Рабочая программа учебной дисциплины

Министерство здравоохранения РФ

Российский государственный

медицинский университет

«Утверждаю» Декан медико- биологического ф-та проф. «___»_________________2010 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Название дисциплины «Медицинская электроника»

Специальность 040800 «Медицинская биофизика»

Форма обучения: очная

Продолжительность обучения 6 лет

Целью курса "Медицинская электроника" является обучение студентов основам знаний, необходимых для грамотного использования современной электронной измерительной и медицинской аппаратуры и приборов для научных исследований в области биологии и медицины. Курс «Медицинская электроника» включает элементы теории электрических цепей и основы технической электроники. В процессе обучения студенты МБФ приобретают навыки работы с электрон­но-измерительной аппаратурой, осваивают элементы совре­менной схемотехники.

Основная часть материала программы усваивается студентами в про­цессе выполнения лабораторных работ практикумов курса. Часть материала излагается на лекциях. Предусматривается еженедельный текущий контроль знаний студентов и итоговый контроль в виде зачетов и экзаменов, сог­ласно учебному плану.

В итоге изучения данного курса студент должен ЗНАТЬ:

- как происходит получение, передача и обработка медико-биологи­ческой информации с помощью электронной аппаратуры,

- устройство и принцип действия современной диагностической и электронной измерительной аппаратуры,

- назначение аналоговых и цифровых микросхем, входящих в структу­ру ЭВМ.

~ основные типы и схемы включения электродов, микроэлектродов, механо-электрических преобразователей, термодатчиков и фотоприемников, используемых в диагностической аппаратуре и для научных исследований.

В процессе освоения программы студенты должны приобрести практи­ческие навыки:

- использования электронно-измерительной и медицинской аппарату­ры.

- изготовления в условиях медико-биологической лаборатории нес­ложных устройств для получения обработки и регистрации медицинской ин­формации,

- практического монтажа электронных схем.

В результате освоения программы студент должен УМЕТЬ:

- грамотно выбрать электронную аппаратуру для решения поставлен­ных задач в области медико-биологического эксперимента, согласовать отдельные блоки установки между собой.

- разработать простейшие устройства для согласования и ввода по­лучаемой информации в ЭВМ,

- грамотно пользоваться справочной литературой по электронно-из­мерительным приборам и по электронным компонентам и литературой по современной схемотехнике.

Распределение часов по семестрам, "Медицинская биофизика"

Семестр	Кол-во недель	Всего часов	Аудиторные часы	Самостоятельная работа	Контроль
Всего	лекции	занятия
7	18	135	90	36	54	45	зачет
8	17	102	68	16	52	34	экзамен
Всего	35	237	158	52	106	79

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

лекций и лабораторных занятий по медицинской электронике

"Медицинская биофизика"

NN пп	Тема	Кол-во часов
Лекций	Лаб. Занятий
1.	Электрический сигнал и медицинская информация	2	4
2.	Линейные двухполюсники в цепи гармонического сигнала	2	3
3.	Четырехполюсники	2	6
4.	Резонансные устройства в мед. аппаратуре	1	3
5.	Спектральный состав сигнала	4	3
6.	Импульсные сигналы	2	3
7.	Нелинейные элементы	1	3
8.	Полупроводниковые двухполюсники	1	3
9.	Электроды и микроэлектроды в медицине и биохимии	3	3
10.	Биосенсоры	3	3
11.	Термодатчики, электронные медицинские термометры	3	6
12.	Фотодатчики и их использование в мед. аппаратуре	3	3
13.	Полевые транзисторы	2	3
14.	Биполярные транзисторы	1	6
15.	Обратные связи в усилителях	2	3
16.	Дифференциальный усилительный каскад в мед. технике	2	3
17.	Операционные усилительные микросхемы	2	6
18.	Аналоговое преобразование мед. информации	1	3
19.	Электронные генераторы гармонического сигнала	2	3
20.	Релаксационные генераторы	1	3
21.	Логические элементы	2	6
22.	Переключающие интегральные микросхемы	1	3
23.	Понятие о структуре ЭВМ	1	3
24.	Современная диагностическая аппаратура	1	3
25.	Электронная аппаратура для мед. лаб. анализа	1	3
26.	Физиотерапевтическая электронная аппаратура	1	3
27.	Оптические квантовые генераторы	2	3
28.	Электронные стабилизаторы в мед. технике	1	3
29.	Электронные измерительные приборы	2	6
Итого:	52	106

ПРОГРАММА ПО МЕДИЦИНСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

1. Электрический - сигнал и медицинская информация

Детерминируемые и не детерминируемые сигналы. Сигналы, несущие информацию. Ра­дио - и видеоимпульсы. Аналоговое и цифровое представление информации. Основные параметры цифрового сигнала. Аналоговая и цифровая обработка информации в современных медицинских приборах и в аппаратуре для науч­ных исследований.

2. Линейные двухполюсники в цепи гармонического сигнала.

Источники напряжения и источники тока. Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности в цепи переменного тока. Комплексное представле­ние тока и напряжения. Закон Ома, правила Кирхгофа. Импеданс. Отдача активной мощности реальным источником напряжения. Анализ простых цепей во временной области.

3. Четырехполюсники.

Стационарные характеристики четырехполюсников. Параметры четырех­полюсников. Частотные и фазовые искажения сигнала. Основные схемы фильтров, используемых в медицине и мед. технике. Временной и частотный методы исследования четырехполюсников.

4. Резонансные устройства в медицинской аппаратуре. Частотная и фазовая характеристики колебательного контура. Резо­нанс токов и напряжений. Полоса пропускания и добротность колебатель­ного контура. Резонансные фильтры. Применение пьезоэлектрических филь­тров в медицине.

5. Спектральный состав сигнала.

Спектр фаз и спектр амплитуд периодического сигнала. Фурье-разложение непериодического сигнала. Комплексная форма записи спектра амплитуд и фаз. Преобразование Фурье. Искажение спектра в линейных цепях. Применение спектрального анализа сигнала при биомедицинских исследованиях.

6. Импульсные сигналы.

Прямоугольные импульсы и их искажения в линейных цепях. Искажения импульсов в интегрирующей и дифференцирующей цепочках. Оценка частот­ной характеристики фильтров и усилителей по искажениям прямоугольных импульсов, наблюдаемых на экране осциллографа. Ударное возбуждение ко­лебательного контура. Понятие о переходных характеристиках линейных четырехполюсников.

7. Нелинейные элементы.

Вольтамперные характеристики двухполюсников. Сопротивление нели­нейного элемента по постоянному току и его дифференциальное сопротив­ление. Частотное преобразование сигналов на нелинейных элементах и его использование в медицинской аппаратуре. Ампли­туда модуляции сигнала, другие виды модуляции с использованием нели­нейных элементов. Нелинейное частотное преобразование сигнала в меди­цинской телеметрии.

8. Полупроводниковые двухполюсники.

Основные типы полупроводниковых элементов и их маркировка. Облас­ти применения полупроводниковых двухполюсников. Выпрямление переменно­го тока. Схемы простейших стабилизаторов напряжения и тока. Полупро­водниковые датчики неэлектрических величин, их параметры и характерис­тики. Применение полупроводниковых диодов в медицинской аппаратуре.

9. 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 оценки ионного состава. Стеклянные электроды для РН-метрии, Ион-селективные электроды и их применение для биохимического анализа.

10. Биосенсоры и термодатчики

Основные типы бисенсоров, их характеристики и использование в медицине. Амперметрические и потециалобразующие биосенсоры. Схемы включения биосенсоров. Основные типы термоэлектрических преобразователей. Области приме­нения термодатчиков в медицине. Металлические и полупроводниковые тер­мосопротивления. Электронные медицинские термометры. Термисторы.

11. 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.

12. Полевые транзисторы.

Входные и выходные вольтамперные характеристики полевых транзис­торов, Типы полевых транзисторов. МОП-транзисторы. Параметры малого сигнала транзисторов. У-параметры. Основные схемы включения полевых транзисторов. Цепи питания транзисторов по постоянному току. Оценка коэффициентов передачи усилительного каскада на полевом транзисторе, его входного и выходного импеданса на основе У-параметров. Высокочас­тотные свойства усилительного каскада на полевом транзисторе. Оценка частотной характеристики каскада на полевом транзисторе в области низ­ких частот. Примеры использования полевых транзисторных структур во входных микросхемах медицинских приборов.

13. Биполярные транзисторы.

Вольтамперные характеристики транзисторов. Система Н-параметров транзисторов. Схемы включения биполярных транзисторов в усилительных каскадах. Расчет схем по постоянному току. Схема включения с общим эмиттером как основная схема включения транзистора, не имеющая внут­ренних обратных связей. Расчет коэффициента усиления и импедансов уси­лительного каскада по Н-параметрам транзистора. Схемы замещения тран­зистора по переменному току. Оценка частотной характеристики усилителя на биполярных транзисторах. Конкретные примеры использования биполярных транзисторных структур в усилительных микросхемах медицинской ап­паратуры.

14. Обратные связи в усилителях.

Частотная и амплитудная характеристики низкочастотных усилителей. Усилитель низкой частоты и усилитель постоянного тока, как основные типы аналоговых усилителей в медицинской технике. Конкретные примеры микросхемной реализации усилителей постоянного тока. Типы обратных связей в усилителях. Влияние обратных связей на коэффициент передачи усилителя. Входной и выходной импеданс усилителя с обратными связями. Улучшение частотной и амплитудной характеристик усилителя при помощи отрицательной обратной связи. Стабилизирующее действие отрицательной обратной связи.

15. Дифференциальный усилительный каскад в медицинской технике.

Транзисторные каскады с внутренней обратной связью. Эмиттерный и истоковый повторители и их использование во входных каскадах усили­тельных микросхем. Применение экрана с двойной оплеткой в чувствитель­ных усилителях биопотенциалов. Каскад с заземленным управляющим элект­родом. Каскад с эмиттерной связью. Симметричные усилители.

16. Операционные усилительные микросхемы.

Принцип работы операционной усилительной микросхемы. Не инвертирующий усилитель, инвертирующий усилитель. Коэффициент передачи инвертирующего и не инвертирующего усилителей. Принципиальные схемы некоторых операционных микросхем, применяемых в медицинской аппаратуре. Сложение и вычитание сигналов на операционных усилителях. Расчет весовых коэф­фициентов и оценка ошибки измерения, вносимой усилителем.

17. Аналоговое преобразование медицинской информации.

Линейные преобразования. Частотно-зависимые обратные связи в операционном усилителе. Интегрирующий операционный усилитель. Ошибка интегрирования. Дифференцирование сигнала. Ошибка дифференциро­вания. Нелинейные преобразования сигналов с помощью операционных уси­лителей. Маркировка и основные типы усилительных микросхем.

18. Электронные генераторы гармонического сигнала. Усилитель с положительной обратной связью как генератор. Генера­торы синусоидального напряжения. Конкретные схемы задающих генераторов гармонического сигнала низкой частоты. Высокочастотные генераторы. Схема включения резонансного колебательного контура в цепь положитель­ной обратной связи. Кварцевая стабилизация частоты. Генераторы синусо­идального напряжения и генераторы радиоимпульсов в физиотерапевтичес­кой аппаратуре.

19. Логичекие элементы.

Цифровая форма кодирования информации. Реализация цифрового сиг­нала в полупроводниковых микросхемах в виде уровней напряжения. Преи­мущества и недостатки цифрового сигнала по сравнению с аналоговым. Транзистор в режиме ключа как основной активный элемент в цифровой технике. Логические состояния и уровни напряжения. Логические функции и логические элементы. Понятие о Булевой алгебре. Реализация основных логических функций на элементах "И-НЕ" и "ИЛИ-НЕ".

20. Переключающие интегральные микросхемы.

Схемная реализация основных логических функций. Принципиальные схемы и анализ работы ДТЛ и ТТЛ логических микросхем. Схемы на КМОП транзисторах. Маркировка отечественных логических микросхем. Триггеры. Потенциальные триггеры на транзисторах и их применение в медицинской аппаратуре. Примеры использования логических микросхем в аппаратуре медицинского назначения.

21. Современная диагностическая аппаратура.

Структурная схема современного медицинского полиграфа с элект­ронной обработкой информации. Регистрирующие каналы ЭКГ. Блоки реографии фонокардиографии. Устройство манометра и кардиотахометра. Осциллографическая часть.

22. Физиотерапевтическая электронная аппаратура.

Аппаратура для УВЧ-терапии. Ультразвуковая терапевтическая техни­ка. Электронные электростимуляторы.

23.Электронные стабилизаторы в медицинской технике.

Электронные стабилизаторы тока и напряжения. Управляемые источни­ки. Стабилизированный источник напряжения на интегральных микросхемах. Стабилизированный источник тока. Силовые устройства источников тока. Силовые трансформаторы, их расчет. Выпрямители и фильтры. Основные типы источников света. Лампы накаливания. Газонаполненные дуговые лампы тлеющего разряда. Люминесцентные светильники. Электронная стабилизация источников света. Специальные источники УФ, видимого и инфракрасного излучения, предназначенные для медицинских целей.

24. Электронные измерительные приборы.

Объекты электронных измерений. Классификация, обозначение и ос­новные характеристики электронных измерительных приборов. Применение микро-ЭВМ в измерительных приборах. Осциллографические измерения. Ос­новные типы осциллографов. Измерительные генераторы и их использование в технике электронных измерений. Измерение интервалов времени, измере­ние частоты и фазовых сдвигов. Измерение напряжения и тока. Стрелочные и цифровые вольтметры.

Перечень работ в лабораторном практикуме.

1.  Искажение прямоугольных импульсов в линейных четырехполюсниках.

2.  Частотные характеристики фильтров и усилителей.

3.  Колебательный контур.

4.  Вольтамперные характеристики нелинейных элементов.

5.  Исследование процессов в связанных колебательных системах.

6.  Биполярные транзисторы.

7.  Логические элементы и их применение в цифровой технике.

8.  Изучение работы триггеров на базе интегральных схем.

9.  Практическое применение цифровых интегральных микросхем для получения импульсов с заданными параметрами.

10.  Синтез комбинационных цепей на основе логических элементов. Генераторы.

11.  Изучение вольтамперных характеристик терморезисторов и их применение для определения параметров жидких сред.

12.  Исследование интегральных операционных усилителей.

13.  Изучение характеристик операционного усилителя с частотно-зависимыми отрицательными обратными связями.

14.  Изучение генератора на основе операционного усилителя.

15.  Монтаж трехкаскадного транзисторного усилителя с обратной связью.

16.  Дифференциальный усилительный каскад.

17.  Моделирование электрических сигналов.

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

Учебник:

1. , Мироненко цепи и микросхемотехника. М.

Высш. школа» 2002 с.384.

Лабораторный практикум:

1. , ,

Описание лабораторных работ. Электрические сигналы и линейные цепи. 2006

2. , ,

Описание лабораторных работ. Основы цифровой техники. 2006

3. , ,

Описание лабораторных работ. Основы аналоговой техники. 2006

Дополнительная литература:

1. Протопопов с обратной связью. Дифференциальные и операционные

усилители и их применение. /Сайнс-пресс/. 2003 .

2. Дьюб Электроника: Схемы и анализ Техносфера, М, 2008, 430 с.

Программа составлена профессором кафедры ЭТФ

Зав. кафедрой ЭТФ МБФ,

профессор ____________ ()

Зав. уч. кафедры ЭТФ ____________ ()

Программа обсуждена на заседании кафедры ЭТФ МБФ

Протокол № 1 от 25 августа 2010 г.

№п/п	Внесенные изменения или дополнения	Дата протокола заседания кафедры,	№ протокола