發布時間：2023-12-26 10:41:30
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的生物醫學電磁技術樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，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、電磁生物醫學工程，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試測試系統，這樣就使得測量效率降低而成本增加.本研究依據諧振腔微擾法理論，設計了電磁分離的實驗測試系統.在該系統中，選取了TE10p（p取奇數）諧振腔諧振模式，采用一腔多模動態掃頻法，對多種樹木的介電常數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和損耗特性，極大地減少了單頻多次測量過程中調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反復的測量驗證，測量誤差均小于1%.
關鍵詞：
微擾法；一腔多模；動態掃描；介電特性檢測
中圖分類號： TM931文獻標志碼： A
近年來，隨著材料制造業的快速發展，許多新材料被廣泛用于軍事、醫學和航空航天等領域.研究和測量材料的介電性能參數具有十分重要的意義[1].由于電磁波對物質特性的非電量測量具有快速、無損的優點，利用微波測量材料介電常數和磁導率的技術被廣泛應用，測量范圍涉及到軍事、工業、農業、食品、醫學和生命科學的各個領域.
生物體的介電性能參數對于農業、醫學和生命科學等相關研究具有十分重要的意義.在生物體內，各種酶的活性中心與介電性能參數有著密切的關系，介電特性直接影響著生物的生理、生長、代謝循環等功能.對于植物和樹木的介電特性測量與研究，國內外相關刊物已有報導[2-6].
微波對物質介電特性的無損檢測在材料制造、武器裝備、工農業生產中得到了廣泛的應用，而微波諧振腔微擾法檢測具有測量精度高，操作簡單等優點，成為了無損檢測的熱點[7-9].目前，絕大多數的諧振腔微擾法檢測僅是在單一電磁波頻率下的測量，要得到物質在其他頻率下的介電特性，需要變化頻率，重新調配測量系統，調諧諧振腔.這樣不但操作繁瑣還會降低測量精度.
植物的介電常數與磁導率是電磁波頻率的函數，如何在不同頻率下快速、準確地檢測材料的介電特性，一直是電子檢測技術的熱門話題.本研究應用現代網絡掃頻技術，采用一腔多模動態掃頻法對多種樹木的介電特性和引起的介質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，測量結果可為農業與生物醫學相關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
實驗系統與方法
4
結果與討論
由表3可知，隨著頻率的增大，樹木的介電常數逐漸減小，而損耗逐漸增大.結果表明，樹木種類不同，介電常數不同；樹木種類相同但品種不同，介電常數也不相同；同一種類樹木的老枝和新枝，介電常數也存在差異.各種樹木的相對介電常數大約在3.0左右浮動，差異不大.只有櫻桃的相對介電常數約為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相對較高，生長較快且耐旱性能差的樹木介電常數相對較低.該檢測方法具有快速、操作方便、測量精度高的優點.研究結果對于植物和生命科學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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生物醫學工程學科（BiomedicalEngineering,簡稱BME）是一門由理、工、醫相結合的邊緣學科,是多種工程學科向生物醫學滲透的產物。它運用了現代自然科學和工程技術的原理和方法,從工程學的角度,在多層次上研究人體的結構、功能及其相互關系,揭示其生命現象,為防病、治病提供新的技術手段，其目的是解決醫學中的有關問題，保障人類健康，為疾病的預防、診斷、治療和康復服務。生物醫學工程學科的最大的特點即是一門高度綜合的交叉學科。生物醫學工程興起于20世紀50年代，它與醫學工程和生物技術有著十分密切的關系，而且發展非常迅速，成為世界各國競爭的主要領域之一。生物醫學工程學這個名詞最早是出現在美國。1958年在美國成立了國際醫學電子學聯合會，1965年該組織改稱國際醫學和生物工程聯合會，后來成為國際生物醫學工程學會。生物醫學工程學除了具有很好的社會效益外，還有很好的經濟效益，前景非常廣闊，是目前各國爭相發展的高技術之一，現今市場規模可達1000～2000億美元。生物醫學工程學的學科內容包括了生物信息學、生物力學、各種醫療儀器裝備、醫學物理學以及醫學材料等，它的發展將隨著世界高技術的發展，如航天技術、微電子技術等的發展而得到長足進步。
隨著生物醫學工程學科的高速發展，對相關人才的需求日益增大，為此，我國有大量的醫科、藥科大學、綜合大學和理工科院校都設置了生物醫學工程從本科到博士的專業及領域。在2008年4月北京舉行的“亞太生物醫學工程國際會議”上，各種院校生物醫學工程學科專業教育、課程建設等問題被提出并進行探討，對于交叉學科教育教學模式的創立進行了研究，說明這一問題已經成為高校教育教學研究的熱點。本文在對生物醫學工程學科特色、對醫科藥科、綜合性大學、理工科大學辦學特點進行分析的基礎上，對于在各類院校中設置的生物醫學工程專業的特色建設進行闡述。
1生物醫學工程專業內容特色概述
生物醫學工程是一門新興的邊緣學科，它綜合了工程學、生物學和醫學的理論和方法，在各層次上研究人體系統的狀態變化，并運用工程技術手段去控制這類變化。其學習內容包括以下幾個方面。生物醫學工程專業人才培養特色的探討敏楊禹陳國明劉盛平（重慶理工大學藥學與生物工程學院）
1.1醫學影像技術
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設備進行成像的技術，現還有正在興起的阻抗成像技術等。
1.2醫用電子儀器裝備
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，現在使用較多的是心腦電、肌電圖儀和多參數的監護儀等，而通過體液來了解人體內生物化學反應過程的生物化學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備，如X射線深部治療機、體外碎石機、人工呼吸機等。手術設備如γ刀、激光刀、呼吸麻醉機、監護儀、X射線電視等。現代化醫療技術中還將設備功能更加多樣化、復雜化。
1.3生物力學
主要是研究生物組織和器官的力學特性，人體力學特性和其功能的關系。其中包括生物流變學（血液流變學）、軟組織和骨骼力學、循環系統動力學和呼吸系統動力學等。
1.4生物材料
即人工器官、組織工程所需要的物質與材料，其大多數是需要植入人體，需要具備耐腐蝕、化學穩定性，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，根據所需還應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生物效應與生物控制
生物效應是指在醫療診斷和治療中，光、聲、電磁輻射和核輻射等能量在機體內的分布、變化等作用。而生物控制則是機體自身的調節控制現象。采用生物、化學的方法對這些情況加以認識。其他還有介入式診斷、治療等。生物醫學工程最為競爭激烈的領域在醫學成像技術上，其中以圖像處理、阻抗成像、磁共振成像、三維成像技術以及圖像存檔和通信系統為主。而對醫學信號的處理分析，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，以及神經網絡的研究處理也是目前世界各國研究與學習的熱點。作為生物醫學工程專業的本科學生，將從業于該領域的研究、設備研發及制造、使用、維修養護等。所具備的知識體系是從物理化學基礎、工程學到醫學，十分廣泛，僅四年內進行如此龐大的知識學習，學生將會呈現基礎知識欠缺而專業知識也不深入的問題。為此，我們就醫科大學、理工科大學、綜合性大學各自特點進行了調研與分析，在此基礎上，提出了生物醫學工程本科學習建立特色課程體系的見解。
2生物醫學工程專業人才的培養特色的研討
我國生物醫學工程本科專業分別在醫科類大學、綜合大學與理工科類大學中均有設置。由于生物醫學工程具有典型交叉特性，該專業的畢業生的就業方向有運用醫學影像學技術、醫學信息學技術等在醫院進行疾病診斷及治療，有運用基礎數學、物理、化學知識進行理論創新與實踐，更多的是運用工程技術進行醫療器械、設備裝備的研發、制造與維護管理等。由于生物醫學工程龐大的知識體系，無法由某一個從業人員掌握，需要各方向的協作與合作，由此認為，設置于醫科類大學、綜合大學與理工科類大學的生物醫學工程專業應有各自的特色。
2.1醫科類大學生物醫學工程專業人才的培養特色
2.1.1人才培養目標
作為醫科大學，其專業人才培養具有鮮明的醫學特色與優勢。醫科類大學生物醫學工程相關專業的人才，其就業方向更多應以進入醫院從事常規放射學、CT、核磁共振、DSA等的操作及計算機操作，運用各種影像、信息等診斷技術進行疾病診斷或治療，所以其培養的人才首先應學習并具備醫學的專業知識，然后才是具備基于醫學專業領域需要的現代醫療儀器的研發與使用、管理能力的知識體系的學習，成為擁有工學知識及應用能力的醫學應用型、復合型高級人才，畢業后所從事的仍是醫藥衛生領域工作，在醫院設備使用、維護、管理方面起重要作用。因此其課程的設置應該與工科類生物醫學工程側重點不同。如在一般醫科大學中都設有生物醫學工程專業，以及與此相關的醫學影像學專業、醫學信息學專業等，其培養目標就應以“培養具有基礎醫學、臨床醫學和現代醫學生物醫學工程（如影像學、信息學等）的基本理論知識及能力，能在醫療衛生單位從事醫學診斷、治療（或信息管理等）和醫學成像（或醫學信息等）技術等方面工作的醫學高級專門人才”為主。相應的培養要求應在于“學習基礎醫學、臨床醫學、醫學影像（或信息學、醫學超聲學等）的基本理論知識，受到常規放射學、CT、核磁共振、DSA、核醫學影像學、信息學、醫學超聲等操作技能的基本訓練，具有常見病的影像診斷、超聲治療和介入放射學操作基本能力，基本的儀器（裝備）維修保養能力”上。#p#分頁標題#e#
2.1.2課程設置
基于醫科大學的特色，其主干課程應注重基礎醫學、臨床醫學，同時開設基于醫學特色的工學、工程學課程。具體如基礎類的基礎數學類、物理類、化學類、計算機類，如高等數學、普通物理學、有機化學、生物化學、微機原理及應用等課程，基礎和臨床醫學類課程，如人體解剖學、生理學、診斷學、內科學、外科學、兒科學、婦產科學、藥學、中醫學、中藥學、衛生管理等課程，然后按照各高校側重設置傳統生物醫學工程的工學類、工程類課程，如模擬電子、數字電子技術、傳感器、數字信號處理、醫學圖像處理、醫用儀器原理、醫學影像儀器、檢驗分析儀器、臨床工程學、人體形態學等，部分專業可設置如力學類、機械工程類、有機材料或金屬材料類課程。雖然是同一生物醫學工程專業，但需要按照本校特色來設置課程，切忌大而全無特色，或各高校均設置同樣課程。這是違背了生物醫學工程高度交叉學科的學科特色的。
2.2綜合性大學工科以及理工科大學生物醫學工程專業人才的培養特色
2.2.1人才培養目標
現今綜合性大學工科以及理工科大學基本上都設有生物醫學工程專業，如北京大學工學院、浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院、東南大學生物科學與醫學工程學院，四川大學高分子科學與工程學院等，各具特色。以東南大學生物科學與醫學工程學院為例，其前身是生物科學與醫學工程系，創建于1984年。學院的科學研究及學生培養方向就是強調生命科學與電子信息科學學科的交叉與滲透，應用電子信息科學理論與方法解決生物醫學領域中的科學問題，發展現代生命科學技術。其人才培養目標在于“培養掌握生物醫學工程專業知識，掌握分析與健康相關的生物醫學工程問題的方法，并具備綜合應用所學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結合復合型優秀人才”。即更加注重于培養工程與醫學相結合的復合型人才，這些專業人才的從事的工作更多是在用于醫學診斷、治療的儀器設備的設計、研發及制造、維護等上面。而四川大學的生物醫學工程專業的培養目標，按照其特色制定為“以工程為主，以從事生物醫學工程教學科研的相關學科為依據，培養從事生物力學、生物材料、人工器官等相關方面的研究、開發、生產的高級專門人才。”，偏向于材料工程學。由此可知，在綜合性大學工科以及理工科大學中，生物醫學工程專業應更注重工學、工程學內容，其培養目標就應以“培養具有現代醫學生物醫學工程（如機械、電子、材料、計算機在醫學中應用等）的基本理論知識及能力，能在醫療設備相關企事業單位從事設備（或裝備）設計研發、制造、維修維護、管理等方面工作的高級復合型專門人才”為主。相應的培養要求應更多的學習工學的基本理論知識，受到常規醫療裝備、設備等設計、研發、操作、維護維修、管理技能的基本訓練并具有相應能力”上。
2.2.2課程設置
基于工科特色，其主干課程應注重工科基礎理論的學習，了解醫學基礎知識，同時學習機械、電子、材料、計算機應用于醫學中而派生的專業課程。如將特色定在醫療設備制造等方向上的生物醫學工程專業，其基礎類課程更加強了基礎數學、物理的學習，設置了較多學分的高等數學、線性代數、概率論與數理統計、大學物理及實驗等，醫學類課程設置了基礎醫學與實驗，涵蓋人體解剖學知識，專業基礎課和專業課設置了生物醫學數學基礎、電路及模擬電子技術及實驗、數字電路與邏輯設計及實驗、微機原理與接口技術及實驗、VisualC++程序設計及實驗、信號與系統、EDA技術、計算機硬件控制基礎、單片機原理及應用、醫學成像原理、醫學影像系統、生理信號檢測、生理信號處理、醫學圖像處理、醫學儀器設計與實現、醫學傳感器、醫學光學、醫學超聲、醫學材料等，同樣，課程設置也應按照本校特色加以取舍。
本叢書共分為四卷，分別是，第一卷：科學基礎，技術和應用；第二卷：納米光子結構與材料；第三卷：光子技術和儀器；第四卷：生物醫學光子學，光譜學和顯微鏡。本叢書內容包含整個現代光子學的內容；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用；緊密扣合現代光學的迅速發展。本卷各個章節均由該領域的頂尖科學家撰寫。
本叢書的編者也是本書的作者David L. Andrews致力于基礎光子學和能源運輸、光機械力和非線性光學現象的研究。他發表了超過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容。他所在的研究組重點研究方向是納米分子系統中基于納米光學的操縱和交換，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系，特別是與加拿大、立陶宛、新西蘭和美國的相關研究小組。David L. Andrews還是皇家化學學會物理研究所的院士、國際光電工程學會SPIE會員，以及光學和光子學國際協會成員。
本書是光子學系列叢書的第一卷： 科學基礎，技術和應用。本書以通俗易懂的語言，介紹了現代光子學中從統計光學到量子光子學涉及到的基礎技術和應用，也包含這些技術和應用所依據的基本物理原理。本卷所討論的主題有：光子、相干性和統計光學、復雜光與奇點光學、電介質電動力學、快光與慢光、全息光學、多光子過程、光角動量、光力及捕獲和操縱、偏振態、量子電動力學、量子信息與計算、量子光學、共振能量轉移、表面光學、超短脈沖現象。
本書章節內容包括：1.光子；2.相干性和統計光學；3.空間變化的偏振光；4.量子光學；5.壓縮態光；6. 材料電磁理論；7.納米光子學表面和腔；8.量子電動力學；9.多光子過程；10.軌道角動量；11.光學中的螺旋性和電磁對偶轉換；12.慢光和快光；13.阿秒物理：原子和固體的阿秒條紋光譜學
本書適用于物理專業研究生階段的學生，光子學方向的工程師、學術研究人員及該領域的研究生、大學講師、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生研究院等機構。
楊盈瑩，副研究員
（中國科學院半導體研究所）
Yang Yingying，Assistant Professor
（Institute of Semiconductors，CAS）David L.Andrews
Photonics
Volume 2，Nanophotonic Structures
and Materials
2015
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生物醫學工程（biomedicalengineering，BME）是應用自然科學和現代工程技術的原理與方法，多層次研究人體結構、功能及其生命現象，研究用于防病、治病、人體功能輔助及衛生保健的制品、材料、裝置和系統的交叉性邊緣學科。其主要的特點是多學科交叉、理工醫結合，工程性和實踐性很強。在軍醫大學這樣的醫科院校中培養工程技術人才，必須要改變原有培養醫科學生的模式，采取適應工程技術人才培養特點的教學體系，突出工程性，強調實踐性教學。改變現有實踐教學模式，構建新的實踐教學體系，是生物醫學工程專業建設和人才培養中需要體現的重要內容[1]。
2生物醫學工程專業學員創新實踐能力培養的探索與經驗
我校生物醫學工程專業五年制本科人才培養的目標是：“面向我軍衛勤保障的需要和軍事醫學的發展，培養具有生物醫學、電子技術、信息技術和軍事醫學電子衛生裝備等專業知識，具備將生物醫學與電子信息技術相結合的能力，能夠從事軍事醫學電子衛生裝備研究、設計、管理、使用和維修工作的高級工程技術人才。”由于我校生物醫學工程專業的培養方向是生物醫學電子工程，這是一門科技含量高、技術密集、應用性強的學科，其基礎理論、創新探索都必須依賴實踐來驗證。因此，實踐教學占據著戰略性地位，是培養創新型人才的關鍵環節。根據我校生物醫學工程人才培養目標，突出工程特性，培養具有電子技術創新精神和實踐能力的人才是該專業建設的基本任務，學生的綜合素質和創新能力不僅需要通過基礎理論和專業理論的學習來培養，更要通過實踐教學各個環節來鍛煉，以使學員不斷提高創新實踐能力并將所學理論知識和實踐技能應用于實際醫學問題的解決中。我們主要采取了以下做法：
2.1注重基本實驗技能訓練，重組課程實驗教學內容
電子技術與信息技術教學包含了一系列課程（電路原理、模擬電子技術、數字電子技術、信號與系統、數字信號處理、傳感器原理、醫學電子儀器等等），對這些課程的實驗項目進行精選、整合、改造，實現以基礎性實驗、綜合性實驗教學模塊為基礎的分層遞進的實驗教學內容。對現有的實驗進行優化整合，主要目的是配合理論教學，使學生熟悉理論知識和掌握基本實踐技能，提高教學效益，在不增加現有實驗課學時的前提下，適當開設綜合性實驗。
2.2培養綜合運用知識能力，強化綜合性設計性實驗
在專業基礎課實驗中，將過去模擬電子技術、數字電子技術等課程中的設計性實驗設置為相對獨立的綜合設計性實驗，主要通過自主探索的形式培養學生獨立思考、協作攻關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練的目的。具體方法是教師編列實驗題目，提出技術要求。題目的難度與學生的水平相適應，題目的內容與專業方向及學生興趣相吻合。學生以小組為單位自行選題，通過查閱文獻資料，優化技術路線，獨立開展實驗等環節實施綜合訓練。使學生能夠較系統地掌握從選題、方案論證、電路設計、電路實現以及裝配調試，到最后的總結報告和文檔整理等全過程的各個環節。通過上述實驗課教學改革，有效調動了學生學習的積極性和主動性，培養了學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，培養分析解決問題能力
開展了多種類型和內容豐富的第二課堂活動，這既是課程教學內容的補充，也是實踐教學不可缺少的環節。一種是普及性的第二課堂活動，內容力求覆蓋面廣、應用性強，既有教師選題，也有學生自主選題進行實驗研究。從專業基礎課開始組織，有效地豐富了學生視野，拓展了學習內容。另一種是提高性的第二課堂活動，對學習成績優秀、鉆研精神強的學生實行導師制，組織他們參加課外科技活動和全國性大學生創新設計競賽等實踐教學，讓學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揮了學生學習的潛能，變被動學為主動學，培養了學生邏輯思維能力和分析解決問題的能力。
3我校生物醫學工程學員實踐能力培養模式的不足
目前，我校生物醫學工程專業課程體系設置主要包括：公共基礎課程、醫學基礎課程、工程專業基礎課程、專業課程等4類。從實踐教學的效果來看，目前這種模式存在2點不足：一是課程設置不科學，體系不完整，與國內外其他生物醫學工程院校相比缺少專業選修課程、綜合實踐課程這2類課程[2]；二是實踐教學沒有按照實踐能力培養的規律進行設計。實踐能力的培養必須從基礎做起，由低到高逐次遞進，以電子技術綜合設計為例，在設計性實驗中應當將主要精力用于方案設計和技術指標的實現上，但是部分學員由于電子工藝基本功不扎實，一些原本不應該出現的問題卻由于焊接加工水平欠佳反復出現，從而影響了設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要求，從設備使用、工藝掌握、器件選擇、方案設計等等由低到高的各項能力的培養，是需要一點一滴積累并逐漸形成經驗的一個長期過程，絕非一朝一夕之功，也不是某一門課程所能解決的，必須將其作為系統工程搞好頂層設計，在整個課程體系之中加以解決。創新實踐能力的培訓必須是多層次的并且貫穿始終的完整培訓，需要完成包括基礎電子工藝掌握、基本實驗設備操作到復雜醫學電子系統的設計等一系列階梯式的體系化訓練。使學生在大學期間，乃至研究生階段，不間斷地進行傳統型、綜合型、設計型和創新型等各種實踐環節和各種社會實踐活動，這對學生掌握扎實的基礎理論知識和專業知識，提高獨立分析問題和解決問題的能力，提高團隊合作意識，提高創造性和競爭能力都大有益處[2]。只有經過這樣訓練的學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手段解決實際問題，從而滿足用人單位和部隊建設的需要。所以，建立健全完備的實踐教學體系是當前深化教學改革，加強頂層設計的重要工作之一，必須按工程人才的培養規律設計科學合理的實踐教學體系。
4構建生物醫學工程專業學員創新實踐能力培養體系的設想與建議
創新實踐能力可分為基本技能—綜合技能—設計技能—創新技能4個層次，不同層次的能力培養要有相對應的教學內容和訓練方法，通常需要采用驗證性實驗—綜合性實驗—設計性實驗—研究性實驗等有針對性地加以訓練。為實現創新實踐能力的全面培養，必須改變傳統的實踐教學模式，把培養學生的創新精神和實踐能力放在首位。以優化知識結構、提高綜合素質為指導制定實踐教學計劃和方案，調整實踐教學組織結構；安排大型綜合實驗設計課程和實踐訓練，形成科學合理、內容完備的教學體系和培養模式；構建良好的實踐教學支撐環境。使學生在學校期間，不間斷地進行傳統型、綜合型、設計型和創新型等各種實踐學習環節和各種社會實踐活動，使其創新實踐能力不斷發展，從而真正提高學生獨立分析問題和解決問題的能力，提高創造性和競爭能力，這也是提高專業教學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
為了更好地適應軍醫大學對生物醫學工程人才培養的要求，根據培養生物醫學工程專業學員創新實踐能力的探索并結合其他院校在實踐體系建設上的經驗，我們認為生物醫學工程專業課程體系設置應當涵蓋公共基礎課程、醫學基礎課程、工程專業基礎課程、專業課程、專業選修課程、綜合實踐課程等6類課程。其中對于實踐能力的培養應構建4個層次、5個類型的課程培訓體系。
4.1.1基礎課程實驗
這一類實驗的內容和方式比較傳統，實驗和課程內容的聯系緊密，每門課程課內安排實驗18學時。通過對授課內容的驗證、實現與分析，幫助學生掌握基本理論和方法，鍛煉學生動手能力，培養學生的基本工程素質。除基本實驗外，一般要求至少安排一個具有綜合性質的實驗，能夠對整門課程起到融會貫通的作用。對每一門課程的課內實踐環節的安排和內容，都需要進行充分的論證，以保證每門課程實驗內容的合理性。
4.1.2綜合實踐課程
這個訓練層次的重要性體現在，使學生掌握應用工程技術解決實際問題的基本方法，同時培養其初步的創新能力。創新能力的獲取必須要擁有扎實的基礎，如果基礎不牢，所謂創新是沒有保障的，即便有非常新穎的想法，但是無法實現也是枉然。創新的方法往往產生于對傳統既有方法的熟悉上，充分了解各種方法的特點，并根據對實際問題的分析提出有價值的建議，創造性地采用不同以往的方法和手段處理和解決問題。創新一定是無限的想像與有限的技術選擇相結合的產物。通過這類實踐課程訓練學生對知識的綜合運用，掌握工程技術解決問題的程序和方法，突出工程實踐中關鍵環節的訓練，實現對不同學習階段的學員工程實踐能力的綜合培訓，使其具備工程技術人員基本的實踐能力。綜合實踐課程在進入專業基礎學習階段以后安排，將每學期的所有理論教學及考試在前18周內完成，余下的2～3周時間用于開設獨立的綜合實踐課程。
（1）電子工藝實習。主要培養學生在電子線路焊接、裝配、調試、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。安排這個訓練的目的，主要是鍛煉學員在電子技術應用中的基本操作技能，如果沒有這個過程，直接進入電子技術課程設計階段，就會出現因為電子工藝不過關造成的各種各樣的問題，為電路設計和調試帶來層出不窮的障礙。所以必須要有這個訓練過程，以保證在后續課程中學生具有比較熟練和穩定的電子工藝能力，而盡量避免因為工藝問題造成的失敗。
（2）電子技術課程設計。是在具備電子學基本實驗技能的基礎上，進行綜合能力培養的實踐訓練課程，以電路設計為重點，內容側重綜合應用模電、數電知識，完成制作較為復雜的帶有生物醫學功能的電路或者小型電子系統（例如心電信號放大器）。一般是給出實驗任務和設計要求，通過電路方案設計、電路設計、電路安裝調試和指標測試、撰寫實驗報告等過程，培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，提高電路設計水平和實驗技能。在實踐中著重培養學生系統設計的綜合分析問題和解決問題的能力，培養學生創新實踐的能力。
（3）虛擬儀器技術課程設計。掌握LabView在信號采集、處理、分析以及功能電路整合方面的應用，側重于生物信號的處理及其虛擬儀器系統的設計。
（4）生物醫學信號檢測與處理綜合實驗。其目的是使學生在熟悉電子系統基本設計和數字信號處理主要方法的基礎上，把現代信號處理理論與臨床醫學緊密結合起來，掌握常見的生物醫學信號采集方法，醫學信號傳感器、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。使學生了解醫學信號處理系統的實現過程：醫學信號信號采集信號處理信號識別與特征提取臨床診斷，培養學生應用Matlab和LabView提供的各種處理方法解決醫學問題的能力，并強調各種處理方法的硬件實現。
（5）現代醫學儀器綜合設計。在學生學完全部課程進入畢業設計前一個學期進行，學生綜合應用所學過的基礎課、專業基礎課和專業課的基礎理論、基本知識和基本技能，融合醫學儀器課程內容，獨立完成一個醫學信號檢測、處理、控制系統的設計、安裝、調試，完成醫學信號的數據采集和存貯、數據顯示、數據分析和處理，通過對專業課實驗進行的高度整合，讓學生對所學知識進行高層次的融合。學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學儀器系統，并使所設計的軟硬件系統達到要求的各項技術指標。學生通過該課程較系統地學習生物醫學信號處理和控制方面的方法和技術，在生物醫學信號處理技術、計算機技術、測量技術、控制技術及實驗技能等方面得到全面訓練，對醫學信號的拾取、測量、處理、應用有一個系統地了解，從而在綜合能力上得到培養，同時為完成畢業設計打下堅實的基礎[4]。
4.1.3創新性課外科技活動
開展豐富多彩和形式多樣的創新性課外科技活動，其主要目的是使學生在完成第二層次訓練的基礎上，了解學科前沿、開闊科技視野、激發創新意識，充分發揮和調動學生創新實踐的潛能，結合軍事醫學應用和實際問題的解決開展研究性實踐活動。結合我軍衛勤保障和軍事醫學的需求，應用電子信息技術和電磁檢測技術等生物醫學工程學方法，有針對性地開展創新實驗活動。從軍事醫學電子衛生裝備設計思想的提出、技術指標的設定、研究方案的形成、工程設計的優化等方面訓練學員，培養他們在我軍軍事斗爭衛勤保障條件下解決軍事醫學問題的創新思維和創新能力，以此提高軍事生物醫學工程專業人才的綜合素質。該層次的訓練側重于創新能力的培養，主要以第二課堂的形式圍繞科研方向開展，也可以圍繞專業選修課開展，并鼓勵學有所長的學生積極申報學校創新實驗基金，開展進一步的深入研究，并指導學生發表學術論文，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生科技競賽。對于部分已取得較好成果的學員，可在此基礎上直接進入畢業設計環節，并給予他們優先報考碩士研究生的資格。
4.1.4實習
臨床工程實習是理論聯系實際，培養學員分析問題、解決問題能力的重要階段。通過臨床實習，使學員進一步加深對專業課程理論知識的理解和掌握，全面了解現代化醫療儀器設備的基本原理、安裝調試、維護保養，熟悉部分醫學儀器結構特點和工作原理及存在問題，建立醫療衛生裝備體系的基本知識架構，培養學員運用已學基礎理論知識，初步分析和解決醫學儀器設備實際問題的能力，為畢業后從事醫療設備專業工作，提升任職能力打下基礎。
4.1.5畢業設計
畢業設計的質量可以衡量專業教學的水平，是學生畢業與學位資格認證的重要依據。畢業設計的開展將緊密結合學科研究方向和實際科研課題，把重點放在學員創新思維和能力的培養，充分發揮學員的主動性和創造性上。畢業設計注重以下能力的培養：（1）調研、查閱中外文獻和搜集資料的能力；（2）理論分析、制定或設計實驗方案的能力；（3）實驗研究、綜合分析和數據處理的能力；（4）交叉融合理工醫等學科綜合知識的能力；（5）外語、計算機應用和論文寫作的能力；（6）綜合應用工程技術手段解決實際問題的能力；（7）團隊合作的能力。方法上讓學生自由選題，獨立完成畢業設計課題。針對要解決的實際問題，指導學生通過查閱資料，以互相討論的形式逐步總結出解決問題的思路，要求學生利用計算機進行理論設計，并進行虛擬實驗和仿真分析，經過比較優選出最佳方案，進而設計出實用的電子系統，完成系統的軟硬件調試并達到設計技術指標；最后提供設計報告，接受專家組考評并通過答辯。通過畢業設計使學生了解科研的方法、程序和步驟，增強科研意識。這種對科學實踐全程參與的教學方式可以全面培養和提高學生的科研素質、工程意識和創新精神，真正實現了理論和實際動手能力相結合的創新實踐能力培養。
4.2創新實驗室建設
創新實驗室建設旨在針對我軍面臨的多樣化軍事任務，滿足我軍衛勤保障需求和軍事醫學發展需要，從軍事醫學電子技術教學與訓練、軍隊衛生裝備教學與訓練等方面入手，與燒傷外科學、防原醫學、野戰外科學、野戰內科學、軍事預防醫學、高原軍事醫學以及新概念武器防治學等軍事醫學緊密結合，以電子技術應用、裝備教學實訓為基礎，培養應用軍事生物醫學工程的技術方法，解決部隊衛勤保障和軍事醫學問題的創新實踐能力。創新實驗室主要服務于學員專業學習階段，在第二課堂、創新實踐、綜合實驗、軍事醫學課程設計、畢業設計、專業實習以及衛勤演練中對學員實施相關訓練活動。從培養軍隊院校學員為軍服務的意識出發，使其在學習訓練中了解軍事醫學的主要問題，學會應用軍事生物醫學工程方法解決相關問題，同時提高創新實踐能力，在這一過程中軍事生物醫學工程專業綜合創新實驗室的建設是必不可少的，這對于軍事生物醫學工程專業學員開展相關學習實踐以及任職訓練是必須要具備的一個基本條件。
摘要：數字信號處理(DSP)系統由于受運算速度的限制，其實時性在相當的時間內遠不如模擬信號處理系統。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展，開發工具和手段不斷完善。DSP芯片有著非常快的運算速度，使許多基于DSP芯片的實時數字信號處理系統得以實現。目前，DSP芯片已應用在通信、自動控制、航天航空及醫療領域，取得了相當的成果。在載人航天領域，基于DSP芯片的技術具有廣闊的應用前景。
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
數字信號處理作為信號和信息處理的一個分支學科，已滲透到科學研究、技術開發、工業生產、國防和國民經濟的各個領域，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。數字信號處理系統的優越性表現為：1.靈活性好：當處理方法和參數發生變化時，處理系統只需通過改變軟件設計以適應相應的變化。2.精度高：信號處理系統可以通過A/D變換的位數、處理器的字長和適當的算法滿足精度要求。3.可靠性好：處理系統受環境溫度、濕度，噪聲及電磁場的干擾所造成的影響較小。4.可大規模集成：隨著半導體集成電路技術的發展，數字電路的集成度可以作得很高，具有體積小、功耗小、產品一致性好等優點。
然而，數字信號處理系統由于受到運算速度的限制，其實時性在相當長的時間內遠不如模擬信號處理系統，使得數字信號處理系統的應用受到了極大的限制和制約。自70年代末80年代初DSP(數字信號處理)芯片誕生以來，這種情況得到了極大的改善。DSP芯片，也稱數字信號處理器，是一種特別適合進行數字信號處理運算的微處理器。DSP芯片的出現和發展，促進數字信號處理技術的提高，許多新系統、新算法應運而生，其應用領域不斷拓展。目前，DSP芯片已廣泛應用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫療等領域。
DSP芯片的發展
70年代末80年代初，AMI公司的S2811芯片，Intel公司的2902芯片的誕生標志著DSP芯片的開端。隨著半導體集成電路的飛速發展，高速實時數字信號處理技術的要求和數字信號處理應用領域的不斷延伸，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，數據處理能力提高了幾十倍。MIPS（每秒執行百萬條指令）從80年代初的5MIPS增加到現在的40 MIPS以上。DSP芯片內部關鍵部件乘法器從80年代初的占模片區的40%左右下降到小于5%，片內RAM增加了一個數量級以上。從制造工藝看，80年代初采用4μm的NMOS工藝而現在則采用亞微米CMOS工藝，DSP芯片的引腳數目從80年代初最多64個增加到現在的200個以上，引腳數量的增多使得芯片應用的靈活性增加，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，現在的DSP芯片有浮點和定點兩種數據格式，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開發系統方面，軟件和硬件開發工具不斷完善。目前某些芯片具有相應的集成開發環境，它支持斷點的設置和程序存儲器、數據存儲器和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商為DSP應用軟件的開發準備了通用的函數庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應用軟件開發更為方便，開發時間大大縮短，因而提高了產品開發的效率。
目前各廠商生產的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. 在一個周期內可完成一次乘法和一次累加。
2. 采用哈佛結構，程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據。
3. 片內有快速RAM，通常可以通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問。
4. 具有低開銷或無開銷循環及跳轉硬件支持。
5. 快速中斷處理和硬件I/O支持。
6. 具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器。
7. 可以并行執行多個操作。
8. 支持流水線操作，取指、譯碼和執行等操作可以重疊進行。
DSP芯片的應用
隨著DSP芯片性能的不斷改善，用DSP芯片構造數字信號處理系統作信號的實時處理已成為當今和未來數字信號處理技術發展的一個熱點。隨著各個DSP芯片生產廠家研制的投入，DSP芯片的生產技術不斷更新，產量增大，成本和售價大幅度下降，這使得DSP芯片應用的范圍不斷擴大，現在DSP芯片的應用遍及電子學及與其相關的各個領域。
典型應用 (1)通用信號處理：卷積，相關，FFT，Hilbert變換，自適應濾波，譜分析，波形生成等。(2)通信：高速調制/解調器，編/譯碼器，自適應均衡器，仿真，蜂房網移動電話，回聲/噪聲對消，傳真，電話會議，擴頻通信，數據加密和壓縮等。(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，桌面出版系統等。(5)自動控制：機器人控制，發動機控制，自動駕駛，聲控等。(6)儀器儀表：函數發生，數據采集，航空風洞測試等。(7)消費電子：數字電視，數字聲樂合成，玩具與游戲，數字應答機等。
在醫學電子學方面的應用 如同其它數字圖像處理一樣，DSP芯片已在醫學圖像處理，醫學圖像重構等領域，如CT、核磁成象技術等方面得到了廣泛的應用，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的進展(文獻［1，2］)。國內、外也有關于腦電、心電、心音和肌電信號處理方面基于DSP芯片系統的報道(文獻［4～7］)，我們對1996年以前國外生物醫學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，有關基于DSP芯片處理系統的報道很少。對國內生物醫學工程的核心期刊，如《中國醫療器械雜志》、《中國生物醫學工程雜志》、《生物醫學工程學雜志》和《中國生物醫學工程學報》等刊物進行檢索，未見有關基于DSP芯片系統方面的報道。對我所的光盤數據庫進行檢索，未見有關在航天醫學方面應用的報告。
我們認為在生理信號處理領域基于DSP芯片的技術可以解決我們在實際工作中遇到的某些問題，如當生理信號數據量很大(如腦電，肌電等)且處理算法相對復雜時，現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用要求，而基于DSP芯片的高速處理單元和微機構成主從系統可以較好地解決這類問題。
載人航天領域中信號傳輸帶寬的限制需要對生理數據進行實時壓縮；大型實驗中對龐大的數據進行實時處理依賴于數字處理系統的構成；載人航天中對數據處理精度，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造處理系統中選擇性能優良的芯片。我們認為將DSP技術應用于載人航天領域具有十分重要的意義。
結束語
以DSP芯片為核心構造的數字信號處理系統，可集數據采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體，能充分體現數字信號處理系統的優越性，能很好地滿足載人航天領域設備測量精度、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展，各種各類通用及專用的新型DSP芯片在不斷推出，應用技術和開發手段在不斷完善。這樣為實時數字信號處理的應用——尤其是在載人航天領域中的應用提供了更為廣闊的空間。我們有理由相信，DSP芯片進一步的發展和應用將會對載人航天信號處理領域產生深遠的影響。
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由于精神障礙的表現與診療特點，醫生主要通過詢問病人的各種感受或表現來診斷疾病，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，隨著現代醫學發展，尤其生物醫學工程技術的推廣應用，精神障礙的診療設備逐漸增多，萌發出了很多“新玩意”。
這些“新玩意”并非指用于診治軀體疾病如B超、CT、磁共振等常規醫療設備，而是指專用于或主要用于精神障礙的診療技術設備，如心律變異系統的自主平衡系統檢查、紅外線熱成像技術、腦漲落圖儀（EFG）及經顱磁刺激治療等。這些應用促進了精神障礙診斷水平的提高，擴展了新的治療手段，未來該領域有廣闊的應用、研究與發展空間。
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。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境下回答問題，測試者應具備初級的閱讀理解等能力，測試結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不需要測試者回答問題，同時又能體現測量的客觀性。心律變異分析自主神經系統平衡檢查快捷、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等指標，在精神心理臨床中得到廣泛應用。
過高的心理壓力是危害健康的“隱形殺手”，易導致各類心因性疾病或精神心理問題。人們要學會如何緩解壓力感受，如保持正常生活節律、培養興趣愛好、做好飲食睡眠管理、建立良好人際關系等。
二、近紅外光學腦成像助診斷
近年來，近紅外光學腦成像技術在心理認知科學領域得到普遍應用，并被用于精神病學的臨床檢測，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，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、神經遞質高低，腦電分析很清晰
人的精神心理活動與神經遞質聯系緊密，5-HT（5-羥色胺）濃度不足與抑郁發病相關，精神分裂癥大多與DA（多巴胺）系統紊亂相關，更多的神經遞質與精神活動的關系需要進一步探索。有別于傳統檢查手段，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、電子技術相結合的方法，就能定量檢測中樞神經遞質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等多種神經遞質，主要用于各種神經、精神心理疾病診斷評價、亞健康狀態人群大腦功能的檢查，腦生理規律或機理的探索等。
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致病情波動，遷延難愈。亟需非藥物治療方法，重復經顱磁刺激治療（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。
經顱磁刺激治療安全、無創傷、無明顯副作用。電磁場透過顱板，影響大腦皮層神經元電活動，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、腦源性營養因子、神經內分泌相關激素、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，北京回龍觀醫院主任醫師，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玻璃纖維產品的應用
1.1在居住環境中的應用玻璃纖維經加工處理可作為增強質來改善織物效果和手感，經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獲得了較廣泛應用，具有很大的發展空間。玻璃纖維用作防水基質，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用量還很低。作為輔助增強材料用途，如在建筑工程內外墻體中使用的玻璃纖維網布貼面，以及用于塊狀建筑接縫處等輔助增強環節。玻璃纖維棉氈、棉板作為保溫絕熱材料可用在建筑圍護結構中。我國每年在建筑方面的能耗約為2．5億t標準煤，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，可用于室內吸聲降噪，在建筑中做吸聲吊頂和吸聲墻面，絕熱、裝飾結合使用。選擇合適的玻璃纖維成分、結構狀態和處理方式，可用作增強水泥、石膏等膠凝材料生產非承重板材和裝飾物。玻璃纖維織物經處理作為室內裝飾材料具有防火、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構中以增強混凝土；三是用于建筑物和橋梁等構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，因此在電工絕緣領域應用廣泛，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E玻纖優良的電絕緣性和耐熱性，玻璃纖維可用于制造風力發電的飛輪；將玻璃纖維與凱夫拉纖維復合制造風力發電的飛輪，可用于風力、太陽能發電，汽車供能、不間斷電源、低空軌道衛星儲能等眾多方面。
1.2在環境領域的應用在大氣、地理環境領域中，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、韌性和耐化學腐蝕性好，化學性能穩定，不吸濕，不膨脹，可耐260℃高溫，熱穩定性好，在高溫條件下過濾效果好，無火災危險。以紙、機織物、氈（蓬松氈、棉氈、針刺氈等）及覆膜為主要形態，氈層纖維成三維微孔結構，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。基于玻璃纖維制品的化學穩定性和過濾效果比較好，其中超細玻璃纖維還被用于生產系列實驗室用精品過濾器。在地理環境中玻璃纖維與有機纖維材料結合，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在醫療領域的應用玻璃纖維在生物醫學領域的應用主要有：（1）用傳光、傳像來對人體器官進行內窺檢查和輔助治療，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穩定性和抗菌性，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）作為矯形和修復材料，玻璃纖維編織成具有延伸性的帶并浸漬專用樹脂當作繃帶，纏在傷處固定骨肢，可克服敷石膏的麻煩和副作用。玻璃纖維復合材料人造骨也在積極開發中，一些無毒不會引起炎性反應又具有骨生物活性的復合材料已對動物進行實驗，證明了玻璃纖維復合材料的生物相容性，與原骨之間的結合強度比不銹鋼還高。生物醫學研究用的器材和生活衛生用品也有特種玻璃纖維的應用。
1.4在交通領域的應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，減少驅動力，獲得高速和較高的使用壽命。在航空航天領域高性能玻纖復合材料，鋁合金、鋼和鈦合金三大材料已成為支撐航空航天事業發展的基石。在航空領域主要應用在內外側副翼、方向舵和擾流板以減輕飛機質量，節約資源。在航天領域高性能玻纖復合材料作為主承力結構材料應用，如在運載火箭和航天器上用纖維纏繞工藝制造的纖維／環氧復合材料固體發動機殼具有耐腐蝕、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我國玻璃纖維發展現狀
(一)背景及意義
二十一世紀我國將面臨人口眾多、交通擁擠、醫院容量有限,以及由于獨生子政策導致的日益嚴重的人口老齡化等一系列嚴重的社會問題,遠程醫療技術的發展可望為我們提供一個緩解上述問題的有效途徑。最簡單的遠程醫療形式是通過PSTN(公共電話網絡)進行心電(ECGs)的遠程解釋,但目前的遠程醫療技術研究與試驗則是伴隨當前IT技術的發展而發展的一個范圍更加廣泛,意義更加深遠的新興領域。它是現代通訊技術和計算機與現代醫學相結合的產物,它利用電子通訊及多媒體技術實現遠距離醫學檢測,監護,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療保健服務模式,最終達到共享醫療保健資源,降低醫療保健費用,提高醫療效率和質量的目的。另外,在戰場救護,交通等意外事故危重病人的緊急處理等方面,遠程醫療技術也有很大的應用價值!廣義地講,遠程醫療是指醫護人員利用通訊和電子技術來跨越時空障礙、向人們提供醫療保健服務。根據不同的應用,遠程醫療又可分類為遠程監護,遠程治療,遠程會診和遠程教育等等。
(二)發展過程
最早的遠程醫療雛形可以追溯到1905年Einthoven等人利用電話線進行的心電圖數據傳輸實驗。但真正具有一定實用價值的遠程醫療系統在50年代才開始出現,該系統可以通過電話線和專用線傳送簡單的醫學數據。而在70~80年代遠程醫療開始利用電視系統傳輸醫學圖像,即以遠程放射醫學(Tele-radiology)為主。隨著現代微電子學、通訊技術、計算機及網絡技術的發展,在90年代人們開始實踐與評估該系統在遠程醫療咨詢、遠程教育、遠程專家會診等多方面的應用。近幾年來,隨著醫用數字影象設備如CT、MRI、B超以及DSA等的迅速普及,促使越來越多的醫院采用數字圖像存儲通訊系統(PACS,PictureArchivingandCommunicationSystem),逐步實現醫院的無膠片管理,為普及遠程醫療奠定了良好基礎。當前,遠程醫療系統技術的技術支持有:交互視頻影像設備(interactivevideo),高分辨監視器(high-resolutionmonitors),計算機網絡(computernetworks),蜂窩電話(cellulartelephones),高速開關系統(high-speedswitchsystems),以及以光纖和衛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,由于網絡的普及面仍然十分有限,在一些中小縣城市,既缺少高水平的醫療專家又缺少足夠帶寬的信息網絡,患者的經濟能力也十分有限。在這種背景下,基于電話線的遠程醫療服務在一定程度上滿足了當前的需求,顯示出了一定的發展空間,值得國內的醫療電子企業重視。
(三)適宜范圍和初步的臨床效果
遠程醫療技術(Tele-medicine)最大的作用在于它對農村和不發達國家的那些得不到良好服務的人群提供健康護理服務。在這些地方,合格醫生的缺乏是一個很大的問題。其他需要遠程醫療的地方包括:邊遠的兵站,需要保密的地方,出院后病人的監護,家庭監護,病人教育,醫學教育等。有些醫學部門,如放射學(radiology),病理學(pathology)和心臟病學(cardiology),他們需要高保真的電子醫務數據和圖像為診斷服務,因而特別適合于采用遠程醫療。隨著遠程醫療技術的成熟,它能夠提供服務的醫學部門和范圍也會隨之相應地增加。比如,以下這些領域的遠程醫療實踐正在逐步增多:矯形外科學(orthopedics),皮膚病學(dermatology),精神病學(psychiatry),腫瘤學(oncology),神經病學(neurology),兒科學(pediatrics),產科學(obstetrics),風濕病學(rheumatology),血液學(hematology),耳咽喉科學(otolaryngology),眼科學(ophthalmol-ogy),泌尿科學(urology),外科(surgery)等。總的來說,有關報告顯示,遠程醫療提供了醫生與遠端之間的可靠的高質量的數據和音頻視頻通信。通過將遠程醫療和直接的醫生診斷相比較發現,二者沒有大的差異。這些初步的結果說明,遠程醫療提供了與醫院相當的服務質量。目前,遠程醫療已被成功地用于直接的病人監護,它明顯地改進了醫生的診斷能力和對病人的處理選擇。遠程醫療在臨床醫學中的作用已被完全證實,它的使用情況已經超過了立法和行政部門的步伐。因此,在未來健康監護工業的發展策略中,遠程醫療應是一個不可忽略的因素。一個重要的目標是實現兩個“所有”:方便地實現所有的醫學服務和面向所有的地方。
(四)遠程醫療系統與信息技術
很顯然,遠程醫療(Tele-medicine)應當有許多不同的系統和技術要求(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,病人與現場醫生或護理人員一起在遠處,專家在醫學中心。對于SAF模式,所有相關的信息(數據、圖形、圖像等)用電子方式傳到專家處,在這里,專家的反應不必是立即的。在大多數情況下,幾小時或幾天后才能收到專家的報告。一種理想的遠程醫療系統當然是同時具備RT和SAF兩種模式,但顯然這種復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護單元。基站需要有控制系統或工作站、在線的醫學數據庫、視頻相機和監護儀、微型耳機和話筒以及圖形圖像輸入設備。在遠端,需要有完全可移動的視頻相機和監護儀、各種診斷設備、圖形圖像輸入設備、PC或工作站等。如上所述,當前的技術可以使得遠程醫療系統具有可靠的高質量的數據和視頻-音頻通信(在醫學中心的醫生和遠端病人之間),能夠提供與到醫院就診相當的服務。隨著遠程醫療的范圍和廣度的擴展,需要進一步關注的技術和臨床問題包括:傳輸的圖像、視頻信息的知覺質量以及其他臨床完善性所要求的程序;當前技術能夠提供的檢查的透徹性,以及遠程醫療服務和當前臨床常規檢查的有機結合問題等。遠程醫療當中的一個重要技術成份是通信系統,它的基本的傳輸介質是銅質電纜、光導纖維,微波中繼,衛星轉發。一個混合的網絡可能是,衛星傳送用于很遠距離的情況,光纖用于視頻圖像,銅電纜傳數據、信號和控制信息。RT、SAF兩種模式的通信要求都可以預測。RT模式要求短時間內傳送大量的信息,它強調的重點是傳輸、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。只要能將整塊的數據傳送就行。一般的多媒體遠程醫療系統應具有獲取、傳輸、處理和顯示圖像、圖形、語音、文字和生理信息的功能。按照遠程醫療系統的組成劃分,它一般由三個部分構成:用戶終端設備,醫療中心終端設備和聯系中心與用戶的通訊信息網絡。不同的遠程醫療應用,對通訊系統和系統終端設計又有不同的要求。相應的設備費用也依要求的不同而變動較大。
(五)相關的有待解決的技術問題
仍然有待解決的,與遠程醫療全面、廣泛地實施有關的關鍵技術問題包括:數碼醫院的建立,目前有些醫院己有醫院信息系統(HIS)和圖像歸檔與通信系統(PACS—picturearchivingandcommunicationsystem)和DICOM(Digitalimagingandcommuni-cationsinmedicine)。醫院現有的這些系統是遠程醫療的重要組成部分,它們的擴展是建立遠程醫療系統的一個有利條件。此外,還需要建立標準的醫學信息庫;開發功能可靠、操作方便的終端設備•以及接口技術問題,因為遠程醫療系統涉及多種醫療設備與通訊系統的連接,建立通用的標準接口將會減少系統建立時的復雜程度和節省費用;系統加密問題,以確保醫療數據在通訊網絡傳輸中的安全性,維護病人的隱私權;家庭以及偏遠地區的寬頻通訊問題,初期通訊網絡的鋪建應考慮到遠程醫療的用途。目前,有關研究主要集中在:(1)人-機接口和通訊網絡的研究,主要解決各種信息的有效上網和傳送;(2)傳感器技術的研究,目標在于研制有源、無線和小型的換能器,實現生理信號的方便而可靠、準確而無損的測量;(3)各種先進的數據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,最終實現遠程醫療數據與圖形圖像信息的的高效傳輸;(4)醫學信息與數據傳輸安全問題的研究,為相應的立法等提供技術保證。
二、醫學成像技術與三維醫學圖像處理
(一)醫學成像技術
1895年德國物理學家倫琴發現了X射線,并被應用于醫學,產生了以X光照片為標志的醫學影象學。此后的整個20世紀可以說是醫學成像的盛世。面對各種紛紛涌現的眾多成像模式,我們不僅要問:這些成像技術各有何特點?它們的發展前景又如何呢?到目前為止出現的所有成像方法,幾乎都與核或電磁有關。如果從利用的電磁波的頻率高低上對醫學成像模式進行分類,在靜態場領域有電生理成像,低頻領域有阻抗CT,高頻領域有微波CT,光領域有光學CT,在更高的頻率領域有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(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)和正電子發射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)等,如此眾多的醫學影象手段提供了大量的有關病人的各種信息,包括形態的和功能的、靜態的和動態的等,被廣泛應用于診斷和治療,成為現代化中必不可少的手段和工具。
1•電阻抗斷層成像技術
電阻抗斷層成像技術(ElectricalImpedanceTomography,EIT)是近些年來興起的一項醫學成像技術。其基本思想是利用人體組織的電特性差異形成人體內部的圖像。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而改變,因此圖像也包含了功能信息在內。此外加上對人體幾乎無創傷、廉價、操作簡便等優點,EIT受到了日益廣泛的關注。但由于受到數據采集系統和算法等因素的限制,目前該技術并不十分成熟,基本處于實驗室階段。EIT技術根據測量目標的不同可以分為兩類:靜態EIT和動態EIT。靜態EIT以測量對象內部電阻(導)率的分布為成像目標;而動態EIT則是測量對象內部的電阻(導)率的相對變化量的分布為成像目標。由于動態EIT技術只需反映阻抗的相對變化量,相應地,其算法簡便、快速,可以實時成像,而且系統對具體目標形狀有較高的魯棒性。雖然由于假設條件難以滿足、推導過程不嚴格等缺點使得動態EIT的成像質量不高,但由于其對人體形狀和電極擺放位置的適應性強、能反映變化的信息等優于靜態EIT的這些優點,它已被用來進行臨床研究。相信隨著算法的改進和成像質量的提高,動態EIT有望在臨床上發揮更大的作用。
2•電生理成像技術
電生理成像技術指基于體表電磁信號的觀測,進行的體內電活動情況成像的技術。具體有心電磁和腦電磁問題兩大類。但兩類問題在技術上是密切相關的,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。人們相繼發展了等效源方法(Sidmanetal,1992;Yao,2000),有限電阻網絡法(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,推算顱骨內腦電活動源的空間位置的一項技術。其具體方法有非線性優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)。電生理成像技術與其它的醫學成像技術如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(或誘發)的功能信息,是一種真正的非損傷性的成像技術,且可以進行長期檢測,而fMRI等只能檢測誘發的間接的功能信息。另外一個優點就是它具有很高的時間分辨率。目前的一個重要發展方向是,電生理成像技術與其它影像技術相結合(如EEG與fMRI結合),實現優勢互補,以得到兩“高”(高時間分辨率和高空間分辨率)的結果,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圖像,獲得的是形態圖像。微波CT作為一種醫學成像模式,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的衰減愈大。同時,微波在介質中傳播時產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學成像手段。
4•光學CT
光學CT也將是21世紀的重要研究領域。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CT大致可以分為內稟(Intrinsic)光學成像、光學相干層析成像、光子遷移技術成像等幾種。內稟信號指的是,由組織活動(如神經元活動)引起的有關物質成分、運動狀態的改變而導致起光學特性發生變化,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的空間分布,進而重建組織圖像。無損傷內稟光學成像方法近年來正加緊研究,以期用于人腦功能的研究。光學相干層析成像,即將光學相干剖析術(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技術從提出至今雖然只有短短幾年的時間,但已表現出極為誘人的應用前景。目前它已在視網膜及黃斑疾病的早期診斷,皮膚、腸、胚胎檢測等領域發揮出巨大的作用。這種技術已成為國內外在生物光學方面的一個活躍點。利用靈敏的探測器和適當的重檢算法,就可以確定測量組織的光學特性。通過檢測組織的光學特性,可用于腫瘤診斷、代謝狀態動態監護、藥物分析及光動力學治療等場合。光子遷移技術成像(PhotonMigrationImaging,PMI)利用的是在紅光和近紅外光譜區,生物組織的某些不同成分對于光的散射和吸收表現出不同特性,而且在不同生理狀態下的組織光學參數也不大相同。高頻調控的正弦入射光經組織傳播后,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了吸收的變化。光學方法正處于迅速發展之中,一方面,與XCT、MRI等其它成像方法相比,光學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,技術發展成熟。光學CT還有一個吸引人的優勢是,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。因而可以預料,光學CT會在醫學研究和臨床等方面發揮越來越大的作用。
5•正電子發射斷層掃描技術
正電子發射斷層掃描技術(PositronEmissionTomography,PET)作為一種傳統的核醫學成像技術,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現了β+的存在;此后不久ErnestLawrence發明了可發射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,將由發射正電子β+的核素標記的藥物由靜脈注入人體,隨血液循環至全身。正電子與人體內的電子相遇并湮滅產生兩個背對背的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的三維密度分布及這種分布隨時間變化的信息。PET的標記藥物很豐富,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,并可在短期內進行重復測量。盡管PET具有近乎無損的測量、三維動態成像、定量檢測化學物質分布及實現真正的功能成像等獨特的優點,但早期由于對短壽命核素認識的不足及探測技術缺乏等原因,直到1976年第一臺全身(whole-body)PET才正式投入市場并應用于臨床。此后PET才真正開始進入了一個蓬勃發展的時期。目前全世界已有上百家的PET中心,利用PET進行臨床醫學、基礎醫學、腦科學等方面的研究。在臨床方面,主要用于診斷神經類疾病、心臟疾病、癌癥等,也可輔助設計治療方案和評估藥物療效,并可用于探討一些神經類疾病的發病機制。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來診斷疾病。同時,PET的獨特優點也給神經科學提供了觀測手段,被越來越多地用來研究人類的學習、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、學習、喜怒哀樂等),也將引起不同腦區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
X-線成像技術可以說是在醫院當中應用的最傳統、最廣泛的一種醫學影象技術。X-線圖像建立在當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上,因而接收端將得到不同強度的射線,傳統的做法是將之記錄在膠片上得到X膠片。隨著電子技術的發展,這種傳統方法的弊端日趨突顯出來。當X-線圖像一旦形成,其圖像質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X成像技術時,多數資深專家均認為影像的數字化是最新、最熱門及最重要的進展。數字化成像可以利用大容量磁、光盤存儲技術,以數字化的電子方式存儲、管理、傳送、處理、顯示醫學影象及相關信息,使臨床醫學徹底擺脫對傳統硬拷貝技術的依賴,真正實現X-攝影的無膠片化。目前采用的直接數字化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,現已進入商品化階段。FPD由Trexell公司研制成功。這兩項技術的發展方向均是設法進一步提高分辨率和實時性。數字影像可以說是伴隨著計算機技術的發展應運而生。1981年第15屆國際放射醫學會議上首次展出了數字放射新產品。進入90年代中后期,國外已經推出了多種新型的數字化X-線影象裝置;傳統X-線裝置中的X-線乳腺影像設備也已數字化。到目前為止,市場上的數字化的X-線影像設備已占70%以上。可以預期,數字化的X-線影像設備將逐步成為市場的主宰,并將使21世紀的X-線診斷發生令人矚目的變化。
7•磁共振成像(MRI)
在磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)領域,自從1946年哈佛大學的E•M•Purcell和斯坦福大學的F•Bloch發現了核磁共振現象并因此獲得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的方向發展,成為化學、生物學等領域研究分子結構不可缺少的分析工具。1972年R•Damadian注冊了第一個關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掃描儀開始應用于臨床。由于質子(1H)結構簡單,磁性較強,是構成水、脂肪和碳水化合物的基本成分,所以目前醫學上主要利用質子(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生共振激發;被激發的原子核的退激時間的長短反映了磁性核周圍的環境情況。通過測量生物組織退激過程中磁化強度的變化,即可獲取反映內部結構的圖像。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構信息等優點而被廣泛應用于臨床診斷。隨著技術的發展和需求的提高,動態成像或功能成像是未來世紀MRI的研究方向(functionalMRI,fMRI)。一個成功的應用是用外面的造影劑或內生的血氧度相關效應(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。在靜脈血管內脫氧血紅蛋白濃度發生變化時,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。在功能神經科學研究領域中,BOLD成像有很多優點。這類研究完全非侵入性,產生的圖像數據與解剖結構的數據是完全配準的。BOLD技術已經發展得比較好,它在解釋大腦在正常和病理狀態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果。它的最大優點是無損傷(不用外源介質),可以直接進行反復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,成像速度比PET快,而且提供了更好的空間分辨率。fMRI未來的發展方向是,一要進一步加強對fMRI信號的實質的認識和理解,這是基本的前提。另一方面,從實驗設備的硬件和軟件的結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),這是核磁共振現象的本質決定的一個永恒的研究主題。除了以上與電磁或射線相關的成像技術外,還有基于超聲波的多種結構、組織和功能的成像技術,這里不再詳述。
(二)三維醫學圖像處理
醫學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。隨著技術的發展,醫學圖像的處理已開始從二維轉向了三維,以求從中獲得更多的有用信息。三維醫學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、多模式圖像和數據的配準(Registration)和融合(Fusion)、虛擬現實技術、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
醫學影象技術的發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果結合起來進行分析,以提高醫學診斷和治療水平。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域的輪廓。常規的方法(如將幾張圖像膠片掛在燈箱上)使醫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問題。所謂醫學圖像配準與融合,就是通過尋找某種空間變換,用計算機圖像處理技術使各種影象模式統一在一個公共坐標系里,融合成一個新的影象模式顯示在計算機屏幕上,使多幅圖像的對應點達到空間位置和解剖結構上的完全一致,并突出顯示病灶或感興趣部位,幫助醫生進行臨床診斷,制定放射治療計劃和評價等。近年來醫學圖像配準和融合技術的研究和應用日趨受到醫學界和工程界的重視。對醫學圖像匹配方法的分類可以有多種不同的標準。1993年,VandenElsen等人對醫學圖像匹配的方法進行了分類,歸納出了多達七種分類標準。一般的匹配方法的實現步驟為:特征提取;特征配對;選取圖象之間的幾何變換、確定參數;執行變換。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方法和基于內部特征的圖像配準方法。基于外部特征的圖像配準通常是在研究對象上設置一些標志點(如采用螺絲植入骨頭方法固定立體定位框架等),使這些標志點在不同的影象模式中均有顯示,然后以這些共同的標準點為標準對圖像進行配準。這種配準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部特征的圖像配準方法的標準。但其植入式的特點會給患者帶來一定的痛苦,一般僅限于手術室使用。目前的研究集中在基于內部特征的圖像配準方法上,這種方法一般是用圖像分割方法提取醫學圖像中相對運動較小的解剖結構,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。配準的精度取決于圖像分割的準確性。這種方法優點之一就是其回溯性,即以前獲取的圖像(沒有外標記點)也可以用內部特征點進行匹配。目前,基于內部特征的圖像配準方法比較成熟并已廣泛應用于臨床。但目前大多數模糊動態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。最近又發展了一種直接利用所謂的基于體素相似性的配準方法,又稱為相關性方法,它是直接利用不同成像模式的灰度信息的統計特性進行全局最優化匹配,不需要進行分割和特征提取。因此這種方法一般都較為穩定,并能獲得相當準確的結果。但是它的缺點是對圖像中的噪聲信號敏感,計算量巨大。在目前出現的各種相關性算法,如互相關法(correlation)、聯合熵法(jointentropy)、相對熵法(relativeentropy)等算法當中,臨床評估的結果是相對熵法(又稱為互信息法,mutualinformation)是最精確的。醫學影像的三維重建和可視化也是一個值得關注的問題。常規影像如CT、MRI等得到的均為組織的二維切片,醫生很難直接利用它們進行分析、診斷和治療。三維醫學圖像的重建將有助于觀察復雜結構的立體形態;有利于醫生制定放射治療計劃;有助于神經外科手術的實施;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,近幾年來國內外學者進行了許多探討。目前通用的做法是,先從切片圖像中提取出物體輪廓信息,重建三維結構,再由計算機圖形學中的光線跟蹤法(RayTracing),根據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據量越來越大,各種算法也越來越復雜,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果,及時用于診斷與治療。因此,醫學圖像處理的加速也是一個主要的研究方向。為了提高系統的運行速度,當然有許多方法可以考慮。除了算法上的改進外,應用多處理器進行醫學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
發展各種醫學影象的最終目的就是為了更細致的了解人體的結構和功能,輔助醫生對病人做出診斷和治療,提高人類的生活質量。目前以此為目標的研究主要有:基于影象的三維放療計劃系統、立體外科手術仿真系統、醫學中的虛擬現實系統等。在過去的放射治療時,先有醫生根據CT或MRI膠片上的定位標志點來計算病灶的三維坐標,然后根據病灶位置和形狀布置焦點,經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,如不吻合則重新規劃焦點。反復重復直到滿意為止。最后計算出每個焦點的治療時間。總的說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則大大方便了腫瘤醫師的工作。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學圖像處理的各個環節,如圖像配準與融合、輪廓提取、三維重建等。三維放療計劃系統的推出不僅提高了醫生的工作效率,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)。該方法通過旋轉照射或靜態多射野照射,使得高劑量區劑量分布的形狀在三維上與靶區(病灶)的實際形狀一致,同時盡可能地降低靶區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由于能夠調整射野內的射線強度分布,故又稱為調強放療(Intensity-modulationRadiotherapy,IMRT)。調強算法根據醫生指定的限制因素計算每個射野的最接近醫生要求的強度分布,是一個典型的多參數優化問題。1989年,英國科學家S•Webb首次提出采用模擬退火法求解最佳強度分布。此后各種調強算法可以說是層出不窮,成為當今放療中的一個熱點。隨著多葉準直器技術(Multiple-LeafCollimator,MLC)的發展,醫生可望給出單次腫瘤致死劑量,起到外科手術的效果。虛擬現實(VirtualReality,VR)就是力求部分或全部地用一個計算機合成的人工環境代替一個現實世界的真實環境,讓使用者在這個三維環境中實時漫游和交互操作。VR是綜合人機界面、圖形學、傳感技術、高性能計算機和網絡等的一門新興學科,涉及學科面廣且發展十分迅速。VR在醫學領域的應用前景非常廣泛,Rosen認為,VR將構成最終實用的手術模擬器。隨著醫學成像可視化和虛擬現實技術的發展,科學家們已經有可能建立起一個具有部分人體特性的虛擬人體。由美國國家醫學圖書館(NLM)發起的可視人計劃(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、內窺鏡手術等等。例如在內窺鏡手術中,外科醫生通過觀察電視屏幕來操作插入病人體內的手術器械。虛擬環境技術可大大改善這種手術過程。事實上,虛擬內窺鏡系統(Virtualendoscopy)是目前發展比較快的一個方面。
三、網絡化醫學儀器人才的培養
生物醫學工程專業的范疇很廣,各高校的側重點各不相同。我校本學科專業與其它高校相比具有明顯的時代特色。我們一向以電子學、計算機科學為支撐平臺,強調與生物醫學、醫療儀器相結合,在醫療儀器的智能控制、管理方面有很強的優勢。隨著以上醫學信息技術的發展,我們提出了依拓本校的優勢專業如通信、計算機、自動控制、儀器測試等,在我校生物醫學工程學科培養網絡化、智能化醫學儀器方向人才的設想。
(一)培養網絡化醫學儀器人才的依據
計算機及網絡技術飛速發展,世界正進入一個數字化的時代。在醫療領域,數字診斷設備也逐漸成為一種新標準,被越來越多的醫院和用戶所接受。各大廠商相繼推出數字X光機、CT、B超等,在一些發達國家,已經取代常規設備成為臨床診斷的主流。醫療設備已經到了一個更新換代的時期。而DICOM標準的制訂,則使醫療信息實現了網絡模式的資源共享和遠程傳輸。無疑,數字化、網絡化將是21世紀醫學發展的主流。而遠程醫療系統則以其迅猛的發展勢頭為人們勾畫出了一幅“讓每一位醫生都成為專家,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提出了新的要求,同時具有醫學知識和網絡技能的復合型人才將會受到社會的廣泛青睞。“網絡化醫學儀器”作為本學科領域出現的新方向,在國內外沒有現成的模式可以借鑒,為此我們提出了以下建設計劃。
