面向生物医学工程专业的生物医学传感技术教材改革浅析

胡克　王伟　朱松盛　竺明月　段磊　吴小玲

摘要：作为本学科本科教育必修课程之一，生物医学传感技术这门课程对学生日后使用、改进及设计适用于生物医学问题的传感器及相关系统奠定了基础。但由于该学科本身的特点和发展现状，目前适用于生物医学工程学科的生物医学传感技术教材不但数量较少，且均存在一定的局限性。本文基于目前生物医学传感技术发展的现状和生物医学工程本科生培养的需求，初步探讨了关于面对生物医学工程学科的生物医学传感技术教材改革的思路。

关键词：生物医学工程；生物医学传感技术；教材改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）27-0110-02

一、前言

传感器及相关技术在生物医学工程领域有着广泛的应用，与医疗相关的检测分析（生理状态常规检测、心电图及脑电图等）、成像造影（显微CT、核磁共振及红外成像等）及慢性病监控和辅助治疗（糖尿病、高血压）中，生物医学传感技术都起到了至关重要的作用。随着科学技术水平的飞速发展，不断有新的高性能传感器及技术被开发出来，这些器件和方法将为医疗事业提供突破性的机遇。因此掌握生物医学传感技术的相关知识对与生物医学工程专业的本科生的就业和科研发展均有着积极的现实意义。由于该课程对于生物医学工程学科的重要性，目前大部分院校的生物医学工程专业都开设了相应的课程，但是目前出版的适用于生物医学工程专业的生物医学传感技术教材种类较少，很多院校仍然选用了适合工科电类专业的一般性传感器及技术教材进行教学。基于工科类专业的应用核心指导思想和生物医学工程的学科特殊性，本文浅析了目前生物医学传感技术教材的优点和局限性，初步探讨了关于面前生物医学工程学科的生物医学传感技术教材改革的思路。

二、目前生物医学传感技术教材的优点和局限性

（一）目前生物医学传感技术教材的优点

由于经典传感原件和技术大部分为电学原件或围绕电学原件开发，其后续信号处理也依赖由电学原件构成的处理系统，目前生物医学传感技术所用教材的编纂者通常在电路设计，数字电路和模拟电路方面有较高的学术造诣，对于不同类型的电学传感器（差动、电容及电感传感器等）及其相关电路（直流/交流电桥等）的设计从原理到适用性及误差分析均有完整的分析和论述，本科生掌握基本知识点后，结合模拟电路所学知识和实验课的内容能有效将这些经典电学敏感元件运用到系统设计中。

（二）目前生物医学传感技术教材的局限性

生物医学工程学是综合生物学、医学和工程学的理论和方法而发展起来的交叉学科，其基本任务是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题。基于工科应用导向的特殊性和生物医学工程作为交叉学科的特质，面向生物医学工程专业的教材应在一般工科教材的基础上与生物医学问题进一步结合，但是目前生物医学传感技术课程相关的教材均存在一定的局限性。

1.课程内容与生物医学工程学科特色结合较少。在生物医学领域应用的器件或技术，往往需要针对相关的研究对象（人体或是细胞）进行设计，同时在实际应用中，生物信号由于其特殊性（信号强度微弱、干扰源多等）对于传感器的要求也与一般信号具有明显的区别。如果不能对这些信号的产生机制、作用方式和基本特性有一定深度的理解，学生无法将所学的传感器知识运用以解决实际的生物或临床问题。目前常用的教材通常还是采取一般传感技术教材的编写思路，根据不同类型的传感器进行章节分类，笔者认为这样的结构编排不适合生物医学传感技术课程的教学。过于偏重器件的原理和设计而忽略对被测信号进行系统分析不利于培养学生解决实际问题的思考能力。

2.课程内容缺乏与生物医学传感器件和技术相关的非电学内容。由于经典的传感器件和技术大部分与电子器件或仪器相关，因此目前一般传感器教材的编撰通常以此为主要内容。但是由于工科面向应用的本质要求，传感器及技术应用于生物医学工程领域时，面临了一些特别的问题。例如，针对脑电信号检测通常要求对采集的信号进行统计和数据处理分析；针对肿瘤细胞的筛查需要超小型高灵敏的传感器探针；针对长时间测量的可穿戴式装置要求信号检测部分能尽可能与机体紧密结合等。这些必须依赖改进材料或者升级软件算法等手段解决，而这些内容在解决实际问题中起到至关重要的作用。目前常用的生物医学传感技术教材中缺乏这些与生物医学工程实际问题密切相关的非电学知识，影响了学生对生物医学传感技术的系统性认识。

三、生物医学传感技术教材编写新思路

在目前常用的生物医学传感技术教材的基础上，笔者结合自己的授课心得，初步提出了一些面向应用的生物医学传感技术教材的改革思路。基于这些新的思路，在授课过程中启发学生申请传感器相关发明专利若干项。

（一）增强教材的应用导向性

改变围绕传感器件和技术的编写思路，以生物医学应用为导向，根据目前生物医学领域常见的检测信号（如脑电信号、心电信号、脉搏及血压测量等）和检测用技术（显微CT、核磁共振等）划分章节，每一章的知识点包括这些被测信号的产生机制、特点（如强度、静态量或动态量、常见误差干扰等）、目前实际应用中常用的检测方式（接触式或非接触式）、模块（如敏感原件及相关电路）、信号处理方法（如脑电的分析算法等）、检测目的，及发展趋势。通过这种层层递进的逻辑关系促进学生对知识点的理解和记忆。

（二）补充与生物医学传感技术相关的非电学内容

随着科学技术的不断发展，传感器件和技术的外延在不断扩大，很多基于非电元件的高灵敏度的传感方法目前已经由实验室研究转向实际应用。这些传感器件和技术作为基于经典电学敏感元件设计的传感器的补充，有利于学生理解传感器及技術的核心思想，对于学生参加后续的课程设计和创新竞赛中所用传感器件提供更多的选择点。

目前有部分生物医学传感技术教材已经添加了少量相关的非电学内容，但是仍然以介绍性质为主。笔者认为应该对这些目前已经投入实际使用的非电学传感器件和技术针对相关的生物医学问题按照上一节的编写思路展开，把其中知识要点（如检测的基本原理等）也提高到应知应会的要求。同时考虑到各个院校生物医学工程学科发展差异性的影响，为偏重分子生物学和生物材料的生物医学工程学科所编写的教材可以进一步增加这些非电学内容的广度和深度。

四、展望

随着科学技术的快速发展，更多高灵敏度的传感器件和技术将不断被应用于生物医学工程领域，面向生物医学工程的生物医学工程专业的生物医学传感技术教材也要与时俱进，不断推陈出新，力求在本科教学中既能给学生奠定良好的基础，又能引领学生了解该领域的发展趋势，并能更好地结合实际生物医学问题运用所学的知识，为创新创业提供更多的可能。

参考文献：

[1]杨玉星.生物医学传感器与检测技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[2]陈艾.敏感材料与传感器[M].北京：化学工业出版社材料科学与工程出版中心，2004.

[3]温志立.免疫传感器的发展概述[J].生物医学工程学杂志，2001，18（4）：642-646.

[4]洪锋，褚红伟，金宗科，等.无线传感器网络应用系统最新进展综述[J].计算机研究与发展，2010，47（s2）：81-87.

[5]彭承琳.生物医学传感器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6]陈玲.生物传感器的研究进展综述[J].传感器与微系统，2006，25（9）：4-7.

[7]霍群.电化学免疫传感器[J].临床检验杂志，2003，21（3）：181-182.

[8]马莉萍，毛斌，刘斌，等.生物传感器的应用现状与发展趋势[J].传感器与微系统，2009，28（4）：1-4.

[9]许春向.生物传感器及其应用[M].北京：科学出版社，1993.

犤10]李天钢，马春排.生物医学测量与仪器犤M].西安：西安交通大学出版社，2009.