НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
КАФЕДРА СИСТЕМ СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан АВТФ
________________
«____ »______________200_ г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ТЕОРИЯ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ»
ООП 200401 «Биотехнические и медицинские аппараты и системы»
(инженерная подготовка)
Факультет __ Автоматики и вычислительной техники_ ____
Курс 5 Семестр 9 ____
Лекции 34 часа
Лабораторные работы 17 часов
Расчетно-графическая работа 9 семестр
Самостоятельная работа 119 часов
Экзамен 9 семестр
Всего 170 часов
Новосибирск
2006 г.
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта подготовки дипломированного специалиста (инженера) по направлению 653900 «Биомедицинская техника», по специальности 190500 - Биотехнические и медицинские аппараты и системы
Регистрационный номер № 32 тех/дс, дата утверждения ГОС 10.03.2000 г.
Шифр дисциплины в ГОС – СД.02, в цикле специальные дисциплины
шифр дисциплины по учебному плану НГТУ – 3
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры Систем сбора и обработки данных
Номер протокола заседания _____________
«_____» ______________ 2006 г.
Программу разработали:
д.т.н., профессор __________________
к.т.н., доцент ___________________
Заведующий кафедрой
к.т.н., доцент ___________________
Ответственный за основную
к.т.н., доцент ___________________
1. ВНЕШНИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Дисциплина «Теория биотехнических систем» предусмотрена Государственным образовательным стандартом подготовки дипломированного специалиста (инженера) по направлению 653900 «Биомедицинская техника», по специальности 190500 - Биотехнические и медицинские аппараты и системы»
Требования ГОС к обязательному минимуму содержания приведены в табл.1.
Таблица 1
СД.02 | Теория биотехнических систем: определения, свойства биотехнических систем, история развития; системный подход при сопряжении элементов живой и неживой природы; особенности биологических систем управления; бионические принципы синтеза биотехнических систем; бионическая методология изучения живых организмов; классификация биотехнических систем по их целевой функции; биотехнические системы эргатического типа, метод поэтапного моделирования; биотехнические измерительно-вычислительные системы медицинского назначения, мониторные и скрининг системы, системы лечебно-терапевтического назначения; системы временного и длительного замещения функций живого организма; биотехнические системы управления состоянием и поведением живого организма; биотехнические комплексы с использованием животных.
| 170 |
Квалификационные требования (выдержки из ГОС)
Для решения профессиональных задач инженер
- создает инструментальные средства, основанные на физических и физико-химических методах изучения характеристик биологических объектов, для диагностики, лечения, реабилитации и профилактики заболеваний человека, биологических экспериментов;
- разрабатывает нестандартное оборудование и приспособления для медицинских и биологических исследовательских лабораторий;
- разрабатывает технологии проектирования и производства биомедицинской техники и организацию ее производства, обеспечивает серийный выпуск промышленных приборов, аппаратов, систем и комплексов медико-биологического назначения;
- осуществляет разработку программного обеспечения для решения практических задач медико-биологической практики, обработку биомедицинской информации, создание и эксплуатацию медицинских баз данных, экспертных, мониторных систем, использование современных пакетов прикладных программ информационной поддержки диагностического и лечебного процессов;
- участвует в организации и проведении диагностических исследований, лечебных процедур (в том числе в процессе реабилитации в восстановительный период) и биологического эксперимента с применением инструментальных и аппаратно-программных средств, в разработке новых методов исследования состояния биологических объектов и управления этим состоянием, а также новых медицинских технологий с применением технических и компьютерных средств;
2. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Курс изучается в 9-ом семестре обучения. Учебным планом по дисциплине предусмотрено 34 часа лекций, 17 часов лабораторных занятий, и выполнение расчетно-графической работы.
Таблица 2
Особенности построения дисциплины
Особенность (принцип)
|
Содержание
|
Основание для введения дисциплины в учебный план подготовки инженера по специальности 190500 “Биотехнические и медицинские аппараты и системы” | Требования Государственного образовательного стандарта (ГОС) по направлению 653900 «Биомедицинская техника», по специальности 190500 - Биотехнические и медицинские аппараты и системы, раздел СД.02, специальные дисциплины, федеральный компонент |
Адресат курса
| Студенты 5 курса, обучающиеся по специальности 200401 “Биотехнические и медицинские аппараты и системы” |
Основная цель курса
| Изучение особенностей биотехнических систем, их анализ и методы проектирования. |
Ядро дисциплины
| · Бионические аспекты биотехнических систем; · Медицинские биотехнические системы; · Эргатические биотехнические системы; · Биотехнические системы управления состоянием и поведением живого организма; · Биотехнические системы с биологической обратной связью. |
Требования к предварительной подготовке | Содержание курса базируется на знании материала предшествующих дисциплин «Базы данных», "Теория и обработка сигналов", «Биология человека и животных», "Схемотехника", «Медицинские приборы, системы и комплексы», «Технические методы диагностических исследований и лечебных воздействий» и др. |
Организация лабораторного практикума | Лабораторный практикум направлен на ознакомление обучающихся с реальными биотехническими системами разных классов. Проведение лабораторных работ организуется на базе лечебных учреждений.
|
Обеспечение после-дующих дисциплин образовательной программы
| Знания и навыки, полученные в результате изучения дисциплины, используются в выпускных (дипломных) квалификационных работах и в профессиональной деятельности выпускников.
|
3. ЦЕЛИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате изучения данной дисциплины студент должен знать:
· - теоретические модели, позволяющие прогнозировать свойства, состояние и поведение объекта исследования;
· - математический аппарат и численные методы, физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия биотехнических систем;
· системные аспекты проведения медико-биологических исследований;
· принципы согласования биологических и технических звеньев;
· особенности биологических объектов.
Студент должен уметь применять:
· - методы исследования, проектирования и проведения экспериментальных работ;
· - методы и компьютерные системы проектирования и исследования продукции медико-биологического назначения;
· - средства информационной поддержки диагностического и лечебного процессов.
4. СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1. Лекционные занятия – 34 часа
1. Характеристика биологических объектов как объектов исследования – 4 часа.
Определения, свойства биотехнических систем, история развития. Биологические, медицинские и биотехнические системы. Системный подход при сопряжении элементов живой и неживой природы. Иерархия сложной системы и декомпозиция. Источники и происхождение биологических сигналов как носителей информации о состоянии организма.
2. Бионическая методология биотехнических систем – 4 часа.
Бионическая методология изучения живых организмов. Особенности биологических систем управления. Уровни сложности в строении живых систем. Регуляция функций в организме. Понятие гомеостазиса. Функциональные системы организма. Структурная организация и законы функционирования. Роль обратных связей.
3. Классификация биотехнических систем – 2 часа.
Целевая функция биотехнических систем. Биотехнические системы медицинского назначения. Биотехнические системы эргатического типа. Биотехнические системы целенаправленного управления поведением целостного организма. Бионические принципы синтеза биотехнических систем.
4. Информационные характеристики сенсорных и моторных систем биообъекта как элемента биотехнических систем – 4 часа.
Способы передачи информации от технической системы к человеку. Характеристики восприятия информации человеком. Анализаторы сигналов внешней и внутренней среды. Характеристики зрительного, слухового и тактильного анализаторов. Эффекторные подсистемы передачи принимаемых человеком решений. Сенсомоторные реакции. Моторные действия и речь как способы передачи команд.
5. Биотехнические системы медицинского назначения – 2 часа.
Измерительно-вычислительные системы медицинского назначения, мониторные и скрининг системы, системы лечебно-терапевтического назначения. Биотехнические системы для физкультурно-оздоровительных комплексов, приборы и комплексы для лабораторного анализа.
6. Биотехнические системы эргатического типа – 6 часов.
Структурная схема БТС эргатического типа, метод поэтапного моделирования. Свойство суперадаптивности БТС. Согласование управленческих характеристик человека-оператора и управляемой им системы (объекта). Информационное согласование биологических и технических объектов БТС. Принципы адекватности и единства информационной среды. Методы повышения надежности работы человека-оператора. Информационная обратная связь. Структурная схема тренажерно-моделирующего комплекса. Роль отдельных подсистем: имитации внешней среды, имитационная модель управляемого объекта (процесса), подсистемы оценки деятельности, результатов деятельности и психофизиологического состояния оператора. Тренажерно-моделирующие комплексы в системах профессионального отбора и обучения. Тестовые методы для исследования состояния человека. Формирование психодиагностических тестов. Структура психодиагностического комплекса.
7. Биотехнические системы управления состоянием и поведением живого организма – 6 часов.
Принципы управления состоянием внутренней среды живого организма. Контактные и бесконтактные методы воздействия на живой организм. Принцип биологической обратной связи. Функциональная схема. Программно-аппаратная реализация. Клинические применения биологической обратной связи. Биологические обратные связи для обеспечения режима адекватного управления в биотехнических системах. Игровые системы биоуправления. Биотехнические комплексы с использованием животных
8. Биотехнические системы временного и длительного замещения функций живого организма – 6 часов.
Проблемы трансплантации органов и тканей. Искусственные органы: сердце, лёгкие, почка и др. Структурные схемы и характеристики. Технические, технологические, медицинские и кибернетические проблемы создания искусственных органов как элементов биотехнических систем (БТС).
«Искусственное сердце-лёгкие» как элемент БТС, структура, технические характеристики. «Искусственная почка» как элемент БТС, структура, технические характеристики. «Электромеханический протез руки» как элемент БТС, структура, технические характеристики. Кардиостимулятор как элемент БТС.
4.2. Лабораторные занятия – 17 часов
1. Изучение БТС «Искусственное сердце-легкие» – 4 часа.
2. Изучение БТС «Искусственная почка» – 4 часа.
3. Изучение системы игровой биологической обратной связи – 4 часа.
4. Изучение психодиагностического комплекса – 4 часа.
4.3. Расчетно-графическая работа - 51 час
Расчетно-графические работы выполняются в виде рефератов на основе обзоров по различным классам биотехнических систем (по индивидуальному заданию). При этом используется единая схема: исследуемый класс системы и её принцип действия, особенности технической (аппаратная и программная части) реализации, структура аппаратуры, погрешности измерения и требование к безопасности. Приводится ретроспектива аппаратуры в историческом аспекте, приводятся тенденции развития. Работы могут выполняться по направлениям научно-исследовательской работы.
4.4. Самостоятельная работа – 119 часов
1. Подготовка к лабораторным занятиям – 17 часов.
2. Изучение теоретического материала – 51 час.
3. Выполнение расчетно-графической работы – 51 час.
5. УЧЕБНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Деятельность студента при изучении дисциплины заключается:
- в восприятии и усвоении материала дисциплины, излагаемого на лекционных занятиях,
- в самостоятельном изучении материала по литературе и электронным источникам информации,
- в подготовке к выполнению лабораторных работ,
- в отчетности по результатам и учебному материалу, связанному с содержанием лабораторной работы,
- в выполнении расчетно-графической работы.
6. ПРАВИЛА АТТЕСТАЦИИ СТУДЕНТОВ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
В течение семестра проводится текущая аттестация знаний по четырехбальной системе по каждой лабораторной работе и по расчетно-графической работе (с весовым коэффициентом 2). При аттестации по лабораторным работам проводится выборочный опрос по соответствующим темам лекционного курса. На основании полученных оценок определяется средняя оценка с учетом весовых коэффициентов.
Если средняя оценка не ниже 4,7, то студент аттестуется по дисциплине оценкой «отлично» по результатам обучения в семестре и может не сдавать экзамен. Итоговая оценка по дисциплине выставляется как средняя взвешенная из оценок по результатам обучения в семестре и на экзамене, при этом первая имеет вес 0,3, вторая – вес 0,7. При необходимости проводится обычное округление.
7. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
7.1. Основная литература.
1. Биотехнические системы: теория и проектирование/ Под ред. . – Л. Изд-во ЛГУ, 1981.
2. Новосельцев в мире техники: кибернетический аспект. – М.: Наука, 1989.
3. , Павлов функционирования эргатических систем. – М.: Радио и связь, 1987. – 232 с.
4. Биоуправление-2. Теория и практика. Под ред. , Новосибирск, 1993. – 162 с.
5. Биоуправление-3. Теория и практика. Под ред. , Новосибирск, 1998. – 300 с.
7.2. Дополнительная литература.
1. Новосельцев управления и биосистемы. Анализ сохранительных свойств. – М.: Наука, 1978. – 320 с.
2. Шибанов оценка деятельности человека в системах человек-техника. – М.: Машиностроение, 1983. –263 с.
3. , Емельянов Ошибки управления. Психологические причины, метод автоматизированного анализа. – Таллин: Валгус, 1985. – 391с.
8. КОНТРОЛИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АТТЕСТАЦИИ СТУДЕНТОВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
1. Понятие биотехнических систем.
2. Классификация биотехнических систем.
3. Компоненты биотехнических систем.
4. Биотехнические системы медицинского назначения: мониторные системы.
5. Биотехнические системы медицинского назначения: лечебно-терапевтические системы.
6. Биотехнические системы медицинского назначения: скрининг-системы.
7. Функциональные системы организма.
8. Бионические аспекты биотехнических систем.
9. Эргатические биотехнические системы.
10. Характеристики восприятия информации человеком.
11. Взаимодействие анализаторов человека.
12. Системы биологической обратной связи.
13. Игровые системы биоуправления.
14. Структуры биотехнических систем с биологической обратной связью.
15. Входные параметры систем с биологической обратной связью.
16. Выходные параметры систем с биологической обратной связью.
17. Компоненты программ систем с биологической обратной связью.
18. Система искусственного кровообращения.
19. Система искусственной почки.
20. Кардиостимуляторы.
