Syllabus

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя

Каф. біотехнічних систем

Біомедична інженерія

Силабус

1. Освітні програми, для яких дисципліна є обов’язковою:

# Рівень освіти Галузь знань Спеціальність Освітня програма Курс(и) Семестр(и)
1 бакалавр 16. Хімічна та біоінженерія 163. Біомедична інженерія (бакалавр) Біомедична інженерія 3 5

2. Дисципліна пропонується як вибіркова для усіх рівнів вищої освіти і усіх освітніх програм.

3. Інформація про автора курсу

Прізвище, ім'я та по батькові Яворський Богдан Іванович
Науковий ступінь д-р техн. наук
Вчене звання професор
Посилання на сторінку викладача(ів) на офіційній веб-сторінці університету http://library.tntu.edu.ua/personaliji/a/ja/javorskyj-bohdan-ivanovych/
Е-mail (в домені tntu.edu.ua)

4. Інформація про навчальну дисципліну

Розподіл аудиторних годин Лекції: 32
Практичні заняття: 0
Лабораторні заняття: 32

Кількість годин самостійної роботи: 56
Кількість кредитів ECTS: 4
Мова викладання українська
Вид підсумкового контрою екзамен
Посилання на електронний навчальний курс у СЕН університету ATutor https://dl.tntu.edu.ua/bounce.php?course=2818

5. Програма навчальної дисципліни

Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Мета вивчення навчальної дисципліни: навчальна дисципліна «Біомедична інженерія» є міждисциплінарною. Вона поєднує в собі методологію, методи та методики дослідницької та інженерної підтримки технічного забезпечення наукових досліджень та практичної діяльності (профілактики, діагностики, лікування, реабілітації тощо) в галузі охорони здоров’я.

Завдання навчальної дисципліни: ознайомлення студентів з: концептуальними засадами біомедичної інженерії; класами, об’єктами, структурами біомедичної техніки та їх функціями; особливостями застосування біомедичних технічних засобів; методами побудови та експлуатації біомедичних технічних засобів в галузі охорони здоров’я.

Місце дисципліни в структурно-логічній схемі навчання за освітньою програмою

Перелік дисциплін, або знань та умінь, володіння якими необхідні студенту (вимоги до рівня підготовки) для успішного засвоєння дисципліни

Основи взаємодії фізичних полів з біооб'єктом
Медикобіологічні дослідження
Моделювання біомедичних процесів та сигналів
Математичне та комп'ютерне моделювання медтехніки
Принципи біомедичної інженерії

Перелік дисциплін які базуються на результатах навчання з даної дисципліни

Комп'ютерна біометрія та медична інтрографія
Моделювання біомедичних процесів та сигналів
Основи побудови медичної техніки

Зміст навчальної дисципліни

Лекційний курс (формулювання тем)

Тема 1. Парадигма об’єктно орієнтованої інженерії. Властивості зв’язку «технічний засіб – галузь життєдіяльності» («use case»). Проблема специфікації вимог для проектування техніки як зворотна задача. Концептуальні засади подолання невизначеності зворотних задач. Класифікація технічних засобів. Клас, змінні та метод класу; об’єкт, його структура та функції; Наслідування, інкапсуляція, абстрагування, поліморфізм. Статичні елементи класу, конструктори класу. Інтерфейси. Властивості об’єктно орієнтованих специфікації, проектування, аналізу, програмування на етапах життєвого циклу техніки.
Тема 2. Біомедично-орієнтована інженерія. Інженерний супровід біомедичної техніки на етапах її життєвого циклу. Класи та об’єкти апаратних та програмних засобів біомедичної техніки. Вимоги до апаратного та програмного забезпечення. Прикладне та системне програмування. Методи об'єктного орієнтованого аналізу і моделювання біооб’єктів та їх систем.
Тема 3. Біомедичні технології. Обмін біомедичними даними, доступність та безпека інформації у галузі охорони здоров’я. Надійність збереження інформації про пацієнтів, швидкий доступ до даних, інтеграція даних та їх статистичний аналіз.
Тема 4. Ефективність біомедтехніки. Прикладні та технічні параметри характеристик біомедтехніки. Складність, інформативність, достовірність. Побудова критерію ефективності та визначення його екстремального значення.
Тема 5. Класифікація біомедичних систем, структури та функції їх об’єктів. Інформаційні системи консультативних центрів. Бази та банки даних медичних установ і служб. Персоніфіковані регістри (бази і банки даних). Скринінгові системи. Інформаційні системи лікувально-профілактичних установ. Інформаційні системи медико-біологічних досліджень.
Тема 6. Діагностичні системи, їх структури та функції. Консультативно-діагностичні системи: імовірнісні та експертні системи. Автоматизоване робоче місце лікаря-діагноста. Медичні системи моніторингу за станом хворих; системи комп’ютерного аналізу даних томографії, ультразвукової діагностики, ЕЕГ, ЕКГ, радіографії; системи автоматизованого аналізу даних мікробіологічних та вірусологічних досліджень, аналізу клітин та тканин людини.
Тема 7. Терапевтичні системи, їх функції, структури.
Медичні інформаційні системи рівня лікувально-профілактичного закладу: системи інтенсивної терапії, системи зворотнього біологічного зв’язку.
Тема 8. Реабілітаійні системи, їх функції, структури.
Лікувально-реабілітаціні системи у галузі охорони здоров’я.
Тема 9. Особливості живих систем.
Ізоморфізм процесів, що відбуваються у живих системах. Основні особливості та внутрішньосистемні зв'язки живих систем. Ієрархічна функціонально-структурна організація живих систем. Функціональна та структурна складність живих систем.
Тема 10. Принцип НАСА для оптимізації інженерно-технічного впливу на біооб’єкт.
Взаємодія людини з технічними засобами. Форми взаємодії на етапах життєвого циклу (побудова, виробництво, експлуатація тощо). Показники якості взаємодії людини з технічними засобами. Надійність системи “людина-машина”. Розподіл функцій між людиною та технічними засобами.
Тема 11. Етичні аспекти та обмеження біомедичної інженерії.
Поняття методу, методики та методології у біомедичній інженерії. Технічні, економічні та експлуатаційні складові критерію ефективності. Складність, точність, робастність, чутливість, реалізовність, керованість, стійкість та стабільність в інженерії.
Тема 12. Критерії та методи оцінювання ефективності біомедичної інженерії.
Аналоги, прототип та методи пошуку екстремому критерію. Функціонал ефективності. Побудова функціоналу ефективності у біофізичних просторах. Функціонал ефективності у власному, фазовому та енергетичному просторах. Інтеграційний критерій ефективності. Обмеження на функції та характеристики біомедтехніки.
Тема 13. Структури, моделювання, достовірність та інформативність представлень біомедичних даних та їх інтеграція. Структури та типи даних, парадигми програмування, технологія проектування та відладки програм у галузі біомедичної інженерії.
Тема 14. Алгоритми опрацювання даних та використання його результатів. Алгоритмічні стратегії, фундаментальні обчислювальні алгоритми та структури даних. Програмна інженерія: життєвий цикл програм, процеси розробки програмного забезпечення, якість і надійність програмного забезпечення.
Тема 15. Алгоритми експлуатації біомедтехніки та біомедичних процедур. Інформаціні системи, бази даних, вилучення інформації, зберігання та пошук інформації, гіпертекст, системи мультимедіа.
Тема 16. Автоматизація управління біомедичними процесами та закладами. Моніторинг стану, оцінювання, генерування та прийняття рішень. Статаистичні методи ухвалення рішень.
Тема 17. Професійний, соціальний та етичний контекст інформаційних технологій в області біології та медицини. Стандарти етики, професійні та життєва поведінка. Конфлікти, їх прогнозування та уникнення. Роль біомедичної техніки.
Тема 18. Характеристика біомедичної інженерії як об’єкту дослідження. Медичні технології проведення досліджень: технічні засоби, інформаційно-структурні моделі медико-біологічних досліджень, підготовка та проведення досліджень біооб’кту, транспортування, трансформація, розробка моделі виконання фізіологічних досліджень, аналіз методичних проблем та способи їх усунення. Автоматизація проведення досліджень: алгоритмічне та програмне забезпечення медико-біологічних досліджень, прикладне програмне забезпечення для автоматизованих профілактичних, діагностичних, терапевтичних та реабілітаційних систем. Приклади та практична реалізація комп’ютерних технологій у біомедичній інженерії.
Тема 19. Прогнозування розвитку медикобіологічної техніки та технологій.

Практичні заняття (теми)

-

Лабораторний практикум (теми)

Реєстрація біосигналів.
Обробка біосигналів.
Статистичне випробування методів обробки біосигналів.
Інтеграція біомедичних даних.
Експлуатація біомедичних апаратів і систем.
Експлуатація локальних мереж та баз даних

Самостійна робота студента/аспіранта

Підготовка до лабораторних робіт (6 лабораторних робіт по 1 годині).
Опрацювання окремих розділів, які не виносяться на лекції:
1. Парадигма об’єктно орієнтованої інженерії.
2. Біомедичноорієнтована інженерія.
3. Біомедичні технології.
4. Ефективність біомедтехніки.
5. Класифікація біомедичних систем, структури та функції їх об’єктів.
6. Діагностичні системи, їх структури та функції.
7. Терапевтичні системи, їх функції, структури.
8. Реабілітаційні системи, їх функції, структури.
9. Особливості живих систем.
10. Принцип НАСА для оптимізації інженерно технічного впливу на біооб’єкт.
11. Критерії та методи оцінювання ефективності біомедінженерії.
12. Критерії та методи оцінювання ефективності біомедінженерії.
13. Структури, моделювання, достовірність та інформативність представлень біомедичних даних та їх інтеграція.
14. Алгоритми опрацювання даних та використання його результатів.
15. Алгоритми експлуатації біомедтехніки та біомедичних процедур.
16. Автоматизація управління біомедичними процесами та закладами.
17. Професійний, соціальний та етичний контекст інформаційних технологій в області біології та медицини.
18. Характеристика біомедичної інженерії як об’єкту дослідження.
19. Прогнозування розвитку медикобіологічної техніки та технологій.
Підготовка та складання екзаменів, тестування.

Навчальні матеріали та ресурси

Базова
1. Азнакаєв, Е. Г. Біомедична інженерія : (фундаментальні та прикладні аспекти) : навч. посібник для ВНЗ. Київ, 2007. 389 c.

Допоміжна
1. Г.Н. Пахарьков. Биомедицинская инженерия. Проблемы и перспективы: Учебник для вузов. СПб, 2011. 232 с.
2. Н.С. Егоров, В.Д. Самуилов [Под ред. Егорова Н.С.]. Биотехнология: учебное пособие для вузов (в 8 кн.). Кн. 1: Проблемы и перспективы. Москва, 1987. 159 с.
3. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. СПб, 1995. 601 с.
4. Рыбчин В.Н. Основы генетической инженерии. 2-е изд., перераб. и доп.: учебник дял вузов. СПб, 2002. 522 с.
5. Биомедицинская измерительная техника: учебное пособие для вузов / под ред. Л.В.Илясова. Москва, 2007. 342 с.
6. В.Н. Канюков, Р.Ш. Тайгузин, О.М. Трубина, Р.Н. Подопригора Медицинское диагностическое оборудование: учебное пособие Оренбург, 2010. 110 с.
7. Н. А. Кореневский, Е. П. Попечителев, С. П. Серегин. Медицинские приборы, аппараты, системы и комплексы: учеб. пособие для вузов. Курск, 2009. 986 с.
8. В.Г. Гусев. Получение информации о параметрах и характеристиках организма и физические методы воздействия на него: учеб. пособие для вузов. Москва, 2004. 597с. Библиогр.: с. 581-588. ISBN 5-217-03258-8.
9. Е.П. Попечителев, О.Н.Старцева. Аналитические исследования в медицине, биологии и экологии. Москва, 2003. 279 с.: ил. Библиогр.: с. 262-264 – ISBN 5-06-004389-4.
10. В.Г. Гусев. Физические методы и технические средства для лечебных воздействий: учеб. пособие. Уфа, 2001. 126 с. ISBN 5-86911-349-0.
11. Аппаратура и методы клинического мониторинга / под ред. Л.И. Калакутского. Москва, 2004. 156 с. ISBN 5-94836-069-5
12. Е.П. Попечителев, Н.А.Кореневский. Электрофизиологическая и фотометрическая медицинская техника: теория и проектирование: Учеб.пособие. Москва, 2002. 470 с: ил. Библиогр.: с.463-466.
13. М. Ю. Ишманов [и др.] . Медицинская аппаратура. Полный справочник. Москва, 2007. 608 с. Авт. указ. на обороте тит. л - ISBN 978-5-699-24312-9.
14. Грэхем И. Объектно-ориентированные методы. Принципы и практика. 3-е изд.: Пер. с англ. Москва, 2004. (Глава 1).
15. Гряди Буч, Роберт А. Максимчук, Майкл У. Энгл, Бобби Дж. Янг, Джим Коналлен, Келли А. Хьюстон Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений, 3-е изд.: Пер. с англ. Москва, 2008. 720 с.
16. Акулов С.А., Федотов А.А. Основы теории биотехнических систем. Москва, 2014. 259 с.
17. Кореневсекий Н.А., Попечителев Е.П., Филист С.А. Проектирование электронной медицинской аппаратуры для диагностики и лечебных воздействий: Монография. Курск, 1999. 537 с.
18. Е. В. Бигдай, С. П. Вихров, Н. В. Гривенная и др. Под ред. С. П. Вихроваи, В. О. Самойлова. Биофизика для инженеров: Учебное пособие. В 2 томах. Том 1. -Биоэнергетика, биомембранология и биологическая электродинамика. Москва, 2008. 496 с.
19. Kutz M. Standard Handbook of Biomedical Engineering and Design/ McCRAW-HILL, 2003. 1127 p.
20. В.М. Строев, А.Ю. Куликов, С.В. Фролов. Проектирование измерительных медицинских приборов с микропроцессорным управлением: учебное пособие. Тамбов, 2012. 96 c.
21. Злепко С.М., Павлов С.В., Коваль Л.Г. та ін. Основи біомедичного радіоелектронного апаратобудування : навчальний посібник. Вінниця, 2011. 133 с.
22. Б.І. Яворський, Т.М. Рафа. Методи та засоби комп’ютерної реконструктивної томографії: Навчальний посібник. Тернопіль, 2010. 107 с.

Інформаційні ресурси

1. http://www.mtjournal.ru – журнал «Медицинская техника»
2. International Union for Physical and Engineering Sciences in Medicine
3. International Federation for Medical and Biological Engineering
4. European Alliance for Medical and Biological Engineering & Science

6. Політика та контроль навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Політика навчальної дисципліни

Політика навчальної дисципліни визначається системою вимог, які викладач пред'являє до студента при вивченні дисципліни "Біомедична інженерія" та ґрунтується на засадах академічної доброчесності.
Вимоги стосуються відвідування занять (неприпустимість пропусків, запізнень і т.п.); правил поведінки на заняттях (активну участь, виконання необхідного мінімуму навчальної роботи та ін.); заохочень та стягнень (за що можуть нараховуватися або відніматися бали і т.п.).
Політика навчальної дисципліни "Біомедична інженерія" вибудована з урахуванням норм законодавства України щодо академічної доброчесності, Статуту, положень ТНТУ:

1 Положення про організацію освітнього процесу в Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя - наказ №4/7-340 від 21.05.2015 із змінами від 25.06.2019 - наказ №4/7-622 від 27.06.2019 та від 14.04.2020 - наказ №4/7-243 від 15.04.2020

2 Положення про індивідуальний навчальний план студента Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя (нова редакція) - наказ №4/7-669 від 25.09.2020

3 Положення про академічну мобільність учасників освітнього процесу Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя

4 Положення про оцінювання здобувачів вищої освіти Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя (нова редакція) - наказ №4/7-670 від 25.09.2020

5 Положення про академічну мобільність студентів ТНТУ ім.І.Пулюя - наказ№4/7-454 від 16.07.2013

6 Положення про врегулювання конфліктних ситуацій в Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя - наказ №4/7-164 від 01.03.2021

7 Положення про підсумковий семестровий контроль результатів навчання студентів Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя - наказ №4/7-122 від 17.02.2020

8 Тимчасовий порядок проведення семестрового контролю та атестації здобувачів вищої освіти Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя - наказ №4/7-350 від 25.05.2020

9. Положення про недопущення академічного плагіату в Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя - наказ №4/7-964 від 01.11.2019 зі змінами від 19.12.2019 наказ №4/7-114 від 12.02.2020, зі змінами від 26.01.2021 - наказ №4/7-72 від 02.02.2021

10. Положення про академічну доброчесність учасників освітнього процесу Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя - наказ №4/7-969 від 01.11.2019

11. Статут Тернопільського національного технічного університету ім. І. Пулюя (нова редакція) - наказ МОН №248 від 25.02.2019

Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання

Згідно з діючою в університеті системою комплексної діагностики знань студентів, з метою стимулювання планомірної та систематичної навчальної роботи, оцінка знань студентів
здійснюється за 100-баловою системою, яка переводиться відповідно у національну шкалу
(«відмінно», «добре», «задовільно», «незадовільно») та шкалу європейської кредитно-трансферної системи (ЄКТС –А, В, С, D, E, FX, F). . Форми контролю знань студентів: поточний (опитування, тестування); підсумковий модульний (тестування); семестровий підсумковий (екзамен). Детально кількість балів розписано у робочій програмі.


Таблиця відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою:

Шкала оцінок
ВНЗ
(100-бальна)
Національна
(4-бальна)
ECTS
90-100 Відмінно А
82-89 Добре B
75-81 C
67-74 Задовільно D
60-66 E
35-59 Незадовільно FX
1-34 F

7. Додаткова інформація

Парадигма об’єктно орієнтованої інженерії. Властивості зв’язку «технічний засіб – галузь життєдіяльності» («use case»). Проблема специфікації вимог для проектування техніки як зворотна задача. Концептуальні засади подолання невизначеності зворотних задач. Класифікація технічних засобів. Клас, змінні та метод класу; об’єкт, його структура та функції; Наслідування, інкапсуляція, абстрагування, поліморфізм. Статичні елементи класу, конструктори класу. Інтерфейси. Властивості об’єктно орієнтованих специфікації, проектування, аналізу, програмування на етапах життєвого циклу техніки.
Біомедично-орієнтована інженерія. Інженерний супровід біомедичної техніки на етапах її життєвого циклу. Класи та об’єкти апаратних та програмних засобів біомедичної техніки. Вимоги до апаратного та програмного забезпечення. Прикладне та системне програмування. Методи об'єктного орієнтованого аналізу і моделювання біооб’єктів та їх систем.
Біомедичні технології. Обмін біомедичними даними, доступність та безпека інформації у галузі охорони здоров’я. Надійність збереження інформації про пацієнтів, швидкий доступ до даних, інтеграція даних та їх статистичний аналіз.
Ефективність біомедтехніки. Прикладні та технічні параметри характеристик біомедтехніки. Складність, інформативність, достовірність. Побудова критерію ефективності та визначення його екстремального значення.
Класифікація біомедичних систем, структури та функції їх об’єктів. Інформаційні системи консультативних центрів. Бази та банки даних медичних установ і служб. Персоніфіковані регістри (бази і банки даних). Скринінгові системи. Інформаційні системи лікувально-профілактичних установ. Інформаційні системи медико-біологічних досліджень.
Діагностичні системи, їх структури та функції. Консультативно-діагностичні системи: імовірнісні та експертні системи. Автоматизоване робоче місце лікаря-діагноста. Медичні системи моніторингу за станом хворих; системи комп’ютерного аналізу даних томографії, ультразвукової діагностики, ЕЕГ, ЕКГ, радіографії; системи автоматизованого аналізу даних мікробіологічних та вірусологічних досліджень, аналізу клітин та тканин людини.
Терапевтичні системи, їх функції, структури.
Медичні інформаційні системи рівня лікувально-профілактичного закладу: системи інтенсивної терапії, системи зворотнього біологічного зв’язку.
Реабілітаійні системи, їх функції, структури.
Лікувально-реабілітаціні системи у галузі охорони здоров’я.
Особливості живих систем.
Ізоморфізм процесів, що відбуваються у живих системах. Основні особливості та внутрішньосистемні зв'язки живих систем. Ієрархічна функціонально-структурна організація живих систем. Функціональна та структурна складність живих систем.
Принцип НАСА для оптимізації інженерно-технічного впливу на біооб’єкт.
Взаємодія людини з технічними засобами. Форми взаємодії на етапах життєвого циклу (побудова, виробництво, експлуатація тощо). Показники якості взаємодії людини з технічними засобами. Надійність системи “людина-машина”. Розподіл функцій між людиною та технічними засобами.
Етичні аспекти та обмеження біомедичної інженерії.
Поняття методу, методики та методології у біомедичній інженерії. Технічні, економічні та експлуатаційні складові критерію ефективності. Складність, точність, робастність, чутливість, реалізовність, керованість, стійкість та стабільність в інженерії.
Критерії та методи оцінювання ефективності біомедичної інженерії.
Аналоги, прототип та методи пошуку екстремому критерію. Функціонал ефективності. Побудова функціоналу ефективності у біофізичних просторах. Функціонал ефективності у власному, фазовому та енергетичному просторах. Інтеграційний критерій ефективності. Обмеження на функції та характеристики біомедтехніки.
Структури, моделювання, достовірність та інформативність представлень біомедичних даних та їх інтеграція. Структури та типи даних, парадигми програмування, технологія проектування та відладки програм у галузі біомедичної інженерії.
Алгоритми опрацювання даних та використання його результатів. Алгоритмічні стратегії, фундаментальні обчислювальні алгоритми та структури даних. Програмна інженерія: життєвий цикл програм, процеси розробки програмного забезпечення, якість і надійність програмного забезпечення.
Алгоритми експлуатації біомедтехніки та біомедичних процедур. Інформаціні системи, бази даних, вилучення інформації, зберігання та пошук інформації, гіпертекст, системи мультимедіа.
Автоматизація управління біомедичними процесами та закладами. Моніторинг стану, оцінювання, генерування та прийняття рішень. Статаистичні методи ухвалення рішень.
Професійний, соціальний та етичний контекст інформаційних технологій в області біології та медицини. Стандарти етики, професійні та життєва поведінка. Конфлікти, їх прогнозування та уникнення. Роль біомедичної техніки. 2
Характеристика біомедичної інженерії як об’єкту дослідження. Медичні технології проведення досліджень: технічні засоби, інформаційно-структурні моделі медико-біологічних досліджень, підготовка та проведення досліджень біооб’кту, транспортування, трансформація, розробка моделі виконання фізіологічних досліджень, аналіз методичних проблем та способи їх усунення. Автоматизація проведення досліджень: алгоритмічне та програмне забезпечення медико-біологічних досліджень, прикладне програмне забезпечення для автоматизованих профілактичних, діагностичних, терапевтичних та реабілітаційних систем. Приклади та практична реалізація комп’ютерних технологій у біомедичній інженерії. 2
Прогнозування розвитку медикобіологічної техніки та технологій.
Затверджено рішенням кафедри
біотехнічних систем
(протокол №
10
від «
17
»
березня
2021
року).