生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

周宇　崔玉軍　王佩瑤　劉嘉玥　林啟航　鄭政

【摘 要】為了加強(qiáng)對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的電子工程技術(shù)訓(xùn)練，對(duì)該專業(yè)的生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。選取生物電位放大器作為實(shí)驗(yàn)主題；實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生將基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件的設(shè)計(jì)仿真和實(shí)踐操作相結(jié)合，完成生物電位放大器的設(shè)計(jì)工作、驗(yàn)證其功能、并對(duì)其重要性能進(jìn)行測(cè)量；該實(shí)驗(yàn)安排在理論課早期集中精力完成。實(shí)踐表明，學(xué)生經(jīng)過生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，對(duì)電子工程技術(shù)中不同手段的特點(diǎn)有了更深刻的體會(huì)，對(duì)生物電位放大器的原理和性能有了更深入的理解。因此，該實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)是成功的。

【關(guān)鍵詞】生物醫(yī)學(xué)工程；生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)；生物電位放大器；電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化

【Abstract】In order to strengthen the electronic engineering technology training for Biomedical Engineering students， the Biomedical Electronics experiment course was designed for the students. The biological potential amplifier was selected as the experiment subject； In the experiment， student will be required to combine the simulation based on the electronic design automation software and practical operation to complete the design work of the biological potential amplifier， verify its function， and measure its important performance； the experiment was arranged in the early stage of the theoretical courses. Practice shows that the students have a more depth understanding of the characteristics of different methods in electronic engineering technology through the training of biomedical electronics experiments. Therefore， the curriculum design of the experiment is successful.

【Key words】Biomedical Engineering； Biomedical Electronics； Biological potential amplifier；Design automation

0 引言

生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)涉及多種學(xué)科和技術(shù)，具有很強(qiáng)的綜合性[1]；但與此同時(shí)，該專業(yè)的本科生培養(yǎng)工作也具有很高的難度，原因就在于學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容多而不精，在擇業(yè)時(shí)常常無法體現(xiàn)出能力優(yōu)勢(shì)。因此，從培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的角度而言，應(yīng)該在對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合素質(zhì)培養(yǎng)的同時(shí)、加強(qiáng)特定專業(yè)技能的訓(xùn)練，為學(xué)生的就業(yè)和繼續(xù)深造打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)[2]。

醫(yī)學(xué)電子儀器方式是上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一個(gè)重要方向，在課程設(shè)置上，專注于培養(yǎng)學(xué)生的電子工程技術(shù)[3]。這其中，生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[4]是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的重要專業(yè)課程之一，其教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握醫(yī)學(xué)電子儀器中帶有共性的電子器件、電子線路及電子學(xué)設(shè)計(jì)方法，因此是引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)將電子工程技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的重要環(huán)節(jié)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)是該課程的配套實(shí)驗(yàn)，目的是在于通過有代表性的實(shí)驗(yàn)課題，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用、將課堂內(nèi)容融會(huì)貫通于實(shí)踐之中。因此，生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門重要實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)行慎重的實(shí)驗(yàn)選題、認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和細(xì)致的實(shí)驗(yàn)安排。為此，進(jìn)行了相關(guān)的課程設(shè)計(jì)和實(shí)踐工作，詳述如下。

1 課程設(shè)計(jì)思想

上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)被安排于第五學(xué)期，和生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)理論課平行設(shè)置。此前，學(xué)生已經(jīng)通過電路原理、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)和電子技術(shù)技能訓(xùn)練等課程的培養(yǎng)，具備了一定的電子工程技術(shù)基礎(chǔ)。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)的總課時(shí)為16學(xué)時(shí)，在有限的課時(shí)內(nèi)，讓學(xué)生得到最大程度的專業(yè)訓(xùn)練，具有一定難度。在此背景下，展開生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)工作。

首先要解決的問題是實(shí)驗(yàn)選題。生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)的選題，應(yīng)該能夠突出生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的特色，具有代表性。經(jīng)過研究，多個(gè)生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的相關(guān)教材中，都將生物電位放大器（Biopotential Amplifier），即儀表放大器（instrumentation amplifier），放在了相當(dāng)重要的位置上[5]。生物電位放大器，是用于放大心電、肌電和腦電等信號(hào)的專用放大器；這些信號(hào)具有的特點(diǎn)包括：由生物體內(nèi)的電活動(dòng)產(chǎn)生、屬于微弱的差分信號(hào)、非常容易被更加強(qiáng)烈的共模噪聲淹沒；而生物電位放大器具有很好的共模抑止特性，最適于放大這些存在于強(qiáng)烈共模噪聲背景下的微弱差分信號(hào)[6]；因此，生物電位放大器在生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)中占有重要地位，以生物電位放大器為主題開展生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅具有代表性，而且能夠引導(dǎo)學(xué)生在前期的課程基礎(chǔ)上有所提高。

其次要解決的問題是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。圍繞生物電位放大器這個(gè)主題開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工作，需要使實(shí)驗(yàn)具有一定深度，但同時(shí)又要保證大部分同學(xué)有能力在限定的課時(shí)內(nèi)完成任務(wù)。經(jīng)過反復(fù)論證設(shè)計(jì)，最終決定生物電位放大器相關(guān)實(shí)驗(yàn)由兩部分組成：基于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic design automation， EDA）軟件的設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手實(shí)踐實(shí)驗(yàn)。在第一部分實(shí)驗(yàn)中：學(xué)生基于LM324[7]完成生物電位放大器的設(shè)計(jì)工作；仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果；仿真測(cè)試其差模增益幅頻響應(yīng)曲線[8]。在第二部分實(shí)驗(yàn)中：學(xué)生在面包板上動(dòng)手搭建生物電位放大器；并在實(shí)驗(yàn)室中，使用各種設(shè)備測(cè)試差模增益幅頻響應(yīng)曲線。上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：通過設(shè)計(jì)仿真工作，讓同學(xué)們盡快掌握生物電位放大器的原理，同時(shí)，基于EDA軟件開展電路工作，符合發(fā)展趨勢(shì)[9]；通過設(shè)計(jì)仿真和動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合，互為驗(yàn)證，比較差異，容易引發(fā)思考，更加深刻的體會(huì)電子工程技術(shù)中不同手段的特點(diǎn)；對(duì)生物電位放大器的重要參數(shù)進(jìn)行仿真、測(cè)量和總結(jié)，有利于學(xué)生們?cè)诟畹爻潭壬险莆丈镫娢环糯笃鳌?

最后要解決的問題是實(shí)驗(yàn)安排。由于生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)是生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)理論課程的配套實(shí)驗(yàn)，因此在進(jìn)度安排上必須要統(tǒng)籌考慮；此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)決定了生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)適宜集中精力完成，而不是分散到每周進(jìn)行，集中完成實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉〉酶玫男Ч榇?，在生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)理論課程中，生物電位放大器相關(guān)內(nèi)容被安排在課程的早期進(jìn)行講解；緊隨其后，利用課余和周末時(shí)間，在一周內(nèi)完成生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)。這樣安排的好處是：學(xué)生能夠在課程的開始階段，就體會(huì)到了如何將理論應(yīng)用于實(shí)際，引發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容展示

下面以一位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況為例，說明課程設(shè)計(jì)效果。

1）生物電位放大器的設(shè)計(jì)和仿真

a）生物電位放大器的設(shè)計(jì)：

基于lm324設(shè)計(jì)一個(gè)基于三運(yùn)放的儀表放大器，用于生物電位測(cè)量，仿真電路原理圖如圖1所示。增益公式如公式（1）所示，其中：R1、R2、R5和R6都選用10KΩ的電阻；R3和R4都選用24KΩ的電阻；Rg為增益電阻，當(dāng)Rg為無窮大時(shí)，（這里選用600MΩ），增益約為1倍，當(dāng)Rg為5.6kΩ時(shí)，增益約為10倍，當(dāng)Rg為470時(shí)，增益約為100倍，當(dāng)Rg為47時(shí)，增益約為1000倍。

A=（2*R3/Rg+1）*R2/R1（1）

b）對(duì)所設(shè)計(jì)的生物電位放大器進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其功能

如圖1所示：使用+Vdm/2和-Vdm/2兩個(gè)信號(hào)源組合成模擬心電信號(hào)的差模輸入信號(hào)Vdm，峰值為10mV，頻率為18Hz；使用Vcm仿真工頻干擾產(chǎn)生的共模信號(hào)，峰值為500mV，頻率為50Hz。取Rg為5.6kΩ，輸入、輸出信號(hào)對(duì)比圖如圖2所示。由圖可見，差模輸入信號(hào)被放大約10倍，但50Hz共模輸入信號(hào)在輸出信號(hào)中全無蹤跡，因此該生物電位放大器正確的實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目的：放大差模信號(hào)、抑制共模信號(hào)。

c）對(duì)所設(shè)計(jì)的生物電位放大器進(jìn)行仿真，測(cè)量其性能，頻率范圍設(shè)定在0.1Hz-5MHz之間：

對(duì)圖1的生物電位放大器進(jìn)行仿真，測(cè)量其差模增益頻率響應(yīng)，如圖3所示。圖中從上到下的短劃線、虛線、點(diǎn)劃線和實(shí)線分別代表差模增益約為1000倍、100倍、10倍和1倍時(shí)的幅頻響應(yīng)。由圖3可見，放大倍數(shù)越小時(shí)的幅頻響應(yīng)截止頻率約高：差模增益約1000倍時(shí)，幅頻響應(yīng)在1kHz左右就開始截止；差模增益約100倍時(shí)，幅頻響應(yīng)在10kHz左右開始截止；差模增益約10倍時(shí)，幅頻響應(yīng)在100kHz左右開始截止；差模增益約1倍時(shí)，幅頻響應(yīng)在1MHz左右開始截止。

2）生物電位放大器的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)

動(dòng)手實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的生物電位放大器。使用的器材包括：面包板、lm324、10KΩ電阻、24KΩ電阻、5.6KΩ電阻、470Ω電阻、47Ω電阻和導(dǎo)線等，電阻均為5%精度；使用的儀器包括SPF05數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、DS1000數(shù)字示波器和電源。測(cè)試所得到差模增益頻響曲線如圖4所示。其中，差模增益隨頻率變化的趨勢(shì)與仿真所得的結(jié)果基本類似，除了差模增益為1時(shí)的截止頻率出現(xiàn)在了100kHz左右。

3）實(shí)驗(yàn)分析

相比于實(shí)際實(shí)現(xiàn)的生物電位放大器，仿真實(shí)驗(yàn)而得的結(jié)果具有更好、更理想的特點(diǎn)。其原因在于：仿真時(shí)避免了器件差異造成的影響，需要匹配的電阻和運(yùn)放可以做到完全匹配，同時(shí)也避免了人為測(cè)量失誤造成的影響，因此可以排除隨機(jī)誤差。仿真實(shí)驗(yàn)更容易實(shí)施，對(duì)于理解理論課內(nèi)容大有裨益；但動(dòng)手實(shí)驗(yàn)更加真實(shí)，且可以提高動(dòng)手能力、積累實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于理解真實(shí)情況、解決實(shí)際問題非常有好處；兩者可以互為補(bǔ)充。

3 結(jié)論

為了避免生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生培養(yǎng)博而不精的問題，在對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合素質(zhì)培養(yǎng)的同時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)特定專業(yè)技能的訓(xùn)練；上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)醫(yī)學(xué)電子儀器方向在課程設(shè)置上專注于培養(yǎng)學(xué)生的電子工程技術(shù)；生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)作為該專業(yè)的重要課程生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)的配套實(shí)驗(yàn)，在引導(dǎo)學(xué)生“入門”、引發(fā)專業(yè)興趣等方面，具有重要作用；為此，對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)的課程設(shè)計(jì)工作。實(shí)踐表明，通過生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知程度、對(duì)技術(shù)的理解程度和對(duì)知識(shí)的掌握程度，都得到了提升，這些能力的加強(qiáng)有助于學(xué)生對(duì)其它專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和掌握。因此，該實(shí)驗(yàn)的課程設(shè)計(jì)是成功的，今后將沿此方向繼續(xù)推進(jìn)。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]