生物醫學電子學實驗課程設計

周宇　崔玉軍　王佩瑤　劉嘉玥　林啟航　鄭政

【摘 要】為了加強對生物醫學工程專業本科生的電子工程技術訓練，對該專業的生物醫學電子學實驗進行課程設計。選取生物電位放大器作為實驗主題；實驗中，要求學生將基于電子設計自動化軟件的設計仿真和實踐操作相結合，完成生物電位放大器的設計工作、驗證其功能、并對其重要性能進行測量；該實驗安排在理論課早期集中精力完成。實踐表明，學生經過生物醫學電子學實驗的訓練，對電子工程技術中不同手段的特點有了更深刻的體會，對生物電位放大器的原理和性能有了更深入的理解。因此，該實驗的課程設計是成功的。

【關鍵詞】生物醫學工程；生物醫學電子學；生物電位放大器；電子設計自動化

【Abstract】In order to strengthen the electronic engineering technology training for Biomedical Engineering students， the Biomedical Electronics experiment course was designed for the students. The biological potential amplifier was selected as the experiment subject； In the experiment， student will be required to combine the simulation based on the electronic design automation software and practical operation to complete the design work of the biological potential amplifier， verify its function， and measure its important performance； the experiment was arranged in the early stage of the theoretical courses. Practice shows that the students have a more depth understanding of the characteristics of different methods in electronic engineering technology through the training of biomedical electronics experiments. Therefore， the curriculum design of the experiment is successful.

【Key words】Biomedical Engineering； Biomedical Electronics； Biological potential amplifier；Design automation

0 引言

生物醫學工程專業涉及多種學科和技術，具有很強的綜合性[1]；但與此同時，該專業的本科生培養工作也具有很高的難度，原因就在于學生學習的內容多而不精，在擇業時常常無法體現出能力優勢。因此，從培養生物醫學工程專業本科生的角度而言，應該在對學生進行綜合素質培養的同時、加強特定專業技能的訓練，為學生的就業和繼續深造打下良好的專業基礎[2]。

醫學電子儀器方式是上海理工大學生物醫學工程專業的一個重要方向，在課程設置上，專注于培養學生的電子工程技術[3]。這其中，生物醫學電子學[4]是生物醫學工程專業的重要專業課程之一，其教學目的是讓學生掌握醫學電子儀器中帶有共性的電子器件、電子線路及電子學設計方法，因此是引導學生學習將電子工程技術應用于生物醫學工程專業的重要環節。生物醫學電子學實驗是該課程的配套實驗，目的是在于通過有代表性的實驗課題，引導學生學以致用、將課堂內容融會貫通于實踐之中。因此，生物醫學電子學實驗是生物醫學工程專業的一門重要實驗，需要進行慎重的實驗選題、認真的實驗設計和細致的實驗安排。為此，進行了相關的課程設計和實踐工作，詳述如下。

1 課程設計思想

上海理工大學生物醫學工程專業的生物醫學電子學實驗被安排于第五學期，和生物醫學電子學理論課平行設置。此前，學生已經通過電路原理、模擬電子技術基礎、數字電子技術基礎和電子技術技能訓練等課程的培養，具備了一定的電子工程技術基礎。生物醫學電子學實驗的總課時為16學時，在有限的課時內，讓學生得到最大程度的專業訓練，具有一定難度。在此背景下，展開生物醫學電子學實驗的課程設計工作。

首先要解決的問題是實驗選題。生物醫學電子學實驗的選題，應該能夠突出生物醫學電子學的特色，具有代表性。經過研究，多個生物醫學電子學的相關教材中，都將生物電位放大器（Biopotential Amplifier），即儀表放大器（instrumentation amplifier），放在了相當重要的位置上[5]。生物電位放大器，是用于放大心電、肌電和腦電等信號的專用放大器；這些信號具有的特點包括：由生物體內的電活動產生、屬于微弱的差分信號、非常容易被更加強烈的共模噪聲淹沒；而生物電位放大器具有很好的共模抑止特性，最適于放大這些存在于強烈共模噪聲背景下的微弱差分信號[6]；因此，生物電位放大器在生物醫學電子學中占有重要地位，以生物電位放大器為主題開展生物醫學電子學實驗，不僅具有代表性，而且能夠引導學生在前期的課程基礎上有所提高。

其次要解決的問題是實驗設計。圍繞生物電位放大器這個主題開展實驗設計工作，需要使實驗具有一定深度，但同時又要保證大部分同學有能力在限定的課時內完成任務。經過反復論證設計，最終決定生物電位放大器相關實驗由兩部分組成：基于電子設計自動化（Electronic design automation， EDA）軟件的設計仿真實驗和動手實踐實驗。在第一部分實驗中：學生基于LM324[7]完成生物電位放大器的設計工作；仿真驗證設計結果；仿真測試其差模增益幅頻響應曲線[8]。在第二部分實驗中：學生在面包板上動手搭建生物電位放大器；并在實驗室中，使用各種設備測試差模增益幅頻響應曲線。上述實驗設計的優點在于：通過設計仿真工作，讓同學們盡快掌握生物電位放大器的原理，同時，基于EDA軟件開展電路工作，符合發展趨勢[9]；通過設計仿真和動手實踐相結合，互為驗證，比較差異，容易引發思考，更加深刻的體會電子工程技術中不同手段的特點；對生物電位放大器的重要參數進行仿真、測量和總結，有利于學生們在更深地程度上掌握生物電位放大器。

最后要解決的問題是實驗安排。由于生物醫學電子學實驗是生物醫學電子學理論課程的配套實驗，因此在進度安排上必須要統籌考慮；此外，實驗設計決定了生物醫學電子學實驗適宜集中精力完成，而不是分散到每周進行，集中完成實驗能夠取得更好的效果。為此，在生物醫學電子學理論課程中，生物電位放大器相關內容被安排在課程的早期進行講解；緊隨其后，利用課余和周末時間，在一周內完成生物醫學電子學實驗。這樣安排的好處是：學生能夠在課程的開始階段，就體會到了如何將理論應用于實際，引發學習興趣。

2 實驗內容展示

下面以一位學生的實驗情況為例，說明課程設計效果。

1）生物電位放大器的設計和仿真

a）生物電位放大器的設計：

基于lm324設計一個基于三運放的儀表放大器，用于生物電位測量，仿真電路原理圖如圖1所示。增益公式如公式（1）所示，其中：R1、R2、R5和R6都選用10KΩ的電阻；R3和R4都選用24KΩ的電阻；Rg為增益電阻，當Rg為無窮大時，（這里選用600MΩ），增益約為1倍，當Rg為5.6kΩ時，增益約為10倍，當Rg為470時，增益約為100倍，當Rg為47時，增益約為1000倍。

A=（2*R3/Rg+1）*R2/R1（1）

b）對所設計的生物電位放大器進行仿真，驗證其功能

如圖1所示：使用+Vdm/2和-Vdm/2兩個信號源組合成模擬心電信號的差模輸入信號Vdm，峰值為10mV，頻率為18Hz；使用Vcm仿真工頻干擾產生的共模信號，峰值為500mV，頻率為50Hz。取Rg為5.6kΩ，輸入、輸出信號對比圖如圖2所示。由圖可見，差模輸入信號被放大約10倍，但50Hz共模輸入信號在輸出信號中全無蹤跡，因此該生物電位放大器正確的實現了預期目的：放大差模信號、抑制共模信號。

c）對所設計的生物電位放大器進行仿真，測量其性能，頻率范圍設定在0.1Hz-5MHz之間：

對圖1的生物電位放大器進行仿真，測量其差模增益頻率響應，如圖3所示。圖中從上到下的短劃線、虛線、點劃線和實線分別代表差模增益約為1000倍、100倍、10倍和1倍時的幅頻響應。由圖3可見，放大倍數越小時的幅頻響應截止頻率約高：差模增益約1000倍時，幅頻響應在1kHz左右就開始截止；差模增益約100倍時，幅頻響應在10kHz左右開始截止；差模增益約10倍時，幅頻響應在100kHz左右開始截止；差模增益約1倍時，幅頻響應在1MHz左右開始截止。

2）生物電位放大器的實踐實驗

動手實現所設計的生物電位放大器。使用的器材包括：面包板、lm324、10KΩ電阻、24KΩ電阻、5.6KΩ電阻、470Ω電阻、47Ω電阻和導線等，電阻均為5%精度；使用的儀器包括SPF05數字合成函數信號發生器、DS1000數字示波器和電源。測試所得到差模增益頻響曲線如圖4所示。其中，差模增益隨頻率變化的趨勢與仿真所得的結果基本類似，除了差模增益為1時的截止頻率出現在了100kHz左右。

3）實驗分析

相比于實際實現的生物電位放大器，仿真實驗而得的結果具有更好、更理想的特點。其原因在于：仿真時避免了器件差異造成的影響，需要匹配的電阻和運放可以做到完全匹配，同時也避免了人為測量失誤造成的影響，因此可以排除隨機誤差。仿真實驗更容易實施，對于理解理論課內容大有裨益；但動手實驗更加真實，且可以提高動手能力、積累實驗經驗，對于理解真實情況、解決實際問題非常有好處；兩者可以互為補充。

3 結論

為了避免生物醫學工程專業本科生培養博而不精的問題，在對學生進行綜合素質培養的同時，應該加強特定專業技能的訓練；上海理工大學生物醫學工程專業醫學電子儀器方向在課程設置上專注于培養學生的電子工程技術；生物醫學電子學實驗作為該專業的重要課程生物醫學電子學的配套實驗，在引導學生“入門”、引發專業興趣等方面，具有重要作用；為此，對該實驗進行了相關的課程設計工作。實踐表明，通過生物醫學電子學實驗的訓練，學生對專業的認知程度、對技術的理解程度和對知識的掌握程度，都得到了提升，這些能力的加強有助于學生對其它專業課程的學習和掌握。因此，該實驗的課程設計是成功的，今后將沿此方向繼續推進。

【參考文獻】

[1]尤富生.麻省理工學院教育理念及對生物醫學工程專業的啟示[J].醫療衛生裝備，2016，37（1）.

[2]趙曉明.生物醫學電子綜合實驗系統設計[J].實驗技術與管理，2013，30（7）.

[3]周宇.醫學儀器設計原理課程構建的心電檢測系統[J].實驗室研究與探索，2012（2）.

[4]馬長升.生物醫學電子學的回顧與展望[J].中國醫療設備，2008，23（3）.

[5]Webster， J.G.Medical Instrumentation： Application and Design[M]. 3rd ed. John Wiley & Sons，2009.

[6]Franco， S.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計[M].2ed.西安交通大學出版社，2009.

[7]Instruments. T. LM324 Quadruple Operational Amplifier. Available from： http：//www.ti.com/product/lm324.

[8]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].5 ed.高等教育出版社，2015.

[9]秦毅男.基于PSpice的電子電路仿真與設計[J].現代電子技術，2006，29（14）.

[責任編輯：朱麗娜]