电信号进行检测,还是开发设计其检测仪器,均需紧密联系心电信号的特点。
心电信号的频带范围为0.1～200Hz,主要在低频和超低频范围内,且频带较宽;电压范围为100μV～2mV,信号微弱,所以,要提取生物信号,必须经过一定的放大处理。由于普通电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压,为了使数微伏级的生物电信号不被噪声淹没,放大器的前级必须选用高质量的电阻、电容,低噪声的场效应管;阻抗范围为1～30KΩ,阻抗很高,所以,心电信号是高内阻的弱信号源,其前置级放大器必须具有高输入阻抗。
此外,由于人体携带有工频及其他生活干扰源,其阻抗的不平衡会造成共模输入转化为差模输入,造成干扰,要求高共模抑制比CMRR(60～100dB)的前置放大器,放大倍数稳定、均匀,具有良好的线性,电源输出稳定等。
二、心电检测验证性实验教学效果简介
澳大利亚埃德公司的POWERLAB实验箱配套有多种生物信号检测的放大设备及配件,如电极夹、导联、呼吸绑带、血压计、脉搏计等。心电检测验证实验方法为:用导联、电极拾取人体心电信号,将信号接到POWERLAB实验箱配套的检测设备心电检测通道上,该检测设备通过USB接口与电脑连接,设置好配套应用程序chart5 for Windows的采样参数,启动后,则chart5 for Windows自动采样,就可以得到心电通道的数据及图形。
这个实验使学生掌握了心电信号的检测方法和步骤并且巩固了心电图理论知识,主要有以下几点:
(1)由于心电信号的微弱性,用电极从人体体表拾取心电信号时,需要用磨砂膏去死皮、洗涤后用导电膏来降低皮肤与电极之间的接触电阻,以便检测设备能获得较高的心电电压。
(2)为了使数微伏级的心电信号不被噪声淹没,注意避免干扰,如避免在电磁辐射强的场所做实验、采集时保持安静的环境、正确设置chart5 for Windows上滤波器的参数等。
(3)分析chart5 for Windows窗口显示的心电图,验证心电图理论知识。
三、心电检测综合设计实验教学效果简介
学生通过验证实验掌握了心电信号检测的实验方法和步骤,理解了心电信号的特点,进而通过心电检测综合设计实验使综合能力得到进一步培养。
心电检测综合设计实验以原理为主导,要求学生设计心电信号检测原理图,并用Protel 99SE或Protel DXP画出其原理图和PCB板,动手焊板、调试成功后再利用自己的成果测量人体心电信号,[3]直至最后成功地在示波器上显示出被测者的心电图,该实验主要从以下几个方面综合培养了学生的专业素质:
(1)原理图的设计加强了学生的理论知识。结合心电信号的特点设计其检测电路可以加强学生对理论知识的应用,比如,微弱的心电信号需要经过放大处理才能显示出来,需要具有较高共模抑制比CMRR的前置测量放大器(同相并联差分放大器)来抑制采集心电时人体阻抗不平衡带来的共模信号;心电信号频率较低,需要滤去高频干扰的滤波电路和50Hz工频干扰的有源陷波器;电压跟随器输入阻抗高,可以应用电压跟随器获得稳定的电源电压;每个IC并接一个0.01～0.1μV的高频电容可以减小IC对电源的影响等等。
在原理图设计过程中,学生还要设计电路的电压、电流、放大倍数、输入阻抗、输出阻抗等参数,进一步理解和加强了心电、电路、电子技术等专业理论知识。
(2)PCB板的绘制锻炼了学生的实际能力。理论掌握得再好,原理图设计得再好,如果不会理论联系实际,不会合理绘制PCB板,也会因安全、测量信号干扰大等问题而得不到理想的信号。
比如,PCB板的布线,要注意安全间距和安全载流,在满足安全原则等电气要求的前提下,导线要尽可能短、尽量少拐弯;导线转折点内角不能小于90°,一般选择135°,导线与焊盘、过孔也必须以90°或135°相连,双层板或多层板的上下两层布线要尽量垂直,以减少信号耦合,提高电磁抗干扰能力;高压大功率元件的电源线、地线应尽量与低压小功率元件的分开走线,以避免其通过电源线、地线的寄生电阻(电感)干扰小元件;为了降低耦合噪声、减小压降,电源线和地线要尽量粗;用地线把数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后在一点接于电源地等。
为了绘制好PCB板,学生要考虑种种原理图上注意不到的细节,锻炼了实际应用能力。
(3)PCB板的焊接锻炼了学生的动手能力。学生不仅要学会正确使用电烙铁、焊锡、松香等焊接PCB板,而且要注意不能虚焊、焊点不能太大、要呈现自然流态等,锻炼了学生的动手能力。
(4)PCB板的调试锻炼了学生的综合能力。PCB板焊接好后,真正的难点在调试。在调试过程中,学生需要综合利用稳压电源、示波器、万用表、信号发生器等仪器设备,积极调动专业知识调试PCB板,在解决遇到的各种问题的过程中,锻炼了动手能力和理论联系实际的能力。最后,学生用自己的劳动成果测量人体心电图,比较与成熟设备测得的心电图是否一致,激发了学习兴趣。
四、结束语
以心电信号的检测为先导,通过对“生物医学传感器与检测技术”实验教学的实验方法、手段进行循序渐进的改革,取得了较好的实验教学效果,大大激发了学生的学习兴趣,提高了学生的动手能力和专业技能,培养了理论联系实际的新世纪创新人才。今后还可以对脑电、肌电、眼电等信号检测的实验教学改革进行有益的探索。
参考文献:
[1]杨玉星.生物医学传感器与检测技术[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2]王大为.电子技术应用基础[M].北京:中国电力出版社,2010.
[3]和卫星,殷春芳,李长杰.电子电路CAD简明教程[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2005.
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:生物医学;心电检测;实验教学;电子技术
作者简介:沈敏(1972-),女,江苏姜堰人,江苏大学电气信息工程学院,助理研究员,江苏大学电气信息工程学院博士研究生,主要研究方向:计算机检测与无线传感网络;温军玲(1975-),女,河北保定人,江苏大学电气信息工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:生物医学检测、自动化控制。(江苏 镇江 212013)
21世纪是生命科学与医学的世纪,医学研究、临床医疗等离开了检测寸步难行,生物医学传感器与检测技术是现代生物与医学发展的重要手段和工具,作为一门医、工结合的新兴交叉学科,“生物医学传感器与检测技术”理论性强、内容抽象,必须加强实验教学,才能提高学生的动手能力与专业水平。[1]
“生物医学传感器与检测技术”关于人体生物电检测方面的实验主要有心电、脑电、肌电、眼电等,传统的实验模式主要是让学生正确使用电极、仪器设备和相关的应用软件等进行测量,得到实验数据。这种以测量为主导的验证性实验,与温度、湿度、压力等信号检测的方法大同小异,一方面,学生在做完实验后,往往只得到了一批数据和图像,无法进一步巩固所学的生物医学原理、电子技术等专业知识;[2]另一方面,由于在实验过程中,学生只要学会使用仪器设备和相关的应用软件就可以了,做完实验后往往没有对生物电信号的特点留下深刻的印象,并且现成的黑箱子一般的仪器设备,就像傻瓜机一般,学生不需扎实掌握相关仪器设备专业知识就能学会使用,不利于激发学生的主动性与开创性。
为此,江苏大学电气信息工程学院生物医学专业以心电信号的检测为开端,对生物电信号检测的实验教学方法进行了改革。除了传统的验证性实验,还开发了对比的综合设计实验,使学生不仅能够掌握心电信号的检测方法,而且还学会设计开发其检测电路,并且在解决问题时巩固了所学的专业知识。
以下从实验方法、手段等方面介绍心电信号检测实验教学的改革。
一、心电信号的特点
无论是对心电信号进行检测,还是开发设计其检测仪器,均需紧密联系心电信号的特点。
心电信号的频带范围为0.1～200Hz,主要在低频和超低频范围内,且频带较宽;电压范围为100μV～2mV,信号微弱,所以,要提取生物信号,必须经过一定的放大处理。由于普通电子元件的噪声相当于数微伏无规则电压,为了使数微伏级的生物电信号不被噪声淹没,放大器的前级必须选用高质量的电阻、电容,低噪声的场效应管;阻抗范围为1～30KΩ,阻抗很高,所以,心电信号是高内阻的弱信号源,其前置级放大器必须具有高输入阻抗。
此外,由于人体携带有工频及其他生活干扰源,其阻抗的不平衡会造成共模输入转化为差模输入,造成干扰,要求高共模抑制比CMRR(60～100dB)的前置放大器,放大倍数稳定、均匀,具有良好的线性,电源输出稳定等。
二、心电检测验证性实验教学效果简介
澳大利亚埃德公司的POWERLAB实验箱配套有多种生物信号检测的放大设备及配件,如电极夹、导联、呼吸绑带、血压计、脉搏计等。心电检测验证实验方法为:用导联、电极拾取人体心电信号,将信号接到POWERLAB实验箱配套的检测设备心电检测通道上,该检测设备通过USB接口与电脑连接,设置好配套应用程序chart5 for Windows的采样参数,启动后,则chart5 for Windows自动采样,就可以得到心电通道的数据及图形。
这个实验使学生掌握了心电信号的检测方法和步骤并且巩固了心电图理论知识,主要有以下几点:
(1)由于心电信号的微弱性,用电极从人体体表拾取心电信号时,需要用磨砂膏去死皮、洗涤后用导电膏来降低皮肤与电极之间的接触电阻,以便检测设备能获得较高的心电电压。
(2)为了使数微伏级的心电信号不被噪声淹没,注意避免干扰,如避免在电磁辐射强的场所做实验、采集时保持安静的环境、正确设置chart5 for Windows上滤波器的参数等。
(3)分析chart5 for Windows窗口显示的心电图,验证心电图理论知识。
三、心电检测综合设计实验教学效果简介
学生通过验证实验掌握了心电信号检测的实验方法和步骤,理解了心电信号的特点,进而通过心电检测综合设计实验使综合能力得到进一步培养。
心电检测综合设计实验以原理为主导,要求学生设计心电信号检测原理图,并用Protel 99SE或Protel DXP画出其原理图和PCB板,动手焊板、调试成功后再利用自己的成果测量人体心电信号,[3]直至最后成功地在示波器上显示出被测者的心电图,该实验主要从以下几个方面综合培养了学生的专业素质:
(1)原理图的设计加强了学生的理论知识。结合心电信号的特点设计其检测电路可以加强学生对理论知识的应用,比如,微弱的心电信号需要经过放大处理才能显示出来,需要具有较高共模抑制比CMRR的前置测量放大器(同相并联差分放大器)来抑制采集心电时人体阻抗不平衡带来的共模信号;心电信号频率较低,需要滤去高频干扰的滤波电路和50Hz工频干扰的有源陷波器;电压跟随器输入阻抗高,可以应用电压跟随器获得稳定的电源电压;每个IC并接一个0.01～0.1μV的高频电容可以减小IC对电源的影响等等。
在原理图设计过程中,学生还要设计电路的电压、电流、放大倍数、输入阻抗、输出阻抗等参数,进一步理解和加强了心电、电路、电子技术等专业理论知识。
(2)PCB板的绘制锻炼了学生的实际能力。理论掌握得再好,原理图设计得再好,如果不会理论联系实际,不会合理绘制PCB板,也会因安全、测量信号干扰大等问题而得不到理想的信号。
比如,PCB板的布线,要注意安全间距和安全载流,在满足安全原则等电气要求的前提下,导线要尽可能短、尽量少拐弯;导线转折点内角不能小于90°,一般选择135°,导线与焊盘、过孔也必须以90°或135°相连,双层板或多层板的上下两层布线要尽量垂直,以减少信号耦合,提高电磁抗干扰能力;高压大功率元件的电源线、地线应尽量与低压小功率元件的分开走线,以避免其通过电源线、地线的寄生电阻(电感)干扰小元件;为了降低耦合噪声、减小压降,电源线和地线要尽量粗;用地线把数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后在一点接于电源地等。
为了绘制好PCB板,学生要考虑种种原理图上注意不到的细节,锻炼了实际应用能力。
(3)PCB板的焊接锻炼了学生的动手能力。学生不仅要学会正确使用电烙铁、焊锡、松香等焊接PCB板,而且要注意不能虚焊、焊点不能太大、要呈现自然流态等,锻炼了学生的动手能力。
(4)PCB板的调试锻炼了学生的综合能力。PCB板焊接好后,真正的难点在调试。在调试过程中,学生需要综合利用稳压电源、示波器、万用表、信号发生器等仪器设备,积极调动专业知识调试PCB板,在解决遇到的各种问题的过程中,锻炼了动手能力和理论联系实际的能力。最后,学生用自己的劳动成果测量人体心电图,比较与成熟设备测得的心电图是否一致,激发了学习兴趣。
四、结束语
以心电信号的检测为先导,通过对“生物医学传感器与检测技术”实验教学的实验方法、手段进行循序渐进的改革,取得了较好的实验教学效果,大大激发了学生的学习兴趣,提高了学生的动手能力和专业技能,培养了理论联系实际的新世纪创新人才。今后还可以对脑电、肌电、眼电等信号检测的实验教学改革进行有益的探索。
参考文献:
[1]杨玉星.生物医学传感器与检测技术[M].北京:化学工业出版社,2005.
[2]王大为.电子技术应用基础[M].北京:中国电力出版社,2010.
[3]和卫星,殷春芳,李长杰.电子电路CAD简明教程[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2005.
(责任编辑:麻剑飞)