Кореневский Н. А. 1 страница

Конспект лекций

Н. А. Кореневский

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

ВВЕДЕНИЕ В НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ «БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

Курск 2011

УДК 615.47

Рецензенты:

Зав. кафедрой медицины и логопедии ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет» д.м.н., профессор

В.А. Иванов

Проректор по учебной работе Курск. гос. с-х. ак., д.т.н., профессор В. И. Серебровский

Введение в направление подготовки «биотехнические системы и технологии»: конспект лекций / Н. А. Кореневский; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011. 111 с.: ил. 20, табл. 5. Библиогр.: с. 111.

ISBN

Конспект лекций соответствует Государственному образовательному стандарту направления 201000 «Биотехнические системы и технологии». Даны краткие теоритические сведения об организации учебного процесса и общих сведениях о направлении подготовки, о биотехнических системах и технологиях, об особенностях взаимодействия биообъектов с техническими системами, о техническом обеспечении биотехнических систем медицинского назначения.

Конспект лекций предназначен для студентов, обучающихся по направлению 201000. Он может быть также использован при подготовке аспирантов и других инженерно-технических работников, впервые подходящих к решению задач проектирования и эксплуатации биотехнических систем и технологий.

УДК 615.47

ISBN

© Юго-Западный государственный университет, 2011

© Кореневский Н.А., 2011

Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 5

ВВЕДЕНИЕ.. 7

1. ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАПРАВЛЕНИИ ПОДГОТОВКИ.. 10

1.1 Введение в компетентностно-ориентированное высшее профессиональное образование. 10

1.2. Область и задачи профессиональной деятельности направления подготовки «Биотехнические системы и технологии». 23

1.3. Содержание и организация учебного процесса направления подготовки «Биотехнические системы и технологии». 28

1.4. Историческая справка. 49

2. БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ.. 53

2.1. Обобщенная структура биотехнических систем и их основные функции 53

2.2. Техническая поддержка биотехнических систем.. 56

2.3 Классификация биотехнических систем.. 59

2.4 Биотехнические технологии. 62

3. ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БИООБЪЕКТОВ С ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ.. 66

3.1. Биологический объект как источник многообразной информации о своем состоянии. 66

3.2. Биологический объект как объект исследования. Сложность получения диагностической информации и ее интерпретации. 70

3.3. Основные виды регистрируемой биофизической информации. 77

3.4. Взаимодействие физических полей с биообъектами, их лечебные и разрушающие действия. 78

4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ.. 86

4.1. Обобщенная классификация медицинских электронных приборов, аппаратов, систем и комплексов. 86

4.2. Элементная база медицинского приборостроения. 88

4.3. Использование средств вычислительной техники в составе медицинских приборов, систем и комплексов. 99

4.4. Обобщенная структура медицинской диагностической системы 103

4.5. Варианты обобщенных схем физиотерапевтической аппаратуры 107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 110

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 111

ПРЕДИСЛОВИЕ

По мнению ведущих отечественных и зарубежных ученых, начало века характеризуется все возрастающим подъемом биомедицинских наук. Обобщаются знания, накопленные в биологии, биофизике, биохимии, математике, медицине, экологии и многих других, достаточно далеких друг от друга областях человеческой деятельности, и всё это происходит на фоне прорыва в области новых информационных технологий. Все это стимулирует разработку и эксплуатацию новых методов и средств, которые наряду с эксплуатирующимися биотехническими системами составляют огромный парк специализированнойтехники различных типов и назначений, использующей самые последние достижения в различных областях человеческой деятельности. Для грамотного выбора, успешного обслуживания и эксплуатации многообразных биотехнических систем необходима всесторонняя подготовка специалистов соответствующего профиля. В России, в рамках научно- методического совета учебно-методического объединения по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации, под руководством профессоров Е.П. Попечителева, В.Г. Гусева, Л.И. Калакутского, В.И. Гуткина, А.В. Немирко и др. выпускаются учебные пособия посвященные принципам построения и проектирования биотехнических систем медицинского назначения.

Следует отметить, что прочтение этих учебных пособий требует специальной подготовки, и может быть мало понятным студентам начальных курсов и людям которые хотят получить начальные представления о биотехнические системах и технологиях.

Целью данного издания является на популярном уровне не требующем специальной подготовки изложить основные идеи используемые при построении современных биотехнических систем, показать современный уровень и перспективы развития данного направления науки и техники.

Предлагаемое конспект лекций предназначен для бакалавров техники и технологии обучающихся по направлению 201 000 «Биотехнические системы и технологии». Он может быть также использован при подготовке аспирантов и других инженерно-технических работников, впервые подходящих к решению задач проектирования и эксплуатации биотехнических систем и технологий.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из перспективных и плодотворных направлений приложения инженерных знаний является применение различных методов и технических средств в отраслях народного хозяйства, связанных с биологией, медициной, экологией, агротехническим комплексом, сельским хозяйством. Это обусловлено несколькими причинами. С одной стороны, это связано с расширением области исследований, в которой в качестве изучаемого объекта выступают биологические объекты разных видов и, следовательно, с созданием систем, аппаратов и приборов для этих целей. С другой — с расширением сферы решения прикладных вопросов, связанных с разработкой новых методов, технических средств и технологий:

— в практической медицине: для диагностики, лечения, профилактики и реабилитации;

—в биологии: для проведения биологических исследований, контроля состояния животных, оказания дозированных воздействий, изучения предельных возможностей организмов и ихповедения в экстремальных условиях, обработки экспериментальных данных и т. п.;

— в экологии: для контроля состояния окружающей среды (ОС), а также прогнозирования возникновения чрезвычайных ситуаций и ликвидации ихбиологических и медицинских последствий;

— в агротехническом комплексе и сельском хозяйстве: для оценки и управления состоянием животных и растений, оценки продуктивности сельскохозяйственных угодий, контроля качества животной и растительной продукции, оценки эффективности продукции биотехнологических производств и т. п.

Хорошо известны также перспективные направления научных исследований в микробиологии, ботанике, зоологии и других биологических науках, прогресс в которых связан с совершенствованием технологий и технических средств их реализации.

Современные биотехнические системы характеризуется тем, что в них используются самые последние достижения, полученные в физике, математике, механике, электронике, вычислительной технике и других отраслях человеческих знаний.

Отличительной особенностью этого вида техники является то, что она взаимодействует с очень сложным и динамичным объектом – живым организмом обладающим набором свойств, которые не присущи даже самым сложным техническим системам.

Многолетний опыт использования технических систем взаимодействующих с живым организмом убедительно показал, что если не учитывать специфических особенностей последнего, то получаемые диагностические, лечебные и другие ожидаемые полезные результаты будут в большинстве своем крайне не удовлетворительны, а иногда и вообще не приемлемы для практического применения.

Такое состояние дел требует специальной подготовки кадров, реализуемой в нашей стране через соответствующие образовательные программы.

Дисциплина «Введение в направление подготовки» имеет основной целью познакомить студентов с особенностями выбранной специальности и создать мотивационные установки для успешного овладения дисциплинами специальности.

С учетом поставленной цели в учебном пособии последовательно излагаются следующие разделы:

¾ организация учебного процесса в рамках компетентностно-ориентированного подхода и особенности направления подготовки по направлению биотехнические системы и технологии;

¾ особенности взаимодействия биообъектов с техническими системами;

¾ биотехнические системы медицинского назначения;

¾ применение средств вычислительной техники при при построении биотехнических систем;

¾ знакомство с научной школой кафедры;

Дисциплина введения в направлении подготовки ориентирована на поддержание компетенции ОК – 8 – способен осознавать социальную значимость своей будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности.

Программа дисциплины «Введение в направление подготовки» учитывает, что студенты изучили такие дисциплины как: физика, информатика, математика, биология и химия в объеме средней школы.

1. ОРГАНИЗАЦИЯ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАПРАВЛЕНИИ ПОДГОТОВКИ

1.1 Введение в компетентностно-ориентированное высшее профессиональное образование

Непрерывный рост объема знаний используемых в современном обществе, бурный рост науки, техники и технологий требует подготовки нового покаления высококвалифицированных специалистов.

При этом различные сферы человеческой деятельности испытывают острую нехватку специалистов, которые кроме общекультурных, общетехнических и общенаучных знаний не только знают конкретные предметные области, но и умеют применить эти знания для решения многообразных теоретических и практических задач. То есть способных получать конкретные результаты в ходе выполнения возложенных на них задач.

Стремление подготовить специалистов к качественному выполнению их профессиональной деятельности привело к разработке образовательного процесса ориентированного на результат. Такой подход к образованию назван компетентностным подходом, в рамках которого в процессе обучения формируется компетентностная модель выпускника. Эта модель включает в себя квалифицию выпускника, которая связывает деятельность выпускника с предметами и объектами его труда.

При формировании компетенций необходимых выпускнику того или иного направления подготовки совместно с работодателями четко устанавливается что должен знать, уметь и чем должен владеть обучающийся. Триада знать, уметь, владеть определяет структуру той или иной компетенции. Различные направления и квалификации подготовки (бакалавр, специалист, магистр) имеют различные наборы и структуры компетенций которые подразделяют на две группы общекультурные (универсальные, подпредметные) и профессиональные (предметно-специфические, предметно-специализированные). Общекультурные компетенции формируют образовательный уровень слабо привязанный к объекту и предмету труда. Второй тип компетенций отражает профессиональную квалификацию и должен в достаточной мере удовлетворять потребностям той сферы человеческой деятельности, к которой готовятся обучающейся. Конкретный перечень компетенций для бакалавров направления подготовки биотехнические системы и технологии приведён в приложении 1. С точки зрения компетентностного подхода дисциплина «Введение в направление подготовки» ориентирована в основном на приобретение компетенции ОК-8 – способен осознавать социальную значимость своей будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности. Эта компетенция характеризуется следующей структурой.

Выпускник должен:

Знать:

¾ основы компетентносно-ориентированного высшего профессионального образования;

¾ содержание и организацию учебного процесса направления подготовки 201000 «Биотехнические системы и технологии»;

¾ основы будущей профессиональной деятельности, ее место в научно-технической сфере и ее роль в деле обеспечения высокого уровня здоровья нации.

Уметь:

¾ пользоваться преимуществами компетентностно-ориентированного подхода при приобретении знаний, умений и навыков по направлению подготовки 201000 «Биотехнические системы и технологии»;

¾ вести дискуссии о социальной значимости будущей профессиональной деятельности.

Владеть:

¾ общими представлениями о будущей профессиональной деятельности и ее социальной значимости.

Кроме этого учитывая специфику будущей профессиональной деятельности в рамках дисциплины «Введение в направление подготовки» начинается освоение компетенцией: ПК3 – готовность учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности; ПК5 – готовность использовать основные приемы обработки и представления экспериментальных данных; ПК6 – способность собирать обрабатывать и анализировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии; ПК-20 – готовность к участию в провидении медико-биологических, экологических и научно-технических исследований с применением технических средств, информационных технологий и методов обработки результатов. С целью повышения интереса (мотивации) студентов к освоению образовательных программ, улучшения качества самостоятельной работы, формирования заинтересованности к другим видам творчества в университете введена балльно-рейтинговая система оценки качества освоения образовательных программ.

Балльно-рейтинговая система – система оценки знаний студентов, основанная на наборе и последующем суммировании баллов по всем видам учебной, научной и т.д. деятельности студентов в семестре.

Для контроля знаний студентов в течение семестра (до экзаменационной сессии) организуется текущий контроль, в ходе которого оценивается качество усвоения студентами теоретических разделов дисциплин, знаний, умений и навыков, полученных на практических и лабораторных занятиях по дисциплине, а также в ходе самостоятельной работы. Рейтинговая оценка студента складывается из баллов, набранных по текущему контролю, баллов набранных на экзамене и премиальных баллов.

Текущий контроль организуется в течение семестра по четырем контрольным точкам. Рекомендовано в семестре, состоящем из 18 недель первые 2 недели отводить под установочные лекции. Оставшиеся 16 недель разбиваются на 4 блока по 4 недели в каждом. В конце каждой четвертой недели блока определяется контрольная точка, в которой определяются набранные студентом баллы с передачей этих сведений в деканат. Одновременно набранная сумма баллов доводится до студентов.

Структура семестровых бальных оценок с указанием максимально набираемых баллов приведена на рис 1.

Учитывая, что максимальное число возможно набранных баллов 125, а фактически принята стобалльная система оценок, итоговая оценка, превышающая 100 баллов, округляется до 100 баллов.

Рис. 1.1 Структура семестровых балльных оценок

Оценка аудиторной работы в блоке (за 4 недели) складывается из еженедельных оценок по следующим составляющим: усвоение лекционного материала; практические занятия; лабораторные работы; посещаемость. При равномерной недельной нагрузке за каждую неделю студент может набирать до 4 баллов. Распределение баллов по видам занятий определяется для каждой дисциплины с учетом формирующих ее компетенций.

Для дисциплины «Введение в направление подготовки» аудиторная работа по неделям семестра оценивается в соответствии с таблицей 1.1(КТ – контрольная точка).

Таблица 1.1 – Распределение баллов по видам учебных занятий

№ недели

КТ №1

КТ №2

Усвоение лекционного материала

0,5

0,5

0,5

4,5

Защита ЛР

(ЛР №1)

(ЛР №2)

(ЛР №3)

Защита ПР

(ПЗ №1)

(ПЗ №2)

(ПЗ №3)

Посещение занятий

0,5

0,5

0,5

4,5

Суммарный балл

Продолжение таблицы 1.1

№ недели					КТ № 3					КТ № 4
Усвоение лекционного материала
Защита ЛР			(ЛР №4)			(ЛР №5)		(ЛР №6)
Защита ПР				(ПЗ №4)				(ПЗ№5)
Посещение занятий
Суммарный балл

За успешное выполнение студентами творческих (поисковых) работ, углубляющих знания по данной дисциплине, начисляются дополнительные (премиальные) аттестационные баллы. Премиальные баллы не учитываются в сумме балов текущего контроля и в сумме не превышают 25-ти баллов.

Задания для выполнения творческих (поисковых) работ выдаются преподавателем в начале изучения студентами учебной дисциплины и являются факультативными (необязательными). Темы и условия выполнения заданий утверждаются преподавателем, ведущим данную дисциплину. Творческие (поисковые) работы могут быть выполнены студентами в виде:

- аналитических разработок;

- исследовательских работ;

- рефератов;

- творческих заданий;

- решений задач повышенной трудности;

- исследований в зависимости от специфики учебной дисциплины.

Примерный перечень творческих работ с соответствующей балльной оценкой приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 − Примерная оценка творческой работы студентов

Наименование показателей	Количество баллов	Наименование показателей	Коли-чество баллов
Участие в республиканском конкурсе студенческих работ:	Публикация статей:
-при получении диплома I степени;		-в научных журналах;
-при получении диплома II степени;		-в межвузовском сборнике;
-при получении диплома III степени;		-в факультетском сборнике;
-без поощрения.
Выступления в конференциях:	Получение:
-международных;		-патента на изобретение;
-республиканских;		-свидетельство о рац. предложении.
-вузовских;
-факультетских;
-за призовые места добавляется.
Участие в олимпиадах и конкурсах:	Представление экспоната на выставке:
-международных;		-республиканской;
-республиканских;		-областной;
-вузовских;		-межвузовской;
-кафедральных;		-внутривузовской.
-за призовые места добавляется.
Участие в научной работе по тематике кафедры и работа в научных кружках	3-6	Участие в жизни факультета (ВУЗа)

Если по совокупности показателей творческой составляющей суммарная оценка превышает 25 баллов, то эта составляющая оценки приравнивается к 20 баллам.

Если к моменту проведения итогового контроля с учетом дополнительных премиальных баллов (до 25 баллов – творческие (поисковые) работы) студент набирает количество баллов, достаточное для получения положительной оценки, то они учитываются как рейтинговая оценка, которая может быть повышена на экзамене (зачете).

Устранение задолженности по отдельным контролируемым темам учебной дисциплины в рамках текущего контроля проводится в форме дополнительного контрольного опроса. Дополнительный контрольный опрос по темам проводится в течение теоретического обучения преподавателем, который проводил занятия с данными студентами.

Устранение заложенности студента по отдельным контролируемым темам дисциплины проводится в течение семестра в часы дополнительных занятий или консультаций.

По окончании учебного семестра баллы, набранные студентом по итогам текущего контроля, выполнения творческих (поисковых) работ, посещаемости аудиторных занятий, суммируемых с баллами, полученными на итоговой аттестации (зачет или экзамен) и формирующих рейтинговую оценку дисциплины.

Выставление оценок за экзамен производится в период сессии или в соответствии с индивидуальным учебным планом (графиком) студента, определяющим его образовательную программу на семестр или учебный год.

В университете принят следующий алгоритм оценки студента в ходе проведения экзамена.

1. Если к моменту проведения итогового контроля с учетом дополнительных премиальных баллов (до 25 – творческие (поисковые) работы) студент набирает количество баллов, достаточное для получения положительной оценки, то они учитываются как рейтинговая оценка.

2. Если итоговый контроль проводится для дисциплины, изучаемой в нескольких семестрах, то в качестве рейтинговой оценки учитывается средневзвешенная сумма рейтинговых оценок за все семестры.

3. Повышение набранных баллов осуществляется на экзамене. В экзаменационных билетах рядом с каждым вопросом (подвопросом) указывается оценка в баллах (в сумме 36). Экзамен считается сданным, если оценка студента не ниже 18 из 36 возможных баллов.

4. По окончании учебного семестра баллы, набранные студентом по итогам текущего контроля, выполненных творческих поисковых работ, посещаемости аудиторных занятий суммируются с баллами, полученными на итоговой аттестации (экзамене) и формируют рейтинговую оценку по дисциплине.

5. Проставление оценки без прохождения промежуточной аттестации ограничивается баллом не выше «хорошо» (С). Для получения оценки «отлично» обязательно прохождение промежуточной аттестации.

6. Оценка «отлично» выставляется, если итоговая сумма баллов превышает 90. В итоговую ведомость выставляется оценка «Отлично», а сумма баллов указывается как баллы, набранные студентом по итогам текущего контроля, выполнения творческих поисковых работ, полученные на итоговой аттестации (экзамене) но не более 100.

7. Оценка «хорошо» выставляется, если итоговая сумма баллов превышает 70. В итоговую ведомость выставляется оценка «хорошо», а сумма баллов указывается как баллы, набранные студентом по итогам текущего контроля, выполнения творческих поисковых работ, полученные на итоговой аттестации (экзамене) но не более 89.

8. Оценка «удовлетворительно» выставляется, если итоговая сумма баллов превышает 50. В итоговую ведомость выставляется оценка «удовлетворительно», а сумма баллов указывается как баллы, набранные студентом по итогам текущего контроля, выполнения творческих поисковых работ, полученные на итоговой аттестации (экзамене) но не более 69.

9. Студент, получивший суммарную рейтинговую оценку по дисциплине менее 50 баллов (оценка FX ECTS), аттестуется неудовлетворительно, и ему предоставляется возможность ликвидировать задолженность по дисциплине в дни переэкзаменовок или по индивидуальному графику не более трех раз.

Соответствие традиционной пятибалльной оценки студентов и оценки студентов в стобалльной рейтинговой системе оценок представлено таблицей 1.3.

Дополнительно в таблице 1.3 приведены оценки Европейской системы перевода зачётных единиц трудоемкости ЕСTS. Зачётные единицы отражают трудоемкости выполнения работ при изучении дисциплины. В университете принято, что 1 зачётная единица соответствует 36 часам выполнения работ связанных с образовательным процессом.

Таблица 1.3 − Соответствие систем оценок (используемых ранее оценок итоговой академической успеваемости, оценок ECTS) и балльно-рейтинговой системы оценок текущей успеваемости)

Оценка	Неудовлетворительно	Удовлетворительно	Хорошо	Отлично
Набранная сумма баллов (max - 100)	Менее 50	50-69	70-89	90-94	95-100
Оценка ECTS	Безусловно неудовлетво-рительно	Условно неудовлетво-рительно	Постред-ственно	Удовлетво-рительно	Хорошо	Отлично	Превосходно
F (2)	FX (2+)	E (3)	D (3+)	C (4)	B (5)	A (5+)
Оценка по дисциплине без экзамена	Не зачтено	Зачтено

Описание оценок принятых в Европейской системе образования приведено в таблице 1.4.

Таблица 1.4 − Описание оценок ECTS

А	«Превосходно» - теоретические содержание дисциплины освоено полностью, без пробелов, необходимые практические навыки работы с освоенным материалом сформированы, все предусмотренные программой обучения учебные здания выполнены, качество их выполнения оценено числом баллов, близким к максимальному.
В	«Отлично» - теоретическое содержание дисциплины освоено полностью, без пробелов, некоторые практические навыки работы с освоенным материалом в основном сформированы, все предусмотренные программой обучения учебные задания выполнены, качество выполнения большинства из них оценено числом баллов, близким к максимальному, однако есть несколько незначительных ошибок.
С	«Хорошо» - теоретическое содержание дисциплины освоено полностью, без пробелов, некоторые практические навыки работы с освоенным материалом сформированы недостаточно, все предусмотренные программой обучения учебные задания выполнены, качество выполнения ни одного из них не оценено минимальным числом баллов, некоторые виды заданий выполнены с ошибками.
D	«Удовлетворительно» - теоретическое содержание дисциплины освоено частично, но пробелы не носят существенного характера, необходимые практические навыки работы с освоенным материалом в основном сформированы, большинство предусмотренных программой обучения учебных заданий выполнены, некоторые из выполненных заданий, возможно, содержат ошибки.
E	«Посредственно» - теоретическое содержание дисциплины освоено частично, некоторые практические навыки не сформированы, многие предусмотренные программой обучения учебных задания не выполнены, либо качество выполнения некоторых из них оценено числом баллов, близким к минимальному.

Продолжение таблицы 1.4.