發(fā)布時間：2023-12-26 10:41:30
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的生物醫(yī)學(xué)電磁技術(shù)樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
作者簡介： 盧智遠（1953-），男，教授，碩士，研究方向為電磁場與微波測量、電磁生物醫(yī)學(xué)工程，E-mail：
文章編號： 0258-2724（2013）03-0467-06DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.012
摘要：
物質(zhì)介電特性的無損檢測需要多次測量，而每次測量需要重新調(diào)試測試系統(tǒng)，這樣就使得測量效率降低而成本增加.本研究依據(jù)諧振腔微擾法理論，設(shè)計了電磁分離的實驗測試系統(tǒng).在該系統(tǒng)中，選取了TE10p（p取奇數(shù)）諧振腔諧振模式，采用一腔多模動態(tài)掃頻法，對多種樹木的介電常數(shù)和損耗進行了測量計算.該測量方法在同一時間，可以同時測得樹木在3個不同頻率下的介電常數(shù)和損耗特性，極大地減少了單頻多次測量過程中調(diào)諧腔體尺寸所引起的誤差.用該方法對聚四氟乙烯材料的介電常數(shù)反復(fù)的測量驗證，測量誤差均小于1%.
關(guān)鍵詞：
微擾法；一腔多模；動態(tài)掃描；介電特性檢測
中圖分類號： TM931文獻標(biāo)志碼： A
近年來，隨著材料制造業(yè)的快速發(fā)展，許多新材料被廣泛用于軍事、醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域.研究和測量材料的介電性能參數(shù)具有十分重要的意義[1].由于電磁波對物質(zhì)特性的非電量測量具有快速、無損的優(yōu)點，利用微波測量材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的技術(shù)被廣泛應(yīng)用，測量范圍涉及到軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的各個領(lǐng)域.
生物體的介電性能參數(shù)對于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等相關(guān)研究具有十分重要的意義.在生物體內(nèi)，各種酶的活性中心與介電性能參數(shù)有著密切的關(guān)系，介電特性直接影響著生物的生理、生長、代謝循環(huán)等功能.對于植物和樹木的介電特性測量與研究，國內(nèi)外相關(guān)刊物已有報導(dǎo)[2-6].
微波對物質(zhì)介電特性的無損檢測在材料制造、武器裝備、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，而微波諧振腔微擾法檢測具有測量精度高，操作簡單等優(yōu)點，成為了無損檢測的熱點[7-9].目前，絕大多數(shù)的諧振腔微擾法檢測僅是在單一電磁波頻率下的測量，要得到物質(zhì)在其他頻率下的介電特性，需要變化頻率，重新調(diào)配測量系統(tǒng)，調(diào)諧諧振腔.這樣不但操作繁瑣還會降低測量精度.
植物的介電常數(shù)與磁導(dǎo)率是電磁波頻率的函數(shù)，如何在不同頻率下快速、準(zhǔn)確地檢測材料的介電特性，一直是電子檢測技術(shù)的熱門話題.本研究應(yīng)用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)掃頻技術(shù)，采用一腔多模動態(tài)掃頻法對多種樹木的介電特性和引起的介質(zhì)損耗情況進行非電量無損測量.該方法可以一次測量試驗樣品（樹木）在多個諧振頻率的介電特性參數(shù)，測量結(jié)果可為農(nóng)業(yè)與生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的人員研究樹木的生長、年齡及代謝功能等方面的研究提供技術(shù)參考資料.
1
微擾法檢測原理
2
一腔多模檢測法
3
實驗系統(tǒng)與方法
4
結(jié)果與討論
由表3可知，隨著頻率的增大，樹木的介電常數(shù)逐漸減小，而損耗逐漸增大.結(jié)果表明，樹木種類不同，介電常數(shù)不同；樹木種類相同但品種不同，介電常數(shù)也不相同；同一種類樹木的老枝和新枝，介電常數(shù)也存在差異.各種樹木的相對介電常數(shù)大約在3.0左右浮動，差異不大.只有櫻桃的相對介電常數(shù)約為4.24，比較高，垂柳僅為2.13，比較低.一般說來，生長較慢且耐旱的樹木介電常數(shù)相對較高，生長較快且耐旱性能差的樹木介電常數(shù)相對較低.該檢測方法具有快速、操作方便、測量精度高的優(yōu)點.研究結(jié)果對于植物和生命科學(xué)的生物電方面的研究具有一定的參考價值，該研究方法同樣也可用于其他材料在不同頻率下的介電特性的快速測量.
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生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科（BiomedicalEngineering,簡稱BME）是一門由理、工、醫(yī)相結(jié)合的邊緣學(xué)科,是多種工程學(xué)科向生物醫(yī)學(xué)滲透的產(chǎn)物。它運用了現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理和方法,從工程學(xué)的角度,在多層次上研究人體的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系,揭示其生命現(xiàn)象,為防病、治病提供新的技術(shù)手段，其目的是解決醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題，保障人類健康，為疾病的預(yù)防、診斷、治療和康復(fù)服務(wù)。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的最大的特點即是一門高度綜合的交叉學(xué)科。生物醫(yī)學(xué)工程興起于20世紀(jì)50年代，它與醫(yī)學(xué)工程和生物技術(shù)有著十分密切的關(guān)系，而且發(fā)展非常迅速，成為世界各國競爭的主要領(lǐng)域之一。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)這個名詞最早是出現(xiàn)在美國。1958年在美國成立了國際醫(yī)學(xué)電子學(xué)聯(lián)合會，1965年該組織改稱國際醫(yī)學(xué)和生物工程聯(lián)合會，后來成為國際生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)除了具有很好的社會效益外，還有很好的經(jīng)濟效益，前景非常廣闊，是目前各國爭相發(fā)展的高技術(shù)之一，現(xiàn)今市場規(guī)?？蛇_1000～2000億美元。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的學(xué)科內(nèi)容包括了生物信息學(xué)、生物力學(xué)、各種醫(yī)療儀器裝備、醫(yī)學(xué)物理學(xué)以及醫(yī)學(xué)材料等，它的發(fā)展將隨著世界高技術(shù)的發(fā)展，如航天技術(shù)、微電子技術(shù)等的發(fā)展而得到長足進步。
隨著生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的高速發(fā)展，對相關(guān)人才的需求日益增大，為此，我國有大量的醫(yī)科、藥科大學(xué)、綜合大學(xué)和理工科院校都設(shè)置了生物醫(yī)學(xué)工程從本科到博士的專業(yè)及領(lǐng)域。在2008年4月北京舉行的“亞太生物醫(yī)學(xué)工程國際會議”上，各種院校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科專業(yè)教育、課程建設(shè)等問題被提出并進行探討，對于交叉學(xué)科教育教學(xué)模式的創(chuàng)立進行了研究，說明這一問題已經(jīng)成為高校教育教學(xué)研究的熱點。本文在對生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科特色、對醫(yī)科藥科、綜合性大學(xué)、理工科大學(xué)辦學(xué)特點進行分析的基礎(chǔ)上，對于在各類院校中設(shè)置的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的特色建設(shè)進行闡述。
1生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)內(nèi)容特色概述
生物醫(yī)學(xué)工程是一門新興的邊緣學(xué)科，它綜合了工程學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的理論和方法，在各層次上研究人體系統(tǒng)的狀態(tài)變化，并運用工程技術(shù)手段去控制這類變化。其學(xué)習(xí)內(nèi)容包括以下幾個方面。生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)特色的探討敏楊禹陳國明劉盛平（重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院）
1.1醫(yī)學(xué)影像技術(shù)
即通過X射線、超聲、放射性核素、磁共振、紅外線等手段及相應(yīng)設(shè)備進行成像的技術(shù)，現(xiàn)還有正在興起的阻抗成像技術(shù)等。
1.2醫(yī)用電子儀器裝備
分為診斷儀器和治療儀器兩大類。診斷儀器主要是用以采集、分析和處理人體生理信號，現(xiàn)在使用較多的是心腦電、肌電圖儀和多參數(shù)的監(jiān)護儀等，而通過體液來了解人體內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)過程的生物化學(xué)檢驗儀器也已逐步完善并走向微量化和自動化。治療儀器設(shè)備則是采用X射線、γ射線、放射性核素、超聲、微波和紅外線等儀器設(shè)備，如X射線深部治療機、體外碎石機、人工呼吸機等。手術(shù)設(shè)備如γ刀、激光刀、呼吸麻醉機、監(jiān)護儀、X射線電視等?，F(xiàn)代化醫(yī)療技術(shù)中還將設(shè)備功能更加多樣化、復(fù)雜化。
1.3生物力學(xué)
主要是研究生物組織和器官的力學(xué)特性，人體力學(xué)特性和其功能的關(guān)系。其中包括生物流變學(xué)（血液流變學(xué)）、軟組織和骨骼力學(xué)、循環(huán)系統(tǒng)動力學(xué)和呼吸系統(tǒng)動力學(xué)等。
1.4生物材料
即人工器官、組織工程所需要的物質(zhì)與材料，其大多數(shù)是需要植入人體，需要具備耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性，需要具有與機體組織的相容性、血液相容性、無毒性。作為材料，根據(jù)所需還應(yīng)滿足各種器官對材料的各項要求，包括強度、硬度、韌性、耐磨性、撓度及表面特性等各種物理、機械等性能。需要掌握的知識包括金屬、非金屬及復(fù)合材料、高分子材料的合成工藝條件和表征、成型制備、性能等。
1.5生物效應(yīng)與生物控制
生物效應(yīng)是指在醫(yī)療診斷和治療中，光、聲、電磁輻射和核輻射等能量在機體內(nèi)的分布、變化等作用。而生物控制則是機體自身的調(diào)節(jié)控制現(xiàn)象。采用生物、化學(xué)的方法對這些情況加以認識。其他還有介入式診斷、治療等。生物醫(yī)學(xué)工程最為競爭激烈的領(lǐng)域在醫(yī)學(xué)成像技術(shù)上，其中以圖像處理、阻抗成像、磁共振成像、三維成像技術(shù)以及圖像存檔和通信系統(tǒng)為主。而對醫(yī)學(xué)信號的處理分析，包括心腦電、五官、語言、心音呼吸等信號和圖形的處理與分析，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究處理也是目前世界各國研究與學(xué)習(xí)的熱點。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科學(xué)生，將從業(yè)于該領(lǐng)域的研究、設(shè)備研發(fā)及制造、使用、維修養(yǎng)護等。所具備的知識體系是從物理化學(xué)基礎(chǔ)、工程學(xué)到醫(yī)學(xué)，十分廣泛，僅四年內(nèi)進行如此龐大的知識學(xué)習(xí)，學(xué)生將會呈現(xiàn)基礎(chǔ)知識欠缺而專業(yè)知識也不深入的問題。為此，我們就醫(yī)科大學(xué)、理工科大學(xué)、綜合性大學(xué)各自特點進行了調(diào)研與分析，在此基礎(chǔ)上，提出了生物醫(yī)學(xué)工程本科學(xué)習(xí)建立特色課程體系的見解。
2生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)特色的研討
我國生物醫(yī)學(xué)工程本科專業(yè)分別在醫(yī)科類大學(xué)、綜合大學(xué)與理工科類大學(xué)中均有設(shè)置。由于生物醫(yī)學(xué)工程具有典型交叉特性，該專業(yè)的畢業(yè)生的就業(yè)方向有運用醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)、醫(yī)學(xué)信息學(xué)技術(shù)等在醫(yī)院進行疾病診斷及治療，有運用基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)知識進行理論創(chuàng)新與實踐，更多的是運用工程技術(shù)進行醫(yī)療器械、設(shè)備裝備的研發(fā)、制造與維護管理等。由于生物醫(yī)學(xué)工程龐大的知識體系，無法由某一個從業(yè)人員掌握，需要各方向的協(xié)作與合作，由此認為，設(shè)置于醫(yī)科類大學(xué)、綜合大學(xué)與理工科類大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)應(yīng)有各自的特色。
2.1醫(yī)科類大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)特色
2.1.1人才培養(yǎng)目標(biāo)
作為醫(yī)科大學(xué)，其專業(yè)人才培養(yǎng)具有鮮明的醫(yī)學(xué)特色與優(yōu)勢。醫(yī)科類大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)專業(yè)的人才，其就業(yè)方向更多應(yīng)以進入醫(yī)院從事常規(guī)放射學(xué)、CT、核磁共振、DSA等的操作及計算機操作，運用各種影像、信息等診斷技術(shù)進行疾病診斷或治療，所以其培養(yǎng)的人才首先應(yīng)學(xué)習(xí)并具備醫(yī)學(xué)的專業(yè)知識，然后才是具備基于醫(yī)學(xué)專業(yè)領(lǐng)域需要的現(xiàn)代醫(yī)療儀器的研發(fā)與使用、管理能力的知識體系的學(xué)習(xí)，成為擁有工學(xué)知識及應(yīng)用能力的醫(yī)學(xué)應(yīng)用型、復(fù)合型高級人才，畢業(yè)后所從事的仍是醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域工作，在醫(yī)院設(shè)備使用、維護、管理方面起重要作用。因此其課程的設(shè)置應(yīng)該與工科類生物醫(yī)學(xué)工程側(cè)重點不同。如在一般醫(yī)科大學(xué)中都設(shè)有生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，以及與此相關(guān)的醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)、醫(yī)學(xué)信息學(xué)專業(yè)等，其培養(yǎng)目標(biāo)就應(yīng)以“培養(yǎng)具有基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程（如影像學(xué)、信息學(xué)等）的基本理論知識及能力，能在醫(yī)療衛(wèi)生單位從事醫(yī)學(xué)診斷、治療（或信息管理等）和醫(yī)學(xué)成像（或醫(yī)學(xué)信息等）技術(shù)等方面工作的醫(yī)學(xué)高級專門人才”為主。相應(yīng)的培養(yǎng)要求應(yīng)在于“學(xué)習(xí)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、醫(yī)學(xué)影像（或信息學(xué)、醫(yī)學(xué)超聲學(xué)等）的基本理論知識，受到常規(guī)放射學(xué)、CT、核磁共振、DSA、核醫(yī)學(xué)影像學(xué)、信息學(xué)、醫(yī)學(xué)超聲等操作技能的基本訓(xùn)練，具有常見病的影像診斷、超聲治療和介入放射學(xué)操作基本能力，基本的儀器（裝備）維修保養(yǎng)能力”上。#p#分頁標(biāo)題#e#
2.1.2課程設(shè)置
基于醫(yī)科大學(xué)的特色，其主干課程應(yīng)注重基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)，同時開設(shè)基于醫(yī)學(xué)特色的工學(xué)、工程學(xué)課程。具體如基礎(chǔ)類的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)類、物理類、化學(xué)類、計算機類，如高等數(shù)學(xué)、普通物理學(xué)、有機化學(xué)、生物化學(xué)、微機原理及應(yīng)用等課程，基礎(chǔ)和臨床醫(yī)學(xué)類課程，如人體解剖學(xué)、生理學(xué)、診斷學(xué)、內(nèi)科學(xué)、外科學(xué)、兒科學(xué)、婦產(chǎn)科學(xué)、藥學(xué)、中醫(yī)學(xué)、中藥學(xué)、衛(wèi)生管理等課程，然后按照各高校側(cè)重設(shè)置傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)工程的工學(xué)類、工程類課程，如模擬電子、數(shù)字電子技術(shù)、傳感器、數(shù)字信號處理、醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)用儀器原理、醫(yī)學(xué)影像儀器、檢驗分析儀器、臨床工程學(xué)、人體形態(tài)學(xué)等，部分專業(yè)可設(shè)置如力學(xué)類、機械工程類、有機材料或金屬材料類課程。雖然是同一生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，但需要按照本校特色來設(shè)置課程，切忌大而全無特色，或各高校均設(shè)置同樣課程。這是違背了生物醫(yī)學(xué)工程高度交叉學(xué)科的學(xué)科特色的。
2.2綜合性大學(xué)工科以及理工科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)特色
2.2.1人才培養(yǎng)目標(biāo)
現(xiàn)今綜合性大學(xué)工科以及理工科大學(xué)基本上都設(shè)有生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，如北京大學(xué)工學(xué)院、浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院、東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院等，各具特色。以東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院為例，其前身是生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程系，創(chuàng)建于1984年。學(xué)院的科學(xué)研究及學(xué)生培養(yǎng)方向就是強調(diào)生命科學(xué)與電子信息科學(xué)學(xué)科的交叉與滲透，應(yīng)用電子信息科學(xué)理論與方法解決生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的科學(xué)問題，發(fā)展現(xiàn)代生命科學(xué)技術(shù)。其人才培養(yǎng)目標(biāo)在于“培養(yǎng)掌握生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)知識，掌握分析與健康相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)工程問題的方法，并具備綜合應(yīng)用所學(xué)知識和方法解決實際工程問題的能力，具備健全人格和遠大理想的工醫(yī)結(jié)合復(fù)合型優(yōu)秀人才”。即更加注重于培養(yǎng)工程與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的復(fù)合型人才，這些專業(yè)人才的從事的工作更多是在用于醫(yī)學(xué)診斷、治療的儀器設(shè)備的設(shè)計、研發(fā)及制造、維護等上面。而四川大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，按照其特色制定為“以工程為主，以從事生物醫(yī)學(xué)工程教學(xué)科研的相關(guān)學(xué)科為依據(jù)，培養(yǎng)從事生物力學(xué)、生物材料、人工器官等相關(guān)方面的研究、開發(fā)、生產(chǎn)的高級專門人才。”，偏向于材料工程學(xué)。由此可知，在綜合性大學(xué)工科以及理工科大學(xué)中，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)應(yīng)更注重工學(xué)、工程學(xué)內(nèi)容，其培養(yǎng)目標(biāo)就應(yīng)以“培養(yǎng)具有現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程（如機械、電子、材料、計算機在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用等）的基本理論知識及能力，能在醫(yī)療設(shè)備相關(guān)企事業(yè)單位從事設(shè)備（或裝備）設(shè)計研發(fā)、制造、維修維護、管理等方面工作的高級復(fù)合型專門人才”為主。相應(yīng)的培養(yǎng)要求應(yīng)更多的學(xué)習(xí)工學(xué)的基本理論知識，受到常規(guī)醫(yī)療裝備、設(shè)備等設(shè)計、研發(fā)、操作、維護維修、管理技能的基本訓(xùn)練并具有相應(yīng)能力”上。
2.2.2課程設(shè)置
基于工科特色，其主干課程應(yīng)注重工科基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，了解醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識，同時學(xué)習(xí)機械、電子、材料、計算機應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中而派生的專業(yè)課程。如將特色定在醫(yī)療設(shè)備制造等方向上的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，其基礎(chǔ)類課程更加強了基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、物理的學(xué)習(xí)，設(shè)置了較多學(xué)分的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、大學(xué)物理及實驗等，醫(yī)學(xué)類課程設(shè)置了基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與實驗，涵蓋人體解剖學(xué)知識，專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課設(shè)置了生物醫(yī)學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、電路及模擬電子技術(shù)及實驗、數(shù)字電路與邏輯設(shè)計及實驗、微機原理與接口技術(shù)及實驗、VisualC++程序設(shè)計及實驗、信號與系統(tǒng)、EDA技術(shù)、計算機硬件控制基礎(chǔ)、單片機原理及應(yīng)用、醫(yī)學(xué)成像原理、醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)、生理信號檢測、生理信號處理、醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計與實現(xiàn)、醫(yī)學(xué)傳感器、醫(yī)學(xué)光學(xué)、醫(yī)學(xué)超聲、醫(yī)學(xué)材料等，同樣，課程設(shè)置也應(yīng)按照本校特色加以取舍。
本叢書共分為四卷，分別是，第一卷：科學(xué)基礎(chǔ)，技術(shù)和應(yīng)用；第二卷：納米光子結(jié)構(gòu)與材料；第三卷：光子技術(shù)和儀器；第四卷：生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)，光譜學(xué)和顯微鏡。本叢書內(nèi)容包含整個現(xiàn)代光子學(xué)的內(nèi)容；著重研究光子到光的特性，重點分析光子形成光的過程和應(yīng)用；緊密扣合現(xiàn)代光學(xué)的迅速發(fā)展。本卷各個章節(jié)均由該領(lǐng)域的頂尖科學(xué)家撰寫。
本叢書的編者也是本書的作者David L. Andrews致力于基礎(chǔ)光子學(xué)和能源運輸、光機械力和非線性光學(xué)現(xiàn)象的研究。他發(fā)表了超過300篇研究論文并著有十幾本書，包括教科書中廣泛采用的激光內(nèi)容。他所在的研究組重點研究方向是納米分子系統(tǒng)中基于納米光學(xué)的操縱和交換，以及光捕獲新機制。該研究組與國際合作研究小組有著緊密的關(guān)系，特別是與加拿大、立陶宛、新西蘭和美國的相關(guān)研究小組。David L. Andrews還是皇家化學(xué)學(xué)會物理研究所的院士、國際光電工程學(xué)會SPIE會員，以及光學(xué)和光子學(xué)國際協(xié)會成員。
本書是光子學(xué)系列叢書的第一卷： 科學(xué)基礎(chǔ)，技術(shù)和應(yīng)用。本書以通俗易懂的語言，介紹了現(xiàn)代光子學(xué)中從統(tǒng)計光學(xué)到量子光子學(xué)涉及到的基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用，也包含這些技術(shù)和應(yīng)用所依據(jù)的基本物理原理。本卷所討論的主題有：光子、相干性和統(tǒng)計光學(xué)、復(fù)雜光與奇點光學(xué)、電介質(zhì)電動力學(xué)、快光與慢光、全息光學(xué)、多光子過程、光角動量、光力及捕獲和操縱、偏振態(tài)、量子電動力學(xué)、量子信息與計算、量子光學(xué)、共振能量轉(zhuǎn)移、表面光學(xué)、超短脈沖現(xiàn)象。
本書章節(jié)內(nèi)容包括：1.光子；2.相干性和統(tǒng)計光學(xué)；3.空間變化的偏振光；4.量子光學(xué)；5.壓縮態(tài)光；6. 材料電磁理論；7.納米光子學(xué)表面和腔；8.量子電動力學(xué)；9.多光子過程；10.軌道角動量；11.光學(xué)中的螺旋性和電磁對偶轉(zhuǎn)換；12.慢光和快光；13.阿秒物理：原子和固體的阿秒條紋光譜學(xué)
本書適用于物理專業(yè)研究生階段的學(xué)生，光子學(xué)方向的工程師、學(xué)術(shù)研究人員及該領(lǐng)域的研究生、大學(xué)講師、教育工作者等。本書也適用于政策制定者、咨詢顧問、科技圖書館、政府實驗室和美國國立衛(wèi)生研究院等機構(gòu)。
楊盈瑩，副研究員
（中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所）
Yang Yingying，Assistant Professor
（Institute of Semiconductors，CAS）David L.Andrews
Photonics
Volume 2，Nanophotonic Structures
and Materials
2015
http：///book/
生物醫(yī)學(xué)工程（biomedicalengineering，BME）是應(yīng)用自然科學(xué)和現(xiàn)代工程技術(shù)的原理與方法，多層次研究人體結(jié)構(gòu)、功能及其生命現(xiàn)象，研究用于防病、治病、人體功能輔助及衛(wèi)生保健的制品、材料、裝置和系統(tǒng)的交叉性邊緣學(xué)科。其主要的特點是多學(xué)科交叉、理工醫(yī)結(jié)合，工程性和實踐性很強。在軍醫(yī)大學(xué)這樣的醫(yī)科院校中培養(yǎng)工程技術(shù)人才，必須要改變原有培養(yǎng)醫(yī)科學(xué)生的模式，采取適應(yīng)工程技術(shù)人才培養(yǎng)特點的教學(xué)體系，突出工程性，強調(diào)實踐性教學(xué)。改變現(xiàn)有實踐教學(xué)模式，構(gòu)建新的實踐教學(xué)體系，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)中需要體現(xiàn)的重要內(nèi)容[1]。
2生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)員創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的探索與經(jīng)驗
我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)五年制本科人才培養(yǎng)的目標(biāo)是：“面向我軍衛(wèi)勤保障的需要和軍事醫(yī)學(xué)的發(fā)展，培養(yǎng)具有生物醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)、信息技術(shù)和軍事醫(yī)學(xué)電子衛(wèi)生裝備等專業(yè)知識，具備將生物醫(yī)學(xué)與電子信息技術(shù)相結(jié)合的能力，能夠從事軍事醫(yī)學(xué)電子衛(wèi)生裝備研究、設(shè)計、管理、使用和維修工作的高級工程技術(shù)人才。”由于我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的培養(yǎng)方向是生物醫(yī)學(xué)電子工程，這是一門科技含量高、技術(shù)密集、應(yīng)用性強的學(xué)科，其基礎(chǔ)理論、創(chuàng)新探索都必須依賴實踐來驗證。因此，實踐教學(xué)占據(jù)著戰(zhàn)略性地位，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)我校生物醫(yī)學(xué)工程人才培養(yǎng)目標(biāo)，突出工程特性，培養(yǎng)具有電子技術(shù)創(chuàng)新精神和實踐能力的人才是該專業(yè)建設(shè)的基本任務(wù)，學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力不僅需要通過基礎(chǔ)理論和專業(yè)理論的學(xué)習(xí)來培養(yǎng)，更要通過實踐教學(xué)各個環(huán)節(jié)來鍛煉，以使學(xué)員不斷提高創(chuàng)新實踐能力并將所學(xué)理論知識和實踐技能應(yīng)用于實際醫(yī)學(xué)問題的解決中。我們主要采取了以下做法：
2.1注重基本實驗技能訓(xùn)練，重組課程實驗教學(xué)內(nèi)容
電子技術(shù)與信息技術(shù)教學(xué)包含了一系列課程（電路原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、傳感器原理、醫(yī)學(xué)電子儀器等等），對這些課程的實驗項目進行精選、整合、改造，實現(xiàn)以基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗教學(xué)模塊為基礎(chǔ)的分層遞進的實驗教學(xué)內(nèi)容。對現(xiàn)有的實驗進行優(yōu)化整合，主要目的是配合理論教學(xué)，使學(xué)生熟悉理論知識和掌握基本實踐技能，提高教學(xué)效益，在不增加現(xiàn)有實驗課學(xué)時的前提下，適當(dāng)開設(shè)綜合性實驗。
2.2培養(yǎng)綜合運用知識能力，強化綜合性設(shè)計性實驗
在專業(yè)基礎(chǔ)課實驗中，將過去模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等課程中的設(shè)計性實驗設(shè)置為相對獨立的綜合設(shè)計性實驗，主要通過自主探索的形式培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、協(xié)作攻關(guān)的精神以及解決實際問題的能力，以達到知識和能力綜合訓(xùn)練的目的。具體方法是教師編列實驗題目，提出技術(shù)要求。題目的難度與學(xué)生的水平相適應(yīng)，題目的內(nèi)容與專業(yè)方向及學(xué)生興趣相吻合。學(xué)生以小組為單位自行選題，通過查閱文獻資料，優(yōu)化技術(shù)路線，獨立開展實驗等環(huán)節(jié)實施綜合訓(xùn)練。使學(xué)生能夠較系統(tǒng)地掌握從選題、方案論證、電路設(shè)計、電路實現(xiàn)以及裝配調(diào)試，到最后的總結(jié)報告和文檔整理等全過程的各個環(huán)節(jié)。通過上述實驗課教學(xué)改革，有效調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用知識的能力和動手能力。
2.3開展多層次第二課堂活動，培養(yǎng)分析解決問題能力
開展了多種類型和內(nèi)容豐富的第二課堂活動，這既是課程教學(xué)內(nèi)容的補充，也是實踐教學(xué)不可缺少的環(huán)節(jié)。一種是普及性的第二課堂活動，內(nèi)容力求覆蓋面廣、應(yīng)用性強，既有教師選題，也有學(xué)生自主選題進行實驗研究。從專業(yè)基礎(chǔ)課開始組織，有效地豐富了學(xué)生視野，拓展了學(xué)習(xí)內(nèi)容。另一種是提高性的第二課堂活動，對學(xué)習(xí)成績優(yōu)秀、鉆研精神強的學(xué)生實行導(dǎo)師制，組織他們參加課外科技活動和全國性大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計競賽等實踐教學(xué)，讓學(xué)生直接介入實際的科研活動中。通過第二課堂活動有效地發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的潛能，變被動學(xué)為主動學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生邏輯思維能力和分析解決問題的能力。
3我校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)員實踐能力培養(yǎng)模式的不足
目前，我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程體系設(shè)置主要包括：公共基礎(chǔ)課程、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程、工程專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程等4類。從實踐教學(xué)的效果來看，目前這種模式存在2點不足：一是課程設(shè)置不科學(xué)，體系不完整，與國內(nèi)外其他生物醫(yī)學(xué)工程院校相比缺少專業(yè)選修課程、綜合實踐課程這2類課程[2]；二是實踐教學(xué)沒有按照實踐能力培養(yǎng)的規(guī)律進行設(shè)計。實踐能力的培養(yǎng)必須從基礎(chǔ)做起，由低到高逐次遞進，以電子技術(shù)綜合設(shè)計為例，在設(shè)計性實驗中應(yīng)當(dāng)將主要精力用于方案設(shè)計和技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)上，但是部分學(xué)員由于電子工藝基本功不扎實，一些原本不應(yīng)該出現(xiàn)的問題卻由于焊接加工水平欠佳反復(fù)出現(xiàn)，從而影響了設(shè)計性實驗的整體效果。由于工程實踐能力包含了方方面面的素質(zhì)要求，從設(shè)備使用、工藝掌握、器件選擇、方案設(shè)計等等由低到高的各項能力的培養(yǎng)，是需要一點一滴積累并逐漸形成經(jīng)驗的一個長期過程，絕非一朝一夕之功，也不是某一門課程所能解決的，必須將其作為系統(tǒng)工程搞好頂層設(shè)計，在整個課程體系之中加以解決。創(chuàng)新實踐能力的培訓(xùn)必須是多層次的并且貫穿始終的完整培訓(xùn)，需要完成包括基礎(chǔ)電子工藝掌握、基本實驗設(shè)備操作到復(fù)雜醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)的設(shè)計等一系列階梯式的體系化訓(xùn)練。使學(xué)生在大學(xué)期間，乃至研究生階段，不間斷地進行傳統(tǒng)型、綜合型、設(shè)計型和創(chuàng)新型等各種實踐環(huán)節(jié)和各種社會實踐活動，這對學(xué)生掌握扎實的基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識，提高獨立分析問題和解決問題的能力，提高團隊合作意識，提高創(chuàng)造性和競爭能力都大有益處[2]。只有經(jīng)過這樣訓(xùn)練的學(xué)生才能具備比較強的實踐動手能力，能夠有效地通過工程技術(shù)手段解決實際問題，從而滿足用人單位和部隊建設(shè)的需要。所以，建立健全完備的實踐教學(xué)體系是當(dāng)前深化教學(xué)改革，加強頂層設(shè)計的重要工作之一，必須按工程人才的培養(yǎng)規(guī)律設(shè)計科學(xué)合理的實踐教學(xué)體系。
4構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)員創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)體系的設(shè)想與建議
創(chuàng)新實踐能力可分為基本技能—綜合技能—設(shè)計技能—創(chuàng)新技能4個層次，不同層次的能力培養(yǎng)要有相對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和訓(xùn)練方法，通常需要采用驗證性實驗—綜合性實驗—設(shè)計性實驗—研究性實驗等有針對性地加以訓(xùn)練。為實現(xiàn)創(chuàng)新實踐能力的全面培養(yǎng)，必須改變傳統(tǒng)的實踐教學(xué)模式，把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力放在首位。以優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)、提高綜合素質(zhì)為指導(dǎo)制定實踐教學(xué)計劃和方案，調(diào)整實踐教學(xué)組織結(jié)構(gòu)；安排大型綜合實驗設(shè)計課程和實踐訓(xùn)練，形成科學(xué)合理、內(nèi)容完備的教學(xué)體系和培養(yǎng)模式；構(gòu)建良好的實踐教學(xué)支撐環(huán)境。使學(xué)生在學(xué)校期間，不間斷地進行傳統(tǒng)型、綜合型、設(shè)計型和創(chuàng)新型等各種實踐學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)和各種社會實踐活動，使其創(chuàng)新實踐能力不斷發(fā)展，從而真正提高學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，提高創(chuàng)造性和競爭能力，這也是提高專業(yè)教學(xué)水平和與國際教育接軌的必然選擇[3]。
4.1實踐課程體系建設(shè)
為了更好地適應(yīng)軍醫(yī)大學(xué)對生物醫(yī)學(xué)工程人才培養(yǎng)的要求，根據(jù)培養(yǎng)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)員創(chuàng)新實踐能力的探索并結(jié)合其他院校在實踐體系建設(shè)上的經(jīng)驗，我們認為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)課程體系設(shè)置應(yīng)當(dāng)涵蓋公共基礎(chǔ)課程、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程、工程專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程、專業(yè)選修課程、綜合實踐課程等6類課程。其中對于實踐能力的培養(yǎng)應(yīng)構(gòu)建4個層次、5個類型的課程培訓(xùn)體系。
4.1.1基礎(chǔ)課程實驗
這一類實驗的內(nèi)容和方式比較傳統(tǒng)，實驗和課程內(nèi)容的聯(lián)系緊密，每門課程課內(nèi)安排實驗18學(xué)時。通過對授課內(nèi)容的驗證、實現(xiàn)與分析，幫助學(xué)生掌握基本理論和方法，鍛煉學(xué)生動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的基本工程素質(zhì)。除基本實驗外，一般要求至少安排一個具有綜合性質(zhì)的實驗，能夠?qū)φT課程起到融會貫通的作用。對每一門課程的課內(nèi)實踐環(huán)節(jié)的安排和內(nèi)容，都需要進行充分的論證，以保證每門課程實驗內(nèi)容的合理性。
4.1.2綜合實踐課程
這個訓(xùn)練層次的重要性體現(xiàn)在，使學(xué)生掌握應(yīng)用工程技術(shù)解決實際問題的基本方法，同時培養(yǎng)其初步的創(chuàng)新能力。創(chuàng)新能力的獲取必須要擁有扎實的基礎(chǔ)，如果基礎(chǔ)不牢，所謂創(chuàng)新是沒有保障的，即便有非常新穎的想法，但是無法實現(xiàn)也是枉然。創(chuàng)新的方法往往產(chǎn)生于對傳統(tǒng)既有方法的熟悉上，充分了解各種方法的特點，并根據(jù)對實際問題的分析提出有價值的建議，創(chuàng)造性地采用不同以往的方法和手段處理和解決問題。創(chuàng)新一定是無限的想像與有限的技術(shù)選擇相結(jié)合的產(chǎn)物。通過這類實踐課程訓(xùn)練學(xué)生對知識的綜合運用，掌握工程技術(shù)解決問題的程序和方法，突出工程實踐中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，實現(xiàn)對不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)員工程實踐能力的綜合培訓(xùn)，使其具備工程技術(shù)人員基本的實踐能力。綜合實踐課程在進入專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)階段以后安排，將每學(xué)期的所有理論教學(xué)及考試在前18周內(nèi)完成，余下的2～3周時間用于開設(shè)獨立的綜合實踐課程。
（1）電子工藝實習(xí)。主要培養(yǎng)學(xué)生在電子線路焊接、裝配、調(diào)試、元器件識別、選擇、基本儀器使用等方面的能力，組裝具有實用價值的小型電路。安排這個訓(xùn)練的目的，主要是鍛煉學(xué)員在電子技術(shù)應(yīng)用中的基本操作技能，如果沒有這個過程，直接進入電子技術(shù)課程設(shè)計階段，就會出現(xiàn)因為電子工藝不過關(guān)造成的各種各樣的問題，為電路設(shè)計和調(diào)試帶來層出不窮的障礙。所以必須要有這個訓(xùn)練過程，以保證在后續(xù)課程中學(xué)生具有比較熟練和穩(wěn)定的電子工藝能力，而盡量避免因為工藝問題造成的失敗。
（2）電子技術(shù)課程設(shè)計。是在具備電子學(xué)基本實驗技能的基礎(chǔ)上，進行綜合能力培養(yǎng)的實踐訓(xùn)練課程，以電路設(shè)計為重點，內(nèi)容側(cè)重綜合應(yīng)用模電、數(shù)電知識，完成制作較為復(fù)雜的帶有生物醫(yī)學(xué)功能的電路或者小型電子系統(tǒng)（例如心電信號放大器）。一般是給出實驗任務(wù)和設(shè)計要求，通過電路方案設(shè)計、電路設(shè)計、電路安裝調(diào)試和指標(biāo)測試、撰寫實驗報告等過程，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，提高電路設(shè)計水平和實驗技能。在實踐中著重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計的綜合分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐的能力。
（3）虛擬儀器技術(shù)課程設(shè)計。掌握LabView在信號采集、處理、分析以及功能電路整合方面的應(yīng)用，側(cè)重于生物信號的處理及其虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計。
（4）生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理綜合實驗。其目的是使學(xué)生在熟悉電子系統(tǒng)基本設(shè)計和數(shù)字信號處理主要方法的基礎(chǔ)上，把現(xiàn)代信號處理理論與臨床醫(yī)學(xué)緊密結(jié)合起來，掌握常見的生物醫(yī)學(xué)信號采集方法，醫(yī)學(xué)信號傳感器、采集儀器的使用，利用各種信號處理手段解決臨床診斷與治療方面的信號分析與處理問題。使學(xué)生了解醫(yī)學(xué)信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)過程：醫(yī)學(xué)信號信號采集信號處理信號識別與特征提取臨床診斷，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用Matlab和LabView提供的各種處理方法解決醫(yī)學(xué)問題的能力，并強調(diào)各種處理方法的硬件實現(xiàn)。
（5）現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器綜合設(shè)計。在學(xué)生學(xué)完全部課程進入畢業(yè)設(shè)計前一個學(xué)期進行，學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)過的基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的基礎(chǔ)理論、基本知識和基本技能，融合醫(yī)學(xué)儀器課程內(nèi)容，獨立完成一個醫(yī)學(xué)信號檢測、處理、控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試，完成醫(yī)學(xué)信號的數(shù)據(jù)采集和存貯、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析和處理，通過對專業(yè)課實驗進行的高度整合，讓學(xué)生對所學(xué)知識進行高層次的融合。學(xué)生從本課程擬定的題目中選擇，或者自己擬定題目，獨立完成一個檢測人體信號的小型醫(yī)學(xué)儀器系統(tǒng)，并使所設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)達到要求的各項技術(shù)指標(biāo)。學(xué)生通過該課程較系統(tǒng)地學(xué)習(xí)生物醫(yī)學(xué)信號處理和控制方面的方法和技術(shù)，在生物醫(yī)學(xué)信號處理技術(shù)、計算機技術(shù)、測量技術(shù)、控制技術(shù)及實驗技能等方面得到全面訓(xùn)練，對醫(yī)學(xué)信號的拾取、測量、處理、應(yīng)用有一個系統(tǒng)地了解，從而在綜合能力上得到培養(yǎng)，同時為完成畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)[4]。
4.1.3創(chuàng)新性課外科技活動
開展豐富多彩和形式多樣的創(chuàng)新性課外科技活動，其主要目的是使學(xué)生在完成第二層次訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，了解學(xué)科前沿、開闊科技視野、激發(fā)創(chuàng)新意識，充分發(fā)揮和調(diào)動學(xué)生創(chuàng)新實踐的潛能，結(jié)合軍事醫(yī)學(xué)應(yīng)用和實際問題的解決開展研究性實踐活動。結(jié)合我軍衛(wèi)勤保障和軍事醫(yī)學(xué)的需求，應(yīng)用電子信息技術(shù)和電磁檢測技術(shù)等生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)方法，有針對性地開展創(chuàng)新實驗活動。從軍事醫(yī)學(xué)電子衛(wèi)生裝備設(shè)計思想的提出、技術(shù)指標(biāo)的設(shè)定、研究方案的形成、工程設(shè)計的優(yōu)化等方面訓(xùn)練學(xué)員，培養(yǎng)他們在我軍軍事斗爭衛(wèi)勤保障條件下解決軍事醫(yī)學(xué)問題的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，以此提高軍事生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才的綜合素質(zhì)。該層次的訓(xùn)練側(cè)重于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，主要以第二課堂的形式圍繞科研方向開展，也可以圍繞專業(yè)選修課開展，并鼓勵學(xué)有所長的學(xué)生積極申報學(xué)校創(chuàng)新實驗基金，開展進一步的深入研究，并指導(dǎo)學(xué)生發(fā)表學(xué)術(shù)論文，申請國家專利。在條件成熟的情況下推薦他們參加各種類型的全國大學(xué)生科技競賽。對于部分已取得較好成果的學(xué)員，可在此基礎(chǔ)上直接進入畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，并給予他們優(yōu)先報考碩士研究生的資格。
4.1.4實習(xí)
臨床工程實習(xí)是理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)員分析問題、解決問題能力的重要階段。通過臨床實習(xí)，使學(xué)員進一步加深對專業(yè)課程理論知識的理解和掌握，全面了解現(xiàn)代化醫(yī)療儀器設(shè)備的基本原理、安裝調(diào)試、維護保養(yǎng)，熟悉部分醫(yī)學(xué)儀器結(jié)構(gòu)特點和工作原理及存在問題，建立醫(yī)療衛(wèi)生裝備體系的基本知識架構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)員運用已學(xué)基礎(chǔ)理論知識，初步分析和解決醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備實際問題的能力，為畢業(yè)后從事醫(yī)療設(shè)備專業(yè)工作，提升任職能力打下基礎(chǔ)。
4.1.5畢業(yè)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量可以衡量專業(yè)教學(xué)的水平，是學(xué)生畢業(yè)與學(xué)位資格認證的重要依據(jù)。畢業(yè)設(shè)計的開展將緊密結(jié)合學(xué)科研究方向和實際科研課題，把重點放在學(xué)員創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)，充分發(fā)揮學(xué)員的主動性和創(chuàng)造性上。畢業(yè)設(shè)計注重以下能力的培養(yǎng)：（1）調(diào)研、查閱中外文獻和搜集資料的能力；（2）理論分析、制定或設(shè)計實驗方案的能力；（3）實驗研究、綜合分析和數(shù)據(jù)處理的能力；（4）交叉融合理工醫(yī)等學(xué)科綜合知識的能力；（5）外語、計算機應(yīng)用和論文寫作的能力；（6）綜合應(yīng)用工程技術(shù)手段解決實際問題的能力；（7）團隊合作的能力。方法上讓學(xué)生自由選題，獨立完成畢業(yè)設(shè)計課題。針對要解決的實際問題，指導(dǎo)學(xué)生通過查閱資料，以互相討論的形式逐步總結(jié)出解決問題的思路，要求學(xué)生利用計算機進行理論設(shè)計，并進行虛擬實驗和仿真分析，經(jīng)過比較優(yōu)選出最佳方案，進而設(shè)計出實用的電子系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試并達到設(shè)計技術(shù)指標(biāo)；最后提供設(shè)計報告，接受專家組考評并通過答辯。通過畢業(yè)設(shè)計使學(xué)生了解科研的方法、程序和步驟，增強科研意識。這種對科學(xué)實踐全程參與的教學(xué)方式可以全面培養(yǎng)和提高學(xué)生的科研素質(zhì)、工程意識和創(chuàng)新精神，真正實現(xiàn)了理論和實際動手能力相結(jié)合的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)。
4.2創(chuàng)新實驗室建設(shè)
創(chuàng)新實驗室建設(shè)旨在針對我軍面臨的多樣化軍事任務(wù)，滿足我軍衛(wèi)勤保障需求和軍事醫(yī)學(xué)發(fā)展需要，從軍事醫(yī)學(xué)電子技術(shù)教學(xué)與訓(xùn)練、軍隊衛(wèi)生裝備教學(xué)與訓(xùn)練等方面入手，與燒傷外科學(xué)、防原醫(yī)學(xué)、野戰(zhàn)外科學(xué)、野戰(zhàn)內(nèi)科學(xué)、軍事預(yù)防醫(yī)學(xué)、高原軍事醫(yī)學(xué)以及新概念武器防治學(xué)等軍事醫(yī)學(xué)緊密結(jié)合，以電子技術(shù)應(yīng)用、裝備教學(xué)實訓(xùn)為基礎(chǔ)，培養(yǎng)應(yīng)用軍事生物醫(yī)學(xué)工程的技術(shù)方法，解決部隊衛(wèi)勤保障和軍事醫(yī)學(xué)問題的創(chuàng)新實踐能力。創(chuàng)新實驗室主要服務(wù)于學(xué)員專業(yè)學(xué)習(xí)階段，在第二課堂、創(chuàng)新實踐、綜合實驗、軍事醫(yī)學(xué)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、專業(yè)實習(xí)以及衛(wèi)勤演練中對學(xué)員實施相關(guān)訓(xùn)練活動。從培養(yǎng)軍隊院校學(xué)員為軍服務(wù)的意識出發(fā)，使其在學(xué)習(xí)訓(xùn)練中了解軍事醫(yī)學(xué)的主要問題，學(xué)會應(yīng)用軍事生物醫(yī)學(xué)工程方法解決相關(guān)問題，同時提高創(chuàng)新實踐能力，在這一過程中軍事生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)綜合創(chuàng)新實驗室的建設(shè)是必不可少的，這對于軍事生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)員開展相關(guān)學(xué)習(xí)實踐以及任職訓(xùn)練是必須要具備的一個基本條件。
摘要：數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)由于受運算速度的限制，其實時性在相當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)遠不如模擬信號處理系統(tǒng)。從80年代至今的十多年中，DSP芯片在運算速度、運算精度、制造工藝、芯片成本、體積、工作電壓、重量和功耗方面取得了劃時代的發(fā)展，開發(fā)工具和手段不斷完善。DSP芯片有著非?？斓倪\算速度，使許多基于DSP芯片的實時數(shù)字信號處理系統(tǒng)得以實現(xiàn)。目前，DSP芯片已應(yīng)用在通信、自動控制、航天航空及醫(yī)療領(lǐng)域，取得了相當(dāng)?shù)某晒Ｔ谳d人航天領(lǐng)域，基于DSP芯片的技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。
The Development and Applications of Digital Signal Processing(DSP)-chip
Abstract:Due to the limitation of operation speed，real time performance of digital signal processing (DSP) system is far from that of analog signal processing system in decades ago. Since early 80’s，DSP chips have been greatly improved in the following aspects: operation speed，computation precision，fabrication technics，cost，chip volume，operational power supply voltage，weight and power consumption. Furthermore，development tools and methods have been developed greatly. Modern DSP chips can be operated very fast，which make the implementation of many DSP based signal processing system possible. Now DSP chips have been widely applied successfully in communication，automatic control，aerospace and medicine. DSP based technology has very promising future in manned space flight area.
Key words:digital signal processing(DSP);chip;development;application
數(shù)字信號處理作為信號和信息處理的一個分支學(xué)科，已滲透到科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、國防和國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，取得了豐碩的成果。對信號在時域及變換域的特性進行分析、處理，能使我們對信號的特性和本質(zhì)有更清楚的認識和理解，得到我們需要的信號形式，提高信息的利用程度，進而在更廣和更深層次上獲取信息。數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性表現(xiàn)為：1.靈活性好：當(dāng)處理方法和參數(shù)發(fā)生變化時，處理系統(tǒng)只需通過改變軟件設(shè)計以適應(yīng)相應(yīng)的變化。2.精度高：信號處理系統(tǒng)可以通過A/D變換的位數(shù)、處理器的字長和適當(dāng)?shù)乃惴M足精度要求。3.可靠性好：處理系統(tǒng)受環(huán)境溫度、濕度，噪聲及電磁場的干擾所造成的影響較小。4.可大規(guī)模集成：隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、產(chǎn)品一致性好等優(yōu)點。
然而，數(shù)字信號處理系統(tǒng)由于受到運算速度的限制，其實時性在相當(dāng)長的時間內(nèi)遠不如模擬信號處理系統(tǒng)，使得數(shù)字信號處理系統(tǒng)的應(yīng)用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP(數(shù)字信號處理)芯片誕生以來，這種情況得到了極大的改善。DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合進行數(shù)字信號處理運算的微處理器。DSP芯片的出現(xiàn)和發(fā)展，促進數(shù)字信號處理技術(shù)的提高，許多新系統(tǒng)、新算法應(yīng)運而生，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。目前，DSP芯片已廣泛應(yīng)用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。
DSP芯片的發(fā)展
70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕生標(biāo)志著DSP芯片的開端。隨著半導(dǎo)體集成電路的飛速發(fā)展，高速實時數(shù)字信號處理技術(shù)的要求和數(shù)字信號處理應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，在80年代初至今的十幾年中，DSP芯片取得了劃時代的發(fā)展。從運算速度看，MAC（乘法并累加）時間已從80年代的400 ns降低到40 ns以下，數(shù)據(jù)處理能力提高了幾十倍。MIPS（每秒執(zhí)行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到現(xiàn)在的40 MIPS以上。DSP芯片內(nèi)部關(guān)鍵部件乘法器從80年代初的占模片區(qū)的40%左右下降到小于5%，片內(nèi)RAM增加了一個數(shù)量級以上。從制造工藝看，80年代初采用4μm的NMOS工藝而現(xiàn)在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數(shù)目從80年代初最多64個增加到現(xiàn)在的200個以上，引腳數(shù)量的增多使得芯片應(yīng)用的靈活性增加，使外部存儲器的擴展和各個處理器間的通信更為方便。和早期的DSP芯片相比，現(xiàn)在的DSP芯片有浮點和定點兩種數(shù)據(jù)格式，浮點DSP芯片能進行浮點運算，使運算精度極大提高。DSP芯片的成本、體積、工作電壓、重量和功耗較早期的DSP芯片有了很大程度的下降。在DSP開發(fā)系統(tǒng)方面，軟件和硬件開發(fā)工具不斷完善。目前某些芯片具有相應(yīng)的集成開發(fā)環(huán)境，它支持斷點的設(shè)置和程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和DMA的訪問及程序的單部運行和跟蹤等，并可以采用高級語言編程，有些廠家和一些軟件開發(fā)商為DSP應(yīng)用軟件的開發(fā)準(zhǔn)備了通用的函數(shù)庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應(yīng)用軟件開發(fā)更為方便，開發(fā)時間大大縮短，因而提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。
目前各廠商生產(chǎn)的DSP芯片有：TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP系列、AT&T公司的DSPX系列、Motolora公司的MC系列、Zoran公司的ZR系列、Inmos公司的IMSA系列、NEC公司的PD系列等。
通用DSP芯片的特點
1. 在一個周期內(nèi)可完成一次乘法和一次累加。
2. 采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。
3. 片內(nèi)有快速RAM，通?？梢酝ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。
4. 具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)硬件支持。
5. 快速中斷處理和硬件I/O支持。
6. 具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。
7. 可以并行執(zhí)行多個操作。
8. 支持流水線操作，取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊進行。
DSP芯片的應(yīng)用
隨著DSP芯片性能的不斷改善，用DSP芯片構(gòu)造數(shù)字信號處理系統(tǒng)作信號的實時處理已成為當(dāng)今和未來數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的一個熱點。隨著各個DSP芯片生產(chǎn)廠家研制的投入，DSP芯片的生產(chǎn)技術(shù)不斷更新，產(chǎn)量增大，成本和售價大幅度下降，這使得DSP芯片應(yīng)用的范圍不斷擴大，現(xiàn)在DSP芯片的應(yīng)用遍及電子學(xué)及與其相關(guān)的各個領(lǐng)域。
典型應(yīng)用 (1)通用信號處理：卷積，相關(guān)，F(xiàn)FT，Hilbert變換，自適應(yīng)濾波，譜分析，波形生成等。(2)通信：高速調(diào)制/解調(diào)器，編/譯碼器，自適應(yīng)均衡器，仿真，蜂房網(wǎng)移動電話，回聲/噪聲對消，傳真，電話會議，擴頻通信，數(shù)據(jù)加密和壓縮等。(3)語音信號處理：語音識別，語音合成，文字變聲音，語音矢量編碼等。(4)圖形圖像信號處理：二、三維圖形變換及處理，機器人視覺，電子地圖，圖像增強與識別，圖像壓縮和傳輸，動畫，桌面出版系統(tǒng)等。(5)自動控制：機器人控制，發(fā)動機控制，自動駕駛，聲控等。(6)儀器儀表：函數(shù)發(fā)生，數(shù)據(jù)采集，航空風(fēng)洞測試等。(7)消費電子：數(shù)字電視，數(shù)字聲樂合成，玩具與游戲，數(shù)字應(yīng)答機等。
在醫(yī)學(xué)電子學(xué)方面的應(yīng)用 如同其它數(shù)字圖像處理一樣，DSP芯片已在醫(yī)學(xué)圖像處理，醫(yī)學(xué)圖像重構(gòu)等領(lǐng)域，如CT、核磁成象技術(shù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，已取得了令人滿意的效果。在助聽，電子耳渦等方面也取得了相當(dāng)?shù)倪M展(文獻［1，2］)。國內(nèi)、外也有關(guān)于腦電、心電、心音和肌電信號處理方面基于DSP芯片系統(tǒng)的報道(文獻［4～7］)，我們對1996年以前國外生物醫(yī)學(xué)工程的部分核心期刊，如IEEE Transactions on Biomedical Engineering，Computers and Biomedical Research等核心期刊進行檢索，有關(guān)基于DSP芯片處理系統(tǒng)的報道很少。對國內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程的核心期刊，如《中國醫(yī)療器械雜志》、《中國生物醫(yī)學(xué)工程雜志》、《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志》和《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報》等刊物進行檢索，未見有關(guān)基于DSP芯片系統(tǒng)方面的報道。對我所的光盤數(shù)據(jù)庫進行檢索，未見有關(guān)在航天醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用的報告。
我們認為在生理信號處理領(lǐng)域基于DSP芯片的技術(shù)可以解決我們在實際工作中遇到的某些問題，如當(dāng)生理信號數(shù)據(jù)量很大(如腦電，肌電等)且處理算法相對復(fù)雜時，現(xiàn)有的微機在實時采樣、處理、存儲和顯示方面往往不能滿足實際應(yīng)用要求，而基于DSP芯片的高速處理單元和微機構(gòu)成主從系統(tǒng)可以較好地解決這類問題。
載人航天領(lǐng)域中信號傳輸帶寬的限制需要對生理數(shù)據(jù)進行實時壓縮；大型實驗中對龐大的數(shù)據(jù)進行實時處理依賴于數(shù)字處理系統(tǒng)的構(gòu)成；載人航天中對數(shù)據(jù)處理精度，可靠性要求以及功耗、工作電壓、體積、重量等方面的限制需要我們在構(gòu)造處理系統(tǒng)中選擇性能優(yōu)良的芯片。我們認為將DSP技術(shù)應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域具有十分重要的意義。
結(jié)束語
以DSP芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足載人航天領(lǐng)域設(shè)備測量精度、可靠性、信道帶寬、功耗、工作電壓和重量等方面的要求。目前，DSP芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展，各種各類通用及專用的新型DSP芯片在不斷推出，應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)手段在不斷完善。這樣為實時數(shù)字信號處理的應(yīng)用——尤其是在載人航天領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了更為廣闊的空間。我們有理由相信，DSP芯片進一步的發(fā)展和應(yīng)用將會對載人航天信號處理領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。
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由于精神障礙的表現(xiàn)與診療特點，醫(yī)生主要通過詢問病人的各種感受或表現(xiàn)來診斷疾病，并采取藥物手段進行治療。精神檢查及藥物治療似乎成了精神障礙疾病診療中的“兩架馬車”。事實上，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展，尤其生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的推廣應(yīng)用，精神障礙的診療設(shè)備逐漸增多，萌發(fā)出了很多“新玩意”。
這些“新玩意”并非指用于診治軀體疾病如B超、CT、磁共振等常規(guī)醫(yī)療設(shè)備，而是指專用于或主要用于精神障礙的診療技術(shù)設(shè)備，如心律變異系統(tǒng)的自主平衡系統(tǒng)檢查、紅外線熱成像技術(shù)、腦漲落圖儀（EFG）及經(jīng)顱磁刺激治療等。這些應(yīng)用促進了精神障礙診斷水平的提高，擴展了新的治療手段，未來該領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用、研究與發(fā)展空間。
一、壓力多少，5分鐘檢測可知曉
緊張、害怕、焦慮是人們常見的心理感受，持續(xù)且具一定強度體驗既影響身心健康，也是某些心理問題和疾病的外在表現(xiàn)。臨床上大多采用一些心理量表進行評估，如焦慮、抑郁量表、SCL-90等，這些評估通常需要測試者在相對安靜的環(huán)境下回答問題，測試者應(yīng)具備初級的閱讀理解等能力，測試結(jié)果更多取決于測試者的主觀感受與理解，易受各種因素影響。
目前，借助儀器可就可以實現(xiàn)不需要測試者回答問題，同時又能體現(xiàn)測量的客觀性。心律變異分析自主神經(jīng)系統(tǒng)平衡檢查快捷、方便，幾分鐘就可檢測個體精神壓力、疲勞度、抗壓能力及壓力指數(shù)等指標(biāo)，在精神心理臨床中得到廣泛應(yīng)用。
過高的心理壓力是危害健康的“隱形殺手”，易導(dǎo)致各類心因性疾病或精神心理問題。人們要學(xué)會如何緩解壓力感受，如保持正常生活節(jié)律、培養(yǎng)興趣愛好、做好飲食睡眠管理、建立良好人際關(guān)系等。
二、近紅外光學(xué)腦成像助診斷
近年來，近紅外光學(xué)腦成像技術(shù)在心理認知科學(xué)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，并被用于精神病學(xué)的臨床檢測，逐步成為精神疾病的臨床輔診斷工具。其基本原理為，近紅外光通過顱骨進入大腦皮層，探測動脈血氧合血紅蛋白和靜脈血脫氧血紅蛋白的含量及波動水平，研究人腦認知活動。不同精神障礙腦成像圖會有差異表現(xiàn)，可初步確定疾病類型，如抑郁、焦慮、雙相情感障礙、精神分裂癥等。其屬于無創(chuàng)性檢查，病人只需戴上光極帽，坐在電腦前，按檢測人員或電腦提示回答問題即可。
三、神經(jīng)遞質(zhì)高低，腦電分析很清晰
人的精神心理活動與神經(jīng)遞質(zhì)聯(lián)系緊密，5-HT（5-羥色胺）濃度不足與抑郁發(fā)病相關(guān)，精神分裂癥大多與DA（多巴胺）系統(tǒng)紊亂相關(guān)，更多的神經(jīng)遞質(zhì)與精神活動的關(guān)系需要進一步探索。有別于傳統(tǒng)檢查手段，腦漲落圖儀（EFG）和腦電圖檢測一樣，在頭部放入多個電極，采集腦電信號10分鐘，利用多種生物、電子技術(shù)相結(jié)合的方法，就能定量檢測中樞神經(jīng)遞質(zhì)GABA（γ-氨基丁腺素）、Glu（谷氨酸）、5-HT、Ach（乙酰膽堿）、NE（去甲腎上腺素）、DA等多種神經(jīng)遞質(zhì)，主要用于各種神經(jīng)、精神心理疾病診斷評價、亞健康狀態(tài)人群大腦功能的檢查，腦生理規(guī)律或機理的探索等。
四、磁波可緩解癥狀
精神心理疾病常需要長期藥物治療。然而，藥物治療的依從性不佳往往導(dǎo)致病情波動，遷延難愈。亟需非藥物治療方法，重復(fù)經(jīng)顱磁刺激治療（rTMS）是目前臨床使用的非藥物治療方法。主要用于治療抑郁癥，睡眠障礙，焦慮、躁狂強迫，幻聽，改善情感淡漠、遲滯等陰性癥狀，尤其對抗抑郁、p少幻聽等效果更好。
經(jīng)顱磁刺激治療安全、無創(chuàng)傷、無明顯副作用。電磁場透過顱板，影響大腦皮層神經(jīng)元電活動，達到治療作用。通常來說，高頻、高強度刺激可興奮大腦皮層，增加腦血流、腦源性營養(yǎng)因子、神經(jīng)內(nèi)分泌相關(guān)激素、酶等，用于改善抑郁、陰性癥狀等。低頻低強度刺激主要用于功能亢進性問題，治療睡眠、焦慮、幻聽等。
冀成君，知名專家，北京回龍觀醫(yī)院主任醫(yī)師，院長助理，門診部主任。擅長：老年精神障礙，普通精神疾病診治等。
1玻璃纖維產(chǎn)品的應(yīng)用
1.1在居住環(huán)境中的應(yīng)用玻璃纖維經(jīng)加工處理可作為增強質(zhì)來改善織物效果和手感，經(jīng)涂覆處理可與建筑涂料有較好的相容性。因此在居住建筑工程方面已經(jīng)獲得了較廣泛應(yīng)用，具有很大的發(fā)展空間。玻璃纖維用作防水基質(zhì)，在美國其用量占總防水基材的60％以上，占纖維總量的30％還多；在我國目前玻璃纖維防水基質(zhì)用量還很低。作為輔助增強材料用途，如在建筑工程內(nèi)外墻體中使用的玻璃纖維網(wǎng)布貼面，以及用于塊狀建筑接縫處等輔助增強環(huán)節(jié)。玻璃纖維棉氈、棉板作為保溫絕熱材料可用在建筑圍護結(jié)構(gòu)中。我國每年在建筑方面的能耗約為2．5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，每平方米建筑面積平均能耗為美國的4～8倍。玻璃纖維氈也是很好的吸聲材料，可用于室內(nèi)吸聲降噪，在建筑中做吸聲吊頂和吸聲墻面，絕熱、裝飾結(jié)合使用。選擇合適的玻璃纖維成分、結(jié)構(gòu)狀態(tài)和處理方式，可用作增強水泥、石膏等膠凝材料生產(chǎn)非承重板材和裝飾物。玻璃纖維織物經(jīng)處理作為室內(nèi)裝飾材料具有防火、可洗、不腐、有織物感、美觀的特點，與各種墻面和涂料有較好的相容性，便于施工和更新。作為土木建筑工程增強材料主要有四個方面：一是將玻璃纖維加工成格柵并經(jīng)瀝青處理，用于軟路基等級公路的瀝青混凝土路面增強防裂；二是玻璃纖維和樹脂一起加工成筋材代替鋼筋，主要用在沿海防鹽氣腐蝕和需避免電磁干擾的結(jié)構(gòu)中以增強混凝土；三是用于建筑物和橋梁等構(gòu)筑物的鋼筋混凝土裂縫補強基材；四是用于將玻璃纖維作為增強介質(zhì)摻入水泥土中，利用玻璃纖維材料高強度、低延伸率的特點改善水泥土受力性能較弱的問題。由于玻璃纖維有電絕緣性，因此在電工絕緣領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其主要制品有絕緣浸漬制品，玻璃纖維增強塑料層壓制品，玻成制品、電磁線等。此外，根據(jù)E玻纖優(yōu)良的電絕緣性和耐熱性，玻璃纖維可用于制造風(fēng)力發(fā)電的飛輪；將玻璃纖維與凱夫拉纖維復(fù)合制造風(fēng)力發(fā)電的飛輪，可用于風(fēng)力、太陽能發(fā)電，汽車供能、不間斷電源、低空軌道衛(wèi)星儲能等眾多方面。
1.2在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用在大氣、地理環(huán)境領(lǐng)域中，玻璃纖維作為過濾材料，特別是在高溫氣體過濾方面具有重要作用［6］。玻璃纖維作為過濾材料具有獨特的性能，其強力、韌性和耐化學(xué)腐蝕性好，化學(xué)性能穩(wěn)定，不吸濕，不膨脹，可耐260℃高溫，熱穩(wěn)定性好，在高溫條件下過濾效果好，無火災(zāi)危險。以紙、機織物、氈（蓬松氈、棉氈、針刺氈等）及覆膜為主要形態(tài)，氈層纖維成三維微孔結(jié)構(gòu)，空隙率高對空氣阻力較小，除塵效率超過織物濾料可達99．9％，而且過濾速度比織物濾料高一倍左右。主要用于含量不同的污染物和要求凈化的氣體過濾，目前已大批量用于炭黑化工、鋼鐵冶金、燃煤鍋爐、耐火材料、水泥建材及焚燒煙氣的除塵凈化［8］。同時也用于人防工程，防毒工具、車輛空調(diào)的空氣過濾和超凈化室的空氣處理，可使過濾兼有殺菌、除異味效果?；诓ＡЮw維制品的化學(xué)穩(wěn)定性和過濾效果比較好，其中超細玻璃纖維還被用于生產(chǎn)系列實驗室用精品過濾器。在地理環(huán)境中玻璃纖維與有機纖維材料結(jié)合，加工成土工材料用于防止水土流失，以及作為無土栽培的載體。
1.3在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用玻璃纖維在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有：（1）用傳光、傳像來對人體器官進行內(nèi)窺檢查和輔助治療，包括刺激穴位、止血、切開組織、灼燒病變組織等；運用光纖針對血液進行光照射以稀釋血液，牙科材料用于固化補牙等。（2）玻璃纖維紙基于其化學(xué)穩(wěn)定性和抗菌性，可用作試劑載體與專用試劑一起做成試條用于檢查，如血液組分檢查等；用作過濾血液的玻纖濾膜對白細胞有著很強的吸附性和捕獲能力，可從血液中濾除白細胞組分，或用于分離血漿；還可在人體血液、液體、尿液的檢驗專用儀器中使用。（3）作為矯形和修復(fù)材料，玻璃纖維編織成具有延伸性的帶并浸漬專用樹脂當(dāng)作繃帶，纏在傷處固定骨肢，可克服敷石膏的麻煩和副作用。玻璃纖維復(fù)合材料人造骨也在積極開發(fā)中，一些無毒不會引起炎性反應(yīng)又具有骨生物活性的復(fù)合材料已對動物進行實驗，證明了玻璃纖維復(fù)合材料的生物相容性，與原骨之間的結(jié)合強度比不銹鋼還高。生物醫(yī)學(xué)研究用的器材和生活衛(wèi)生用品也有特種玻璃纖維的應(yīng)用。
1.4在交通領(lǐng)域的應(yīng)用由于玻璃纖維的比強度較高，因此被廣泛用做航天航空、汽車、船舶等交通工具的殼體，以代替金屬、木材等減輕重量，減少驅(qū)動力，獲得高速和較高的使用壽命。在航空航天領(lǐng)域高性能玻纖復(fù)合材料，鋁合金、鋼和鈦合金三大材料已成為支撐航空航天事業(yè)發(fā)展的基石。在航空領(lǐng)域主要應(yīng)用在內(nèi)外側(cè)副翼、方向舵和擾流板以減輕飛機質(zhì)量，節(jié)約資源。在航天領(lǐng)域高性能玻纖復(fù)合材料作為主承力結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用，如在運載火箭和航天器上用纖維纏繞工藝制造的纖維／環(huán)氧復(fù)合材料固體發(fā)動機殼具有耐腐蝕、耐高溫、耐輻射、阻燃、抗老化的性能。航天器上采用了大量的防熱材料纖維、高硅氧增強酚醛樹脂［10］。
2我國玻璃纖維發(fā)展現(xiàn)狀
(一)背景及意義
二十一世紀(jì)我國將面臨人口眾多、交通擁擠、醫(yī)院容量有限,以及由于獨生子政策導(dǎo)致的日益嚴重的人口老齡化等一系列嚴重的社會問題,遠程醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展可望為我們提供一個緩解上述問題的有效途徑。最簡單的遠程醫(yī)療形式是通過PSTN(公共電話網(wǎng)絡(luò))進行心電(ECGs)的遠程解釋,但目前的遠程醫(yī)療技術(shù)研究與試驗則是伴隨當(dāng)前IT技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的一個范圍更加廣泛,意義更加深遠的新興領(lǐng)域。它是現(xiàn)代通訊技術(shù)和計算機與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物,它利用電子通訊及多媒體技術(shù)實現(xiàn)遠距離醫(yī)學(xué)檢測,監(jiān)護,咨詢,急救,保健,診斷,治療,以及遠距離教育和管理等等。遠程醫(yī)療旨在通過提供一種管理良好、高效和跨越時空障礙的全新醫(yī)療保健服務(wù)模式,最終達到共享醫(yī)療保健資源,降低醫(yī)療保健費用,提高醫(yī)療效率和質(zhì)量的目的。另外,在戰(zhàn)場救護,交通等意外事故危重病人的緊急處理等方面,遠程醫(yī)療技術(shù)也有很大的應(yīng)用價值!廣義地講,遠程醫(yī)療是指醫(yī)護人員利用通訊和電子技術(shù)來跨越時空障礙、向人們提供醫(yī)療保健服務(wù)。根據(jù)不同的應(yīng)用,遠程醫(yī)療又可分類為遠程監(jiān)護,遠程治療,遠程會診和遠程教育等等。
(二)發(fā)展過程
最早的遠程醫(yī)療雛形可以追溯到1905年Einthoven等人利用電話線進行的心電圖數(shù)據(jù)傳輸實驗。但真正具有一定實用價值的遠程醫(yī)療系統(tǒng)在50年代才開始出現(xiàn),該系統(tǒng)可以通過電話線和專用線傳送簡單的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。而在70~80年代遠程醫(yī)療開始利用電視系統(tǒng)傳輸醫(yī)學(xué)圖像,即以遠程放射醫(yī)學(xué)(Tele-radiology)為主。隨著現(xiàn)代微電子學(xué)、通訊技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,在90年代人們開始實踐與評估該系統(tǒng)在遠程醫(yī)療咨詢、遠程教育、遠程專家會診等多方面的應(yīng)用。近幾年來,隨著醫(yī)用數(shù)字影象設(shè)備如CT、MRI、B超以及DSA等的迅速普及,促使越來越多的醫(yī)院采用數(shù)字圖像存儲通訊系統(tǒng)(PACS,PictureArchivingandCommunicationSystem),逐步實現(xiàn)醫(yī)院的無膠片管理,為普及遠程醫(yī)療奠定了良好基礎(chǔ)。當(dāng)前,遠程醫(yī)療系統(tǒng)技術(shù)的技術(shù)支持有:交互視頻影像設(shè)備(interactivevideo),高分辨監(jiān)視器(high-resolutionmonitors),計算機網(wǎng)絡(luò)(computernetworks),蜂窩電話(cellulartelephones),高速開關(guān)系統(tǒng)(high-speedswitchsystems),以及以光纖和衛(wèi)星通信為核心的信息高速公路等。需要說明的是,在目前的中國,由于網(wǎng)絡(luò)的普及面仍然十分有限,在一些中小縣城市,既缺少高水平的醫(yī)療專家又缺少足夠帶寬的信息網(wǎng)絡(luò),患者的經(jīng)濟能力也十分有限。在這種背景下,基于電話線的遠程醫(yī)療服務(wù)在一定程度上滿足了當(dāng)前的需求,顯示出了一定的發(fā)展空間,值得國內(nèi)的醫(yī)療電子企業(yè)重視。
(三)適宜范圍和初步的臨床效果
遠程醫(yī)療技術(shù)(Tele-medicine)最大的作用在于它對農(nóng)村和不發(fā)達國家的那些得不到良好服務(wù)的人群提供健康護理服務(wù)。在這些地方,合格醫(yī)生的缺乏是一個很大的問題。其他需要遠程醫(yī)療的地方包括:邊遠的兵站,需要保密的地方,出院后病人的監(jiān)護,家庭監(jiān)護,病人教育,醫(yī)學(xué)教育等。有些醫(yī)學(xué)部門,如放射學(xué)(radiology),病理學(xué)(pathology)和心臟病學(xué)(cardiology),他們需要高保真的電子醫(yī)務(wù)數(shù)據(jù)和圖像為診斷服務(wù),因而特別適合于采用遠程醫(yī)療。隨著遠程醫(yī)療技術(shù)的成熟,它能夠提供服務(wù)的醫(yī)學(xué)部門和范圍也會隨之相應(yīng)地增加。比如,以下這些領(lǐng)域的遠程醫(yī)療實踐正在逐步增多:矯形外科學(xué)(orthopedics),皮膚病學(xué)(dermatology),精神病學(xué)(psychiatry),腫瘤學(xué)(oncology),神經(jīng)病學(xué)(neurology),兒科學(xué)(pediatrics),產(chǎn)科學(xué)(obstetrics),風(fēng)濕病學(xué)(rheumatology),血液學(xué)(hematology),耳咽喉科學(xué)(otolaryngology),眼科學(xué)(ophthalmol-ogy),泌尿科學(xué)(urology),外科(surgery)等?？偟膩碚f,有關(guān)報告顯示,遠程醫(yī)療提供了醫(yī)生與遠端之間的可靠的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和音頻視頻通信。通過將遠程醫(yī)療和直接的醫(yī)生診斷相比較發(fā)現(xiàn),二者沒有大的差異。這些初步的結(jié)果說明,遠程醫(yī)療提供了與醫(yī)院相當(dāng)?shù)姆?wù)質(zhì)量。目前,遠程醫(yī)療已被成功地用于直接的病人監(jiān)護,它明顯地改進了醫(yī)生的診斷能力和對病人的處理選擇。遠程醫(yī)療在臨床醫(yī)學(xué)中的作用已被完全證實,它的使用情況已經(jīng)超過了立法和行政部門的步伐。因此,在未來健康監(jiān)護工業(yè)的發(fā)展策略中,遠程醫(yī)療應(yīng)是一個不可忽略的因素。一個重要的目標(biāo)是實現(xiàn)兩個“所有”:方便地實現(xiàn)所有的醫(yī)學(xué)服務(wù)和面向所有的地方。
(四)遠程醫(yī)療系統(tǒng)與信息技術(shù)
很顯然,遠程醫(yī)療(Tele-medicine)應(yīng)當(dāng)有許多不同的系統(tǒng)和技術(shù)要求(分級的)。但大致可分為兩類:實時的(RealTime,RT)和先收集后處理的(store-and-forward,SAF)。對于RT交互模式,病人與現(xiàn)場醫(yī)生或護理人員一起在遠處,專家在醫(yī)學(xué)中心。對于SAF模式,所有相關(guān)的信息(數(shù)據(jù)、圖形、圖像等)用電子方式傳到專家處,在這里,專家的反應(yīng)不必是立即的。在大多數(shù)情況下,幾小時或幾天后才能收到專家的報告。一種理想的遠程醫(yī)療系統(tǒng)當(dāng)然是同時具備RT和SAF兩種模式,但顯然這種復(fù)合模式意味著顯著增加的費用。例如,一個理想的RT-SAF組合,需要在急診室內(nèi)或附近有一個基站,并在遠處有多個對病人實施治療計劃的地方,那里帶有診斷室或移動的監(jiān)護單元?；拘枰锌刂葡到y(tǒng)或工作站、在線的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫、視頻相機和監(jiān)護儀、微型耳機和話筒以及圖形圖像輸入設(shè)備。在遠端,需要有完全可移動的視頻相機和監(jiān)護儀、各種診斷設(shè)備、圖形圖像輸入設(shè)備、PC或工作站等。如上所述,當(dāng)前的技術(shù)可以使得遠程醫(yī)療系統(tǒng)具有可靠的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和視頻-音頻通信(在醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)生和遠端病人之間),能夠提供與到醫(yī)院就診相當(dāng)?shù)姆?wù)。隨著遠程醫(yī)療的范圍和廣度的擴展,需要進一步關(guān)注的技術(shù)和臨床問題包括:傳輸?shù)膱D像、視頻信息的知覺質(zhì)量以及其他臨床完善性所要求的程序;當(dāng)前技術(shù)能夠提供的檢查的透徹性,以及遠程醫(yī)療服務(wù)和當(dāng)前臨床常規(guī)檢查的有機結(jié)合問題等。遠程醫(yī)療當(dāng)中的一個重要技術(shù)成份是通信系統(tǒng),它的基本的傳輸介質(zhì)是銅質(zhì)電纜、光導(dǎo)纖維,微波中繼,衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)。一個混合的網(wǎng)絡(luò)可能是,衛(wèi)星傳送用于很遠距離的情況,光纖用于視頻圖像,銅電纜傳數(shù)據(jù)、信號和控制信息。RT、SAF兩種模式的通信要求都可以預(yù)測。RT模式要求短時間內(nèi)傳送大量的信息,它強調(diào)的重點是傳輸、交換和交互的時間。它的決定性因素是容許能力(傳輸速率和帶寬)。而SAF模式則對傳輸速率和帶寬的要求不大。只要能將整塊的數(shù)據(jù)傳送就行。一般的多媒體遠程醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)具有獲取、傳輸、處理和顯示圖像、圖形、語音、文字和生理信息的功能。按照遠程醫(yī)療系統(tǒng)的組成劃分,它一般由三個部分構(gòu)成:用戶終端設(shè)備,醫(yī)療中心終端設(shè)備和聯(lián)系中心與用戶的通訊信息網(wǎng)絡(luò)。不同的遠程醫(yī)療應(yīng)用,對通訊系統(tǒng)和系統(tǒng)終端設(shè)計又有不同的要求。相應(yīng)的設(shè)備費用也依要求的不同而變動較大。
(五)相關(guān)的有待解決的技術(shù)問題
仍然有待解決的,與遠程醫(yī)療全面、廣泛地實施有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題包括:數(shù)碼醫(yī)院的建立,目前有些醫(yī)院己有醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)和圖像歸檔與通信系統(tǒng)(PACS—picturearchivingandcommunicationsystem)和DICOM(Digitalimagingandcommuni-cationsinmedicine)。醫(yī)院現(xiàn)有的這些系統(tǒng)是遠程醫(yī)療的重要組成部分,它們的擴展是建立遠程醫(yī)療系統(tǒng)的一個有利條件。此外,還需要建立標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)信息庫;開發(fā)功能可靠、操作方便的終端設(shè)備•以及接口技術(shù)問題,因為遠程醫(yī)療系統(tǒng)涉及多種醫(yī)療設(shè)備與通訊系統(tǒng)的連接,建立通用的標(biāo)準(zhǔn)接口將會減少系統(tǒng)建立時的復(fù)雜程度和節(jié)省費用;系統(tǒng)加密問題,以確保醫(yī)療數(shù)據(jù)在通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸中的安全性,維護病人的隱私權(quán);家庭以及偏遠地區(qū)的寬頻通訊問題,初期通訊網(wǎng)絡(luò)的鋪建應(yīng)考慮到遠程醫(yī)療的用途。目前,有關(guān)研究主要集中在:(1)人-機接口和通訊網(wǎng)絡(luò)的研究,主要解決各種信息的有效上網(wǎng)和傳送;(2)傳感器技術(shù)的研究,目標(biāo)在于研制有源、無線和小型的換能器,實現(xiàn)生理信號的方便而可靠、準(zhǔn)確而無損的測量;(3)各種先進的數(shù)據(jù)與圖像壓縮方法的研究,在盡可能減低有用信息丟失的同時,達到盡可能高的壓縮率,最終實現(xiàn)遠程醫(yī)療數(shù)據(jù)與圖形圖像信息的的高效傳輸;(4)醫(yī)學(xué)信息與數(shù)據(jù)傳輸安全問題的研究,為相應(yīng)的立法等提供技術(shù)保證。
二、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與三維醫(yī)學(xué)圖像處理
(一)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)
1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線,并被應(yīng)用于醫(yī)學(xué),產(chǎn)生了以X光照片為標(biāo)志的醫(yī)學(xué)影象學(xué)。此后的整個20世紀(jì)可以說是醫(yī)學(xué)成像的盛世。面對各種紛紛涌現(xiàn)的眾多成像模式,我們不僅要問:這些成像技術(shù)各有何特點?它們的發(fā)展前景又如何呢?到目前為止出現(xiàn)的所有成像方法,幾乎都與核或電磁有關(guān)。如果從利用的電磁波的頻率高低上對醫(yī)學(xué)成像模式進行分類,在靜態(tài)場領(lǐng)域有電生理成像,低頻領(lǐng)域有阻抗CT,高頻領(lǐng)域有微波CT,光領(lǐng)域有光學(xué)CT,在更高的頻率領(lǐng)域有X線CT。其中X線CT早已進入實用的階段。此外還有利用磁場相互作用機制的磁共振成像技術(shù)(MRI)。加上最近受到重視的一些功能成像方法,如功能磁共振成(fMRI)和正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)(PositronEmissionTomography,PET)等,如此眾多的醫(yī)學(xué)影象手段提供了大量的有關(guān)病人的各種信息,包括形態(tài)的和功能的、靜態(tài)的和動態(tài)的等,被廣泛應(yīng)用于診斷和治療,成為現(xiàn)代化中必不可少的手段和工具。
1•電阻抗斷層成像技術(shù)
電阻抗斷層成像技術(shù)(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是近些年來興起的一項醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。其基本思想是利用人體組織的電特性差異形成人體內(nèi)部的圖像。它通過體表電極向人體送入一交流電流,在體表不同部位測量產(chǎn)生的電壓值,由此重檢一幅電極位置平面的人體組織電特性圖像。這種圖像不僅包含了解剖學(xué)信息,更為重要的是,某些組織和器官的電特性隨其功能狀態(tài)而改變,因此圖像也包含了功能信息在內(nèi)。此外加上對人體幾乎無創(chuàng)傷、廉價、操作簡便等優(yōu)點,EIT受到了日益廣泛的關(guān)注。但由于受到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和算法等因素的限制,目前該技術(shù)并不十分成熟,基本處于實驗室階段。EIT技術(shù)根據(jù)測量目標(biāo)的不同可以分為兩類:靜態(tài)EIT和動態(tài)EIT。靜態(tài)EIT以測量對象內(nèi)部電阻(導(dǎo))率的分布為成像目標(biāo);而動態(tài)EIT則是測量對象內(nèi)部的電阻(導(dǎo))率的相對變化量的分布為成像目標(biāo)。由于動態(tài)EIT技術(shù)只需反映阻抗的相對變化量,相應(yīng)地,其算法簡便、快速,可以實時成像,而且系統(tǒng)對具體目標(biāo)形狀有較高的魯棒性。雖然由于假設(shè)條件難以滿足、推導(dǎo)過程不嚴格等缺點使得動態(tài)EIT的成像質(zhì)量不高,但由于其對人體形狀和電極擺放位置的適應(yīng)性強、能反映變化的信息等優(yōu)于靜態(tài)EIT的這些優(yōu)點,它已被用來進行臨床研究。相信隨著算法的改進和成像質(zhì)量的提高,動態(tài)EIT有望在臨床上發(fā)揮更大的作用。
2•電生理成像技術(shù)
電生理成像技術(shù)指基于體表電磁信號的觀測,進行的體內(nèi)電活動情況成像的技術(shù)。具體有心電磁和腦電磁問題兩大類。但兩類問題在技術(shù)上是密切相關(guān)的,它們分別是利用測量得到的心電圖(Electrocardiogram,ECG)和腦電圖(Electroen-cephalogram,EEG)來研究人體的功能。這里以腦電為例,其中又可以分為兩個層次,一為腦電源反演,一為成像。在成像方面,人們希望能從頭皮上獲得的空間分辨率較低的電位分布推算出皮層表面上空間分辨率較高的腦電電位分布,因也稱為高分辨率EEG成像。人們相繼發(fā)展了等效源方法(Sidmanetal,1992;Yao,2000),有限電阻網(wǎng)絡(luò)法(楊福生等,1999),和球諧譜分析方法(Yao,1995)。腦電源反演就是利用測得的頭皮電位,推算顱骨內(nèi)腦電活動源的空間位置的一項技術(shù)。其具體方法有非線性優(yōu)化算法和子空間分解算法。在這些方法中,大都是以某一時刻的電位觀測值為已知信息,唯有子空間分解算法是直接建立在一段觀測記錄之上,從而較好地同時利用了觀測記錄中的時間和空間信息,因而受到了廣泛的重視(Mosher,1992;堯德中,2000)。電生理成像技術(shù)與其它的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如CT、MRI等相比,具有其不可替代的獨特功能。它檢測的是生物體的自發(fā)(或誘發(fā))的功能信息,是一種真正的非損傷性的成像技術(shù),且可以進行長期檢測,而fMRI等只能檢測誘發(fā)的間接的功能信息。另外一個優(yōu)點就是它具有很高的時間分辨率。目前的一個重要發(fā)展方向是,電生理成像技術(shù)與其它影像技術(shù)相結(jié)合(如EEG與fMRI結(jié)合),實現(xiàn)優(yōu)勢互補,以得到兩“高”(高時間分辨率和高空間分辨率)的結(jié)果,幫助研究人員進行更精確的分析和判斷。
3•微波CT
微波CT可以說是一種比較新的成像模式,它是1978年才被提出來的。它的基本原理是:利用電磁波的傳輸特性,通過測定透過身體的電磁波來重建體內(nèi)圖像。微波CT大體可以分為兩大類:被動測定型和主動測定型。被動測定型也可以稱為無源型,利用的是由生物體發(fā)出的屬于微波范圍的那一部分電磁波,如人體熱輻射等,最終獲得熱圖像(因此,類似的還有紅外成像);主動測定型也叫有源型,是用外部入射微波照射生物體,然后利用透過微波和反射微波重構(gòu)圖像,獲得的是形態(tài)圖像。微波CT作為一種醫(yī)學(xué)成像模式,它的主要特點是,同X-CT相比更容易查出癌變組織;與超聲相比更有利于肺的診斷;不存在電離輻射的危險性。微波CT需要解決的最大問題是如何提高空間分辨率。要想提高分辨率,必須縮短波長,提高頻率,但波長愈短其在體內(nèi)的衰減愈大。同時,微波在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的衍射和散射會造成重建圖像的模糊。所以提高微波CT的圖像分辨率是一件極為困難的工作。隨著技術(shù)的進步和圖像分辨率的提高,微波CT將很有希望成為新一代的醫(yī)學(xué)成像手段。
4•光學(xué)CT
光學(xué)CT也將是21世紀(jì)的重要研究領(lǐng)域。其基本思路是將光輸入待測組織,測量其輸出,重建該組織。由于人體對可見光是屏蔽的,但對紅外或紅外波段的光有一定的穿透能力,利用它進行斷層成像。光學(xué)CT大致可以分為內(nèi)稟(Intrinsic)光學(xué)成像、光學(xué)相干層析成像、光子遷移技術(shù)成像等幾種。內(nèi)稟信號指的是,由組織活動(如神經(jīng)元活動)引起的有關(guān)物質(zhì)成分、運動狀態(tài)的改變而導(dǎo)致起光學(xué)特性發(fā)生變化,而這種變化在與某些特定波長的光量子相互作用后得到的包含了這些特性的光信號。通過成像儀器探測到這些光信號的某一時間間隔內(nèi)的空間分布,進而重建組織圖像。無損傷內(nèi)稟光學(xué)成像方法近年來正加緊研究,以期用于人腦功能的研究。光學(xué)相干層析成像,即將光學(xué)相干剖析術(shù)(OCT)用于成像,它是采用低相干的近紅外光作為光源,采用特制干涉儀完成光的相干選通,這樣接收到的信號就只包含尺度相應(yīng)于相干長度的一薄層生物組織的信息。若同時加以掃描,就能得到三維剖析圖像。OCT技術(shù)從提出至今雖然只有短短幾年的時間,但已表現(xiàn)出極為誘人的應(yīng)用前景。目前它已在視網(wǎng)膜及黃斑疾病的早期診斷,皮膚、腸、胚胎檢測等領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用。這種技術(shù)已成為國內(nèi)外在生物光學(xué)方面的一個活躍點。利用靈敏的探測器和適當(dāng)?shù)闹貦z算法,就可以確定測量組織的光學(xué)特性。通過檢測組織的光學(xué)特性,可用于腫瘤診斷、代謝狀態(tài)動態(tài)監(jiān)護、藥物分析及光動力學(xué)治療等場合。光子遷移技術(shù)成像(PhotonMigrationImaging,PMI)利用的是在紅光和近紅外光譜區(qū),生物組織的某些不同成分對于光的散射和吸收表現(xiàn)出不同特性,而且在不同生理狀態(tài)下的組織光學(xué)參數(shù)也不大相同。高頻調(diào)控的正弦入射光經(jīng)組織傳播后,由于吸收和散射延遲了光子行程時間,引起了相位和光子能量密度的變化,顯著和精確的相位變化體現(xiàn)了吸收的變化。光學(xué)方法正處于迅速發(fā)展之中,一方面,與XCT、MRI等其它成像方法相比,光學(xué)CT具有價格低廉、運行安全,另一方面,它體積小重量輕,特征信號容易獲得,技術(shù)發(fā)展成熟。光學(xué)CT還有一個吸引人的優(yōu)勢是,它在空間分辨力和時間分辨力這兩個基本的成像性能上可以說是首屈一指,目前已達約5mm的物方象素和每秒25幀以上的視頻速度。因而可以預(yù)料,光學(xué)CT會在醫(yī)學(xué)研究和臨床等方面發(fā)揮越來越大的作用。
5•正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)
正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)(PositronEmissionTomography,PET)作為一種傳統(tǒng)的核醫(yī)學(xué)成像技術(shù),它的歷史可以追溯到1932年,在那一年CarlAnderson在研究宇宙射線所拍的云室照片時發(fā)現(xiàn)了β+的存在;此后不久ErnestLawrence發(fā)明了可發(fā)射β+核素的回旋加速器,這些是實施PET的兩個不可缺少的前提條件。PET的成像原理是,將由發(fā)射正電子β+的核素標(biāo)記的藥物由靜脈注入人體,隨血液循環(huán)至全身。正電子與人體內(nèi)的電子相遇并湮滅產(chǎn)生兩個背對背的γ光子,這對具有確定能量的光子可以穿透人體,被體外的探測器接收,從而得到正電子在體內(nèi)的三維密度分布及這種分布隨時間變化的信息。PET的標(biāo)記藥物很豐富,且這些核素的半衰期都很短,病人所受到的輻射劑量可以說是微乎其微,并可在短期內(nèi)進行重復(fù)測量。盡管PET具有近乎無損的測量、三維動態(tài)成像、定量檢測化學(xué)物質(zhì)分布及實現(xiàn)真正的功能成像等獨特的優(yōu)點,但早期由于對短壽命核素認識的不足及探測技術(shù)缺乏等原因,直到1976年第一臺全身(whole-body)PET才正式投入市場并應(yīng)用于臨床。此后PET才真正開始進入了一個蓬勃發(fā)展的時期。目前全世界已有上百家的PET中心,利用PET進行臨床醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、腦科學(xué)等方面的研究。在臨床方面,主要用于診斷神經(jīng)類疾病、心臟疾病、癌癥等,也可輔助設(shè)計治療方案和評估藥物療效,并可用于探討一些神經(jīng)類疾病的發(fā)病機制。因為各種精神類疾病,如癲癇、精神分裂癥、癡呆等,以及腦腫瘤、腦血管病等,都將引起血流、葡萄糖和氧代謝的異常,PET即可通過測量這些生理參數(shù)來診斷疾病。同時,PET的獨特優(yōu)點也給神經(jīng)科學(xué)提供了觀測手段,被越來越多地用來研究人類的學(xué)習(xí)、思維、記憶等的生理機制,幫助人類進一步了解自身。因為給正常人不同的刺激(如光、語言等)或讓其進行不同的活動(如記憶、學(xué)習(xí)、喜怒哀樂等),也將引起不同腦區(qū)域的血流和代謝的變化,進而幫助研究腦的功能。相信在不遠的將來,隨著PET技術(shù)的進一步成熟,PET將會成為診斷和研究上不可缺少的工具。
6•X-線成像技術(shù)
X-線成像技術(shù)可以說是在醫(yī)院當(dāng)中應(yīng)用的最傳統(tǒng)、最廣泛的一種醫(yī)學(xué)影象技術(shù)。X-線圖像建立在當(dāng)X-線透過人體時,各種臟器與組織對X-線的不同吸收程度的基礎(chǔ)上,因而接收端將得到不同強度的射線,傳統(tǒng)的做法是將之記錄在膠片上得到X膠片。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,這種傳統(tǒng)方法的弊端日趨突顯出來。當(dāng)X-線圖像一旦形成,其圖像質(zhì)量便不能做進一步改善;不便于計算機處理,也不便于存儲、傳輸和共享等。在評價20世紀(jì)X成像技術(shù)時,多數(shù)資深專家均認為影像的數(shù)字化是最新、最熱門及最重要的進展。數(shù)字化成像可以利用大容量磁、光盤存儲技術(shù),以數(shù)字化的電子方式存儲、管理、傳送、處理、顯示醫(yī)學(xué)影象及相關(guān)信息,使臨床醫(yī)學(xué)徹底擺脫對傳統(tǒng)硬拷貝技術(shù)的依賴,真正實現(xiàn)X-攝影的無膠片化。目前采用的直接數(shù)字化X-線影象的方法主要有兩種:直接X-線影象探測儀(DirectRadiographyDetector,DRD)和平板探測儀(FlatPanelDetector,FPD)。DRD最早由Sterling公司申請專利,現(xiàn)已進入商品化階段。FPD由Trexell公司研制成功。這兩項技術(shù)的發(fā)展方向均是設(shè)法進一步提高分辨率和實時性。數(shù)字影像可以說是伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運而生。1981年第15屆國際放射醫(yī)學(xué)會議上首次展出了數(shù)字放射新產(chǎn)品。進入90年代中后期,國外已經(jīng)推出了多種新型的數(shù)字化X-線影象裝置;傳統(tǒng)X-線裝置中的X-線乳腺影像設(shè)備也已數(shù)字化。到目前為止,市場上的數(shù)字化的X-線影像設(shè)備已占70%以上。可以預(yù)期,數(shù)字化的X-線影像設(shè)備將逐步成為市場的主宰,并將使21世紀(jì)的X-線診斷發(fā)生令人矚目的變化。
7•磁共振成像(MRI)
在磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)領(lǐng)域,自從1946年哈佛大學(xué)的E•M•Purcell和斯坦福大學(xué)的F•Bloch發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象并因此獲得1952年諾貝爾物理獎起,直到70年代初,它一直沿著高分辨核磁共振波譜學(xué)的方向發(fā)展,成為化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域研究分子結(jié)構(gòu)不可缺少的分析工具。1972年R•Damadian注冊了第一個關(guān)于核磁共振成像的專利,提出了磁共振成像的思想,并指出可以用磁共振成像儀掃描人體檢查疾病。1982年MRI掃描儀開始應(yīng)用于臨床。由于質(zhì)子(1H)結(jié)構(gòu)簡單,磁性較強,是構(gòu)成水、脂肪和碳水化合物的基本成分,所以目前醫(yī)學(xué)上主要利用質(zhì)子(1H)進行MRI成像。其成像主要利用磁共振原理,以一定寬度的射頻脈沖磁場使具有磁性核的原子產(chǎn)生共振激發(fā);被激發(fā)的原子核的退激時間的長短反映了磁性核周圍的環(huán)境情況。通過測量生物組織退激過程中磁化強度的變化,即可獲取反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。磁共振成像由于其空間分辨率高、對人體危害性小、又能提供大量的解剖結(jié)構(gòu)信息等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于臨床診斷。隨著技術(shù)的發(fā)展和需求的提高,動態(tài)成像或功能成像是未來世紀(jì)MRI的研究方向(functionalMRI,fMRI)。一個成功的應(yīng)用是用外面的造影劑或內(nèi)生的血氧度相關(guān)效應(yīng)(BOLD)描述視覺皮層的活動。BOLD的成像原理是基于血紅蛋白的磁化率隨脫氧過程而急劇變化。在靜脈血管內(nèi)脫氧血紅蛋白濃度發(fā)生變化時,會在血管周圍引起磁場畸變,而這種變化可以被探測記錄下來。在功能神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域中,BOLD成像有很多優(yōu)點。這類研究完全非侵入性,產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)與解剖結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)是完全配準(zhǔn)的。BOLD技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較好,它在解釋大腦在正常和病理狀態(tài)的功能方面很有前途。迄今為止,fMRI雖然只有短短幾年的歷史,但理論與實驗都已取得了許多有重要意義的結(jié)果。它的最大優(yōu)點是無損傷(不用外源介質(zhì)),可以直接進行反復(fù)的非侵入性的功能測量。與同樣屬于功能成像的PET相比,fMRI則是更新的技術(shù),成像速度比PET快,而且提供了更好的空間分辨率。fMRI未來的發(fā)展方向是,一要進一步加強對fMRI信號的實質(zhì)的認識和理解,這是基本的前提。另一方面,從實驗設(shè)備的硬件和軟件的結(jié)合上進一步提高靈敏度和分辨率(包括時間分辨率和空間分辨率),這是核磁共振現(xiàn)象的本質(zhì)決定的一個永恒的研究主題。除了以上與電磁或射線相關(guān)的成像技術(shù)外,還有基于超聲波的多種結(jié)構(gòu)、組織和功能的成像技術(shù),這里不再詳述。
(二)三維醫(yī)學(xué)圖像處理
醫(yī)學(xué)圖像處理是指對已獲得的圖像作進一步的處理,其目的或者是使不夠清晰的圖像復(fù)原,或者是為了突出圖像中的某些特征信息,或者是對圖像做模式分類等。隨著技術(shù)的發(fā)展,醫(yī)學(xué)圖像的處理已開始從二維轉(zhuǎn)向了三維,以求從中獲得更多的有用信息。三維醫(yī)學(xué)圖像分析所包含的研究問題很廣,目前主要有:圖像的分割、邊緣檢測、多模式圖像和數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)(Registration)和融合(Fusion)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、圖像的快速重建和顯示、圖像處理算法性能評估、信息集成(Informationintegration)和傳輸技術(shù)等。所有這些的研究都可以集中到如下兩個方面:
1•圖像的融合和可視化
醫(yī)學(xué)影象技術(shù)的發(fā)展為臨床診斷和治療提供了包括解剖圖像和功能圖像在內(nèi)的多種圖像模式。臨床上通常需要將同一個病人的多種成像結(jié)果結(jié)合起來進行分析,以提高醫(yī)學(xué)診斷和治療水平。比如在放射治療中,CT掃描可以用于計算放射劑量的分布,而MRI可以很好地定位病灶區(qū)域的輪廓。常規(guī)的方法(如將幾張圖像膠片掛在燈箱上)使醫(yī)生很難對幾幅不同的圖像進行定量分析,首先要解決的這幾幅圖像的嚴格對準(zhǔn)問題。所謂醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)與融合,就是通過尋找某種空間變換,用計算機圖像處理技術(shù)使各種影象模式統(tǒng)一在一個公共坐標(biāo)系里,融合成一個新的影象模式顯示在計算機屏幕上,使多幅圖像的對應(yīng)點達到空間位置和解剖結(jié)構(gòu)上的完全一致,并突出顯示病灶或感興趣部位,幫助醫(yī)生進行臨床診斷,制定放射治療計劃和評價等。近年來醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)和融合技術(shù)的研究和應(yīng)用日趨受到醫(yī)學(xué)界和工程界的重視。對醫(yī)學(xué)圖像匹配方法的分類可以有多種不同的標(biāo)準(zhǔn)。1993年,VandenElsen等人對醫(yī)學(xué)圖像匹配的方法進行了分類,歸納出了多達七種分類標(biāo)準(zhǔn)。一般的匹配方法的實現(xiàn)步驟為:特征提取;特征配對;選取圖象之間的幾何變換、確定參數(shù);執(zhí)行變換。基于特征點選取的不同,匹配算法可以分為兩種:基于外部特征的圖像配準(zhǔn)方法和基于內(nèi)部特征的圖像配準(zhǔn)方法。基于外部特征的圖像配準(zhǔn)通常是在研究對象上設(shè)置一些標(biāo)志點(如采用螺絲植入骨頭方法固定立體定位框架等),使這些標(biāo)志點在不同的影象模式中均有顯示,然后以這些共同的標(biāo)準(zhǔn)點為標(biāo)準(zhǔn)對圖像進行配準(zhǔn)。這種配準(zhǔn)方法因為不受圖像畸變等因素的影響,所以精度很高,可達1~2mm,可以作為評估基于內(nèi)部特征的圖像配準(zhǔn)方法的標(biāo)準(zhǔn)。但其植入式的特點會給患者帶來一定的痛苦,一般僅限于手術(shù)室使用。目前的研究集中在基于內(nèi)部特征的圖像配準(zhǔn)方法上,這種方法一般是用圖像分割方法提取醫(yī)學(xué)圖像中相對運動較小的解剖結(jié)構(gòu),如點(血管分叉點等)、2D輪廓線、3D曲面等。用這些提取出來的特征對之間的位置變化和變形來確定圖像之間的變換和配準(zhǔn)。配準(zhǔn)的精度取決于圖像分割的準(zhǔn)確性。這種方法優(yōu)點之一就是其回溯性,即以前獲取的圖像(沒有外標(biāo)記點)也可以用內(nèi)部特征點進行匹配。目前,基于內(nèi)部特征的圖像配準(zhǔn)方法比較成熟并已廣泛應(yīng)用于臨床。但目前大多數(shù)模糊動態(tài)圖像的精確分割和特征提取仍是一個尚未完全解決的問題。最近又發(fā)展了一種直接利用所謂的基于體素相似性的配準(zhǔn)方法,又稱為相關(guān)性方法,它是直接利用不同成像模式的灰度信息的統(tǒng)計特性進行全局最優(yōu)化匹配,不需要進行分割和特征提取。因此這種方法一般都較為穩(wěn)定,并能獲得相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果。但是它的缺點是對圖像中的噪聲信號敏感,計算量巨大。在目前出現(xiàn)的各種相關(guān)性算法,如互相關(guān)法(correlation)、聯(lián)合熵法(jointentropy)、相對熵法(relativeentropy)等算法當(dāng)中,臨床評估的結(jié)果是相對熵法(又稱為互信息法,mutualinformation)是最精確的。醫(yī)學(xué)影像的三維重建和可視化也是一個值得關(guān)注的問題。常規(guī)影像如CT、MRI等得到的均為組織的二維切片,醫(yī)生很難直接利用它們進行分析、診斷和治療。三維醫(yī)學(xué)圖像的重建將有助于觀察復(fù)雜結(jié)構(gòu)的立體形態(tài);有利于醫(yī)生制定放射治療計劃;有助于神經(jīng)外科手術(shù)的實施;有助于對不同治療方案進行評估等。對三維圖像重建算法的研究,近幾年來國內(nèi)外學(xué)者進行了許多探討。目前通用的做法是,先從切片圖像中提取出物體輪廓信息,重建三維結(jié)構(gòu),再由計算機圖形學(xué)中的光線跟蹤法(RayTracing),根據(jù)一定的光照模型和給定的觀察角度、光源強度和方位來模擬自然景物光照效果,計算物體表面各點的灰度值,最終構(gòu)成一幅近似自然景物的三維組織或器官圖像。目前各種各樣的圖像所涉及的數(shù)據(jù)量越來越大,各種算法也越來越復(fù)雜,所以處理時間也較長,而用戶則希望實時、快速地得到圖像處理結(jié)果,及時用于診斷與治療。因此,醫(yī)學(xué)圖像處理的加速也是一個主要的研究方向。為了提高系統(tǒng)的運行速度,當(dāng)然有許多方法可以考慮。除了算法上的改進外,應(yīng)用多處理器進行醫(yī)學(xué)圖像處理與分析的加速是一種不錯的方法。在有些情況下可以直接利用DSP進行加速。
2•基于影象的計算機輔助治療方法及系統(tǒng)
發(fā)展各種醫(yī)學(xué)影象的最終目的就是為了更細致的了解人體的結(jié)構(gòu)和功能,輔助醫(yī)生對病人做出診斷和治療,提高人類的生活質(zhì)量。目前以此為目標(biāo)的研究主要有:基于影象的三維放療計劃系統(tǒng)、立體外科手術(shù)仿真系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)中的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等。在過去的放射治療時,先有醫(yī)生根據(jù)CT或MRI膠片上的定位標(biāo)志點來計算病灶的三維坐標(biāo),然后根據(jù)病灶位置和形狀布置焦點,經(jīng)計算機計算出等劑量線,在燈箱上用打印輸出的劑量線與膠片上的病灶進行對比,如不吻合則重新規(guī)劃焦點。反復(fù)重復(fù)直到滿意為止。最后計算出每個焦點的治療時間?？偟恼f來這個過程很不方便,而且可能會引起很大的誤差。目前臨床上開始采用的三維放射治療計劃系統(tǒng)則大大方便了腫瘤醫(yī)師的工作。在整個治療計劃的計算機化過程中,可以說是涉及到了三維醫(yī)學(xué)圖像處理的各個環(huán)節(jié),如圖像配準(zhǔn)與融合、輪廓提取、三維重建等。三維放療計劃系統(tǒng)的推出不僅提高了醫(yī)生的工作效率,而且精度大大提高,是以后腫瘤治療中心制定放療計劃的常規(guī)工具。今后放射治療的方向是適形放射治療(ConformalRadiotherapy,CR)。該方法通過旋轉(zhuǎn)照射或靜態(tài)多射野照射,使得高劑量區(qū)劑量分布的形狀在三維上與靶區(qū)(病灶)的實際形狀一致,同時盡可能地降低靶區(qū)周圍的健康組織和重要器官(如脊髓)的照射量,從而大大提高治療效果。CR由于能夠調(diào)整射野內(nèi)的射線強度分布,故又稱為調(diào)強放療(Intensity-modulationRadiotherapy,IMRT)。調(diào)強算法根據(jù)醫(yī)生指定的限制因素計算每個射野的最接近醫(yī)生要求的強度分布,是一個典型的多參數(shù)優(yōu)化問題。1989年,英國科學(xué)家S•Webb首次提出采用模擬退火法求解最佳強度分布。此后各種調(diào)強算法可以說是層出不窮,成為當(dāng)今放療中的一個熱點。隨著多葉準(zhǔn)直器技術(shù)(Multiple-LeafCollimator,MLC)的發(fā)展,醫(yī)生可望給出單次腫瘤致死劑量,起到外科手術(shù)的效果。虛擬現(xiàn)實(VirtualReality,VR)就是力求部分或全部地用一個計算機合成的人工環(huán)境代替一個現(xiàn)實世界的真實環(huán)境,讓使用者在這個三維環(huán)境中實時漫游和交互操作。VR是綜合人機界面、圖形學(xué)、傳感技術(shù)、高性能計算機和網(wǎng)絡(luò)等的一門新興學(xué)科,涉及學(xué)科面廣且發(fā)展十分迅速。VR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣泛,Rosen認為,VR將構(gòu)成最終實用的手術(shù)模擬器。隨著醫(yī)學(xué)成像可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家們已經(jīng)有可能建立起一個具有部分人體特性的虛擬人體。由美國國家醫(yī)學(xué)圖書館(NLM)發(fā)起的可視人計劃(VisibleHumanProjects,VHP)正是基于這樣的目的。虛擬人體可以提供模擬的診斷、治療、計算機成像、內(nèi)窺鏡手術(shù)等等。例如在內(nèi)窺鏡手術(shù)中,外科醫(yī)生通過觀察電視屏幕來操作插入病人體內(nèi)的手術(shù)器械。虛擬環(huán)境技術(shù)可大大改善這種手術(shù)過程。事實上,虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)(Virtualendoscopy)是目前發(fā)展比較快的一個方面。
三、網(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)儀器人才的培養(yǎng)
生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的范疇很廣,各高校的側(cè)重點各不相同。我校本學(xué)科專業(yè)與其它高校相比具有明顯的時代特色。我們一向以電子學(xué)、計算機科學(xué)為支撐平臺,強調(diào)與生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療儀器相結(jié)合,在醫(yī)療儀器的智能控制、管理方面有很強的優(yōu)勢。隨著以上醫(yī)學(xué)信息技術(shù)的發(fā)展,我們提出了依拓本校的優(yōu)勢專業(yè)如通信、計算機、自動控制、儀器測試等,在我校生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化醫(yī)學(xué)儀器方向人才的設(shè)想。
(一)培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)儀器人才的依據(jù)
計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展,世界正進入一個數(shù)字化的時代。在醫(yī)療領(lǐng)域,數(shù)字診斷設(shè)備也逐漸成為一種新標(biāo)準(zhǔn),被越來越多的醫(yī)院和用戶所接受。各大廠商相繼推出數(shù)字X光機、CT、B超等,在一些發(fā)達國家,已經(jīng)取代常規(guī)設(shè)備成為臨床診斷的主流。醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)到了一個更新?lián)Q代的時期。而DICOM標(biāo)準(zhǔn)的制訂,則使醫(yī)療信息實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)模式的資源共享和遠程傳輸。無疑,數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化將是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展的主流。而遠程醫(yī)療系統(tǒng)則以其迅猛的發(fā)展勢頭為人們勾畫出了一幅“讓每一位醫(yī)生都成為專家,讓每一位患者都能請得到專家”的美好前景。社會的需求為高等院校的人才培養(yǎng)提出了新的要求,同時具有醫(yī)學(xué)知識和網(wǎng)絡(luò)技能的復(fù)合型人才將會受到社會的廣泛青睞?！熬W(wǎng)絡(luò)化醫(yī)學(xué)儀器”作為本學(xué)科領(lǐng)域出現(xiàn)的新方向,在國內(nèi)外沒有現(xiàn)成的模式可以借鑒,為此我們提出了以下建設(shè)計劃。
