醫(yī)療器械創(chuàng)意實(shí)踐課程開發(fā)及教學(xué)

彭安民 呂丹 楊戈?duì)? 呂杰 丁皓 劉楊 郭世俊

[摘 要] 基于虛實(shí)融合設(shè)計(jì)方法開發(fā)了醫(yī)療器械創(chuàng)意實(shí)踐課程實(shí)踐項(xiàng)目，并應(yīng)用于教學(xué)。從實(shí)踐項(xiàng)目各自的背景、系統(tǒng)建立、學(xué)生任務(wù)和能力要求等方面闡述了實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。學(xué)生通過全新設(shè)計(jì)的實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練提高了創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 肌電信號(hào);創(chuàng)意實(shí)踐;虛實(shí)融合

[基金項(xiàng)目] 2019年度上海健康醫(yī)學(xué)院教改課題“醫(yī)學(xué)成像原理”（B1-0200-19-309305）

[作者簡(jiǎn)介] 彭安民（1969—），男，湖南祁東人，工學(xué)碩士，上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院教師，工程師，主要從事康復(fù)機(jī)器人研究;

呂 丹 （1981—），女，河南洛陽人，工學(xué)碩士，上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院講師，主要從事智能醫(yī)療器械研究。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）30-0253-02? ? [收稿日期] 2019-10-24

醫(yī)療器械創(chuàng)意實(shí)踐是本科生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的專業(yè)實(shí)踐課程，傳統(tǒng)的課程內(nèi)容主要為生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)控制系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，側(cè)重于單個(gè)電路的技能實(shí)踐，系統(tǒng)創(chuàng)新思維訓(xùn)練有待加強(qiáng)和改進(jìn)。為了加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以LabVIEW或MATLAB/Simulink或TensorFlow作為平臺(tái)工具，對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行全面改進(jìn)，采用虛實(shí)融合的方法設(shè)計(jì)了三個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目。

一、利用LabVIEW平臺(tái)和肌電訓(xùn)練儀進(jìn)行肌電控制實(shí)踐

NI公司制造的肌電訓(xùn)練儀是基于LabVIEW的采集上肢表面肌電信號(hào)（SEMG）的硬件系統(tǒng)和用LabVIEW語言編制的虛擬儀器（VIs）軟件系統(tǒng)的融合，用于肌電信號(hào)的采集、分析處理以及EMG伺服控制。

這個(gè)肌電訓(xùn)練儀由表面肌電傳感器、肌電信號(hào)采集處理硬件模塊和NI ELVIS硬件模塊等組成，肌電訓(xùn)練儀和安裝好LabVIEW等軟件的PC機(jī)構(gòu)成肌電控制實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)，其和基于此硬件系統(tǒng)應(yīng)用的軟件系統(tǒng)組成肌電控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

學(xué)生的任務(wù)主要為搭建硬件系統(tǒng)和進(jìn)行軟件編程、調(diào)試、運(yùn)行肌電控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。對(duì)學(xué)生的能力要求如下：

1.會(huì)EMG傳感器配置及系統(tǒng)安裝調(diào)試。

2.會(huì)利用虛擬的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀驗(yàn)證EMG傳感器配置。

3.會(huì)EMG信號(hào)采集及分析處理。

4.能夠適當(dāng)?shù)卣{(diào)整EMG控制系統(tǒng)的參數(shù)使其正確運(yùn)行。

5.能夠結(jié)合醫(yī)療背景和要求局部修改程序或者根據(jù)自己的創(chuàng)意編制程序以改進(jìn)EMG伺服控制算法。

以上的任務(wù)要求體現(xiàn)了因材施教的理念，可以激發(fā)那些基礎(chǔ)好、學(xué)有余力的學(xué)生的創(chuàng)新思想并予以實(shí)現(xiàn)。

二、基于TensorFlow的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的手部動(dòng)作表面肌電信號(hào)模式識(shí)別實(shí)踐

表面肌電信號(hào)被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及可穿戴智能設(shè)備等領(lǐng)域。表面肌電信號(hào)蘊(yùn)含著人體的動(dòng)作意識(shí)，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)表面肌電信號(hào)進(jìn)行分析，讓機(jī)器有能力識(shí)別人體的動(dòng)作意圖并做出相應(yīng)的反應(yīng)，借此可以推廣到智能假肢的應(yīng)用，幫助前臂殘疾患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練或?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械手的控制。

利用前述的肌電控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采集若干組常用的手部動(dòng)作（例如握拳、握持圓柱、休息、上翻等）的表面肌電信號(hào)[1]，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行識(shí)別實(shí)踐。表面肌電信號(hào)模式識(shí)別實(shí)踐包括兩個(gè)主要步驟：信號(hào)采集和模式識(shí)別。模式識(shí)別是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其相應(yīng)的優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)的。在TensorFlow環(huán)境下進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

TensorFlow是由C++語言開發(fā)，是Google開發(fā)的開源數(shù)據(jù)流圖計(jì)算數(shù)值軟件庫，被廣泛應(yīng)用在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)上和機(jī)器學(xué)習(xí)研究中。本實(shí)踐項(xiàng)目使用TensorFlow-GPU 1.6.0環(huán)境，利用GPU并行計(jì)算的能力來加快學(xué)習(xí)效率。采用的編程語言是python，版本3.6，操作系統(tǒng)是Windows 7 SP1以上版本系統(tǒng)，16GB內(nèi)存，3.6Hz處理器，顯卡為GTX-980。

學(xué)生的任務(wù)主要是采集特定動(dòng)作下的上肢肌電信號(hào)（JPG格式）并進(jìn)行初步處理歸類，然后在TensorFlow環(huán)境下利用現(xiàn)成的程序或者編程實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）或其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信號(hào)的識(shí)別[2]。對(duì)學(xué)生的能力要求如下：

1.會(huì)合理采集相應(yīng)動(dòng)作的上肢表面肌電信號(hào)。

2.會(huì)TensorFlow-GPU 1.6.0環(huán)境的建立

3.會(huì)比較不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及優(yōu)化器的優(yōu)缺點(diǎn)并合理選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及優(yōu)化器。

4.會(huì)動(dòng)作模式識(shí)別實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

5.會(huì)使用tensorboard可視化工具。

6.會(huì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）編程實(shí)現(xiàn)。

通過本實(shí)踐項(xiàng)目的訓(xùn)練，可以使學(xué)生初步具備利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行分類識(shí)別能力，實(shí)踐任務(wù)的完成可以達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維、提高學(xué)生創(chuàng)新能力的目的，為以后的醫(yī)療器械創(chuàng)新研究打下基礎(chǔ)。

三、基于MATLAB/Simulink的上肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)仿真

前述識(shí)別出來的某個(gè)動(dòng)作的肌電信號(hào)可以用作上肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)的輸入。本實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)旨在利用MATLAB/Simulink來實(shí)現(xiàn)上肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)虛擬仿真。學(xué)生的任務(wù)主要任務(wù)有五個(gè)：

1.處理采集到的上肢肌電信號(hào)并生成自定義信號(hào)。

2.利用MATLAB/Simulink建立Simulink模型。

3.制作Simulink 3D動(dòng)畫并生成wrl格式文件，Simulink 3D動(dòng)畫模擬手的握持和張開動(dòng)作，并有虛擬的接觸傳感器模擬握持到位的反饋使Simulink模型輸出的握持信號(hào)保持在適當(dāng)值。

4.連接自定義信號(hào)、Simulink模型和Simulink 3D動(dòng)畫文件組成上肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)并進(jìn)行仿真。

5.仿真結(jié)果分析。

對(duì)學(xué)生的能力要求如下：

1.會(huì)生成自定義信號(hào)源。

2.會(huì)建立Simulink模型。

3.會(huì)制作Simulink 3D動(dòng)畫。

4.能夠連成上肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

5.能夠結(jié)合醫(yī)療背景和要求局部修改程序或者根據(jù)自己的創(chuàng)意編制程序以改進(jìn)EMG伺服控制算法。

通過本實(shí)踐項(xiàng)目的訓(xùn)練，可以使學(xué)生初步具備利用MATLAB/Simulink設(shè)計(jì)上肢康復(fù)訓(xùn)練控制系統(tǒng)的能力，為后續(xù)的康復(fù)機(jī)器人或智能假肢的研究打下基礎(chǔ)，實(shí)踐項(xiàng)目的訓(xùn)練也可以使學(xué)生初步具備設(shè)計(jì)其他測(cè)控系統(tǒng)的能力。

前述三個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目都用到了的肌電信號(hào)，這是由肌電信號(hào)采集處理硬件模塊即板載的信號(hào)采集處理集成電路（IC）來獲得的。后兩個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目均使用了離線的肌電信號(hào)，后續(xù)的實(shí)踐開發(fā)考慮把信號(hào)采集處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別、系統(tǒng)控制仿真整合成在線實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，無縫銜接后續(xù)的康復(fù)機(jī)器人或智能假肢系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容。

通過醫(yī)療器械創(chuàng)意實(shí)踐課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生基本掌握醫(yī)療器械創(chuàng)意思維方法，熟悉實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械創(chuàng)意的途徑，初步掌握實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械創(chuàng)意的常用工具的使用，最終提升了學(xué)生的醫(yī)療器械創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1]Jacob Apkarian，Paul Karam，Michel Lévis，Peter Martin.INSTRUCTOR WORKBOOK QNET Myoelectric Trainer for NI ELVIS [Z].NATIONAL INSTRUMENTS & Quanser Inc.2011.

[2]丹·范·鮑克塞爾.基于TensorFlow的深度學(xué)習(xí)：揭示數(shù)據(jù)隱含的奧秘[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：51-64.

Development and Teaching of the Course on Medical Device Creative Practice

PENG An-min，L？譈 Dan，YANG Ge-er，L？譈 Jie，DING Hao，LIU Yang，GUO Shi-jun

（School of Medical Devices，Shanghai University of Medicine & Health Sciences，Shanghai 201318，China）

Abstract：Based on the virtual and real fusion design method，the Medical Device Creative Practice course practice project was developed and applied to teaching.The design of the practical project was elaborated from the aspects of the respective backgrounds，system establishment，student tasks and competence requirements of the practical projects.Students have improved their ability of innovation through newly designed practice projects.

Key words：EMG signal;creative practice;virtual and real fusion