课程代码：B1110090

课程名称：嵌入式医学仪器的原理与实现（The principle and implementation of embedded medical instrument）

学分/总学时：3学分/60学时

讲课学时：30；研讨学时：6；实验学时：24；上机学时：0；课外学时：60

课程类别：专业课

开课学期：三（3）

适用对象：生物医学工程专业三年级

先修课程：计算机结构与逻辑设计、单片机原理与应用

后续课程：毕业设计

课程负责人：赵兴群

一、   课程目标

现代医学仪器是当代高新技术和与生物医学相结合的产物。新型嵌入式系统在生物医学、工业和服务等领域中获得巨大应用，如智能设备、智能机器人、服务设施等。本课程将以嵌入式系统应用为目的，系统介绍常用嵌入式处理器原理、设计及应用，学习嵌入式Linux操作系统的程序设计原理和方法，学习常用医学测量仪器的原理和方法。通过本课程学习，从硬件设计和软件设计两方面掌握医学仪器高级开发平台，具备从事设计、开发和应用先进的嵌入式系统医学仪器能力。教学中，通过案例说明我国在医疗器械研发方面的成就与不足，增强学生的荣誉感、使命感和责任感。具体为：

1.         了解医学仪器组成和人-仪器系统概念、掌握生物电生理信号和非电生理信号测量原理和方法，为医学仪器测量系统设计打下基础。  （支撑毕业要求1-2）

2.         了解嵌入式系统组成，明确嵌入式系统硬件设计和软件设计的技术基础，学习高性能ARM处理器嵌入式系统，掌握Linux操作系统的程序设计平台。（支撑毕业要求1-2）

3.         掌握心电测量仪器、多生理参数测量仪器、脑电测量仪、超声成像系统原理，掌握电子治疗仪器原理。具备分析医学仪器系统的能力。（支撑毕业要求1-2）

4.         掌握嵌入式医学仪器的设计和系统集成方法。具备设计嵌入式医学仪器设计和开发能力。（支撑毕业要求1-2-3-4）

二、   课程目标与教学内容和教学环节对应关系表

三、   课程内容

3.1 课堂教学

1．  医学仪器概论（3学时/课内）

了解医学仪器概述。掌握人-仪器系统、测量误差分析、仪器静态动态特性的分析。医学仪器设计方法。生理信号综述。

2．  嵌入式系统导论（2学时/课内）

了解嵌入式系统概念、组成和特点。嵌入式系统硬件和软件的发展现状。嵌入式系统主要应用。

3．ARM体系结构（4学时/课内） 

ARM处理器、ARM结构、ARM数据类型和存储格式、处理器状态和工作模式、ARM寄存器、ARM中断、ARM指令结构形式、ARM寻址方式ARM指令集、ARM汇编语言程序设计

4．嵌入式处理器S3C2410x（2440）、Exynos 4412系统结构（6学时/课内）

S3C2410X、Exynos4412概述、存储器配置、DMA、ADC和触摸屏接口、中断控制器、 I/O端口、PWM、UART接口、SPI接口、IIC接口、RTC、时钟和电源管理、看门狗等。

5．Linux程序设计与开发 （3学时/课内）

嵌入式系统开发软件平台建立、Arm-linux驱动程序和应用程序设计方法。

6．生物电测量及仪器（4学时/课内） 

心脏电传导系统测量仪器：掌握心脏电活动生理过程、心电图测量原理、标准导联系统、心电测量电路、抗干扰设计。了解心电向量概念、心电向量测量原理、希氏束电图、心室晚电位测量原理和方法。

神经系统测量仪器： 掌握神经系统电活动原理、脑电图机原理、脑电分析方法、诱发电位测量原理，肌电图及其它生理电信号测量。

7．生理参数测量及仪器（2学时/课内）

血压及心音测量：  了解血压直接测量和血压间接测量原理和方法，心音产生的原理和心音测量方法。掌握血压自动测量方法和血压测量误差分析。

血流测量：  了解连续法测量血流和快速法测量血流原理和方法。掌握阻抗测量原理、阻抗法测量心输出量方法。

呼吸测量： 了解呼吸测量概念、呼吸系统模型、肺活量计、全身体积描记法。

血氧饱和度测量： 了解和学习血氧饱和度测量原理，设计血氧饱和度测量仪器

8．病人监护仪（2学时/课内）

了解各类监护原理。掌握ICU监护仪原理、CCU监护仪原理。

9．心血管系统治疗和修复装置 （2学时/课内）

掌握心脏起搏器原理、设计。了解除颤器原理和设计，心电复律器原理，反搏器工作原理，人工心肺机原理。

10．医学超声信号采集和应用 （2学时/课内）

掌握超声波物理特性、传播特性、超声波换能器、脉冲回波技术原理、超声波成像特点。学习超声波信号在生物医学中应用。

11. 医学仪器实验、设计与研发 （6学时/课内）

分小组（每组5-6人）选择一种医学仪器：心电图仪、脑电图仪器、B超仪器、超声经颅多普勒等医学仪器，完成相应教学实验内容，完成产品需求分析、可行性分析、产品设计、产品生产组织、产品市场化等开展研讨。

3.2 课程思政案例

1．介绍医疗器械的发展历程、国内外现状，说明个人发展与国家使命的关系，激发同学们为国家建设的积极性；通过对我国医疗仪器行业发展的解读，激发学生对知识的渴望和心系国家重大发展战略的贡献精神。

2．大型医学仪器高端设备是疾病预防、诊断、治疗和康复的重要基础设备，其关键和先进技术掌握在国外几家公司手中，在仪器性能、稳定性和可靠性等方面我国还存在差距。引导学生为提高我国医疗装备的科技水平而努力奋斗。

3.3 研讨环节

分小组（每组5-6人）选择一种医学仪器：心电图仪、脑电图仪器、B超仪器、超声经颅多普勒等医学仪器，完成相应教学实验内容，完成产品需求分析、可行性分析、产品设计、产品生产组织、产品市场化等开展研讨。

3.4 实验环节

嵌入式系统实验：

1.熟悉linux教学实验平台

2.Linux设备驱动开发实验部分

3.LCD 液晶屏显示实验

4.UART串口通信实验

5.LAN网络通信实验

医学仪器实验：

1.心电测量实验

2.多道生理参数测量

3.脑电信号测量实验

4.TCD经颅多普勒

综合实验：

嵌入式超声波检测和数据分析系统实验

四、   教学安排

本课程为课堂理论教学、实验及研讨，围绕医学仪器和嵌入式系统的的基本知识，仪器系统的分析和设计方法进行教学活动。

（如有多个教学环节，应分别进行说明）

建议学时分配如下表：

五、   教学方法

围绕本课程的4个课程目标，采用以下教学方法：

1.       课堂授课时，尽可能采用多媒体教学和现场板书相结合的方式，特别是医学仪器原理的分析和设计步骤，适当板书可以减缓授课节凑，便于学生理解和接受。

2.       实验环节时，采用分组实验，巩固嵌入式系统和医学仪器系统的理论知识，掌握常见的医学仪器操作和数据分析处理方法，提高实际动手能力和科研素养。

3.       研讨时，以医用电子仪器设计为主线，通过医学仪器设计的DCL教学方法，使学生学会集体讨论、团队工作、项目管理、解决面前问题等。

4.       充分利用网络交流实时性强的优点，开展网上答疑和辅导，提高教学效率。

5.       注重教与学的互动，采用课后作业、作业反馈，不定期课堂练习等多种方式了解学生学习效果。

6.       作为生物医学工程教育者从源头进行总结和思考，在创新能力培养的同时，应当深入挖掘医学仪器等专业课程的思政资源和元素。通过中国改革开放四十年医疗卫生事业的伟大成就，设计“医学仪器”和“嵌入式系统”等专业知识案例，增强学生的爱国情怀及社会责任感和使命感。贯穿整个教学过程中，深挖细思，注重人文情怀及工匠精神的培养，增强学生的文化自信，以此感染、浸润和充实学生的身心，促进学生全方面的发展，达到国家新工科、双一流育人目的。

六、   课程考核与成绩评定

课程的考核以考核学生对课程目标的达成为主要目的，以检查学生对教学内容的掌握程度和实际实验动手能力为重要内容。课程成绩包括3个部分，分别为平时成绩、实验研讨成绩和期末考试成绩。

成绩评定方式如下表所示：

课程目标与课程考核环节关系：

七、   课程教材与主要参考书

1.       教材

李天钢编著. 生物医学测量仪器. 西安交通大学出版社，2009

秦山虎等. ARM处理器开发详解. 电子工业出版社，2016

2.       参考书

马忠梅 编著. ARM嵌入式处理器构造与应用基础. 北京航空航天大学出版社，2007

T邓亲恺编著.现代医学仪器原理与设计.清华大学出版社，2004

大纲制订人：赵兴群

制订日期：2020 年3 月