生物醫(yī)學工程專業(yè)實驗教學指南一、實驗教學的定位與目標生物醫(yī)學工程（BME）作為交叉學科，實驗教學是連接理論知識與工程實踐的核心紐帶。其目標在于培養(yǎng)學生“理論-實踐-創(chuàng)新”三位一體的能力：通過基礎(chǔ)實驗掌握生物信號采集、醫(yī)療儀器操作等核心技能；借助綜合實驗構(gòu)建多學科知識融合的系統(tǒng)思維；依托創(chuàng)新實驗孕育解決臨床需求的工程方案，為醫(yī)療設備研發(fā)、生物信息分析等領(lǐng)域輸送兼具技術(shù)素養(yǎng)與人文關(guān)懷的專業(yè)人才。二、實驗教學體系的分層構(gòu)建（一）基礎(chǔ)驗證性實驗（低年級階段）聚焦“技能筑基”，覆蓋生物醫(yī)學測量、電子電路、生物材料等基礎(chǔ)領(lǐng)域：生物信號采集：利用肌電/心電采集系統(tǒng)，完成人體生理信號（如心電、肌電、腦電）的采集、放大與可視化，理解生物信號的時頻特性；醫(yī)療儀器原理驗證：拆解簡易血糖儀、脈搏血氧儀，分析傳感器（酶電極、光電傳感器）與信號處理電路的工作邏輯；生物材料表征：通過接觸角測量、拉伸試驗，掌握聚乳酸（PLA）、水凝膠等生物材料的理化性能測試方法。該階段注重“標準化操作”，配套《實驗操作手冊》明確儀器使用規(guī)范（如示波器觸發(fā)設置、生物安全柜操作流程），幫助學生建立嚴謹?shù)膶嶒灹晳T。（二）綜合設計性實驗（中年級階段）強調(diào)“系統(tǒng)整合”，以“醫(yī)療設備原型開發(fā)”為載體，融合多學科知識：多參數(shù)監(jiān)護儀設計：小組協(xié)作完成“傳感器選型（心電、血壓、血氧）→信號調(diào)理電路設計→嵌入式系統(tǒng)編程→人機界面開發(fā)”全流程，解決信號干擾、模塊兼容性等工程問題；醫(yī)學影像重建：基于MATLAB平臺，實現(xiàn)CT圖像的濾波反投影重建，對比不同算法（如FDK、SART）的重建精度與效率，理解成像物理原理與算法優(yōu)化邏輯；組織工程支架3D打?。航Y(jié)合醫(yī)學影像（如MRI）的患者骨缺損數(shù)據(jù)，設計個性化支架模型，通過光固化/熔融沉積（FDM）技術(shù)打印，并開展體外細胞相容性評價。此階段引入“項目管理”思維，要求學生撰寫《項目可行性報告》，模擬企業(yè)研發(fā)流程，培養(yǎng)團隊協(xié)作與問題解決能力。（三）創(chuàng)新研究性實驗（高年級/研究生階段）面向“科研轉(zhuǎn)化”，對接臨床需求與前沿技術(shù)：智能醫(yī)療設備研發(fā)：基于深度學習算法（如U-Net）開發(fā)醫(yī)學圖像分割模型，或設計可穿戴設備（如柔性應變傳感器）監(jiān)測康復患者運動狀態(tài)；生物傳感技術(shù)創(chuàng)新：針對腫瘤標志物（如CTC）開發(fā)微流控芯片，結(jié)合電化學/光學檢測技術(shù)實現(xiàn)高靈敏度檢測；醫(yī)療機器人控制：搭建達芬奇手術(shù)機器人簡化模型，開發(fā)力反饋控制算法，優(yōu)化微創(chuàng)手術(shù)的精準度與穩(wěn)定性。該階段鼓勵學生參與導師科研課題或企業(yè)橫向項目，通過“問題導向-文獻調(diào)研-方案設計-實驗驗證-成果輸出”的閉環(huán)訓練，提升科研創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化能力。三、核心實驗模塊的設計與實施（一）生物信號處理模塊實驗1：肌電信號（EMG）的采集與手勢識別目的：掌握表面肌電信號的采集原理，理解模式識別在醫(yī)療康復中的應用；步驟：1.受試者佩戴肌電電極（V表面電極），采集握拳、伸指等動作的EMG信號；2.利用Python（或LabVIEW）對信號進行濾波（帶通濾波，____Hz）、整流、特征提?。ㄈ缇礁⑿〔兀?；3.訓練SVM分類器，實現(xiàn)手勢動作的識別，分析分類準確率與電極放置位置的關(guān)系。實驗2：心電信號（ECG）的噪聲抑制與心律失常分析目的：掌握ECG信號的預處理方法，理解臨床心電分析的工程實現(xiàn)；步驟：1.采集靜息態(tài)與運動后ECG信號，模擬基線漂移、肌電干擾等噪聲；2.采用IIR濾波器（如Butterworth）抑制基線漂移，結(jié)合小波變換去除肌電噪聲；3.提取RR間期、ST段等特征，利用模板匹配法識別室性早搏、房顫等心律失常類型。（二）醫(yī)學成像模塊實驗1：超聲成像的B模式與多普勒效應目的：理解超聲成像的物理原理，掌握多普勒血流測量方法；步驟：1.利用超聲仿真軟件（如FieldII）模擬點源、線陣探頭的聲場分布，分析聚焦深度與分辨率的關(guān)系；2.采集人體頸動脈超聲圖像，調(diào)節(jié)增益、時間增益補償（TGC）優(yōu)化圖像質(zhì)量；3.切換多普勒模式，測量血流速度，分析血管狹窄時的血流頻譜變化。實驗2：MRI成像的序列設計與圖像重建目的：掌握MRI的脈沖序列原理，理解K空間與圖像重建的關(guān)系；步驟：1.在MRI仿真平臺（如MRsimulator）設置自旋回波（SE）、梯度回波（GRE）序列參數(shù)（TR、TE、翻轉(zhuǎn)角），觀察T1、T2加權(quán)圖像的組織對比度；2.模擬K空間數(shù)據(jù)采集，通過逆傅里葉變換（iFFT）重建圖像，分析部分K空間采樣（如壓縮感知）對圖像質(zhì)量的影響。（三）醫(yī)療儀器設計模塊實驗：便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀系統(tǒng)集成任務：小組設計并實現(xiàn)“心電+體溫+血氧”三參數(shù)監(jiān)護儀原型；實施流程：1.硬件設計：選型心電傳感器（AD8232）、紅外體溫傳感器（MLX____）、血氧傳感器（MAX____），設計信號調(diào)理電路（放大、濾波）與STM32最小系統(tǒng)；2.軟件編程：基于FreeRTOS實現(xiàn)多任務調(diào)度（信號采集、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示），開發(fā)藍牙通信模塊（與手機APP互聯(lián)）；3.系統(tǒng)測試：在人體/模擬負載上驗證參數(shù)測量精度，優(yōu)化電源管理（延長續(xù)航時間），完成EMC（電磁兼容）測試。四、教學實施與質(zhì)量保障（一）教學方法創(chuàng)新1.虛實結(jié)合教學：利用虛擬仿真實驗（如“大型醫(yī)療設備虛擬操作”）解決高成本、高風險實驗的教學難題，學生可在虛擬環(huán)境中反復操作CT、MRI等設備，掌握掃描參數(shù)設置與圖像后處理流程；2.項目式學習（PBL）：以“臨床問題”為驅(qū)動，如“如何設計適用于新生兒的無創(chuàng)血糖儀？”，引導學生調(diào)研需求、拆解問題、制定方案，最終通過實驗驗證并優(yōu)化設計；3.校企協(xié)同實訓：與邁瑞、聯(lián)影等企業(yè)共建實訓基地，學生參與企業(yè)真實項目（如醫(yī)療設備的可靠性測試、新功能迭代），在工程師指導下完成工程實踐。（二）考核評價體系采用“過程+結(jié)果+能力”三維評價：過程性評價（40%）：實驗操作規(guī)范性（如儀器校準、生物安全操作）、實驗報告質(zhì)量（數(shù)據(jù)分析的邏輯性、圖表規(guī)范性）、小組協(xié)作貢獻度；結(jié)果性評價（30%）：實驗數(shù)據(jù)準確性、項目原型功能完整性（如監(jiān)護儀的參數(shù)測量誤差≤5%）；能力性評價（30%）：問題解決能力（如故障排查、算法優(yōu)化）、創(chuàng)新思維（如專利申報、論文發(fā)表）。（三）實驗資源建設1.硬件平臺：建設“生物信號采集實驗室”“醫(yī)學成像實驗室”“醫(yī)療儀器創(chuàng)新實驗室”，配備多通道生理記錄儀（BIOPAC）、3D打印機（Formlabs）、超聲成像系統(tǒng)（Mindray）等設備；3.案例庫建設：整理臨床真實案例（如腦卒中患者的康復設備需求）、企業(yè)研發(fā)案例（如新冠核酸檢測儀的開發(fā)歷程），作為實驗教學的延伸素材。五、實驗安全與規(guī)范（一）生物安全涉及人體/動物樣本的實驗需嚴格遵循倫理審查（如IRB批準），操作BSL-2級生物樣本（如血液、體液）時，需穿戴防護服、手套，在生物安全柜內(nèi)操作，實驗后對樣本、器械進行高壓滅菌；開展動物實驗（如大鼠心肌缺血模型）需通過動物倫理委員會審批，遵循“3R”原則（替代、減少、優(yōu)化）。（二）化學安全生物材料合成（如合成水凝膠）涉及的化學試劑（如交聯(lián)劑）需分類儲存（易燃、有毒、腐蝕品分柜存放），使用通風櫥操作，佩戴護目鏡、丁腈手套；制定《化學試劑使用臺賬》，記錄領(lǐng)用、使用、廢棄處理流程，廢棄試劑需交由專業(yè)機構(gòu)處置。（三）儀器安全高壓設備（如高壓滅菌鍋）需定期檢查壓力表、安全閥，操作人員需持證上崗；輻射類設備（如X射線骨密度儀）需設置警示標識，嚴格控制曝光時間與距離，定期檢測輻射劑量；電氣設備（如電源、示波器）需檢查接地是否良好，實驗前確認電壓、電流參數(shù)設置正確。六、創(chuàng)新實踐拓展（一）科研項目參與鼓勵學生加入導師科研團隊，參與國家級/省部級科研項目（如“十四五”重點研發(fā)計劃“生物醫(yī)學工程”專項），在“醫(yī)工交叉”課題中鍛煉科研能力，例如：基于深度學習的肺癌影像輔助診斷；柔性可穿戴設備的生物力學優(yōu)化。（二）學科競賽挑戰(zhàn)組織學生參加全國大學生生物醫(yī)學工程創(chuàng)新設計競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等賽事，以競賽為載體推動實驗成果轉(zhuǎn)化：某團隊基于微流控技術(shù)設計的“便攜式CTC檢測芯片”獲競賽金獎，并成功申請發(fā)明專利；學生可依托實驗教學成果，在競賽中完成“從實驗室原型到產(chǎn)品原型”的跨越。（三）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化聯(lián)合高?？萍紙@、地方產(chǎn)業(yè)園區(qū)，為學生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化支持：開設“醫(yī)療產(chǎn)品設計與商業(yè)化”課程，邀請投資人、企業(yè)高管講解醫(yī)療產(chǎn)品的注冊認證（如CFDA、FDA）與市場推