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1、. .生物医学电子学实验课程设计周宇*，玉军，王佩瑶，嘉玥，林启航，政#（理工大学医疗器械与食品学院， 200093）摘要：为了加强对生物医学工程专业本科生的电子工程技术训练，对该专业的生物医学电子学实验进行课程设计。选取生物电位放大器作为实验主题，突出专业特色；实验中，要求学生将基于电子设计自动化软件的设计仿真和实践操作相结合，完成生物电位放大器的设计工作、验证其功能、并对其重要性能进行测量；该实验安排在理论课早期集中精力完成，以提升学习效果。实践表明，学生经过生物医学电子学实验的训练，对电子工程技术中不同手段的特点有了更深刻的体会，对生物电位放大器的原理和性能有了更深入的理解。因此，该实验
2、的课程设计是成功的，有助于帮助学生提高学习兴趣、纠正学习方法，今后将沿此方向继续推进。关键词：生物医学工程生物医学电子学生物电位放大器电子设计自动化中图分类号：R318.6The Design of Biomedical Electronics ExperimentsZhou Yu, Yujun Cui, Peiyao Wang, Jiayue Liu, Qihang Lin, Zheng Zheng(School of medical instrument and food engineering, University of Shanghai for Science and Technol
3、ogy, Shanghai, 200093, China)Abstract: In order to strengthen the electronic engineering technology training for Biomedical Engineering students, the Biomedical Electronics experiment course was designed for the students. To highlight the major characteristics ,the biological potential amplifier was
4、 selected as the experiment subject; In the experiment, student will be required to bine the simulation based on the electronic design automation software and practical operation to plete the design work of the biological potential amplifier, verify its function, and measure its important performanc
5、e; The experiment was arranged in the early stage of the theoretical courses to focus on the pletion of the study to enhance the learning effect. Practice shows that the students have a more depth understanding of the characteristics of different methods in electronic engineering technology through
6、the training of biomedical electronics experiments. Therefore, the curriculum design of the experiment is successful, it helps students improve their learning interests, helping students learn methods. Thus, it will be continued to advance along this direction in the future.Key words:Biomedical Engi
7、neering; Biomedical Electronics; Biological potential amplifier Design automation # 通讯作者：X政，zhouyuusst.edu.；* 作者简介：周宇（1980 - ），男，XX，博士研究生，讲师，医学电子学。Tel: 18021042556; Email: zhouyu_working163.教改项目：本研究由“XX理工大学精品本科系列研究项目”专项资助。引言生物医学工程专业是一个非常具有发展前景的专业，涉及多种学科和技术，具有很强的综合性1-3；但与此同时，该专业的本科生培养工作也具有很高的难度，原因就在于
8、学生学习的容多而不精，在择业时常常无法体现出能力优势。因此，从培养生物医学工程专业本科生的角度而言，应该在对学生进行综合素质培养的同时、加强特定专业技能的训练，比如电子工程技术、机械设计技术等，为学生的就业和继续深造打下良好的专业基础4-6。医学电子仪器方式是理工大学生物医学工程专业的一个重要方向，在课程设置上，专注于培养学生的电子工程技术7, 8。这其中，生物医学电子学9, 10是生物医学工程专业的重要专业课程之一，其教学目的是让学生掌握医学电子仪器中带有共性的电子器件、电子线路及电子学设计方法，因此是引导学生学习将电子工程技术应用于生物医学工程专业的重要环节。生物医学电子学实验是该课程的配
9、套实验，目的是在于通过有代表性的实验课题，引导学生学以致用、将课堂容融会贯通于实践之中。因此，生物医学电子学实验是生物医学工程专业的一门重要实验，需要进行慎重的实验选题、认真的实验设计和细致的实验安排。为此，进行了相关的课程设计和实践工作，详述如下。课程设计思想理工大学生物医学工程专业的生物医学电子学实验被安排于第五学期，和生物医学电子学理论课平行设置。此前，学生已经通过电路原理、模拟电子技术基础、数字电子技术基础和电子技术技能训练等课程的培养，具备了一定的电子工程技术基础。生物医学电子学实验的总课时为16学时，在有限的课时，让学生得到最大程度的专业训练，具有一定难度。在此背景下，展开生物医学
10、电子学实验的课程设计工作。首先要解决的问题是实验选题。生物医学电子学实验的选题，应该能够突出生物医学电子学的特色，具有代表性。经过研究，多个生物医学电子学的相关教材中，都将生物电位放大器（Biopotential Amplifier），即仪表放大器（instrumentation amplifier），放在了相当重要的位置上11-13。生物电位放大器，是用于放大心电、肌电和脑电等信号的专用放大器；这些信号具有的特点包括：由生物体的电活动产生、属于微弱的差分信号、非常容易被更加强烈的共模噪声淹没；而生物电位放大器具有很好的共模抑止特性，最适于放大这些存在于强烈共模噪声背景下的微弱差分信号14；因
11、此，生物电位放大器在生物医学电子学中占有重要地位，非常具有代表性。模拟电子技术基础课程中不会涉及到生物电位放大器，所涉及到的最相关的容是运算放大器，而生物电位放大器是在运算放大器的基础上设计而成的。因此，以生物电位放大器为主题开展生物医学电子学实验，不仅具有代表性，而且能够引导学生在前期的课程基础上有所提高。其次要解决的问题是实验设计。围绕生物电位放大器这个主题开展实验设计工作，需要使实验具有一定深度，能够让学生举一反三，但同时又要保证大部分同学有能力在限定的课时完成任务。经过反复论证设计，最终决定生物电位放大器相关实验由两部分组成：基于电子设计自动化（Electronic design au
12、tomation, EDA）软件的设计仿真实验和动手实践实验。在第一部分实验中：学生基于LM32415完成生物电位放大器的设计工作；仿真验证设计结果；仿真测试其差模增益幅频响应曲线、共模增益幅频响应曲线和共模抑止比对频率的响应曲线16。在第二部分实验中：学生在面包板上动手搭建生物电位放大器；并在实验室中，使用各种设备测试差模增益幅频响应曲线和共模增益幅频响应曲线；计算共模抑止比对频率的响应曲线。上述实验设计的基础是：学生在前期的电路原理、模拟电子技术基础和数字电子技术基础课程的相关实验中，已经具备了一定的动手实践能力；在前期的电子技术技能训练课程中，已经具备了一定的基于EDA软件的电路设计和仿
13、真能力。上述实验设计的优点在于：通过设计仿真工作，让同学们尽快掌握生物电位放大器的原理，建立实验信心，同时，基于EDA软件开展电路工作，符合发展趋势17；通过设计仿真和动手实践相结合，互为验证，比较差异，容易引发思考，更加深刻的体会电子工程技术中不同手段的特点；对生物电位放大器的重要参数进行仿真、测量和总结，有利于学生们在更深地程度上掌握生物电位放大器，并利用类似方法，尽快掌握其它的集成电路芯片；实验设计有焦点，但实验量可控，适于学生们在一定时间集中精力完成。最后要解决的问题是实验安排。由于生物医学电子学实验是生物医学电子学理论课程的配套实验，因此在进度安排上必须要统筹考虑；此外，实验设计决定
14、了生物医学电子学实验适宜集中精力完成，而不是分散到每周进行，集中完成实验能够取得更好的效果。为此，在生物医学电子学理论课程中，生物电位放大器相关容被安排在课程的早期进行讲解；紧随其后，利用课余和周末时间，在一周完成生物医学电子学实验。这样安排的好处是：学生能够在课程的开始阶段，就体会到了如何将理论应用于实际，引发学习兴趣；同时，实验中遇到问题时引起的反思和成功时总结的经验，能够为后续的理论课程学习提供有益的指导。实验容展示下面以一位学生的实验情况为例，说明课程设计效果。1） 生物电位放大器的设计和仿真：a) 生物电位放大器的设计：基于lm324设计一个基于三运放的仪表放大器，用于生物电位测量。
15、仿真电路原理图：仿真过程及选用的材料：连接电路，R1 R2与R5 R6都选用10K的电阻，R3 R4 选用24K的电阻，这样通过Rg换用不同阻值的电阻，让差模增益改变，分别是大约是1倍(接成跟随器)，10倍（Rg=5.6k），100倍(Rg=470)，1000倍(Rg=47)，仿真出各组差模共模增益及计算CMRR。增益公式：A = (2*R3/Rg+1)*R2/R1;（设计过程、增益公式、电路图，参考2）用到的材料）b) 对所设计的生物电位放大器进行仿真，验证其功能：（模拟心电信号输入，添加共模增益，看输出的信号和放大倍数，参考2）用到的材料）心电信号选用10mV的交流信号模拟；共模增益选用5
16、00mV的交流信号模拟下图是Rg选用5.6k时输出信号的的差模增益、共模增益。Figure 1差模信号的放大倍数由此图可知输入信号的差模分量为实线表示的为10mV，输出信号为虚线表示为100mV，共模信号的500mV被完全抑制。证明此系统具有很强的抑制共模放大差模的能力。c) 对所设计的生物电位放大器进行仿真，测量其性能：（测量差模增益幅频响应、共模增益幅频响应和共模抑止比对频率的响应）Figure 2差模增益幅频响应曲线此图中从上到下的短划线、虚线、点划线、实线分别代表放大1000倍、100倍、10倍和1倍所选用的电阻Rg分别是47、470、5.6k、和无穷大电阻；由此图可见放大倍数越小时的
17、幅频响应越不易失真，放大1000倍时在1khz左右就开始失真，放大100倍时在10khz左右开始失真，放大10倍时在100khz左右开始失真，而放大1倍时在1Mhz左右才开始失真。Figure 3共模增益幅频响应曲线Figure 4CMRR共模抑制比与频率的曲线2） 生物电位放大器的实践（面包板（1块）、lm324（2片）、电阻10k（16个）、电阻24k（8个）、电阻5.6k（4个）、电阻470（4个）、电阻47（4个）、导线（2米）3） 实验分析（对生物电位放大器的理解，仿真的优势，差异产生的原因）1.随着频率的升高，CMRR随之降低。2.差模增益在一定频率围之保持恒定，共模增益理论上为零
18、，由于测量方法以及元器件参数的不匹配可能导致了较高的共模增益，同时随着频率的上升也会有所上升导致CMRR的下降。3.另外由于增益带宽积恒定，随着增益的升高，半功率点（截止频率）会有相对的下降。结论为了避免生物医学工程专业本科生培养博而不精的问题，在对学生进行综合素质培养的同时，应该加强特定专业技能的训练；理工大学生物医学工程专业医学电子仪器方向在课程设置上专注于培养学生的电子工程技术；生物医学电子学实验作为该专业的重要课程生物医学电子学的配套实验，在引导学生“入门”、引发专业兴趣等方面，具有重要作用；为此，对该实验进行了相关的课程设计工作。在实验选题上，以生物电位放大器为核心，突出了生物医学电
19、子学的特色，具有代表性；在实验设计上，设计仿真与动手实践相结合，完成对生物电位放大器的设计、验证和性能检测，不仅能够深刻体会电子工程技术中不同手段的特点，也能够深入理解生物电位放大器，做到举一反三、触类旁通；在实验安排上，与生物医学电子学理论课程相配合，在课程早期集中精力完成，引导学生学以致用，提高学习兴趣，纠正学习方法。实践表明，通过生物医学电子学实验的训练，学生对专业的认知程度、对技术的理解程度和对知识的掌握程度，都得到了提升，这些能力的加强有助于学生对其它专业课程的学习和掌握。因此，该实验的课程设计是成功的，今后将沿此方向继续推进。参考文献1.尤富生, 麻省理工学院教育理念及对生物医学工
20、程专业的启示.医疗卫生装备, 2016. 37(1).2.永生, 生物医学工程专业特色培养方案设计.医疗卫生装备, 2015. 36(7).3.常世杰, 以“卓越工程师”为目标的生物医学工程专业课程体系改革.中国医疗设备, 2014. 29(2).4.晓明, 生物医学电子综合实验系统设计.实验技术与管理, 2013. 30(7).5.薛慧君, 浅谈生物医学工程专业电路原理教学改革模式.医疗卫生装备, 2016. 37(5).6.栋, 生物医学工程专业电子学实验教学改革的研究与实践.中国医学物理学杂志, 2012. 29(3).7.周宇, 医学仪器设计原理课程构建的心电检测系统.实验室研究与探索
21、, 2012(2).8.任杰, 基于电生理的生物医学工程实验体系建设.高校实验室工作研究, 2011(3).9.翔, 生物医学电子学的发展.电子产品世界, 2002(06A).10.马长升, 生物医学电子学的回顾与展望.中国医疗设备, 2008. 23(3).11.Webster, J.G., Medical Instrumentation: Application and Design. 3rd ed. 2009: John Wiley & Sons.12.刚，林凌, 生物医学电子学. 1 ed. 2014, : 航空航天大学.13.余学飞，叶继伦, 现代医学电子仪器原理与设计. 13 ed. 2013: 华南理工大学.14.Franco, S., 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计. 2 ed. 2009: 交通大学.15.Instruments, T. LM324 Quadruple Operational Amplifier. Available from: .ti./product/lm324.16.童诗白，华成英, 模拟电子技术基础. 5 ed. 2015: 高等教育.17.毅男, 基于PSpice的电子电路仿真与设计.现代电子技术, 2006. 29(14). .word.