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生物医学分析:生物医学虚拟仪器技术分析
1生物医学工程专业课程设置及教学现状
我校自2003年开办生物医学工程专业以来,根据医科院校特点,以为医疗和医学研究服务为目的,培养能将医学与工程技术相结合,从事医学影像、医疗电子仪器和计算机技术的研发、操作和管理工作,并且能够开展生物医学工程学科研究的人才[1]。该专业主要学习生命科学、电子技术、计算机技术及信息图像传输、处理等有关的基础理论知识以及医学与工程技术相结合的科学知识,设置的主干课程有:“电路原理”“模拟电子技术”“数字电子技术”“微机原理”“生物医学传感器”“医疗仪器原理”“信号与系统”“数字信号处理”“生物医学信号检测与处理”“单片机原理与接口技术”等。另外凭借医学院校的优势还开设了一些医学方面的基础课,生理学、人体解剖等。为了提高教学质量,更好的达到教学效果,所开设的这些课程基本上都需要做实验演示,以增强形象性效果和形象性验证。实验教学在大学教育中是必要手段。几乎每门课的实验教学都需要用到各种各样的电子仪器,主要包括示波器、信号发生器等。在传统教学中基本上都是使用相对独立、功能固定的电子仪器,不能够随意更改它们的结构和功能。对于需要电子计算机之类的课程而言,一般都得配备几十套教学仪器来供教学使用,这些仪器设备还需要不断更新维护,教学成本比较高。另外,在医学院校对于和医学相关的专业课程很多实验实际操作比较困难,效果不理想。中国的医学教育资源本身很紧张,另外医院的设备多是大型设备,体积庞大,价格昂贵,操作使用复杂,临床使用要求高,一般院校很难满足大型医疗设备的教学使用需要。因此,在医学院校的教学中就出现很多问题,比如医学实验教学中的人体生理参数采集等演示效果不好,所以,传统的医疗仪器教学只能偏重于理论讲解,不够生动,即使有个别实验模具,其教学效果也不理想。在当前学校经费较少的情况下,如果大量增加常规仪器、仪表的配置,学校财力难以支付。这样容易造成实验教学效果不理想,对提高学生学习兴趣,培养创新及实践能力都有一定影响。随着现代测试功能和计算机技术的密切结合,出现的虚拟仪器技术可以帮助我们克服一些硬件上不能解决的难题,弥补传统仪器教学的不足。
2虚拟仪器在课程中的应用
2.1虚拟仪器简介
虚拟仪器(VirtualInstrument,VI)是一种新兴的仪器,一种功能意义上的仪器,在以通用计算机为主的硬件基础上,由用户自己设计定义虚拟的操作面板,测试功能由软件来实现的一种计算机仪器系统[2]。其实质是以计算机为核心的仪器系统与电脑软件技术的密切结合,将仪器装入计算机。通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件融合,通过软件编程来实现传统仪器中的由硬件电路完成的功能,利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制端,利用计算机强大的软件功能来管理仪器系统,完成对信号数据的运算、分析处理等,可以多种形式输出结果,少量的硬件模块则为虚拟仪器的正常运行提供信号I/O接口设备来完成不同要求的测试。虚拟仪器具有传统仪器没有的性能高、扩展性强、开发时间短、开发成本低等优点,具有很强的灵活开放性。不同领域的科学家和工程师都借助虚拟仪器来解决工作与课题中的实际问题。所以,虚拟仪器自诞生以来就在测量、航空航天、自动化、远程教学和生物医学等世界范围的众多领域内得到了广泛应用[3]。LabVIEW是美国NI(NationalInstrument)公司推出的一种基于图形化编程的软件开发工具,将功能强大的图形化设计平台LabVIEW与相关硬件结合应用于教学上,能够使传统理论教学与实际有效结合,帮助学生完成从理论到实践的学习。LabVIEW软件平台结合数据采集卡等相关硬件可以开发出示波器、信号发生器等常用的电子仪器,不仅可以代替传统仪器且摆脱了传统电子仪器功能单一、更换维护麻烦等缺点[4]。将基于LabVIEW的虚拟仪器应用在教学中极大提高了教学效率,已经逐渐成为一种新的手段。
2.2在医疗仪器教学中应用
“医学仪器原理”是生物医学工程专业的一门专业必修课。该课程涉及了医学和电子学、计算机、信号处理、传感器技术等方面的知识,是一门实践性很强的科目。作为生物医学工程专业的学生,要掌握常见的医疗仪器的基本结构、工作原理,而且还要具有一定的创新思想和科研水平,有开发和设计高水平的医疗电子仪器的素质[5]。因此做好实验教学是学生提高学生实验水平和综合能力的关键。医学仪器原理实验主要将人体生理信号的检测及处理分析作为教学内容,包括了人体血压信号、心电、体温、呼吸、脉搏等生理参数的测量。生物医学信号由传感器转变成电信号,因为人体生理信号比较微弱要先经过信号的放大、滤波等预处理,再进入数据采集卡。信号通过数据采集卡采集到计算机上以后,利用LabVIEW的图像化语言进行编程,实现对数据的各种分析,包括数值分析、频谱分析等,再通过仪器软面板把结果显示在电脑上。我们以人体呼吸测量为例,这种设备一般只在医院常见,用于教学中的仪器基本上没有。因此讲过理论原理后,学生不能够真正透彻的明白,无法满足教学上的需要。我们利用少量硬件设计结合LabVIEW软件编程构建了一个人体呼吸测量系统,采用阻抗式呼吸测量原理,硬件电路主要涉及放大和滤波环节,限于篇幅就不详细说明了。图1为基于LabVIEW平台搭建的呼吸测量面板图,针对学生教学取得了很好的效果,同学们一致反映对呼吸测量的原理有了更透彻的认识,并且能学习新的软件技术,扩展知识面。在LabVIEW环境下进行实验教学只需要根据实际情况,比如是呼吸测量还是心电测量等,通过软件编程及很少的硬件连接便可完成实验任务,即节省了实验成本,又利于实验设备更新,让 教师和学生脱离了传统教学仪器功能单一的框框,更重要的是可以充分提高学生积极性和发挥创造性,像搭积木一样,根据不同的测试需要,在计算机上构建一个基于虚拟仪器技术的测试测量装备,这样做还能够充分的节省高校技术资源[6]。
2.3在信号处理类课程教学中应用
生物医学工程专业设置的信号处理类课程主要有:“数字信号处理”“信号与系统”“生物医学信号检测与处理”等。这些课程中往往涉及大量抽象的概念、公式,老师上课的时候也只是讲解推导公式或证明算法,学生没有直观印象,无法把函数公式与实际波形相联系,理解起来非常困难,从而很大程度的影响了教学效果。我们以“数字信号处理”课程为例作一简单介绍。“数字信号处理”是一门理论性很强的,以算法为核心的科目。为了使学生深入理解教材上提到的理论算法,需要通过仿真实验来验证那些理论。LabVIEW软件平台的特点之一就是具有丰富的运算且灵活高效的信号处理功能,LabVIEW图形化信号处理平台由多个信号处理与数学函数库组成,包含小波变换、滤波器设计、时频分析、图像处理等工具包,将信号处理的各种功能转化为VI函数,给使用者提供了方便、简单的编程途径,从函数库调用这些现成的VI函数就可以迅速完成信号处理。学生能一目了然地看到程序的运行情况,也可以比较不同的参数对结果的影响。在数字信号处理教学中滤波器是重点知识,也是教学难点。在以往的教学中发现学生普遍对于滤波器的作用弄不明白,另外根据学习的理论知识怎样设计出有实际应用价值的数字滤波器也不清楚。在讲授滤波器时,在LabVIEW中信号处理函数面板中的滤波基本函数栏进行选择,在虚拟仪器前面板上放置多个图形显示控件,完成对滤波器的设计,还可以同时显示多个滤波器的滤波结果,这种学习方式简单明了,学生很容易理解抽象的概念从而掌握所学知识。另外LabVIEW图形化的编程语言有助于学生在比较短的时间内开发出相对复杂的数字信号处理程序,增加了同学们的自信,提高了其学习积极性。虚拟仪器技术强大的功能可以使其对学生开展形象、直观的教学方式,灵活的应用于教学中,不仅可以帮助学生深刻领会抽象的理论知识,扎实掌握所学知识,同时还可以提高他们的学习兴趣,达到教学效果。
3小结
虚拟仪器的出现是测试领域的一次革命,是仪器领域一个新的风向标,它使现代测试测量系统功能越来越强大,且更加的灵活高效、经济,高等教育领域也正在汲取着这种优势,壮大着它的发展。实践证明在生物医学工程专业的教学中引入虚拟仪器技术,不仅能够使教学内容和时展、科学技术紧密结合,而且可以有效促进师生的教学互动,给学生极大地参与感,对培养学生的创新意识和动手综合能力都有帮助。随着生物医学和电子信息技术、虚拟技术的不断发展,生物医学工程专业的教学改革与研究任重而道远,如何使高校培养出具有创新能力的高素质人才需要我们不断努力探索。
生物医学分析:生物医学成像数字化设计思考
1引言
多通道辐射成像探测器已广泛应用于生物医学成像系统中,探测器的输出信号经过多通道的前端模拟读出电路处理,然后被数据采集系统数字化后进行图像重建[1].模数转换器(Analog-to-digitalConverter,ADC)将前端读出电路输出的模拟信号转换为数字信号,是数据采集系统的关键模块,ADC的性能直接决定了生物医学成像的质量.在多通道前端电子系统中,一般有三种方案实现信号由模拟到数字的转换.首先,使用多个并行的ADC后接一个数字多路选择器的结构[2].这种方法中,采用低速或中速的ADC如逐次逼近型(SAR)ADC就能满足要求,但是由于每个通道配置一个ADC,将占用很大的面积,而且消耗较大的功耗.其次,采用多通道的ADC结构[3].常见的结构如斜坡(Ramp)ADC,但是这种结构对比较器的精度要求很高,而且需要高频采样时钟,另外通道之间也存在串扰的影响.第三种方案是采用一个模拟多路选择器和一个高速ADC实现[4].ADC可采用快闪式(Flash)或流水线式(Pipeline)结构.快闪式ADC因其消耗较大功耗而不适合高分辨率的情况.流水线ADC把整体上要求的转换精度平均分配到每一级,降低了对模拟电路精度的要求,同时流水线结构的转换速率几乎与级数无关,因此能够在速度、功耗和分辨率方面获得的折衷[5-7].基于以上分析,本文采用模拟多路选择器+流水线ADC结构,实现多通道前端电子系统中模拟到数字的高速转换.
2设计与分析
根据生物医学成像前端电子系统的结构及信号处理的要求,本文提出了多通道流水线结构的前端电子系统.图1所示为多通道前端电子系统的结构及信号处理时序.如图1(a)所示,探测器模组通过光电转换产生16通道的微弱电荷信号,经过前端读出电路的放大及整形,在一个时间窗口(5.12μs)内产生稳定的电压输出.模数转换器在一个时间窗口内完成16通道的模拟到数字的转换.图1(b)所示为前端电子系统的信号处理时序,探测器信号的模拟读出、模数转换、数据输出分别在三个相邻的时间窗口内依次流水式完成,有效降低了对电路速度的要求,提高了系统处理效率。基于以上分析,本文提出的多通道流水线ADC结构如图2所示.Vin<0>、Vin<1>、…Vin<15>为16个通道的模拟读出信号,经过输入处理电路后分别得到一对差分模拟信号Vinp、Vinn.流水线ADC完成模拟到数字的转换,输出8-bit数字信号Din<7:0>.输出处理模块缓存该数据,并在下一个时间窗口内输出.输入处理电路完成16个通道的模拟信号的多路选择,并将其转换成差分信号.流水线ADC采用8-bit25Ms/s每级1.5bit的PipelineADC结构,实现模拟信号到数字信号的转换.输出处理电路处理并缓存当前时间窗口的数字数据,并在下个时间窗口输出.时序控制模块完成整个模数转换系统的时序控制,产生16路信号选择的开关信号、流水线ADC的时钟信号以及用于数据存储并输出的控制信号.多通道模数转换器的工作时序如图3所示.tw(=5.12μs)为一个时间窗口;tc0(=0.2μs)为通道0转换时间;tc15(=0.2μs)为通道15转换时间;tc(=0.8μs)为16个通道总的转换时间;ts(=0.64μs)为转换后数据存储的时间;to(=0.64μs)为数据输出时间.D0、D1…D15为当前窗口转换的数据;D0’、D1’…D15’为上个时间窗口转换的数据,在当前窗口输出.根据系统要求,一个时间窗口定义为5.12μs.外部输入时钟Clk_50M为50MHz,系统内部时钟Clk_25M为25MHz,它是将Clk_50M二分频后得到的.当窗口复位信号(Window)变为高电平后,电路开始工作,SW<0>产生40ns的高脉冲,选通通道0的模拟信号,接着SW<1>产生40ns的高脉冲,选通通道1的模拟信号…….每隔一个时钟周期(40ns),一个模拟信号进入流水线ADC,当通道1的模拟信号转换完毕后,每隔一个时钟周期(40ns)输出一路8-bit数据.数据串行进入寄存器Wi(i=0,1…15),然后并行进入寄存器Ri(i=0,1,…,15),等待下个时间窗口输出.时间窗口复位结束后,在时钟Clk_out(25MHz)的控制下,寄存器R<0:15>中存储的上个时间窗口转化得到的数据串行输出.
3电路实现
3.1输入处理电路
输入处理电路如图4所示.虚线左边为16通道模拟多路选择器电路,时序控制电路生成控制信号SW<15:0>,SW<15:0>信号同一时刻只有一个为高电平.当SW为高电平时,Vin通道的开关闭合,第i通道的模拟信号连接到模数转换电路,其余通道悬空.开关采用CMOS传输门实现,要求导通电阻小.在设计CMOS开关时要选择合理的K值,即满足(W/L)p=K*(W/L)n,使得开关导通电阻在输入电压摆幅内变化最小.通过对CMOS传输门导通电阻在不同尺寸时的仿真,确定当K=4.2时,导通电阻变化最小.
3.2流水线转换电路
本文提出的数字化结构要求在一个时间窗口(即5.12μs)内实现16个通道的模数转换.根据系统对信号转换分辨率的要求,文中采用8-bit25Ms/s的pipelineADC结构.由图3可知,完成16通道的模数转换所需时间为0.8μs,考虑窗口复位所需时间,总的时间小于1μs,满足窗口大小的要求.另外,由于所需转换时间远远小于一个时间窗口,因此该结构可扩展到更多通道应用.流水线模数转换器的电路结构如图5所示.Vip、Vin为差分输入信号,Clk为25MHz采样时钟,S1、S2为两相不交叠时钟,D<7∶0>为转换后的最终数字输出.在基于闭环运算放大器的开关电容电路实现中,单级有效位数少使得电路的反馈因子较大,并且流水级中运放的负载较小,运放的增益与带宽要求减小,可容忍的失调电压范围变大,比较器精度要求降低.在文献[8]中提到,对于分辨率小于10bit的流水线模数转换器,流水级一般采用较低的有效位数(小于2~3bit).因此,本文采用单级1.5bit的流水线结构.8-bit25Ms/s的流水线模数转换电路对运放的增益和带宽要求不高,同时差分结构可使信号摆幅增加一倍,因此运放采用典型的全差分套筒式共源共栅结构.由于比较器是在采样阶段结束后开始工作,比较结果用于保持放大阶段,因此需要一个高速比较器.本文比较器电路采用动态锁存比较器结构,锁存控制信号为采样信号取反.通过Hspice仿真,比较器完成比较所需时间约为900ps.流水级电路输出的比较数据为温度计码格式,传统的流水线模数转换电路在进行数字校正之前需要使用码制转换电路先将温度计码转换为二进制码.本文的模数转换电路通过改变数字校正电路输入的顺序,使得温度计码直接可以进行数字校正.
3.3时序控制和输出处理电路
时序控制电路和输出处理电路遵循数字电路设计流程,采用Verilog-HDL语言描述.时序控制电路主要实现三个功能:(1)产生控制16通道模拟开关的SW信号,这可以通过具有17个状态的状态机实现;(2)控制转换得到的数据存储,由于pipelineADC从开始转换到得到及时个数据所需时间是固定的,并且一个时钟周期输出一个数据,因此可以采用计数器产生控制信号;(3)控制所存储数据的输出,采用计数器产生控制信号.输出处理电路主要实现两个功能:1)存储pipe-lineADC转换后的16个通道的数据;(2)在下一个时间窗口顺序输出16组的8-bit数据.本文采用的存储与输出策略如图6所示.当存储控制信号en_w有效,在clk_write的上跳沿将转换后的数据Din<7:0>串行写入寄存器W0,W1.….W15,然后通过Ri寄存器的B输入端并行写入寄存器R0,R1,…,R15.在下一个时间窗口,寄存器W0,W1,…,W15又存储新的数据,寄存器R0,R1,…,R15则在clk_read的上跳沿串行输出所存储的数据.
4仿真验证
本设计遵循数模混合电路“中间相遇”的Top-down设计方法,采用TSMC0.18μmmixedsignalCMOS工艺,模拟部分(包括输入处理电路和流水线模数转换电路)的电源电压为3.3V,数字部分(包括时序控制和输出处理电路)的电源电压为1.8V,运用S pectreVerilog仿真工具,进行了全电路的仿真验证.仿真结果表明在及时个时间窗口复位结束后,16通道的单端模拟信号依次通过模拟多路选择器单端转差分流水线模数转换器存储与输出;在第二个时间窗口复位结束后顺序输出前一时间窗口存储的数字数据.同时,下一组16通道的单端模拟信号进行单端转差分、模数转换和存储.全电路仿真结果表明,本文设计方案可以满足特定时间窗口下16通道的模数转换.16通道的模拟多路选择及单端转差分处理如图7所示(以通道0和通道1为例).SW<0>、SW<1>分别为通道0和通道1的开关控制信号;Vin-put为模拟多路选择器的输出;Vip、Vin为产生的差分信号,共模电压为1.8V;S1为流水线模数转换器的采样信号,高电平有效.SW提前采样信号S1半个时钟周期有效,当S1有效时,差分信号Vip、Vin已达到稳定,从而保障正确的模数转换.流水线模数转换器的性能仿真如图8所示(输入正弦信号频率为1.0375MHz,幅度为±0.5V,采样频率为25.6MHz).由仿真结果计算可得,DNL为-0.62~0.67LSB,INL为-0.39~0.72LSB,SNR为45.99dB,SFDR为40.57dB,ENOB为6.03bit.
5结束语
本文设计了一个应用于生物医学成像前端电子系统的多通道流水线数字化电路.在分析成像前端电子系统特点的基础上,提出了流水式的前端模拟信号处理、模数转换和数据输出结构,并完成了模拟多路选择、单端转差分、流水线模数转换、数据存储与输出等模块的电路实现和仿真.流水线模数转换电路的性能满足8-bit25Ms/s的性能要求,全电路仿真结果表明,本文设计的电路满足系统设计要求,并具有进一步扩展通道数的能力。
生物医学分析:生物医学光学探析
1会议概况
工业激光和生物医学光学国际学术会议于1999年10月25~27日在华中科技大学学术交流中心举行。H.wcber教授和干福熹院士担任大会主席,来自14个国家和地区的221位代表(境外代表46人)出席了会议。会议得到美国SPIE的支持,正式出版了会议论文集SPIE(工业激光论文集卜3862和SPIE(生物医学光学论文集关3863.前者共收录论文121篇,其中,国外作者论文13篇;后者共收录论文95篇,其中国外作者论文31篇。大会特邀了世界激光和生物医学光学领域的着名学者作主题报告,全体大会4个特邀报告,工业激光分会8个邀请报告,生物医学光学分会4个邀请报告,这些特邀报告和邀请报告学术水平高,均反映了当前国内外研究的前沿课题。
2工业激光研究的近期热点
在工业激光器领域,由于半导体激光器迅速发展,准连续器件已达到4kw.因此,在许多应用领域均有采用半导体激光器代替传统的气体激光器及固体激光器的发展趋势。但是,由于半导体激光器目前光束质量较差,作为过渡的发展阶段是大量采用半导体激光器泵浦的固体激光器,其激光输出功率也已达到4kw级,光束质量获得明显改善。因此,在世界市场上,1998年固体激光器的销售金额,首次超过了CO:激光器。据估计,近期激光技术的应用在高功率激光器方面仍然会以COZ激光器和固体激光器为主。在激光应用领域,除了高功率激光应用以外,国外已经在激光精密加工领域开展了深入的研究工作,如法国利用准分子激光超精密打孔、划线,精度非常高,孔径圆整、光滑,在陶瓷如S13N;,A12O3等方面的精密处理方面已有深人的研究。本次会议涉及到准分子激光应用的文章有15篇,涉及领域有激光淀积超导薄膜,金刚石薄膜、非晶金刚石薄膜等,激光制备光栅,激光制备纳米颗粒。我国大陆学者主要把准分子激光用于制备薄膜,台湾大学是用准分子激光制备光栅,法国学者用激光制备纳米颗粒。可见国外用准分子激光加工开展面比我国广泛。从本次会议看,国外今后重点发展研究领域和前沿课题包括:高功率半导体激光器,近五年内千瓦级器件将会实现实用化;半导体激光泵浦固体激光器,特别是盘片固体激光器近五年内也将会突破千瓦级;半导体激光泵浦全固体化紫外激光器已突破3W,如果能提高一个量级,将会逐步取代紫外气体激光器;利用准分子激光对电子元器件处理作了很深入的研究,在这些方面已成为激光超精密加工应用的重要发展方向。国内外在激光制备薄膜方面的研究始终是一大热点。我国半导体工业基础差,不仅在集成电路发展方面吃了大亏,现在看来在光电子工业的发展方面又要重复以前的错误。国内有几个单位发展半导体激光器,主要侧重在通讯应用。高功率半导体激光器及短波长半导体激光器差距很大,应予以足够的重视。在发展高功率激光器件,包括气体和固体与国际水平差距更大。从会上两个非常有代表的报告可知,其一是英国He:i。t一watt大学的D.R.Hall教授报告的平板波导高功率激光器件.代表了当代国际先进水平,从基本原理到结构特性,均报告得比较详细,内容也很丰富。其二是德国柏林技术大学H.Webe:教授报告的激光二极管泵浦的固体激光器,特别是针对激光二极管泵浦源的特点,提出了一种新型的腔体结构,很有特色与创新,在他的论文中有比较精辟的论述。此外,德国斯图加特宇航技术物理研究所主任Willyl,.Bohn博士,介绍了他们的激光二极管泵浦圆盘型固体激光器,在一片直径5mm,厚度不足1mm的激光介质上,可取得500W的激光输出。部分代表与他讨论了与此有关的问题:①增益长度短为何能获得这么高的激光输出?②高掺杂晶体将产生晶格缺陷,直径5mm,厚度不足1mm的激光介质是如何制备出来的?③泵浦光如何进人激光介质,怎样实现均匀的泵浦?④是否可用更多的圆盘串在谐振腔光路上获得更大的输出?目前德国已解决了前三个问题。对于大于5kw输出的固体激光器介质热畸度仍不可忽略,输出光束质量大大下降,还有待进一步研究解决方法。在激光与材料相互作用方面,我们的研究大多注意在诸如激光的光斑直径、功率、照射时间、速度等参数和工艺的研究上。而对激光与材料相互作用的机理研究尚不够,如激光照射到材料表面后,激光是如何烧蚀材料表面的,材料对激光的吸收与反射,材料表面吸热后如何进行传热?对材料表面组织结构改变及其形成机制,缺乏深人的研究。在激光与材料相互作用机理方面应加强研究力度。对这些基础研究有一定深度后,在激光加工应用中的工艺就有了理论依据。
3生物医学光学研究的近期热点
本次会议还涉及到光学层析成像及光谱学的理论与模型、生物监测的光学成像与光谱学、适用于生物医学和临床的相干域光学方法、生物光谱学和显微学、激光与组织的相互作用、激光医疗等方面。以下就生物医学光学研究的一些近期进展和热点问题作一概述。(l)光学层析成像及光谱学技术的理论与模型。关于生物组织光学层析成像和光谱学技术的理论与建模研究一直是国际生物医学光学的研究重点。由BrittionChanee博士主持的“OptiealtomographyanDSPeetroseopy:theoryandmode1s”专题会议吸引了众多听众。来自各国的科学家报道了该领域的近期研究成果和应用。俄罗斯valeryv.Tuchin教授报道了活组织光学特性参数控制的有关成果,其离体和在体的实验均证明了通过使用葡萄糖、trazograph等渗透活性助剂可改变人眼巩膜、皮肤等纤维组织的光散射特性。美国StevenIJ.Jacques教授做了《生物组织科学和工程中的光学技术》的特邀报告,J.R.M。盯ant教授介绍了生物组织中光散射的基本机理研究的进展。麻省理工学院的李兴德博士报道了衍射层析成像技术的近期进展,提出了一种用于高散射介质中扩散光子密度波快速、近场衍射层析成像的角谱算法,该算法可用于有限大小介质,并能同时重建吸收和散射系数。宾夕法尼亚大学的张思豪博士报告了基于混浊介质中,用动态光散射技术测量深层组织中血流的一种方法,该方法可用于深层组织中的血流动力学图像的重建。华中科技大学的张智报道了用分形理论进行人眼角膜内皮细胞图像分析的初步结果。(2)生物组织的光学成像和用于生物监测的光谱学技术。九十年代以来,美国、欧洲、日本等国都在该领域投人了大量的人力和资金,本次会议共有26篇论文涉及此项专题。其内容包括组织光学成像和组织光学参数测量、光学脑功能成像、近红外光谱术的血流动力学测量、组织超微弱发光检测、扩散光子密度波和X射线层析成像等。
StevenL.Jacques教授报道了一种基于偏振光摄像机的组织成像系统.该系统可用于对浅表皮肤的成像,其优点是可避免较深层组织扩散光子对成像造成的影响,同时也能有效消除表层皮肤镜面反射及黑色素积淀的影响。美国约翰?霍普金斯大学刘乱副教授提出了一种用于数字乳房X射线照相术的新型光学祸合电子成像技术,该技术的独到之处在于使用新颖的CCD扫描和防辐射
设计.可用小尺寸CCD成像器进行大范围视场的成像,且不损失空间分辨率.解决了现有电子成像器在成像所需分辨率下,面积不足以覆盖整个乳房的问题。哈佛医学院DavidA.BoaS博士等人比较了采用近红外光谱术和扩散光学层析成像技术,定量测量组织整体和局部血氧变化的异同。如何定量测量组织中血氧的变化是当前迫切需要解决的问题.虽然当前有几种技术可实现定量监测,但使用不方便,因而需要研制简便易用的检测装置,以满足日益发展的市场需求。美国得克萨斯农机大学汪立宏博士?报道了声致发光层析成像和扫频超声调制光学层析成像技术的近期进展。声致发光成像技术利用聚焦超声波激发组织内部发光,实现在生物组织内部的选择性光激发,从而实现对较深层组织毫米量级分辨率的光学层析成像。会议中,利用无损伤的光学成像技术研究大脑功能和脑血液动力学变化成为与会者普遍关注的问题之一。华中科技大学骆清铭教授报道了用大脑功能近红外光学成像器研究视觉刺激、手指运动时大脑视觉、运动皮层的活动以及前额叶在工作记忆和情绪活动中作用的成果;中科院心理研究所的杨炯炯博士用大脑功能近红外光学成像器研究了左前额叶在非相关词对编码中的作用;日本Kagoshima大学王钢博士报道了用基于大脑活动内源信号检测的光学成像系统.研究不同颜色形状的物体对猴子进行视觉刺激时其大脑皮层的活动;清华大学WemaraIicllty报道了用近红外光谱术研究大脑活动时氧合作用变化的结果。
(3)生物医学和临床的相干域光学方法。在该专题中,弱相干光学层析成像(OC丁)成为会议关注的热点。近年活跃在相干域光学方法及其医学应用研究领域的加利福尼亚大学陈忠平博士报告了目前OCT.ODT(光学多普勒层析成像)的近期研究成果,日本的刘纪元博士也就OCT技术的进展做了特邀报告。中科院上海光学精密机械研究所、清华大学的代表都报道了各自在()CT方面的研究结果。(4)生物光谱学和显微术。为获得生物组织内部的微观结构信息,从细胞、分子水平研究诸多生命现象的微观机理,近儿十年来人们一直致力于各种显微成像技术的发展研究。会上,代表们报道了在激光扫描共焦显微成像、荧光与光谱成像以及散射介质中光信息的获取等方面的研究进展。如:加拿大英哥仑比亚癌症研究中心曾海山博士报道了一种利用荧光成像.可检测呼吸道与胃肠道早期癌症的系统。澳大利亚维多利亚大学顾敏教授报道了在混沌介质中,他们用角度门法代替时间门法,以提高成像的效率。(5)激光与生物组织的相互作用。激光与生物组织的相互作用和组织光学所涉及的内容十分广泛,在生物医学基础理论和临床诊断研究中具有重大的意义。代表们就激光与组织相互作用时的光散射、干涉、光机械、光热、光化学效应,生物组织中光子的迁移规律,以及低功率激光生物效应等方面进行了广泛深人的研究讨论。在光热效应方面,美国得克萨斯大学R.D.Glickman教授提出钦YAG激光器用于泌尿系统结石碎石治疗的主要机理是光热烧蚀作用。俄勒冈医疗激光中心解哗博士报道了半导体激光器用于尿道焊接的研究成果。日本自由电子激光研究所的K.Awazu报道了用红外自由电子激光研究动脉硬化区组织光热效应的进展。昆明理工大学周凌云教授报道了生物组织激光光热效应微观机理的量子理论分析。另外,华南师范大学刘颂豪院士、加拿大J.R.North和匈牙利Dezso.Gal教授等还报道了光动力治疗方面的研究进展。
4建议
(1)支持几个单位重点发展高功率半导体激光器及短波长半导体激光器;(2)提高半导体激光器输出光束质量的相关光学元件的研究与生产;(3)发展半导体激光泵浦的盘片固体激光器;(4)发展光纤相位共扼技术,解决高功率固体激光器光束质量;(5)发展万瓦以上的C02激光器的关键单元技术,例如气动窗口、固体窗口、高频或射频激励技术,气体激光动力学等,开展数万瓦CO:激光器的研制及其应用研究;(6)法国马赛大学的MichelAutric教授在专题发言中提出,准分子激光技术是21世纪的加工技术。我国在用准分子激光进行微加工和制备新材料方面还应加大人力和财力的投入,以赶上世界在此领域的发展。此外,部分国外代表就如何帮助华中科技大学开设生物医学光子学方面的课程,依托华中科技大学建立生物医学光子学虚拟研究中心,定期提供国外近期研究信息,在网上科研动态与相关科研项目,共享有关软件与数据,提供网上教学资料等内容进行了多次讨论,并达成共识。这对于国内生物医学光子学学科的建设,将产生积极的推动作用。
生物医学分析:生物医学本科生教育分析
一、生物医学工程学科特点
生物医学工程学科是运用现代自然科学和工程技术原理与方法,从工程学的角度研究生物体(特别是人体)的结构、功能及其相互关系,揭示生命现象、探索生命本质,研究和开发用于防病治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置、系统和工程技术的一门综合性学科[1],是理工类学科与生物医学学科深度交叉、高度融合的边缘性学科,所涵盖的领域十分广泛,具有“覆盖广、交叉深、发展快、变化多”等其他学科不具有的特点。根据研究侧重点,生物医学工程学科可分为信息技术型、材料技术型、生物技术型、生物医学研究型、医疗器械产业型、临床生物医学工程、军事生物医学工程等7类[2]。当前讨论和研究的热点领域主要有:生物医学材料、生物力学、医疗信息技术、生物芯片与传感技术、组织工程及再生医学、介入医学工程、医疗器械等7个方面[3]。
二、医科院校生物医学工程学科专业教育现状分析
高等医科院校生物医学工程学科和临床医学结合紧密,医学大背景很深厚,具备丰富的医学类学科教学资源和优越的临床设备实践条件等优势,但同时因学科体系不完善、教学师资力量比较薄弱、专业实验室建设投资大等影响因素,一定程度上制约了生物医学工程学科专业的高效快速发展。
1.理工学科体系不完善。生物医学工程专业学科涵盖面非常广,广到什么程度呢?可以用四个字形容———“包罗万象”,如果用“学科频谱”来描述学科涵盖面宽度,生物医学工程无疑是88个一级学科中“频谱宽度”最宽的学科。目前大多数开设生物工程学的高等医科院校,物理、数学、化学等基础学科相比理工科院校比较薄弱,而且缺乏材料、自动化等重要工程学科的有力支撑,这些支撑学科的缺少会导致相应课程设置不完善以及综合性实践训练平台缺乏,学生无法系统地学习工程类课程,得不到系统扎实的工程技术训练,影响人才培养目标的整体实现。
2.复合型师资比较缺乏。要实现培养医工结合与交叉的复合型高级工程技术人才目标,首先需建设一支医工结合与交叉的复合型师资队伍方阵。在高等医科院校,生物医学工程专业师资队伍中具有理工科教育背景和医学教育背景的教师比较多,而既懂医学又懂工程技术,能将工程技术与医学需求紧密结合起来的复合型、交叉型、融合型师资比较缺乏,教师队伍知识结构普遍不够合理,与各相关学科交叉融合能力弱,这些现状一定程度上影响了课程体系构建以及教学质量和人才培养质量。
3.创新能力培养不扎实。生物医学工程专业85%以上的基础课和专业(基础)课程都要开展实践教学,必须建设相应的实践教学平台,这些实验室建设要求高、仪器设备多、投入大,部分院校在生物医学工程专业课程实验条件建设经费投入不足,单独开设的实验课程比较少,实践教学体系不够完善;课程标准中演示性、验证性等基础性实验设置比较多,而综合性、设计性实验设置比较少[4];缺乏“大学生电子设计创新基地”等综合性实训实验硬件软件平台和组织管理经验;学生规模小,缺少其他理工科学科支撑,组队参加全国大学生电子设计竞赛、全国大学生挑战杯设计竞赛等活动较为困难。
4.学生专业思想不牢固。生物医学工程学作为一门新兴的边缘学科,覆盖面广,涉及领域跨度大,专业知识体系复杂,专业课程内容在各学科之间交叉频繁,本科学生对本专业缺乏深入的了解、足够的信心和学习热情;相对材料、自动化、机械、通信以及临床、医学影像等专业,生物医学工程专业学生所学知识普遍存在“宽而不精”,“广而不细”等问题,就业时相对处于劣势;部分学生由于学习任务重、压力大,导致学习积极性、主动性不高,专业思想不够牢固,甚至影响到专业整体的学习风气。
三、对策初探
高等医科院校要盯准医工结合的复合型高级工程技术人才培养目标,突出学科交叉综合培养、工程技术意识培养、创新能力素质培养,深化教学改革,加大教学投入,改善教学环境,加强队伍建设,充分发挥医学院校资源优势,积极探索具有医科院校特色的生物医学工程专业教育培养模式,构建科学合理的课程体系和实践教学体系,不断提升生物医学工程人才培养质量。
1.坚持走“先研究生后本科生”的教育培养模式。“覆盖广、交叉深、发展快、变化多”等特点决定了生物医学工程学科专业的开设和建设,对教学基本建设、课程体系构建、师资队伍力量、实践教学平台等方面要求比较高,必须具备一定水平的软硬件条件。医科院校在开设建设之初,往往存在培养方向不明确、课程体系不科学、平台条件不完善、师资力量不足等困难和问题,因此,对于计划开设生物医学工程专业的高等医科院校来说,要坚持走“先研究生培养后本科生培养”的教育培养模式,通过5-10年时间的研究生培养和学科建设,加强教学基本建设,积累教学经 验,规范教学管理,建设一支高素质师资队伍和一批高水平的实验教学平台,构建完善的课程培养体系和实践教学体系,为本科生培养创造良好的学习条件和学习环境。
2.积极探索与理工院校联合培养的教育模式。综合性大学与医科院校在生物医学工程专业学科建设方面优势互补、劣势互存。综合性大学具有完善的理工类学科体系,师资队伍力量比较强,基础课程比较成熟,实践教学条件平台比较完善,组织学生参加全国大学生“挑战杯”设计竞赛和全国大学生电子设计竞赛的经验丰富,在工程技术人才培养方面具有完善的培养体系和成熟的培养经验,但缺乏医学类学科教学资源和临床实践条件,缺乏与临床需求紧密结合的先决条件。因此,医科院校要在充分发挥自身资源优势的基础上,积极探索与理工院校联合培养的教育模式,实现优势互补。校校联合培养实现资源共享、优势互补,提高育人质量的前提是:加强顶层设计,联合制定人才培养目标和培养方案,构建科学合理的课程体系和实践教学体系,建立健全联合培养的质量保障体系和综合评价体系。
3.积极探索产学研相结合的教育培养模式。产学研相结合的教育培养模式是以产学合作、双向参与为基本原则,以工学结合、定岗实践为实施途径和方法,以提高学生综合能力素质、适应市场经济发展对人才的需要为目标的人才培养模式。通过实施产学研相结合的培养模式,高等医科院校可强化与科研院所和医疗卫生机构的联系和沟通,改善教学培养功能不足,充分发挥产学研各方主体优势,有效解决师资力量不强、支撑学科不完善、创新能力培养不扎实等瓶颈问题。实践证明,实施产学研结合,是生物医学工程高等教育的成功经验,也是培养高素质生物医学工程技术人才的必由之路[5]。高等医科院校应树立研究与产业化并举的教育培养理念,深化教学改革,积极探索产学研相结合的教学培养模式,构建构建产学研一体化的运行机制。
生物医学分析:浅论实验动物福利对生物医学的重要性
实验动物学是医学生物学研究的方法,同时又促进了医学生物学的发展,是能够把医学领域的诸多项目领入新的境地的。实验动物福利工作的好与坏,不但反映了实验动物学科建设的成就,而且还影响着生物医学研究成果的社会性及公众认可程度。重视实验动物福利,既是科学发展的必然趋势,同时也是人文关怀精神的需要。提高实验动物福利水平,也成为了社会公众所关注的一个热点。
一、实验动物对生物医学的贡献
实验动物是生物、医学等研究、开发、应用的重要支撑和保障条件。当前,社会的飞速发展带动了基因工程技术等方面的快速发展,实验动物科学也迎来一个新的时代,这使得在实验动物活体内的集整体水平、分子水平和细胞水平于一体的研究成为了可能,从而促进生物医学的整体研究、发展。
二、动物福利的由来和发展
早在19世纪初期,英国人就开始注意动物的福利的问题。不过,当时并没有提出“动物福利”这个词,而是以“反对虐待动物”或“防止虐待动物”字面出现的。
动物福利是20世纪六七十年代西方国家发起的运动,到80年代中期,全世界已有263个动物福利或组织机构分布于152个国家和地区。关于动物的权利,就是要确定动物是否遭受虐待的问题,即人们对事件的评价是否属在受虐的范围。
在我国内地,涉及到动物保护或动物福利的法律法规性文件有以下几个:①1988年11月8日第七届全国人民代表大会常务委员会第四次会议通过的《中华人民共和国野生动物保护法》;②1992年3月1日林业部的《中华人民共和国陆生野生动物保护实施条例》;③1988年11月14日国家科委的《实验动物管理条例》。④2006年9月30日国家科委的《关于善待实验动物的指导性意见》。
实际上,在生物医学领域的发展,就是动物福利运动发展的一个过程。在各种的研究、实验中,利用各种实验动物作为研究实验对象,我们已在科学和医学领域取得许多的重大成就,这不仅得利于科学技术的不断发展,实验动物也是我们诸多成果的必然条件。尽管现在在生物医学领域,有许多科研人员不断追求着一系列的非动物模型,但模型毕竟不能够模拟人体或动物的复杂机制的。在人类的社会发展中,在生物医学研究领域中,动物实验仍是不可缺少的一项,动物福利也必将成为可持续发展的。
三、在生物医学研究中的动物福利
实验动物是人类在生物医学领域的的“替代者”,在各项科学研究中,它们为了人类的医学事业、人类的身体健康,承受着痛苦。生物科学的最终目的,是促进人类的健康,推动社会的进步。从感情上来讲,我们应当尊重和爱护实验动物,因为实验动物所承受的,正是我们人类极有可能正在承受的。现代在生物医学领域,我们所做的每一项科研项目基本是离不了实验动物的,那么动物福利也就成为了一个不可回避的问题。
四、认识动物福利意义
学习、探讨实验动物及实验动物福利的问题,是有能够明确学科人员自我社会地位和价值的,是能够认识到自己所从事的职业可以长久发展的,从而推动生物医学的发展。重视实验动物福利的工作,不仅对自然科学的进步有所帮助,同时还会推动社会科学的进步。实验动物福利问题是人类美好心灵的体现,同科学研究的有效性也是息息相关的。在我国的医学院校,只有多开设实验动物学的课程,才能够达到为生物医学研究做准备的目的,是培养未来的医务、科研人员的基础。
实验动物学在教育方面涉及到两个内容,即学科本身的知识和自身的职业道德教育。对学生的教育时,要让学生在接受学科知识和技能的训练过程中,要将动物福利放置于重要的位置,要让学生懂得尊重实验动物,让他们意识到要从道德、人文关怀上去管理和使用实验动物,这样在学生到以后的工作中,就会以更加敬业的态度对待自己的工作。
五、动物福利发展的趋势
实验动物对人类社会有着积极地意义,动物实验又对人类的健康有着非常重要意义。动物福利则是直接反应着动物实验效果的好坏,反应着关系到人类健康的现代医学事业中。只有全社会共同努力,推动动物福利事业的发展,在我们的的生产生活中才能有所更好的保障。现代的医学事业有着许多的新的医疗技术均是与动物实验分不开的,可以让我们过上更为健康的生活。那么动物福利的重要性我们就可想而知乐。
总之,实验动物学是人类能够认识自我、保护自我的重要的科学手段。随着现代社会的不断进步,生命科学研究的不断深入,对实验动物质量有了更高的标准要求。我国的实验动物学科的发展,正处于加速前进的时期。我们正需要从自身做起,能够从意识上认识到动物福利的重要性,从而真正的做到保护实验动物,保护我们人类自身的健康。
