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生物醫學分析:生物醫學虛擬儀器技術分析
1生物醫學工程專業課程設置及教學現狀
我校自2003年開辦生物醫學工程專業以來,根據醫科院校特點,以為醫療和醫學研究服務為目的,培養能將醫學與工程技術相結合,從事醫學影像、醫療電子儀器和計算機技術的研發、操作和管理工作,并且能夠開展生物醫學工程學科研究的人才[1]。該專業主要學習生命科學、電子技術、計算機技術及信息圖像傳輸、處理等有關的基礎理論知識以及醫學與工程技術相結合的科學知識,設置的主干課程有:“電路原理”“模擬電子技術”“數字電子技術”“微機原理”“生物醫學傳感器”“醫療儀器原理”“信號與系統”“數字信號處理”“生物醫學信號檢測與處理”“單片機原理與接口技術”等。另外憑借醫學院校的優勢還開設了一些醫學方面的基礎課,生理學、人體解剖等。為了提高教學質量,更好的達到教學效果,所開設的這些課程基本上都需要做實驗演示,以增強形象性效果和形象性驗證。實驗教學在大學教育中是必要手段。幾乎每門課的實驗教學都需要用到各種各樣的電子儀器,主要包括示波器、信號發生器等。在傳統教學中基本上都是使用相對獨立、功能固定的電子儀器,不能夠隨意更改它們的結構和功能。對于需要電子計算機之類的課程而言,一般都得配備幾十套教學儀器來供教學使用,這些儀器設備還需要不斷更新維護,教學成本比較高。另外,在醫學院校對于和醫學相關的專業課程很多實驗實際操作比較困難,效果不理想。中國的醫學教育資源本身很緊張,另外醫院的設備多是大型設備,體積龐大,價格昂貴,操作使用復雜,臨床使用要求高,一般院校很難滿足大型醫療設備的教學使用需要。因此,在醫學院校的教學中就出現很多問題,比如醫學實驗教學中的人體生理參數采集等演示效果不好,所以,傳統的醫療儀器教學只能偏重于理論講解,不夠生動,即使有個別實驗模具,其教學效果也不理想。在當前學校經費較少的情況下,如果大量增加常規儀器、儀表的配置,學校財力難以支付。這樣容易造成實驗教學效果不理想,對提高學生學習興趣,培養創新及實踐能力都有一定影響。隨著現代測試功能和計算機技術的密切結合,出現的虛擬儀器技術可以幫助我們克服一些硬件上不能解決的難題,彌補傳統儀器教學的不足。
2虛擬儀器在課程中的應用
2.1虛擬儀器簡介
虛擬儀器(VirtualInstrument,VI)是一種新興的儀器,一種功能意義上的儀器,在以通用計算機為主的硬件基礎上,由用戶自己設計定義虛擬的操作面板,測試功能由軟件來實現的一種計算機儀器系統[2]。其實質是以計算機為核心的儀器系統與電腦軟件技術的密切結合,將儀器裝入計算機。通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件融合,通過軟件編程來實現傳統儀器中的由硬件電路完成的功能,利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制端,利用計算機強大的軟件功能來管理儀器系統,完成對信號數據的運算、分析處理等,可以多種形式輸出結果,少量的硬件模塊則為虛擬儀器的正常運行提供信號I/O接口設備來完成不同要求的測試。虛擬儀器具有傳統儀器沒有的性能高、擴展性強、開發時間短、開發成本低等優點,具有很強的靈活開放性。不同領域的科學家和工程師都借助虛擬儀器來解決工作與課題中的實際問題。所以,虛擬儀器自誕生以來就在測量、航空航天、自動化、遠程教學和生物醫學等世界范圍的眾多領域內得到了廣泛應用[3]。LabVIEW是美國NI(NationalInstrument)公司推出的一種基于圖形化編程的軟件開發工具,將功能強大的圖形化設計平臺LabVIEW與相關硬件結合應用于教學上,能夠使傳統理論教學與實際有效結合,幫助學生完成從理論到實踐的學習。LabVIEW軟件平臺結合數據采集卡等相關硬件可以開發出示波器、信號發生器等常用的電子儀器,不僅可以代替傳統儀器且擺脫了傳統電子儀器功能單一、更換維護麻煩等缺點[4]。將基于LabVIEW的虛擬儀器應用在教學中極大提高了教學效率,已經逐漸成為一種新的手段。
2.2在醫療儀器教學中應用
“醫學儀器原理”是生物醫學工程專業的一門專業必修課。該課程涉及了醫學和電子學、計算機、信號處理、傳感器技術等方面的知識,是一門實踐性很強的科目。作為生物醫學工程專業的學生,要掌握常見的醫療儀器的基本結構、工作原理,而且還要具有一定的創新思想和科研水平,有開發和設計高水平的醫療電子儀器的素質[5]。因此做好實驗教學是學生提高學生實驗水平和綜合能力的關鍵。醫學儀器原理實驗主要將人體生理信號的檢測及處理分析作為教學內容,包括了人體血壓信號、心電、體溫、呼吸、脈搏等生理參數的測量。生物醫學信號由傳感器轉變成電信號,因為人體生理信號比較微弱要先經過信號的放大、濾波等預處理,再進入數據采集卡。信號通過數據采集卡采集到計算機上以后,利用LabVIEW的圖像化語言進行編程,實現對數據的各種分析,包括數值分析、頻譜分析等,再通過儀器軟面板把結果顯示在電腦上。我們以人體呼吸測量為例,這種設備一般只在醫院常見,用于教學中的儀器基本上沒有。因此講過理論原理后,學生不能夠真正透徹的明白,無法滿足教學上的需要。我們利用少量硬件設計結合LabVIEW軟件編程構建了一個人體呼吸測量系統,采用阻抗式呼吸測量原理,硬件電路主要涉及放大和濾波環節,限于篇幅就不詳細說明了。圖1為基于LabVIEW平臺搭建的呼吸測量面板圖,針對學生教學取得了很好的效果,同學們一致反映對呼吸測量的原理有了更透徹的認識,并且能學習新的軟件技術,擴展知識面。在LabVIEW環境下進行實驗教學只需要根據實際情況,比如是呼吸測量還是心電測量等,通過軟件編程及很少的硬件連接便可完成實驗任務,即節省了實驗成本,又利于實驗設備更新,讓 教師和學生脫離了傳統教學儀器功能單一的框框,更重要的是可以充分提高學生積極性和發揮創造性,像搭積木一樣,根據不同的測試需要,在計算機上構建一個基于虛擬儀器技術的測試測量裝備,這樣做還能夠充分的節省高校技術資源[6]。
2.3在信號處理類課程教學中應用
生物醫學工程專業設置的信號處理類課程主要有:“數字信號處理”“信號與系統”“生物醫學信號檢測與處理”等。這些課程中往往涉及大量抽象的概念、公式,老師上課的時候也只是講解推導公式或證明算法,學生沒有直觀印象,無法把函數公式與實際波形相聯系,理解起來非常困難,從而很大程度的影響了教學效果。我們以“數字信號處理”課程為例作一簡單介紹。“數字信號處理”是一門理論性很強的,以算法為核心的科目。為了使學生深入理解教材上提到的理論算法,需要通過仿真實驗來驗證那些理論。LabVIEW軟件平臺的特點之一就是具有豐富的運算且靈活高效的信號處理功能,LabVIEW圖形化信號處理平臺由多個信號處理與數學函數庫組成,包含小波變換、濾波器設計、時頻分析、圖像處理等工具包,將信號處理的各種功能轉化為VI函數,給使用者提供了方便、簡單的編程途徑,從函數庫調用這些現成的VI函數就可以迅速完成信號處理。學生能一目了然地看到程序的運行情況,也可以比較不同的參數對結果的影響。在數字信號處理教學中濾波器是重點知識,也是教學難點。在以往的教學中發現學生普遍對于濾波器的作用弄不明白,另外根據學習的理論知識怎樣設計出有實際應用價值的數字濾波器也不清楚。在講授濾波器時,在LabVIEW中信號處理函數面板中的濾波基本函數欄進行選擇,在虛擬儀器前面板上放置多個圖形顯示控件,完成對濾波器的設計,還可以同時顯示多個濾波器的濾波結果,這種學習方式簡單明了,學生很容易理解抽象的概念從而掌握所學知識。另外LabVIEW圖形化的編程語言有助于學生在比較短的時間內開發出相對復雜的數字信號處理程序,增加了同學們的自信,提高了其學習積極性。虛擬儀器技術強大的功能可以使其對學生開展形象、直觀的教學方式,靈活的應用于教學中,不僅可以幫助學生深刻領會抽象的理論知識,扎實掌握所學知識,同時還可以提高他們的學習興趣,達到教學效果。
3小結
虛擬儀器的出現是測試領域的一次革命,是儀器領域一個新的風向標,它使現代測試測量系統功能越來越強大,且更加的靈活高效、經濟,高等教育領域也正在汲取著這種優勢,壯大著它的發展。實踐證明在生物醫學工程專業的教學中引入虛擬儀器技術,不僅能夠使教學內容和時展、科學技術緊密結合,而且可以有效促進師生的教學互動,給學生極大地參與感,對培養學生的創新意識和動手綜合能力都有幫助。隨著生物醫學和電子信息技術、虛擬技術的不斷發展,生物醫學工程專業的教學改革與研究任重而道遠,如何使高校培養出具有創新能力的高素質人才需要我們不斷努力探索。
生物醫學分析:生物醫學成像數字化設計思考
1引言
多通道輻射成像探測器已廣泛應用于生物醫學成像系統中,探測器的輸出信號經過多通道的前端模擬讀出電路處理,然后被數據采集系統數字化后進行圖像重建[1].模數轉換器(Analog-to-digitalConverter,ADC)將前端讀出電路輸出的模擬信號轉換為數字信號,是數據采集系統的關鍵模塊,ADC的性能直接決定了生物醫學成像的質量.在多通道前端電子系統中,一般有三種方案實現信號由模擬到數字的轉換.首先,使用多個并行的ADC后接一個數字多路選擇器的結構[2].這種方法中,采用低速或中速的ADC如逐次逼近型(SAR)ADC就能滿足要求,但是由于每個通道配置一個ADC,將占用很大的面積,而且消耗較大的功耗.其次,采用多通道的ADC結構[3].常見的結構如斜坡(Ramp)ADC,但是這種結構對比較器的精度要求很高,而且需要高頻采樣時鐘,另外通道之間也存在串擾的影響.第三種方案是采用一個模擬多路選擇器和一個高速ADC實現[4].ADC可采用快閃式(Flash)或流水線式(Pipeline)結構.快閃式ADC因其消耗較大功耗而不適合高分辨率的情況.流水線ADC把整體上要求的轉換精度平均分配到每一級,降低了對模擬電路精度的要求,同時流水線結構的轉換速率幾乎與級數無關,因此能夠在速度、功耗和分辨率方面獲得的折衷[5-7].基于以上分析,本文采用模擬多路選擇器+流水線ADC結構,實現多通道前端電子系統中模擬到數字的高速轉換.
2設計與分析
根據生物醫學成像前端電子系統的結構及信號處理的要求,本文提出了多通道流水線結構的前端電子系統.圖1所示為多通道前端電子系統的結構及信號處理時序.如圖1(a)所示,探測器模組通過光電轉換產生16通道的微弱電荷信號,經過前端讀出電路的放大及整形,在一個時間窗口(5.12μs)內產生穩定的電壓輸出.模數轉換器在一個時間窗口內完成16通道的模擬到數字的轉換.圖1(b)所示為前端電子系統的信號處理時序,探測器信號的模擬讀出、模數轉換、數據輸出分別在三個相鄰的時間窗口內依次流水式完成,有效降低了對電路速度的要求,提高了系統處理效率。基于以上分析,本文提出的多通道流水線ADC結構如圖2所示.Vin<0>、Vin<1>、…Vin<15>為16個通道的模擬讀出信號,經過輸入處理電路后分別得到一對差分模擬信號Vinp、Vinn.流水線ADC完成模擬到數字的轉換,輸出8-bit數字信號Din<7:0>.輸出處理模塊緩存該數據,并在下一個時間窗口內輸出.輸入處理電路完成16個通道的模擬信號的多路選擇,并將其轉換成差分信號.流水線ADC采用8-bit25Ms/s每級1.5bit的PipelineADC結構,實現模擬信號到數字信號的轉換.輸出處理電路處理并緩存當前時間窗口的數字數據,并在下個時間窗口輸出.時序控制模塊完成整個模數轉換系統的時序控制,產生16路信號選擇的開關信號、流水線ADC的時鐘信號以及用于數據存儲并輸出的控制信號.多通道模數轉換器的工作時序如圖3所示.tw(=5.12μs)為一個時間窗口;tc0(=0.2μs)為通道0轉換時間;tc15(=0.2μs)為通道15轉換時間;tc(=0.8μs)為16個通道總的轉換時間;ts(=0.64μs)為轉換后數據存儲的時間;to(=0.64μs)為數據輸出時間.D0、D1…D15為當前窗口轉換的數據;D0’、D1’…D15’為上個時間窗口轉換的數據,在當前窗口輸出.根據系統要求,一個時間窗口定義為5.12μs.外部輸入時鐘Clk_50M為50MHz,系統內部時鐘Clk_25M為25MHz,它是將Clk_50M二分頻后得到的.當窗口復位信號(Window)變為高電平后,電路開始工作,SW<0>產生40ns的高脈沖,選通通道0的模擬信號,接著SW<1>產生40ns的高脈沖,選通通道1的模擬信號…….每隔一個時鐘周期(40ns),一個模擬信號進入流水線ADC,當通道1的模擬信號轉換完畢后,每隔一個時鐘周期(40ns)輸出一路8-bit數據.數據串行進入寄存器Wi(i=0,1…15),然后并行進入寄存器Ri(i=0,1,…,15),等待下個時間窗口輸出.時間窗口復位結束后,在時鐘Clk_out(25MHz)的控制下,寄存器R<0:15>中存儲的上個時間窗口轉化得到的數據串行輸出.
3電路實現
3.1輸入處理電路
輸入處理電路如圖4所示.虛線左邊為16通道模擬多路選擇器電路,時序控制電路生成控制信號SW<15:0>,SW<15:0>信號同一時刻只有一個為高電平.當SW為高電平時,Vin通道的開關閉合,第i通道的模擬信號連接到模數轉換電路,其余通道懸空.開關采用CMOS傳輸門實現,要求導通電阻小.在設計CMOS開關時要選擇合理的K值,即滿足(W/L)p=K*(W/L)n,使得開關導通電阻在輸入電壓擺幅內變化最小.通過對CMOS傳輸門導通電阻在不同尺寸時的仿真,確定當K=4.2時,導通電阻變化最小.
3.2流水線轉換電路
本文提出的數字化結構要求在一個時間窗口(即5.12μs)內實現16個通道的模數轉換.根據系統對信號轉換分辨率的要求,文中采用8-bit25Ms/s的pipelineADC結構.由圖3可知,完成16通道的模數轉換所需時間為0.8μs,考慮窗口復位所需時間,總的時間小于1μs,滿足窗口大小的要求.另外,由于所需轉換時間遠遠小于一個時間窗口,因此該結構可擴展到更多通道應用.流水線模數轉換器的電路結構如圖5所示.Vip、Vin為差分輸入信號,Clk為25MHz采樣時鐘,S1、S2為兩相不交疊時鐘,D<7∶0>為轉換后的最終數字輸出.在基于閉環運算放大器的開關電容電路實現中,單級有效位數少使得電路的反饋因子較大,并且流水級中運放的負載較小,運放的增益與帶寬要求減小,可容忍的失調電壓范圍變大,比較器精度要求降低.在文獻[8]中提到,對于分辨率小于10bit的流水線模數轉換器,流水級一般采用較低的有效位數(小于2~3bit).因此,本文采用單級1.5bit的流水線結構.8-bit25Ms/s的流水線模數轉換電路對運放的增益和帶寬要求不高,同時差分結構可使信號擺幅增加一倍,因此運放采用典型的全差分套筒式共源共柵結構.由于比較器是在采樣階段結束后開始工作,比較結果用于保持放大階段,因此需要一個高速比較器.本文比較器電路采用動態鎖存比較器結構,鎖存控制信號為采樣信號取反.通過Hspice仿真,比較器完成比較所需時間約為900ps.流水級電路輸出的比較數據為溫度計碼格式,傳統的流水線模數轉換電路在進行數字校正之前需要使用碼制轉換電路先將溫度計碼轉換為二進制碼.本文的模數轉換電路通過改變數字校正電路輸入的順序,使得溫度計碼直接可以進行數字校正.
3.3時序控制和輸出處理電路
時序控制電路和輸出處理電路遵循數字電路設計流程,采用Verilog-HDL語言描述.時序控制電路主要實現三個功能:(1)產生控制16通道模擬開關的SW信號,這可以通過具有17個狀態的狀態機實現;(2)控制轉換得到的數據存儲,由于pipelineADC從開始轉換到得到及時個數據所需時間是固定的,并且一個時鐘周期輸出一個數據,因此可以采用計數器產生控制信號;(3)控制所存儲數據的輸出,采用計數器產生控制信號.輸出處理電路主要實現兩個功能:1)存儲pipe-lineADC轉換后的16個通道的數據;(2)在下一個時間窗口順序輸出16組的8-bit數據.本文采用的存儲與輸出策略如圖6所示.當存儲控制信號en_w有效,在clk_write的上跳沿將轉換后的數據Din<7:0>串行寫入寄存器W0,W1.….W15,然后通過Ri寄存器的B輸入端并行寫入寄存器R0,R1,…,R15.在下一個時間窗口,寄存器W0,W1,…,W15又存儲新的數據,寄存器R0,R1,…,R15則在clk_read的上跳沿串行輸出所存儲的數據.
4仿真驗證
本設計遵循數模混合電路“中間相遇”的Top-down設計方法,采用TSMC0.18μmmixedsignalCMOS工藝,模擬部分(包括輸入處理電路和流水線模數轉換電路)的電源電壓為3.3V,數字部分(包括時序控制和輸出處理電路)的電源電壓為1.8V,運用S pectreVerilog仿真工具,進行了全電路的仿真驗證.仿真結果表明在及時個時間窗口復位結束后,16通道的單端模擬信號依次通過模擬多路選擇器單端轉差分流水線模數轉換器存儲與輸出;在第二個時間窗口復位結束后順序輸出前一時間窗口存儲的數字數據.同時,下一組16通道的單端模擬信號進行單端轉差分、模數轉換和存儲.全電路仿真結果表明,本文設計方案可以滿足特定時間窗口下16通道的模數轉換.16通道的模擬多路選擇及單端轉差分處理如圖7所示(以通道0和通道1為例).SW<0>、SW<1>分別為通道0和通道1的開關控制信號;Vin-put為模擬多路選擇器的輸出;Vip、Vin為產生的差分信號,共模電壓為1.8V;S1為流水線模數轉換器的采樣信號,高電平有效.SW提前采樣信號S1半個時鐘周期有效,當S1有效時,差分信號Vip、Vin已達到穩定,從而保障正確的模數轉換.流水線模數轉換器的性能仿真如圖8所示(輸入正弦信號頻率為1.0375MHz,幅度為±0.5V,采樣頻率為25.6MHz).由仿真結果計算可得,DNL為-0.62~0.67LSB,INL為-0.39~0.72LSB,SNR為45.99dB,SFDR為40.57dB,ENOB為6.03bit.
5結束語
本文設計了一個應用于生物醫學成像前端電子系統的多通道流水線數字化電路.在分析成像前端電子系統特點的基礎上,提出了流水式的前端模擬信號處理、模數轉換和數據輸出結構,并完成了模擬多路選擇、單端轉差分、流水線模數轉換、數據存儲與輸出等模塊的電路實現和仿真.流水線模數轉換電路的性能滿足8-bit25Ms/s的性能要求,全電路仿真結果表明,本文設計的電路滿足系統設計要求,并具有進一步擴展通道數的能力。
生物醫學分析:生物醫學光學探析
1會議概況
工業激光和生物醫學光學國際學術會議于1999年10月25~27日在華中科技大學學術交流中心舉行。H.wcber教授和干福熹院士擔任大會主席,來自14個國家和地區的221位代表(境外代表46人)出席了會議。會議得到美國SPIE的支持,正式出版了會議論文集SPIE(工業激光論文集卜3862和SPIE(生物醫學光學論文集關3863.前者共收錄論文121篇,其中,國外作者論文13篇;后者共收錄論文95篇,其中國外作者論文31篇。大會特邀了世界激光和生物醫學光學領域的著名學者作主題報告,全體大會4個特邀報告,工業激光分會8個邀請報告,生物醫學光學分會4個邀請報告,這些特邀報告和邀請報告學術水平高,均反映了當前國內外研究的前沿課題。
2工業激光研究的近期熱點
在工業激光器領域,由于半導體激光器迅速發展,準連續器件已達到4kw.因此,在許多應用領域均有采用半導體激光器代替傳統的氣體激光器及固體激光器的發展趨勢。但是,由于半導體激光器目前光束質量較差,作為過渡的發展階段是大量采用半導體激光器泵浦的固體激光器,其激光輸出功率也已達到4kw級,光束質量獲得明顯改善。因此,在世界市場上,1998年固體激光器的銷售金額,首次超過了CO:激光器。據估計,近期激光技術的應用在高功率激光器方面仍然會以COZ激光器和固體激光器為主。在激光應用領域,除了高功率激光應用以外,國外已經在激光精密加工領域開展了深入的研究工作,如法國利用準分子激光超精密打孔、劃線,精度非常高,孔徑圓整、光滑,在陶瓷如S13N;,A12O3等方面的精密處理方面已有深人的研究。本次會議涉及到準分子激光應用的文章有15篇,涉及領域有激光淀積超導薄膜,金剛石薄膜、非晶金剛石薄膜等,激光制備光柵,激光制備納米顆粒。我國大陸學者主要把準分子激光用于制備薄膜,臺灣大學是用準分子激光制備光柵,法國學者用激光制備納米顆粒。可見國外用準分子激光加工開展面比我國廣泛。從本次會議看,國外今后重點發展研究領域和前沿課題包括:高功率半導體激光器,近五年內千瓦級器件將會實現實用化;半導體激光泵浦固體激光器,特別是盤片固體激光器近五年內也將會突破千瓦級;半導體激光泵浦全固體化紫外激光器已突破3W,如果能提高一個量級,將會逐步取代紫外氣體激光器;利用準分子激光對電子元器件處理作了很深入的研究,在這些方面已成為激光超精密加工應用的重要發展方向。國內外在激光制備薄膜方面的研究始終是一大熱點。我國半導體工業基礎差,不僅在集成電路發展方面吃了大虧,現在看來在光電子工業的發展方面又要重復以前的錯誤。國內有幾個單位發展半導體激光器,主要側重在通訊應用。高功率半導體激光器及短波長半導體激光器差距很大,應予以足夠的重視。在發展高功率激光器件,包括氣體和固體與國際水平差距更大。從會上兩個非常有代表的報告可知,其一是英國He:i。t一watt大學的D.R.Hall教授報告的平板波導高功率激光器件.代表了當代國際先進水平,從基本原理到結構特性,均報告得比較詳細,內容也很豐富。其二是德國柏林技術大學H.Webe:教授報告的激光二極管泵浦的固體激光器,特別是針對激光二極管泵浦源的特點,提出了一種新型的腔體結構,很有特色與創新,在他的論文中有比較精辟的論述。此外,德國斯圖加特宇航技術物理研究所主任Willyl,.Bohn博士,介紹了他們的激光二極管泵浦圓盤型固體激光器,在一片直徑5mm,厚度不足1mm的激光介質上,可取得500W的激光輸出。部分代表與他討論了與此有關的問題:①增益長度短為何能獲得這么高的激光輸出?②高摻雜晶體將產生晶格缺陷,直徑5mm,厚度不足1mm的激光介質是如何制備出來的?③泵浦光如何進人激光介質,怎樣實現均勻的泵浦?④是否可用更多的圓盤串在諧振腔光路上獲得更大的輸出?目前德國已解決了前三個問題。對于大于5kw輸出的固體激光器介質熱畸度仍不可忽略,輸出光束質量大大下降,還有待進一步研究解決方法。在激光與材料相互作用方面,我們的研究大多注意在諸如激光的光斑直徑、功率、照射時間、速度等參數和工藝的研究上。而對激光與材料相互作用的機理研究尚不夠,如激光照射到材料表面后,激光是如何燒蝕材料表面的,材料對激光的吸收與反射,材料表面吸熱后如何進行傳熱?對材料表面組織結構改變及其形成機制,缺乏深人的研究。在激光與材料相互作用機理方面應加強研究力度。對這些基礎研究有一定深度后,在激光加工應用中的工藝就有了理論依據。
3生物醫學光學研究的近期熱點
本次會議還涉及到光學層析成像及光譜學的理論與模型、生物監測的光學成像與光譜學、適用于生物醫學和臨床的相干域光學方法、生物光譜學和顯微學、激光與組織的相互作用、激光醫療等方面。以下就生物醫學光學研究的一些近期進展和熱點問題作一概述。(l)光學層析成像及光譜學技術的理論與模型。關于生物組織光學層析成像和光譜學技術的理論與建模研究一直是國際生物醫學光學的研究重點。由BrittionChanee博士主持的“OptiealtomographyanDSPeetroseopy:theoryandmode1s”專題會議吸引了眾多聽眾。來自各國的科學家報道了該領域的近期研究成果和應用。俄羅斯valeryv.Tuchin教授報道了活組織光學特性參數控制的有關成果,其離體和在體的實驗均證明了通過使用葡萄糖、trazograph等滲透活性助劑可改變人眼鞏膜、皮膚等纖維組織的光散射特性。美國StevenIJ.Jacques教授做了《生物組織科學和工程中的光學技術》的特邀報告,J.R.M。盯ant教授介紹了生物組織中光散射的基本機理研究的進展。麻省理工學院的李興德博士報道了衍射層析成像技術的近期進展,提出了一種用于高散射介質中擴散光子密度波快速、近場衍射層析成像的角譜算法,該算法可用于有限大小介質,并能同時重建吸收和散射系數。賓夕法尼亞大學的張思豪博士報告了基于混濁介質中,用動態光散射技術測量深層組織中血流的一種方法,該方法可用于深層組織中的血流動力學圖像的重建。華中科技大學的張智報道了用分形理論進行人眼角膜內皮細胞圖像分析的初步結果。(2)生物組織的光學成像和用于生物監測的光譜學技術。九十年代以來,美國、歐洲、日本等國都在該領域投人了大量的人力和資金,本次會議共有26篇論文涉及此項專題。其內容包括組織光學成像和組織光學參數測量、光學腦功能成像、近紅外光譜術的血流動力學測量、組織超微弱發光檢測、擴散光子密度波和X射線層析成像等。
StevenL.Jacques教授報道了一種基于偏振光攝像機的組織成像系統.該系統可用于對淺表皮膚的成像,其優點是可避免較深層組織擴散光子對成像造成的影響,同時也能有效消除表層皮膚鏡面反射及黑色素積淀的影響。美國約翰?霍普金斯大學劉亂副教授提出了一種用于數字乳房X射線照相術的新型光學禍合電子成像技術,該技術的獨到之處在于使用新穎的CCD掃描和防輻射
設計.可用小尺寸CCD成像器進行大范圍視場的成像,且不損失空間分辨率.解決了現有電子成像器在成像所需分辨率下,面積不足以覆蓋整個乳房的問題。哈佛醫學院DavidA.BoaS博士等人比較了采用近紅外光譜術和擴散光學層析成像技術,定量測量組織整體和局部血氧變化的異同。如何定量測量組織中血氧的變化是當前迫切需要解決的問題.雖然當前有幾種技術可實現定量監測,但使用不方便,因而需要研制簡便易用的檢測裝置,以滿足日益發展的市場需求。美國得克薩斯農機大學汪立宏博士?報道了聲致發光層析成像和掃頻超聲調制光學層析成像技術的近期進展。聲致發光成像技術利用聚焦超聲波激發組織內部發光,實現在生物組織內部的選擇性光激發,從而實現對較深層組織毫米量級分辨率的光學層析成像。會議中,利用無損傷的光學成像技術研究大腦功能和腦血液動力學變化成為與會者普遍關注的問題之一。華中科技大學駱清銘教授報道了用大腦功能近紅外光學成像器研究視覺刺激、手指運動時大腦視覺、運動皮層的活動以及前額葉在工作記憶和情緒活動中作用的成果;中科院心理研究所的楊炯炯博士用大腦功能近紅外光學成像器研究了左前額葉在非相關詞對編碼中的作用;日本Kagoshima大學王鋼博士報道了用基于大腦活動內源信號檢測的光學成像系統.研究不同顏色形狀的物體對猴子進行視覺刺激時其大腦皮層的活動;清華大學WemaraIicllty報道了用近紅外光譜術研究大腦活動時氧合作用變化的結果。
(3)生物醫學和臨床的相干域光學方法。在該專題中,弱相干光學層析成像(OC丁)成為會議關注的熱點。近年活躍在相干域光學方法及其醫學應用研究領域的加利福尼亞大學陳忠平博士報告了目前OCT.ODT(光學多普勒層析成像)的近期研究成果,日本的劉紀元博士也就OCT技術的進展做了特邀報告。中科院上海光學精密機械研究所、清華大學的代表都報道了各自在()CT方面的研究結果。(4)生物光譜學和顯微術。為獲得生物組織內部的微觀結構信息,從細胞、分子水平研究諸多生命現象的微觀機理,近兒十年來人們一直致力于各種顯微成像技術的發展研究。會上,代表們報道了在激光掃描共焦顯微成像、熒光與光譜成像以及散射介質中光信息的獲取等方面的研究進展。如:加拿大英哥侖比亞癌癥研究中心曾海山博士報道了一種利用熒光成像.可檢測呼吸道與胃腸道早期癌癥的系統。澳大利亞維多利亞大學顧敏教授報道了在混沌介質中,他們用角度門法代替時間門法,以提高成像的效率。(5)激光與生物組織的相互作用。激光與生物組織的相互作用和組織光學所涉及的內容十分廣泛,在生物醫學基礎理論和臨床診斷研究中具有重大的意義。代表們就激光與組織相互作用時的光散射、干涉、光機械、光熱、光化學效應,生物組織中光子的遷移規律,以及低功率激光生物效應等方面進行了廣泛深人的研究討論。在光熱效應方面,美國得克薩斯大學R.D.Glickman教授提出欽YAG激光器用于泌尿系統結石碎石治療的主要機理是光熱燒蝕作用。俄勒岡醫療激光中心解嘩博士報道了半導體激光器用于尿道焊接的研究成果。日本自由電子激光研究所的K.Awazu報道了用紅外自由電子激光研究動脈硬化區組織光熱效應的進展。昆明理工大學周凌云教授報道了生物組織激光光熱效應微觀機理的量子理論分析。另外,華南師范大學劉頌豪院士、加拿大J.R.North和匈牙利Dezso.Gal教授等還報道了光動力治療方面的研究進展。
4建議
(1)支持幾個單位重點發展高功率半導體激光器及短波長半導體激光器;(2)提高半導體激光器輸出光束質量的相關光學元件的研究與生產;(3)發展半導體激光泵浦的盤片固體激光器;(4)發展光纖相位共扼技術,解決高功率固體激光器光束質量;(5)發展萬瓦以上的C02激光器的關鍵單元技術,例如氣動窗口、固體窗口、高頻或射頻激勵技術,氣體激光動力學等,開展數萬瓦CO:激光器的研制及其應用研究;(6)法國馬賽大學的MichelAutric教授在專題發言中提出,準分子激光技術是21世紀的加工技術。我國在用準分子激光進行微加工和制備新材料方面還應加大人力和財力的投入,以趕上世界在此領域的發展。此外,部分國外代表就如何幫助華中科技大學開設生物醫學光子學方面的課程,依托華中科技大學建立生物醫學光子學虛擬研究中心,定期提供國外近期研究信息,在網上科研動態與相關科研項目,共享有關軟件與數據,提供網上教學資料等內容進行了多次討論,并達成共識。這對于國內生物醫學光子學學科的建設,將產生積極的推動作用。
生物醫學分析:生物醫學本科生教育分析
一、生物醫學工程學科特點
生物醫學工程學科是運用現代自然科學和工程技術原理與方法,從工程學的角度研究生物體(特別是人體)的結構、功能及其相互關系,揭示生命現象、探索生命本質,研究和開發用于防病治病、人體功能輔助及衛生保健的人工材料、制品、裝置、系統和工程技術的一門綜合性學科[1],是理工類學科與生物醫學學科深度交叉、高度融合的邊緣性學科,所涵蓋的領域十分廣泛,具有“覆蓋廣、交叉深、發展快、變化多”等其他學科不具有的特點。根據研究側重點,生物醫學工程學科可分為信息技術型、材料技術型、生物技術型、生物醫學研究型、醫療器械產業型、臨床生物醫學工程、軍事生物醫學工程等7類[2]。當前討論和研究的熱點領域主要有:生物醫學材料、生物力學、醫療信息技術、生物芯片與傳感技術、組織工程及再生醫學、介入醫學工程、醫療器械等7個方面[3]。
二、醫科院校生物醫學工程學科專業教育現狀分析
高等醫科院校生物醫學工程學科和臨床醫學結合緊密,醫學大背景很深厚,具備豐富的醫學類學科教學資源和優越的臨床設備實踐條件等優勢,但同時因學科體系不完善、教學師資力量比較薄弱、專業實驗室建設投資大等影響因素,一定程度上制約了生物醫學工程學科專業的高效快速發展。
1.理工學科體系不完善。生物醫學工程專業學科涵蓋面非常廣,廣到什么程度呢?可以用四個字形容———“包羅萬象”,如果用“學科頻譜”來描述學科涵蓋面寬度,生物醫學工程無疑是88個一級學科中“頻譜寬度”最寬的學科。目前大多數開設生物工程學的高等醫科院校,物理、數學、化學等基礎學科相比理工科院校比較薄弱,而且缺乏材料、自動化等重要工程學科的有力支撐,這些支撐學科的缺少會導致相應課程設置不完善以及綜合性實踐訓練平臺缺乏,學生無法系統地學習工程類課程,得不到系統扎實的工程技術訓練,影響人才培養目標的整體實現。
2.復合型師資比較缺乏。要實現培養醫工結合與交叉的復合型高級工程技術人才目標,首先需建設一支醫工結合與交叉的復合型師資隊伍方陣。在高等醫科院校,生物醫學工程專業師資隊伍中具有理工科教育背景和醫學教育背景的教師比較多,而既懂醫學又懂工程技術,能將工程技術與醫學需求緊密結合起來的復合型、交叉型、融合型師資比較缺乏,教師隊伍知識結構普遍不夠合理,與各相關學科交叉融合能力弱,這些現狀一定程度上影響了課程體系構建以及教學質量和人才培養質量。
3.創新能力培養不扎實。生物醫學工程專業85%以上的基礎課和專業(基礎)課程都要開展實踐教學,必須建設相應的實踐教學平臺,這些實驗室建設要求高、儀器設備多、投入大,部分院校在生物醫學工程專業課程實驗條件建設經費投入不足,單獨開設的實驗課程比較少,實踐教學體系不夠完善;課程標準中演示性、驗證性等基礎性實驗設置比較多,而綜合性、設計性實驗設置比較少[4];缺乏“大學生電子設計創新基地”等綜合性實訓實驗硬件軟件平臺和組織管理經驗;學生規模小,缺少其他理工科學科支撐,組隊參加全國大學生電子設計競賽、全國大學生挑戰杯設計競賽等活動較為困難。
4.學生專業思想不牢固。生物醫學工程學作為一門新興的邊緣學科,覆蓋面廣,涉及領域跨度大,專業知識體系復雜,專業課程內容在各學科之間交叉頻繁,本科學生對本專業缺乏深入的了解、足夠的信心和學習熱情;相對材料、自動化、機械、通信以及臨床、醫學影像等專業,生物醫學工程專業學生所學知識普遍存在“寬而不精”,“廣而不細”等問題,就業時相對處于劣勢;部分學生由于學習任務重、壓力大,導致學習積極性、主動性不高,專業思想不夠牢固,甚至影響到專業整體的學習風氣。
三、對策初探
高等醫科院校要盯準醫工結合的復合型高級工程技術人才培養目標,突出學科交叉綜合培養、工程技術意識培養、創新能力素質培養,深化教學改革,加大教學投入,改善教學環境,加強隊伍建設,充分發揮醫學院校資源優勢,積極探索具有醫科院校特色的生物醫學工程專業教育培養模式,構建科學合理的課程體系和實踐教學體系,不斷提升生物醫學工程人才培養質量。
1.堅持走“先研究生后本科生”的教育培養模式。“覆蓋廣、交叉深、發展快、變化多”等特點決定了生物醫學工程學科專業的開設和建設,對教學基本建設、課程體系構建、師資隊伍力量、實踐教學平臺等方面要求比較高,必須具備一定水平的軟硬件條件。醫科院校在開設建設之初,往往存在培養方向不明確、課程體系不科學、平臺條件不完善、師資力量不足等困難和問題,因此,對于計劃開設生物醫學工程專業的高等醫科院校來說,要堅持走“先研究生培養后本科生培養”的教育培養模式,通過5-10年時間的研究生培養和學科建設,加強教學基本建設,積累教學經 驗,規范教學管理,建設一支高素質師資隊伍和一批高水平的實驗教學平臺,構建完善的課程培養體系和實踐教學體系,為本科生培養創造良好的學習條件和學習環境。
2.積極探索與理工院校聯合培養的教育模式。綜合性大學與醫科院校在生物醫學工程專業學科建設方面優勢互補、劣勢互存。綜合性大學具有完善的理工類學科體系,師資隊伍力量比較強,基礎課程比較成熟,實踐教學條件平臺比較完善,組織學生參加全國大學生“挑戰杯”設計競賽和全國大學生電子設計競賽的經驗豐富,在工程技術人才培養方面具有完善的培養體系和成熟的培養經驗,但缺乏醫學類學科教學資源和臨床實踐條件,缺乏與臨床需求緊密結合的先決條件。因此,醫科院校要在充分發揮自身資源優勢的基礎上,積極探索與理工院校聯合培養的教育模式,實現優勢互補。校校聯合培養實現資源共享、優勢互補,提高育人質量的前提是:加強頂層設計,聯合制定人才培養目標和培養方案,構建科學合理的課程體系和實踐教學體系,建立健全聯合培養的質量保障體系和綜合評價體系。
3.積極探索產學研相結合的教育培養模式。產學研相結合的教育培養模式是以產學合作、雙向參與為基本原則,以工學結合、定崗實踐為實施途徑和方法,以提高學生綜合能力素質、適應市場經濟發展對人才的需要為目標的人才培養模式。通過實施產學研相結合的培養模式,高等醫科院校可強化與科研院所和醫療衛生機構的聯系和溝通,改善教學培養功能不足,充分發揮產學研各方主體優勢,有效解決師資力量不強、支撐學科不完善、創新能力培養不扎實等瓶頸問題。實踐證明,實施產學研結合,是生物醫學工程高等教育的成功經驗,也是培養高素質生物醫學工程技術人才的必由之路[5]。高等醫科院校應樹立研究與產業化并舉的教育培養理念,深化教學改革,積極探索產學研相結合的教學培養模式,構建構建產學研一體化的運行機制。
生物醫學分析:淺論實驗動物福利對生物醫學的重要性
實驗動物學是醫學生物學研究的方法,同時又促進了醫學生物學的發展,是能夠把醫學領域的諸多項目領入新的境地的。實驗動物福利工作的好與壞,不但反映了實驗動物學科建設的成就,而且還影響著生物醫學研究成果的社會性及公眾認可程度。重視實驗動物福利,既是科學發展的必然趨勢,同時也是人文關懷精神的需要。提高實驗動物福利水平,也成為了社會公眾所關注的一個熱點。
一、實驗動物對生物醫學的貢獻
實驗動物是生物、醫學等研究、開發、應用的重要支撐和保障條件。當前,社會的飛速發展帶動了基因工程技術等方面的快速發展,實驗動物科學也迎來一個新的時代,這使得在實驗動物活體內的集整體水平、分子水平和細胞水平于一體的研究成為了可能,從而促進生物醫學的整體研究、發展。
二、動物福利的由來和發展
早在19世紀初期,英國人就開始注意動物的福利的問題。不過,當時并沒有提出“動物福利”這個詞,而是以“反對虐待動物”或“防止虐待動物”字面出現的。
動物福利是20世紀六七十年代西方國家發起的運動,到80年代中期,全世界已有263個動物福利或組織機構分布于152個國家和地區。關于動物的權利,就是要確定動物是否遭受虐待的問題,即人們對事件的評價是否屬在受虐的范圍。
在我國內地,涉及到動物保護或動物福利的法律法規性文件有以下幾個:①1988年11月8日第七屆全國人民代表大會常務委員會第四次會議通過的《中華人民共和國野生動物保護法》;②1992年3月1日林業部的《中華人民共和國陸生野生動物保護實施條例》;③1988年11月14日國家科委的《實驗動物管理條例》。④2006年9月30日國家科委的《關于善待實驗動物的指導性意見》。
實際上,在生物醫學領域的發展,就是動物福利運動發展的一個過程。在各種的研究、實驗中,利用各種實驗動物作為研究實驗對象,我們已在科學和醫學領域取得許多的重大成就,這不僅得利于科學技術的不斷發展,實驗動物也是我們諸多成果的必然條件。盡管現在在生物醫學領域,有許多科研人員不斷追求著一系列的非動物模型,但模型畢竟不能夠模擬人體或動物的復雜機制的。在人類的社會發展中,在生物醫學研究領域中,動物實驗仍是不可缺少的一項,動物福利也必將成為可持續發展的。
三、在生物醫學研究中的動物福利
實驗動物是人類在生物醫學領域的的“替代者”,在各項科學研究中,它們為了人類的醫學事業、人類的身體健康,承受著痛苦。生物科學的最終目的,是促進人類的健康,推動社會的進步。從感情上來講,我們應當尊重和愛護實驗動物,因為實驗動物所承受的,正是我們人類極有可能正在承受的。現代在生物醫學領域,我們所做的每一項科研項目基本是離不了實驗動物的,那么動物福利也就成為了一個不可回避的問題。
四、認識動物福利意義
學習、探討實驗動物及實驗動物福利的問題,是有能夠明確學科人員自我社會地位和價值的,是能夠認識到自己所從事的職業可以長久發展的,從而推動生物醫學的發展。重視實驗動物福利的工作,不僅對自然科學的進步有所幫助,同時還會推動社會科學的進步。實驗動物福利問題是人類美好心靈的體現,同科學研究的有效性也是息息相關的。在我國的醫學院校,只有多開設實驗動物學的課程,才能夠達到為生物醫學研究做準備的目的,是培養未來的醫務、科研人員的基礎。
實驗動物學在教育方面涉及到兩個內容,即學科本身的知識和自身的職業道德教育。對學生的教育時,要讓學生在接受學科知識和技能的訓練過程中,要將動物福利放置于重要的位置,要讓學生懂得尊重實驗動物,讓他們意識到要從道德、人文關懷上去管理和使用實驗動物,這樣在學生到以后的工作中,就會以更加敬業的態度對待自己的工作。
五、動物福利發展的趨勢
實驗動物對人類社會有著積極地意義,動物實驗又對人類的健康有著非常重要意義。動物福利則是直接反應著動物實驗效果的好壞,反應著關系到人類健康的現代醫學事業中。只有全社會共同努力,推動動物福利事業的發展,在我們的的生產生活中才能有所更好的保障。現代的醫學事業有著許多的新的醫療技術均是與動物實驗分不開的,可以讓我們過上更為健康的生活。那么動物福利的重要性我們就可想而知樂。
總之,實驗動物學是人類能夠認識自我、保護自我的重要的科學手段。隨著現代社會的不斷進步,生命科學研究的不斷深入,對實驗動物質量有了更高的標準要求。我國的實驗動物學科的發展,正處于加速前進的時期。我們正需要從自身做起,能夠從意識上認識到動物福利的重要性,從而真正的做到保護實驗動物,保護我們人類自身的健康。
