Республики Беларусь «24»
| Вид материала | Пояснительная записка |
- В перечень банков Республики Беларусь, имеющих право обязываться по векселю, утверждаемый, 419.3kb.
- Республики Беларусь 15 августа 2006, 202.35kb.
- Одобрен Советом Республики 8 февраля 1999 года общая часть глава 1 общие положения, 799.65kb.
- Об утверждении Инструкции о порядке взаимодействия государственных органов, ответственных, 157.85kb.
- Республики Беларусь «Об органах внутренних дел Республики Беларусь», 9.85kb.
- Конституции Республики Беларусь Совет Республики Национального собрания Республики, 11.32kb.
- Конституции Республики Беларусь Совет Республики Национального собрания Республики, 11.74kb.
- Совета Министров Республики Беларусь от 31 октября 2001 г. N 1592 "Вопросы Министерства, 1509.5kb.
- Постановление государственного комитета по авиации республики беларусь, 78.75kb.
- Конституции Республики Беларусь Совет Республики Национального собрания Республики, 13.86kb.
Дополнительная
- Гурфенкель В. С., Моякин С.А. Биоэлектрическое управление. – М.: Наука, 1972.
- Гродинз Ф. Теория регулирования и биологические системы.- М.: Мир, 1968.
- Милсум Дж. Анализ биологических систем управления. – М.: Мир, 1968.
- Биотехнические системы / Под ред. В.М. Ахутина.-Л.: ЛГУ, 1981.
- Алиев Л. С. и др. «Миотон» в управлении движения. - Киев: Наук. думка, 1980.
Утверждена
УМО вузов Республики Беларусь
по образованию в области
информатики и радиоэлектроники
« 03 » июня 2003 г.
Регистрационный № ТД-39-043/тип.
^ БИОМЕДИЦИНСКИЕ СЕНСОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Учебная программа для высших учебных заведений
по специальности І-39 02 03 Медицинская электроника
Согласована с Учебно-методическим управлением БГУИР
« 28 » мая 2003 г.
Составители:
В.Н. Ильин, заведующий ЛАИ ИЭ Национальной академии наук Беларуси, доцент, кандидат технических наук;
^ Н.С. Собчук, старший преподаватель кафедры электронной техники и технологии Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
Рецензенты:
В.С. Садов, доцент кафедры интеллектуальных систем Учреждения образования «Белорусский государственный университет», кандидат технических наук;
^ Кафедра гастроэнтерологии и нутрициологии Учреждения образования «Белорусская медицинская академия последипломного образования», (протокол № 9 от 23.12.2002 г.)
^ Рекомендована к утверждению в качестве типовой:
Кафедрой электронной техники и технологии Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол № 5 от 04.11.2002 г.);
Научно-методическим советом по группе специальностей І-39 02 Конструкции радиоэлектронных средств УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол № 2 от 18.11.2002 г.)
Разработана на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.104-98.
Пояснительная записка
Типовая программа «Биомедицинские сенсоры и преобразователи» разработана в соответствии с Образовательным стандартом РД РБ 02100.5.104-98 для специальности І-39 02 03 Медицинская электроника высших учебных заведений.
Цель изучения дисциплины — получение знаний о принципах построения, о работе и применении биомедицинских сенсоров и измерительных преобразователей, а также приобретение навыков их расчета и конструирования. Предмет дисциплины - построение и структура биомедицинских сенсоров, электродов и измерительных преобразователей для диагностической и лечебной медицинской аппаратуры, конструктивно-технологические особенности, метрология, производство и эксплуатация.
Поставленная цель достигается путём изучения:
- физических принципов, заложенных в основу биосенсоров и измерительных преобразователей (БСИП)
- структурных и функциональных схем преобразователей
- конструктивных особенностей преобразователей как элементов медицинской аппаратуры
- аналитического представления измерительной процедуры и метрологических характеристик.
В результате освоения дисциплины «Биомедицинские сенсоры и преобразователи» студент должен:
знать:
- требования к биомедицинским датчикам и измерительным преобразователям для контроля различных физиологических параметров
- методы отвода сигналов от биообъекта и их сравнительные свойства
- конструкции, характеристики и особенности применения биомедицинских электродов
- особенности построения входных цепей биомедицинских приборов для регистрации биосигналов
- принципы построения и конструирования усилителей биосигналов
- принцип действия БСИП для съема различных неэлектрофизиологических параметров
- материалы, применяемые при конструировании различных БСИП
- принципы построения измерительных преобразователей аналоговых биосигналов в цифровой код
- помехи, возникающие при съеме биоинформации различными сенсорами и способы борьбы с ними
- вопросы метрологического обеспечения и испытания БСИП;
уметь характеризовать:
- физические и электрические процессы, происходящие при съеме биоэлектрической и биомагнитной активности с помощью электродов
- во входных цепях, в усилителях, в измерительных преобразователях аналоговых биосигналов в цифровой код, в устройствах обработки, в биомедицинских приборах для регистрации биосигналов;
уметь анализировать:
- исходные данные для проектирования биомедицинских датчиков и измерительных преобразователей для контроля различных физиологических параметров
приобрести навыки:
- проектирования БСИП основных физиологических параметров
- построения и конструирования усилителей биосигналов
- анализа технических характеристик БСИП и выбора наиболее подходящих из них с учетом специфики регистрируемого физиологического процесса
- измерения характеристик основных типов датчиков согласно утвержденным методикам
- оформления конструкторской документации на БСИП.
Программа рассчитана на объем 85 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 51 час, лабораторных работ – 17 часов, практических занятий – 17 часов.
Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных из курсов «Основы анатомии, физиологии и патологии», «Биомедицинская физика и механика», «Основы радиоэлектроники», «Аналоговая системотехника СМЭ», «Цифровая и импульсная техника», «Микропроцессоры в СМЭ», «Приборы и системы функциональной диагностики», «Электронная лечебная аппаратура», «Электронные средства лабораторной диагностики и экологического контроля», «Элементная база СМЭ» а также других общетехнических дисциплин.
Изучение дисциплины предусматривает систематическую самостоятельную работу студентов со специальной технической литературой, патентной информацией, последними достижениями науки и техники, отражёнными в таких журналах, как «Автометрия», «Современная медицина», «Техника и наука», «Биомедицинская радиоэлектроника», «Измерительная техника» и др., а также использование технических средств обучения.
Дисциплина является базовой для следующих за ней дисциплин учебного плана, в том числе специальных дисциплин.
^ СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Раздел 1. Основные метрологические и технические характеристики БСИП
Тема 1.1. Метрологические и технические характеристики СИП
Передаточная характеристика, статическая характеристика преобразования (градуировочная характеристика). Погрешности и классы точности ИП. Динамические характеристики ИП.
^ Тема 1.2. Естественные пределы точности измерений
с помощью СИП
Шумы. Повышение точности и помехоустойчивости ИП. Методы уменьшения погpешностей. Стабилизация pеальной хаpактеpистики ИП. Компенсация погpешности. Коppекция погpешностей. Уменьшение динамической погpешности. Повышение помехоустойчивости ИП.
Раздел 2.Общие принципы построения ИП неэлектрофизиологических величин
Тема 2.1. Структурные схемы приборов для измерения неэлектрических величин
Последовательное соединение ИП и его характеристики. Параллельное соединение ИП и его особенности. Дифференциальная схема соединения ИП и ее свойства. Логарифмическая схема соединения ИП и ее применение.
Тема 2.2. Компенсационная схема соединения ИП,
ее функционирование и использование
Обобщенные схемы включения ИП параметрического и генераторного типов.
Раздел 3. СИП неэлектрических величин
Тема 3.1. Резистивные сенсоры и измерительные преобразователи
Реостатные преобразователи: принцип действия и конструкция. Потенциометрическая схема включения реостатного преобразователя. Расчетные соотношения. Влияние нагрузки. Тензорезисторные сенсоры и преобразователи: принцип действия и конструкция. Объемный и пленочный деформируемые резистивные элементы. Схемы включения в неравновесный мост и компенсационную схему. Погрешность тензорезисторного преобразователя.
^ Тема 3.2. Емкостные и пьезоэлектрические ИП
Принцип действия и конструкции емкостных ИП. Схемы включения недифференциального и дифференциального емкостных преобразователей. Погрешность емкостного преобразователя. Особенности применения емкостных преобразователей.
^ Тема 3.3. Пьезоэлектрические преобразователи
Прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрические материалы: кварц, пьезоэлектрическая керамика. Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Расчетные соотношения. Погрешность пьезоэлектрического преобразователя.
^ Тема 3.4. Пьезорезистивные сенсоры
Химически селективные пьезоэлектрические биосенсоры на основе использования поверхностных и объемных акустических волн. Конструирование и технология пьезосенсоров.
Раздел 4. Электромагнитные измерительные преобразователи
Тема 4.1. Индуктивные преобразователи: принцип
действия и конструкция
Схемы включения индуктивных измерительных преобразователей. Рассчетные формулы. Погрешности индуктивных преобразователей. Трансформаторные преобразователи: принцип действия и конструкция. Схемы включения. Погрешности трансформаторных преобразователей. Индукционные преобразователи: принцип действия и конструкция. Схемы включения. Погрешности индуктивных преобразователей.
Тема 4.2. Магнитоупругие преобразователи: принцип
действия и конструкция
Схемы включения. Погрешности индуктивных преобразователей.
Раздел 5. Магниточувствительные сенсоры
и преобразователи
Тема 5.1. Измерение магнитного потока, магнитной индукции
и напряженности магнитного поля
Использование измерительной катушки. Сенсоры на основе эффекта Холла. Устройство, принцип работы и схема включения элементов Холла. ИС с интегральными элементами Холла. Магниточувствительные полевые транзисторы, биполярные магнитодиоды и магнитотранзисторы: принцип построения, интегральные конструкции, параметры и применение. Магниточувствительные преобразователи на основе ядерного магнитного резонанса.
Раздел 6. Сенсоры и преобразователи температуры
Тема 6.1. Классификация тепловых преобразователей
Термоэлектрические преобразователи: принцип действия и конструкция. Схемы включения. Погрешности термоэлектрических преобразователей. Измерение термоЭДС милливольтметром, введение поправки на температуру свободных концов. Компенсационный метод измерения термоЭДС. Особенности построения усилителей сигналов термопар, подавление помех, обеспечение точности, компенсация температуры свободных концов термопар.
^ Тема 6.2. Термометры сопротивления
Металлические термометры сопротивления: принцип действия, конструкции, особенности измерения сопротивления, схемы включения. Компенсационный метод измерения сопротивлений.
^ Тема 6.3. Полупроводниковые терморезисторы (термисторы)
Принцип действия, конструкции, параметры, схемы включения, применение. Использование кремниевых диодов в качестве датчиков температуры. ИС-датчики температуры. Кварцевые термометры. Примеры конструктивного исполнения датчиков для измерения температуры тела.
Раздел 7. Оптоэлектронные сенсоры и преобразователи
Тема 7.1. Общие принципы построения и классификация оптоэлектронных преобразователей и их характеристики
Фотоэлектрические преобразователи (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и др.): принцип действия , основные параметры, особенности применения и схемы их включения. Дифференциальные схемы включения с двумя и одним преобразователем. Волоконно-оптические датчики: принцип действия, типы, воспринимаемые физические величины. Направления применения оптоэлектронных датчиков в медицине и биологии. Эффекты, используемые в оптоэлектронных биосенсорах. Позиционно-чувствительные сенсоры. Детекторы цвета. Химически селективный волоконно-оптический сенсор.
Раздел 8. Измерение неэлектрофизиологических параметров
Тема 8.1. Общие принципы измерения неэлектрофизиологических величин
Общие принципы и закономерности преобразования механических величин в электрические. Использование свойств упругости материалов. Принципы преобразования, основанные на деформации. Принципы преобразования, основанные на (механическом) напряжении материалов.
^ Тема 8.2. Конструктивно-технологические варианты реализации механических сенсоров
Обычная (традиционная) технология, основанная на классических методах конструирования, подетального изготовления и сборки. Использование толстопленочной технологии для изготовления датчиков механических величин. Применение фотолитографической кремниевой технологии для изготовления механически чувствительных микроминиатюрных сенсоров.
^ Тема 8.3. Измерение основных механических величин
Измерение положения и перемещения. Измерение силы. Измерение скорости и ускорения. Примеры конструкций датчиков и преобразователей. Акселерометры. Принцип действия современных акселерометров, основные соотношения. Акселерометры, основанные на измерении деформации и на измерении напряжения чувствительного элемента мембраны.
^ Тема 8.4. Измерение давления, расхода жидкостей и газов
Методы и средства измерения давления и разности давлений. Мембраны и их использование в сенсорах давления. Основные физико-математические закономерности, описывающие работу гибкой однородной мембраны при действии на нее давления. Мембранные датчики давления, основанные на измерении деформации мембраны. Использование тензорезисторов для измерения деформации мембраны.
^ Тема 8.5. Мембранный датчик с измерением емкости мембраны относительно неподвижного электрода
Пример конструкции, параметры и схема включения интегрального емкостного датчика давления. Принципы построения и характеристики современных кремниевых сенсоров давления. Оптико-волоконный датчик давления, основанный на измерении деформации мембраны.
^ Тема 8.6. Датчики давления, основанные на измерении механического напряжения в материале
Принципы их построения, используемые физические эффекты. Использование пьезорезисторов для измерения величины механического напряжения в мембране при ее изгибе под действием внешнего давления. Использование ПАВ для измерения напряжения в мембране.
^ Тема 8.7. Особенности корпусов интегральных датчиков давления
Компенсация влияния температуры на точность измерения. Измерение расхода жидкостей и газов: основы теории, тахометрические, электромагнитные, ультразвуковые и другие датчики потока.
Раздел 9. Датчики параметров сердечно-сосудистой системы
Тема 9.1. Хаpактеpистики деятельности
сердечно-сосудистой системы
Датчики периферического пульса. Преобразователи для регистрации шумов сердца и фонокардиограмм. Электромагнитные датчики для регистрации сейсмокардиограммы. Датчики для кинетокардиографии. Измерительные преобразователи артериального давления. Фотодатчики кровенаполнения для измерения кровяного давления в периферических артериях. Применение индуктивных, емкостных и других датчиков для измерения абсолютного давления.
Тема 9.2. Преобразователи для прямого измерения внутрисосудистого давления крови и давления в полостях сердца
ИП для измерения внутричерепного давления.
Тема 9.3. ИП для механической плетизмографии
Электромагнитные и ультразвуковые датчики кровотока. Лазерный измеритель скорости кровотока. Датчики насыщенности крови кислородом.
Раздел 10. Датчики параметров системы дыхания
Тема 10.1. Характеристики внешнего и тканевого дыхания
Датчики частоты дыхания: контактные, резистивные, пневматические - принцип действия, свойства. Датчик, фиксирующий изменения температуры потока воздуха в верхних дыхательных путях. Турбинный датчик для измеpения объема вдыхаемого в выдыхаемого воздуха: конструкция, параметры. Фотометрический датчик процентного содержания оксигемоглобина в периферической артериальной крови.
Раздел 11. Электрохимические биосенсоры, электрохимические электроды и микроэлектроды
Тема 11.1. Электрохимические биосенсоры
Теоретические основы функционирования электрохимических сенсоров. Типы электрохимических сенсоров. Электролитический полуэлемент (полуячейка).
Тема 11.2. Потенциометрия
Уравнение Нернста. Образцовые электроды: водородный, каломельный, серебряно-хлорсеребряный. Мембранные ион-селективные электроды. Стеклянные электроды. Ионно-обменные мембраны. Газовые электроды. Вольтометрия. Теоретические основы. Схема трехэлектродной установки для вольтометрии. Типовые экспериментальные характеристики. Амперометрия в электрохимических ячейках. Кондуктометрия. Теоретические основы. Измерение проводимости.
^ Тема 11.3. Кондуктометрическая ячейка, ее
эквивалентная схема и параметры
Применение кондуктометрии. Примеры кондуктометрических ячеек. Измерения биоимпеданса. Техника, эквивалентная схема, типовые результаты. Ферментные и иммунные сенсоры: принцип действия, примеры реализации.
^ Тема 11.4 Планарные электрохимические биосенсоры
Планарные электрохимические сенсоры. Сравнение классической, толстопленочной, тонкопленочной и полупроводниковой технологий. Технология мембран. Планарные потенциометрические сенсоры. Типовая конструкция ион-селективного полевого транзистора. Теоретические основы функционирования, базовая схема включения и использование. Планарные амперометрические сенсоры. Базовая структура сенсора кислорода и его характеристики. Датчик глюкозы. Планарные кондуктометрические сенсоры: базовая структура, типовые характеристики, схема включения.
^ Тема 11.5 Биомедицинские электроды и их применение
Классификация биоэлектродов и требования к ним. Структура контакта «электрод-кожа». Процессы, происходящие в контакте «электрод-кожа». Образование гальванической ЭДС. Поляризация электродов. Измерение электродных потенциалов. Схема измерения. Уравнение Нерста. Нормативные документы по электродам.
^ Тема 11.6. Эквивалентная схема кожно-электродного
контакта и ее параметры
Металлические, емкостные, резистивно-емкостные и резистивные электроды. Частотные зависимости кожно-электродного импеданса. Конструкции электродов различных типов, используемые материалы, характеристики. Принципы применения электродов в клинической практике. Выбор наиболее подходящего типа и конструкции электрода с учетом особенностей регистрируемого процесса. Электродные пасты и жидкости. Электродные артефакты, их обнаружение и устранение. Электродные провода.
^ Тема 11.7. Микроэлектроды
Назначение микроэлектродов и область их применения. Конструкции микроэлектродов, используемые материалы, изготовление. Металлические и стеклянные микроэлектроды и их характеристики. Технология изготовления электродов. Заточка микроэлектродов. Дополнительные средства микроэлектродной техники (прижимы, фиксаторы, манипуляторы). Особенности использования и эксплуатации микроэлектродов. Перспективные многоканальные микроэлектродные структуры для проведения активных микроисследований в нейромедицине.
Раздел 12. Вторичные измерительные преобразователи
и биотелеметрические системы
Тема 12.1. Усилители биосигналов (УБС)
Особенности биоэлектрических генераторов и их учет при проектировании УБС. Методы отвода биосигналов с помощью электродов. Монополярное (однополюсное) и биполярное (двухполюсное) отведения: сущность, условия и примеры применения. Схема отведения с искусственным ("усредненным") общим электродом. Взаимодействие входных цепей УБС с объектом. Искажения биосигналов при их съеме. Помехи, действующие на входе УБС. Методы борьбы с помехами во входных цепях. Характеристики УБС по отношению к полезному сигналу и по отношению к помехам. Синфазные помехи. Коэффициент ослабления синфазного сигнала.
^ Тема 12.2. Схемотехнические принципы построения и расчет УБС на базе операционных усилителей и интегральных измерительных усилителей
Источники ошибок в УБС и их устранение (компенсация). Усилители биосигналов с гальваническим разделением входа и выхода. Особенности конструирования УБС. Экранирование и заземление УБС.
^ Тема 12.3. Масштабирующие, нормализующие
и коммутирующие ИП
Нормализация, масштабирование и коммутация измерительных сигналов. Масштабирующие ИП: построение, функционирование. Принципы построения и работы нормализующих преобразователей. Унификация выходных сигналов ИП. Коммутирующие ИП: назначение, разновидности, построение, элементы. Аналоговые ключи и мультиплексоры: типы, сравнительные характеристики, применение. Схемы выборки-хранения: назначение, параметры, схемотехника.
^ Тема 12.4. Аналого-цифровые преобразователи
Назначение и применение АЦП в системах сбора и обработки биомедицинской информации. Классификация и основные метрологические параметры АЦП. Принципы построения АЦП различных типов и их сравнительные характеристики. Интегральные АЦП. Проектирование АЦП биоэлектрических сигналов. Выбор типа АЦП.
^ Тема 12.5. Цифроаналоговые преобразователи
Назначение и применение ЦАП в средствах медицинской электроники. Классификация и основные метрологические параметры ЦАП. Принципы построения ЦАП различных типов. Интегральные ЦАП. Особенности проектирования ЦАП.
^ ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1. Электроды для биомедицинских измерений.
2. Пьезоэлектрические преобразователи для регистрации физиологических параметров.
3. Усилители биоэлектрических сигналов.
4. Измерительные преобразователи сигналов в цифровой код.