基于德州仪器医疗应用的生物医学工程专业课程教学改革探索——以医学仪器方向为例

刘毅飞，彭 微，龚惠红，周燕红

(1.湖北科技学院 生物医学工程学院，湖北 咸宁 437100； 2.湖北科技学院 临床医学院，湖北 咸宁 437100)

2017年教育部发布了开展新工科研究与实践的通知，希望全国各地高校开展新工科教育的研究与实践，通过深化工程教育改革推进新工科的建设与发展。在新工科背景下， 新工科教育的一个重点就是要求工科类专业的人才培养要与产业的发展相匹配， 医学仪器产业作为一个知识和技术密集型的高技术产业，目前我国的高端医学仪器严重依赖进口，医学仪器专业方向人才的培养必须适应医学仪器产业对人才的创新能力的要求和面向医学仪器产业， 在这样一个新工科背景下， 高校作为我国医学仪器人才培养的主要来源， 医学仪器专业方向的课程教学也需要进行相应的改革以与医学仪器产业的需求相匹配。

目前国内医学仪器人才培养方案中的课程体系已经比较成熟，教学上基本上是教材上的理论知识加上实践课程，实践课程的主要目的也是为了深化对教材理论知识的理解，这种教学方式优点是学生掌握的理论知识体系比较完整，但是在新工科背景下， 传统的医学仪器专业方向课程教学为了符合新工科工程教育必须与产业发展相匹配的要求， 存在的问题主要体现在以下两个方面：(1)医学仪器作为一个医学和工学相结合的专业方向，涉及的学科专业领域多，理论知识学习难度大，如果课程教学内容与实际应用相脱节，学生学习兴趣难以提高， 很多应用型高校采取案例式教学来解决这个问题，这些措施能够起到一些效果，但是由于课程教学内容主要以教材为主， 教学的目标定位于掌握教材上的理论知识， 与企业对人才知识的需求有一定距离。(2)医学仪器专业的实践课程的目的主要在于进一步加深对理论课程的理解， 而新工科背景下对于工程实践主要要求实践创新能力及工程思维的培养， 因此现有的实践课程与新工科的工程教育的要求也有一定差距。

作为世界领先的仪器公司——德州仪器公司(TI)提供的医疗应用本身就与产业紧密结合，同时还可以用于创新能力训练和培养工程思维， 本课题以此为基础， 探索在新工科背景下， 以德州仪器公司的医疗应用为导向， 对医学仪器专业方向的相关课程的理论与实践教学进行改革，通过全新的与企业紧密相结合的教学内容，创建课程教学新模式，为医学仪器专业方向的课程建设提供新的思路，以适应我国医学仪器产业化对创新型人才的大力需求，推进新工科建设。

一、德州仪器公司的医疗应用

(一)德州仪器公司简介

德州仪器公司是全球第一大模拟半导体器件和数字信号处理器(DSP)制造商，生产的产品包括模拟电路，模数混合电路，嵌入式处理器，无线连接等，这些产品广泛应用于各种医学仪器的领域。

(二)德州仪器公司的医疗应用

由于医疗仪器与人类的健康密切相关并且在全球拥有巨大的市场，TI公司尤其关注其产品在医疗领域的应用[1]，同时因为TI公司具备完备的产品线，所以其应用领域基本上覆盖了所有的医疗仪器领域， 例如，居家类医疗保健成像，医疗设备，患者监护和诊断，个人健康与健身，医疗设备等，针对具体的每一类医学仪器产品， TI公司的医疗应用均提供了相关的参考资料与文档，具体包括参考设计，技术文档， 产品设计相关器件的选型， 产品设计相关支持与训练，通过这些文档设计人员能快速地理解和掌握该类医学仪器产品设计的相关知识，并可以快速地完成整体设计，产品选型等工作。另外TI还提供了设计和仿真工具，硬件开发板和软件开发包帮助医学仪器设计人员提高设计效率，并且TI还建立了设计支持论坛E2E和支持中心帮助设计人员快速解决设计中存在的问题。

另外TI官方出版的医疗应用指南手册还提供了每一类医学仪器产品的总体设计原理块图，针对每一个电路模块，提供了相应的设计要求并推荐相应的器件用于设计，这些均为医学仪器的开发和设计提供了非常有益的参考[2]。

二、基于德州仪器医疗应用的医学仪器方向课程教学改革

(一)以TI的医疗仪器应用为导向的理论教学模式与教学内容改革

要想培养出符合医学仪器产业需求的创新性人才，首先需要学生打好扎实的理论基础并且所学的理论知识需要紧跟企业对人才的需求和产业的变化。目前开设医学仪器专业方向的本科高校其核心课程基本相似，基本上为模拟电路，医用电子学， 微机原理和嵌入式系统，医学数字信号处理，医学影像处理，医学仪器设计等课程， TI公司的应用指南提供的设计实例与参考设计的内容本身与医学仪器人才培养的所有核心课程密切相关，这样就为我们以TI的医疗应用指南为基础的理论教学改革打下了基础。

理论课程改革的总体思路以TI公司的应用指南提供的医学仪器参考设计为依据，将医学仪器设计涉及到的理论知识进行分解融入到相关课程的理论教学中，在学生掌握智能医学仪器设计的基础理论知识之后， 在高年级的医学仪器设计课程中将TI的医疗应用中的参考设计作为设计实例进行讲解，一方面可以加深学生对基础知识的理解；另一方面可以使得学生从工程角度对医学仪器的设计过程有全面的了解，具体的实施过程如下：

1.首先根据医学仪器专业方向的人才培养方案， 所有与医学仪器设计密切相关的基础课，专业基础课和专业课教师从TI提供的医疗仪器应用中挑选出适合于课堂教学并适合学生进行设计的参考设计和技术文档， 然后仔细阅读，深入分析和讨论将这些参考设计和技术文档涉及到的理论知识划分为二类：一类为与企业对人才专业知识的需求和现有课程教学的内容都密切相关的理论知识；另一类是与企业对人才专业知识的需求相关但是并不在现有课程教学内容中。另外后续教学大纲的修订和教学内容的修改以TI提供的医疗仪器应用和企业对人才专业知识的需要进行动态调整。

2.下面以TI的心电(ECG)应用为例具体讲述如何将TI的医疗应用与医学仪器专业的理论课程的改革相结合，按照(1)中的实施过程， 挑选出来的ECG参考设计和技术文档见参考文献[3-5]，这些参考设计与技术文档中涉及到的理论课程与TI医疗仪器应用的关系如表1所示，从表中可以看出TI医疗仪器应用覆盖了智能医学仪器人才培养的核心课程，而课程教学内容仅仅涉及到TI医疗仪器应用的部分内容， 即使涉及到的部分也与实际应用存在一定的差距。从这里可以看出，TI医疗仪器应用虽然不能完全代替课堂教学，但是由于是企业推出的应用向导，与实际应用密切相关， 特别适合培养符合企业需求的医学仪器专业方向的人才，对于教师的课程教学也提出了更高的要求。

表1 医学仪器方向主要理论课程与TI医疗仪器应用的关系

3.根据上面的分析，为了解决课程教学内容与实际产业应用不一致的问题， 我们对理论课程采取了以下一系列的教学改革措施：对于与TI医疗应用紧密相关的理论知识，教师的课程教学以教材为主的同时兼顾TI的医疗应用， 有些甚至可以直接以TI的医疗应用作为课堂教学内容，比如模拟电路课程中的滤波电路直接采用心电滤波器的设计作为课堂讲授内容， 还有一些TI医疗应用的内容作为学生的课后作业和思考题，对于TI医疗应用中与产业应用密切相关的理论知识而课程大纲和教材没有涉及到的内容，包括TI提供的一系列与医疗应用相关的支持和训练视频，则作为相关课程学生课后观看和学习的材料， 比如表1中单片机原理与接口技术课程的心电RF和蓝牙通信和表2中的德州仪器医疗应用提供的ECG培训教程。

表2 德州仪器医疗应用ECG培训教程

续表2 德州仪器医疗应用ECG培训教程

4.通过上面医学仪器方向课程的教学改革，学生已经具备了面向产业应用的一个完整的医学仪器各个组成模块设计所需要的专业知识，但是一个完整的医学仪器设计是一个系统工程， 除了专业知识外，还需要考虑器件选型，国家标准，市场情况等， 这就是新工科要求学生除了所学的理论知识要与产业密切相关之外，还需要培养工程思维的原因。我们将TI的医疗应用中的参考设计在医学仪器设计课程中作为实例进行讲解可以使得学生对医学仪器的总体设计过程有全面的理解之外，可以培养学生的工程思维和市场意识，这样的医学仪器人才才能真正适应企业的需求。

(二)以TI的医疗仪器应用构建实践教学和创新设计新平台

在医学仪器方向实践课程教学改革中，首先我们以TI医疗应用中的设计和仿真工具构建实践和创新设计平台用于医学仪器专业方向学生的实践教学和创新设计，这些工具主要包括：

1.TI的Webench仿真工具是一个强大的端对端的设计工具， 利用这个工具可以快速地进行模拟滤波器，放大电路，电源的设计及相应的元器件选型等工作[10]。

2.TI的Code Composer Studio(CCS)集成开发环境可以进行微型控制器， DSP，ARM嵌入式处理器开发，这些嵌入式处理器广泛地应用于医学仪器中， 同时利用TI的CCS开发环境便利的信号和图形可视化功能特别方便在CCS对医学仪器软件算法进行测试[11]。

3.另外TI公司和Tina合作的TI-TINA Design Suite 可以在一个平台就可以完成从创新思想的仿真到产品实现的整个过程，以帮助学生开始并且加速产品设计，缩短产品上市时间。

通过以上设计工具构建的实践教学和创新设计平台的优点在于可以充分利用TI公司强大的开发工具加速设计过程，并且学生可以利用这些工具自主进行创新设计。另外由于有些工具本身就在企业中应用，在实践教学中使用这些工具软件，学生在工作中能更好的进入工作角色，更快地适应企业需求。

(三)以TI的医疗仪器应用进行实践课程教学改革和创新训练

通过上面进行的与TI的医疗应用紧密结合的理论课程教学改革之后，学生具备了产业对医学仪器设计理论知识的要求， 但是要想完成一个符合产业要求的医学仪器设计， 需要对医学仪器专业方向的实践课程也进行相应的改革从而培养学生的实践能力。

1.面向医疗应用的医学仪器课程实践项目开发

在2(2)中构建的实践教学和创新设计新平台上我们结合TI的医疗应用在医学仪器实践课程中开设相关实验项目给学生完成，比如我们基于CCS开发的部分关于心电的实验项目如表3所示。虽然这些实践平台很多采用仿真方式不能完全代替真实仪器实验项目，但是优点在于灵活并特别适合学生课后进行自主实验。

表3 基于CCS开发的心电实验项目

2.医学仪器专业方向实践创新能力训练

TI医疗应用的参考设计和评估板本身就是很好的实践创新能力训练项目，我们在仪器设计课程安排学生进行这些项目的设计，通过完成这些设计项目学生除了可以加深对基础知识的了解，提高动手能力， 更重要的是学生还可以从中学会通过阅读器件手册进行设计中器件的选择，软硬件调试，并形成工程思维， 这样就进一步提高了学生的设计水平，为学生进行创新设计提供有益的帮助，在此基础上学生通过参与各类创新设计竞赛，完成毕业设计，论文进一步提高学生在医学仪器领域的创新能力。

三、基于德州仪器医疗应用的医学仪器方向课程教学改革的效果

为了适应新工科工程教育对人才培养新的要求，本文依据德州仪器公司(TI)的医学仪器应用对医学仪器方向相关课程的理论和实践教学改革进行了探索， 通过我们在医学仪器相关课程的理论和教学改革的实践表现出如下效果：

1.符合新工科对人才培养必须与产业相匹配的要求。通以TI医疗仪器应用为基础的课程改革，使得医学仪器方向的理论和实践教学与产业紧密相结合，同时可以培养学生市场意识， 树立学生的工程理念， 培养的学生也就能快速适应市场和企业的需求。

2.符合新工科对人才培养实践能力的要求。通过本文的课程改革， 学生所学的知识与应用密切相关， 可以培养学生的学习兴趣，学生学习的主动性得到提高后， 有助于提升教学质量和提高人才的培养质量。

3.符合新工科对人才培养实践能力和创新能力的要求。本研究采用TI先进的设计工具作为学生创新设计的平台，学生在上面可以自主从事综合，设计性实验和创新设计，可以培养学生的创新思维，全面提高医学仪器学生的创新能力。

四、结语

为了适应新工科背景下工程教育要求， 本文对医学仪器方向人才培养有关课程的理论和实践如何结合TI的医疗应用进行了研究和探索， 通过理论和实践教学改革的实践表明， 本方法有利于培养具有市场意识和创新精神的符合产业需求的人才，也可以为应用型本科院校的医学仪器方向进行新工科教育提供参考与借鉴。