МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского Физический факультет УТВЕРЖДАЮ Проректор СГУ по учебно-методической работе ___________________Е.Г.Елина "__" __________________2011 г. Рабочая программа дисциплины Медицинская электроника Направление подготовки 011200 Физика Профиль подготовки Медицинская фотоника Квалификация (степень) выпускника Магистр Форма обучения очная Саратов, 2011 1 1. Цели освоения дисциплины Целью освоения дисциплины «Медицинская электроника» является освоение теоретических знаний и практических навыкав по применению электронных схем в биомедицинской аппаратуре, что соответствует основной цели магистратуры в части получения углубленного профессионального образования, позволяющего выпускнику успешно работать в избранной сфере деятельности в РФ и за рубежом, обладать универсальными и предметно-специализированными компетенциями, способствующими его социальной мобильности, востребованности на рынке труда и успешной карьере. 2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры Дисциплина «Медицинская электроника» относится к дисциплинам профессионального цикла, курс (М2Р2) читается во 2 семестре. Форма итоговой аттестации — зачет. Изучаемый в рамках дисциплины материал основан, с одной стороны, на базовых знаниях обучаемых в области электроники (например, дисциплина бакалавриата «Аналоговая и цифровая электроника в биофизическом эксперименте»), а с другой — на материале курсов по физическим методам диагностики и терапии в медицине и физиологии («Физические методы регистрации физиологических параметров», «Обработка данных медицинского эксперимента» ). Дисциплина связана с другими лекционными курсами магистратуры: «Физические методы в медицинской диагностике и терапии», «Методы регистрации электрической активности организма». Полученные в результате освоения данной дисциплины знания и навыки могут быть непосредственно использованы обучаемым при выполнении аттестационной работы магистра и в последующей профессиональной деятельности. 3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Медицинская электроника» В процессе освоения обучаемым дисциплины «Медицинская электроника» достигается освоение общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций, характеризуемых: способностью самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности, расширять и углублять своё научное мировоззрение (ОК-З); 2 способностью использовать знания современных проблем физики, новейших достижений физики в своей научно-исследовательской деятельности (ПК-2); способностью использовать свободное владение профессионально профилированными знаниями в области информационных технологий, современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-5); способностью свободно владеть разделами физики, необходимыми для решения научно-инновационных задач (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-6). В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать физические основы работы электронных схем, типовую реализацию и назначение функциональных узлов аппаратуры медицинского назначения. Уметь читать принципиальные электрические схемы медицинских электронных устройств диагностического и терапевтического назначения, выделять структурные взаимосвязи между функциональными блоками, оценивать характеристики узлов медицинской аппаратуры с позиций их соответствия решаемым задачам. Владеть знаниями и навыками по синтезу устройств медицинской электроники на уровне функциональных блоков, электронных узлов на уровне принципиальных схем, уметь использовать специализированное программное обеспечение для моделирования работы и отладки типовых узлов аппаратуры биомедицинского назначения. 4. Структура и содержание дисциплины «Медицинская электроника» Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы, включая 16 часов лекций, 16 часов практических занятий и 40 часов на самостоятельную работу. 4.1. Структура дисциплины № Раздел дисциплины п/п Формы текущего Виды учебной работы, контроля включая Сем Неделя успеваемости самостоятельную естр семестра (по неделям работу студентов и семестра) трудоемкость (в часах) Формы промежуточной 3 аттестации (по семестрам) 1 2 3 4 5 6 7 8 Введение. Электрические измерения в медицине Электроды и микроэлектроды. Резистивные датчики. Полупроводниковые фотопреобразователи. Термоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрические преобразователи Функциональные узлы электронных устройств медицинского назначения Структура и схемотехника диагностических и терапевтических устройств ВСЕГО 2 1 Л(1) ПР(1) СР(2) 2 1 Л(1) ПР(1) СР(2) 2 2 2 3 Л(2) Л(2) ПР(2) СР(2) ПР(2) СР(2) 2 4 Л(2) ПР(2) СР(2) 2 5 Л(2) ПР(2) СР(2) 2 6,7 Л(4) ПР(4) СР(18) 2 8 Л(2) ПР(2) СР(10) Л(16) ПР(16) СР(40) 4.2. Содержание дисциплины Тема 1. Введение. Электрические измерения в медицине. Датчики неэлектрических величин, регистрируемых электронными приборами и их использование в медицине. Основные сведения о измерительных преобразователях и их классификация. Погрешности преобразования, точность и диапазон, порог чувствительности. Общий принцип достижения наибольшей эффективности средств измерений. Принцип согласования сопротивлений преобразователей. Измерительные цепи прямого и уравновешивающего преобразования. Динамические свойства средств измерений. Тема 2. Электроды и микроэлектроды. Электроды электрокардиографов и электроэнцефалографов. Металлические и стеклянные микроэлектроды для регистрации внутриклеточных и мембранных потенциалов. Эквивалентные схемы замещения системы электрод-организм. Металлические электроды для 4 оценки ионного состава. Стеклянные электроды для РН-метрии, Ионселективные электроды и их применение для биохимического анализа. Тема 3. Резистивные датчики. Механические упругие преобразователи, реостатные преобразователи, тензорезисторы, медицинские динамометры и эргометры. Тема 4. Полупроводниковые фотопреобразователи. Фотодатчики и их использование в медицинской аппаратуре. Радиационные и фотоэлектрические приборы для фотометрических измерений и для регистрации инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Полупроводниковые рентгенодатчики. Световые, вольтамперные и спектральные характеристики фотодатчиков. Применение фотоприборов в медицинской электронной аппаратуре и в приборах для биохимического анализа. Полупроводниковые фотоприемники. Фотоэлектрические умножители, схемы их включения и области применения. Тема 5. Термоэлектрические преобразователи. Металлические и полупроводниковые термосопротивления. Термисторы. Области применения термодатчиков в медицине. Электронные медицинские термометры. Устройства терморегуляции в биохимических лабораториях. Применение фотодатчиков, чувствительных к инфракрасному излучению, для измерения температуры кожных покровов. Принцип действия и устройство медицинских тепловизоров. Термоанемометрические измерители легочной вентиляции. Электронные медицинские термометры. Тема 6. Пьезоэлектрические преобразователи. Физическая природа пьезоэффекта. Конструкции преобразователей. Специфические погрешности. Пьезоэлектрические датчики ультразвукового излучения на основе титаната бария, используемые в УЗ терапевтической и диагностической аппаратуре. Тема 7. Функциональные узлы электронных устройств медицинского назначения Измерительные усилители. Обратные связи и их применение для повышения эксплуатационных характеристик измерительных усилителей. Измерительные модуляторы и демодуляторы. Фильтры. Типовые схемы пассивных и активных фильтров в аппаратуре биомедицинского назначения. Генераторы и выходные каскады излучающих устройств. Генераторы с внешним возбуждением. Согласование выхода оконечного каскада и излучающей нагрузки. 5 Тема 8. Структура и схемотехника диагностических и терапевтических устройств. Типовые приемы схемной реализации измерительных каналов. Структурная схема современного медицинского полиграфа с электронной обработкой информации. Регистрирующие каналы ЭКГ. Блоки реографии и фонокардиографии. Аппаратура для УВЧ терапии. Ультразвуковая терапевтическая техника. Электронные электростимуляторы. Функциональные узлы силовой части электроаппаратуры медицинского назначения. 5. Образовательные технологии Лекционные занятия с использованием мультимедийных средств. Предусматривается чередование «классической» лекционной подачи материала и интерактивных методик в форме интерактивного решения поставленных преподавателем задач методом «мозгового штурма» силами обучаемых. При выполнении лабораторных и(или) практических занятий предусматриваются технологии, побуждающие обучаемых к нестандартному, творческому подходу при решении поставленных задач, включая самостоятельный поиск и привлечение информации и неуказанных преподавателем источников с оценкой степени ее достоверности, а также к формированию и отработке командного подхода в решении поставленных задач. В ограниченном объеме предусмотрено применение образовательных технологий, использующих создание конкурентной среды между микрогруппами студентов при выполнении лабораторных и вычислительных заданий сходной тематики. 6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины. Наполнение объема часов самостоятельной работы предусмотрено в виде самостоятельного поиска в сети интернет и освоения обучающимися разделов, не освещенных в лекциях. 6 Виды самостоятельной работы студента: - изучение теоретического материала по конспектам лекций и рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной литературе; - самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины, не рассмотренных на лекциях; - изучение теоретического и технического материала по методическим руководствам и документации. Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов: - предусмотрена еженедельная сверхкороткая самостоятельная работа обучающихся по изучению теоретического лекционного материала и итогам самостоятельной работы; контроль выполнения этой работы предусмотрен в начале каждого лекционного занятия по данной дисциплине; - самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, выделенных в программе дисциплины и не рассмотренных на лекциях предусматривается по мере изучения соответствующих разделов, в которых выделены эти вопросы для самостоятельного изучения; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен в рамках промежуточного контроля по данной дисциплине; - выполнение и письменное оформление комплекса заданий теоретического характера, расчетных и графических по основным разделам дисциплины предусмотрено еженедельно по мере формулировки этих заданий на лекциях; предусматривается письменное выполнение этой самостоятельной работы с текстовым, включая формулы, и графическим оформлением; контроль выполнения этой самостоятельной работы предусмотрен при завершении изучения дисциплины по представленному в печатном виде отчету по этому виду самостоятельной работы; Список контрольных вопросов по освоению основных понятий и положений дисциплины 1. Охарактеризуйте основные типы датчиков, используемых в медицине и биологии. 2. Дайте определение величинам: погрешность преобразования, точность и диапазон, порог чувствительности. 3. Измерительные цепи прямого и уравновешивающего преобразования. 4. Охарактеризуйте устройство и основные параметры электродов электрокардиографов и электроэнцефалографов, металических и стеклянных электродов для регистрации внутриклеточных и мембранных потенциалов. 5. Резистивные датчики. 7 6. Полупроводниковые фотопреобразователи и их использование в медицинской аппаратуре. 7. Охарактеризуйте области применения термодатчиков в медицине. 8. Пьезоэлектрические преобразователи: принцип действия, конструкции, типовое применение в терапевтической и диагностической аппаратуре. 9. Получите основные соотношения, характеризующие действие обратных связей на параметры измерительного усилителя. 10. Опишите устройство и применение измерительных модуляторов и демодуляторов. 11. Приведите и объясните типовые схемы фильтров в аппаратуре биомедицинского назначения. 12. Охарактеризуйте основные схемы построения генераторов. 7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Медицинская электроника» а) основная литература: 1. М. Джонс. Электроника - практический курс.(A Practical Introduction to Electronic Circuits). Серия: Мир электроники, Издательство: Техносфера, 2006 г., 512 стр. 2. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005, 525 с. б) дополнительная литература: 1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, в 2 Т. , Т. 2., - М: Мир, 1986, 590с. 2. Электрическая схема регуляции процессов жизнедеятельности.-М.:МГУ, 1992. 3. Плонси Р., Барр Р. Биоэлектричество: Количественный подход .- М.:Мир, 1992. 4. Электрический импеданс биологических тканей .- М.:ВЗПИ, 1990. 5. Микрокомпьютеры в физиологии - М.:Мир, 19990. 6. Илюшов Г.С., Чагиров Б.И. Основы конструирования электронной медицинской техники. - С-Петербург, ЛЭТИ,1994 7. Бриндли К. Измерительные преобразователи М.: Энергоатомиздат, 1991. 8. Ревин Т.В., Кострикин А.М. Метрология и змерительная техника: Генераторные и измерительные преобразователи. - М.:Минск, 1994. 9. Логика и клиническая диагностика. - М.:Наука, 1994. 9. Самойлов В.О. и др. Низкочастотная биоакустика. - С-Петербург, 1994 10. Зима В.Л. Биофизические методы исследований: Электроника и электробиофизика. - Киев, 1990. 8 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Медицинская электроника» Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет, специализированное программное обеспечение для выполнения практических работ. Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению 011200 Физика и профилю подготовки Медицинская фотоника. Автор: профессор кафедры оптики и биофотоники, д.ф.-м.н., профессор Д.Э. Постнов Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники от 24 января 2011 года, протокол № 1/11. Подписи: Зав. кафедрой В.В. Тучин Декан физического факультета (факультет, где разработана программа) В.М. Аникин Декан физического факультета (факультет, где реализуется программа) В.М. Аникин 9