面向生物醫學工程專業的生物醫學傳感技術教材改革淺析

胡克　王偉　朱松盛　竺明月　段磊　吳小玲

摘要：作為本學科本科教育必修課程之一，生物醫學傳感技術這門課程對學生日后使用、改進及設計適用于生物醫學問題的傳感器及相關系統奠定了基礎。但由于該學科本身的特點和發展現狀，目前適用于生物醫學工程學科的生物醫學傳感技術教材不但數量較少，且均存在一定的局限性。本文基于目前生物醫學傳感技術發展的現狀和生物醫學工程本科生培養的需求，初步探討了關于面對生物醫學工程學科的生物醫學傳感技術教材改革的思路。

關鍵詞：生物醫學工程；生物醫學傳感技術；教材改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）27-0110-02

一、前言

傳感器及相關技術在生物醫學工程領域有著廣泛的應用，與醫療相關的檢測分析（生理狀態常規檢測、心電圖及腦電圖等）、成像造影（顯微CT、核磁共振及紅外成像等）及慢性病監控和輔助治療（糖尿病、高血壓）中，生物醫學傳感技術都起到了至關重要的作用。隨著科學技術水平的飛速發展，不斷有新的高性能傳感器及技術被開發出來，這些器件和方法將為醫療事業提供突破性的機遇。因此掌握生物醫學傳感技術的相關知識對與生物醫學工程專業的本科生的就業和科研發展均有著積極的現實意義。由于該課程對于生物醫學工程學科的重要性，目前大部分院校的生物醫學工程專業都開設了相應的課程，但是目前出版的適用于生物醫學工程專業的生物醫學傳感技術教材種類較少，很多院校仍然選用了適合工科電類專業的一般性傳感器及技術教材進行教學。基于工科類專業的應用核心指導思想和生物醫學工程的學科特殊性，本文淺析了目前生物醫學傳感技術教材的優點和局限性，初步探討了關于面前生物醫學工程學科的生物醫學傳感技術教材改革的思路。

二、目前生物醫學傳感技術教材的優點和局限性

（一）目前生物醫學傳感技術教材的優點

由于經典傳感原件和技術大部分為電學原件或圍繞電學原件開發，其后續信號處理也依賴由電學原件構成的處理系統，目前生物醫學傳感技術所用教材的編纂者通常在電路設計，數字電路和模擬電路方面有較高的學術造詣，對于不同類型的電學傳感器（差動、電容及電感傳感器等）及其相關電路（直流/交流電橋等）的設計從原理到適用性及誤差分析均有完整的分析和論述，本科生掌握基本知識點后，結合模擬電路所學知識和實驗課的內容能有效將這些經典電學敏感元件運用到系統設計中。

（二）目前生物醫學傳感技術教材的局限性

生物醫學工程學是綜合生物學、醫學和工程學的理論和方法而發展起來的交叉學科，其基本任務是運用工程技術手段，研究和解決生物學和醫學中的有關問題。基于工科應用導向的特殊性和生物醫學工程作為交叉學科的特質，面向生物醫學工程專業的教材應在一般工科教材的基礎上與生物醫學問題進一步結合，但是目前生物醫學傳感技術課程相關的教材均存在一定的局限性。

1.課程內容與生物醫學工程學科特色結合較少。在生物醫學領域應用的器件或技術，往往需要針對相關的研究對象（人體或是細胞）進行設計，同時在實際應用中，生物信號由于其特殊性（信號強度微弱、干擾源多等）對于傳感器的要求也與一般信號具有明顯的區別。如果不能對這些信號的產生機制、作用方式和基本特性有一定深度的理解，學生無法將所學的傳感器知識運用以解決實際的生物或臨床問題。目前常用的教材通常還是采取一般傳感技術教材的編寫思路，根據不同類型的傳感器進行章節分類，筆者認為這樣的結構編排不適合生物醫學傳感技術課程的教學。過于偏重器件的原理和設計而忽略對被測信號進行系統分析不利于培養學生解決實際問題的思考能力。

2.課程內容缺乏與生物醫學傳感器件和技術相關的非電學內容。由于經典的傳感器件和技術大部分與電子器件或儀器相關，因此目前一般傳感器教材的編撰通常以此為主要內容。但是由于工科面向應用的本質要求，傳感器及技術應用于生物醫學工程領域時，面臨了一些特別的問題。例如，針對腦電信號檢測通常要求對采集的信號進行統計和數據處理分析；針對腫瘤細胞的篩查需要超小型高靈敏的傳感器探針；針對長時間測量的可穿戴式裝置要求信號檢測部分能盡可能與機體緊密結合等。這些必須依賴改進材料或者升級軟件算法等手段解決，而這些內容在解決實際問題中起到至關重要的作用。目前常用的生物醫學傳感技術教材中缺乏這些與生物醫學工程實際問題密切相關的非電學知識，影響了學生對生物醫學傳感技術的系統性認識。

三、生物醫學傳感技術教材編寫新思路

在目前常用的生物醫學傳感技術教材的基礎上，筆者結合自己的授課心得，初步提出了一些面向應用的生物醫學傳感技術教材的改革思路。基于這些新的思路，在授課過程中啟發學生申請傳感器相關發明專利若干項。

（一）增強教材的應用導向性

改變圍繞傳感器件和技術的編寫思路，以生物醫學應用為導向，根據目前生物醫學領域常見的檢測信號（如腦電信號、心電信號、脈搏及血壓測量等）和檢測用技術（顯微CT、核磁共振等）劃分章節，每一章的知識點包括這些被測信號的產生機制、特點（如強度、靜態量或動態量、常見誤差干擾等）、目前實際應用中常用的檢測方式（接觸式或非接觸式）、模塊（如敏感原件及相關電路）、信號處理方法（如腦電的分析算法等）、檢測目的，及發展趨勢。通過這種層層遞進的邏輯關系促進學生對知識點的理解和記憶。

（二）補充與生物醫學傳感技術相關的非電學內容

隨著科學技術的不斷發展，傳感器件和技術的外延在不斷擴大，很多基于非電元件的高靈敏度的傳感方法目前已經由實驗室研究轉向實際應用。這些傳感器件和技術作為基于經典電學敏感元件設計的傳感器的補充，有利于學生理解傳感器及技術的核心思想，對于學生參加后續的課程設計和創新競賽中所用傳感器件提供更多的選擇點。

目前有部分生物醫學傳感技術教材已經添加了少量相關的非電學內容，但是仍然以介紹性質為主。筆者認為應該對這些目前已經投入實際使用的非電學傳感器件和技術針對相關的生物醫學問題按照上一節的編寫思路展開，把其中知識要點（如檢測的基本原理等）也提高到應知應會的要求。同時考慮到各個院校生物醫學工程學科發展差異性的影響，為偏重分子生物學和生物材料的生物醫學工程學科所編寫的教材可以進一步增加這些非電學內容的廣度和深度。

四、展望

隨著科學技術的快速發展，更多高靈敏度的傳感器件和技術將不斷被應用于生物醫學工程領域，面向生物醫學工程的生物醫學工程專業的生物醫學傳感技術教材也要與時俱進，不斷推陳出新，力求在本科教學中既能給學生奠定良好的基礎，又能引領學生了解該領域的發展趨勢，并能更好地結合實際生物醫學問題運用所學的知識，為創新創業提供更多的可能。

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