Біомедичні вимірювальні перетворювачі для інтернету речей
Спеціальність: Біомедична інженерія (інтернет речей)
Код дисципліни: 6.163.03.E.051
Кількість кредитів: 4.00
Кафедра: Електронні засоби інформаційно-комп'ютерних технологій
Лектор: Голяка Роман Любомирович
Семестр: 6 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
загальні компетентності:
ЗК 1. Здатність застосовувати знання у практичних ситуаціях.
ЗК 2. Знання та розуміння предметної області та розуміння професійної діяльності.
ЗК 4. Навички використання інформаційних і комунікаційних технологій.
ЗК 10. Навики здійснення безпечної діяльності.
фахові компетентності:
ФК 4. Здатність забезпечувати технічні та функціональні характеристики систем і засобів, що використовуються в медицині та біології (при профілактиці, діагностиці, лікуванні та реабілітації).
ФК 7. Здатність планувати, проектувати, розробляти, встановлювати, експлуатувати, підтримувати, технічно обслуговувати, контролювати і координувати ремонт приладів, обладнання та системи для профілактики, діагностики, лікування і реабілітації, а також пристрої інтернету речей, що використовується в лікарнях і науково-дослідних інститутах.
ФК 8. Здатність проводити дослідження та спостереження щодо взаємодії біологічних, природних та штучних систем (протези, штучні органи та ін.).
ФК 9. Здатність ідентифікувати, формулювати і вирішувати інженерні проблеми, пов’язані з взаємодією між живими і неживими системами.
ФКС 1.1. Знання методів і засобів вивчення та аналізу впливів фізичних полів на людський організм при експлуатації біотехнічних та медичних апаратів і систем
ФКС 1.7. Знання принципів функціонування, будови та призначення біомедичних вимірювальних перетворювачів.
Результати навчання: В результаті вивчення дисципліни студент повинен продемонструвати такі результати навчання:
- розуміти основи концепцій Інтернет Всього (IoE), Мережа речей (WoT), Інтернету Речей (IoT), Індустріальний Інтернет Речей (IIoT), Розумне середовище (SE), Розумний дім (SH), Доповнена реальність (AR), розумний пил (SD), Телемедицина (TM);
- знати основи побудови та проектування електронних пристроїв IoT та IIoT, вбудованих систем, розумних сенсорів та актюаторів, сигнальних перетворювачів,
- демонструвати знання та вміння розробляти IoT пристрої на основі спеціалізованих мікроконтролерів та мікроконвертерів, відкритих IoT платформи, зокрема, Arduino, Raspberry Pi, Adafruit Feather.
- знати протоколи обміну даними та їх стандарти: USB, WiFi, Wi-Fi Direct, IEEE 802.15.4, Bluetooth, Bluetooth low energy (BLE), ZigBee, 6LoWPAN, Low-power wide-area networking (LPWAN).;
- демонструвати знання та вміння використовувати IoT середовищ розробки програм (IoT SDE), зокрема, Intel XDK, Intel System Studio IoT Edition, Android Things, Google Cloud Interconnect;
- демонструвати знання сучасних тенденцій розвитку IoT та IIoT;
- знати вимоги до електричних та механічних параметрів біомедичних вимірювальних перетворювачів, їх біологічну та електричну сумісність;
- знати типи біомедичних сенсорів та актюаторів;
- розуміти фізичні та хімічні основи біомедичних сенсорів та актюаторів;
- демонструвати знання та вміння розробляти та моделювати біомедичні вимірювальні перетворювачі;
- демонструвати знання про структури та параметри сенсорів для вимірювання температури, світла, електричного та магнітного поля, радіації, електричної ємності, механічного напруження, прискорення, потоку, гравітації, параметрів рідинних та газоподібних речовин;
- розуміти конструктивні та технологічні особливості MEMs структур біомедичних сенсорних та актюаторних перетворювачів;
- розуміти концепцію «лабораторія-на-кристалі»;
- демонструвати знання та вміння використовувати сигнальні вимірювальні перетворювачі та інтерфейси сенсорних пристроїв;
- демонструвати знання сучасних тенденцій розвитку вимірювальних перетворювачів телемедицини та Інтернету Речей.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Компонентна база біомедичної апаратури
Схемотехніка біомедичної апаратури
Короткий зміст навчальної програми: Програма навчальної дисципліни «Біомедичні вимірювальні перетворювачі Інтернету речей» укладена для студентів інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки, які навчаються за спеціальністю «Біомедична інженерія». В результаті успішного навчання за програмою курсу студент засвоїть теоретичні основи функціонування вимірювальних перетворювачів та мікроелекторнних сенсорів в біомедичній інженерії та пристроях Інтернету Речей. Курс має практичне спрямування, надаючи студентам можливості набуття досвіду в електроніці біомедичної інженерії та Інтернету Речей. Самоосвіта вважається невід’ємною частиною даного навчального курсу, і особлива увага у програмі приділяється самостійній роботі студентів.
В курсі розглядаються: вимоги до електричних та механічних параметрів біомедичних вимірювальних перетворювачів; біологічна та електрична сумісність; рецептори та сенсори біологічних організмів; нейронна система передачі сигналів; типи сенсорів та актюаторів; фізико-хімічні основи функціонування сенсорів та актюаторів; сенсори та актюатори біомедичної інженерії; сенсори для вимірювання температури, світла, електричного та магнітного поля, радіації, електричної ємності, механічного напруження, прискорення, потоку, гравітації, параметрів рідинних та газоподібних речовин; біосенсори; концепція «Лабораторія-на-кристалі»; MEMs структури в сенсорній та актюаторній техніці; концепція інтелектуальних (розумних) сенсорів; сигнальні вимірювальні перетворювачі; інтерфейси сенсорних пристроїв; вимірювальні перетворювачі телемедицини та Інтернету Речей.
Зміст курсу спрямований на формування у студентів розуміння загальної тенденції розвитку вимірювальних перетворювачів та мікроелекторнних сенсорів в біомедичній інженерії та пристроях Інтернету Речей, здатності студентів ефективно використовувати набуті знання під час практичних занять в аудиторіях та при виконанні лабораторних та самостійних завдань, вміння знаходити необхідну інформацію в спеціалізованій літературі та Інтернеті.
Вивчення навчальної дисципліни передбачає використання програмного забезпечення для схемо технічного моделювання MicroCap12 (evaluation student version) та інтегрованих програмних середовищ розроблення (Integrated Development Environment, IDE) PSoC Creator, Arduino IDE. Всі вказані програмні продукти не вимагають ліцензійної оплати є у вільному доступі для студентів.
Опис: Тема 1. Основи вимірювального перетворення та біомедичної сенсорики. Сенсори в концепції Медичного Інтернету Речей
Вимірювальне перетворення. Принципи перетворення. Вимірювальні перетворювачі. Сенсорика – нова галузь мікроелектроніки. Явища і перетворення енергії в сенсориці. Сенсорика в концепції Інтернету речей
Вимірювання та класифікація біосигналів. Характеристики біосигналів. Електронні засоби медико-біологічних досліджень. Сенсорна інформація в живих організмах. Будова й функції рецепторів
Сенсори біомедичної інженерії. Сенсори та перетворювачі в біомедичній мехатроніці. Case study – інтегровані вимірювальні перетворювачі електронного носа та електронного язика
Тема 2. Типи сенсорів біомедичної інженерії
Вимірювальні перетворювачі температури. Термометри. Калориметри
Сенсори на ємнісному принципі вимірювального перетворення
Тензометричні та п’єзометричні вимірювальні перетворювачі
Вимірювальні перетворювачі потоків газів та рідин. Витратоміри
Фотометричні вимірювальні перетворювачі
Магнітометричні вимірювальні перетворювачі
Хімічні та біохімічні вимірювальні перетворювачі. Біосенсори
Тема 3. Інтегровані перетворювачі мікроелектронної сенсорики
Концепція Lab-on-Chip «Лабораторя на чіпі». Сенсори та актюатори на МЕМС структурах. Smart dust «розумний пил». Мікросхемотехніка та фронт-енд сенсорики. Функціональне інтегрування Sensor fussion (Злиття сенсорів)
Інтерфейси вимірювальних та сенсорних пристроїв. Універсальні та спеціалізовані інтерфейси біомедичних сенсорів
Мікроелектронні контролери вимірювальних перетворювачів ємнісних сенсорів. Програмовані системи на кристалі вимірювальних перетворювачів ємнісних сенсорів. Вимірювальні перетворювачі електричного імпедансу.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль: письмові звіти з лабораторних робіт, усне опитування, контрольні роботи – 40 балів (40%). Підсумковий контроль: контрольний захід екзамен, письмово-усна форма – 60 балів (60%).
Критерії оцінювання результатів навчання: 1) Захист лабораторних робіт включає демонстрацію результатів за індивідуальним варіантом, оформлення письмових звітів до лабораторних робіт.
2) Усне опитування відбувається на лабораторних заняттях та під час контрольної роботи. Опитування здійснюється за питаннями зі сформованих списків до кожної лабораторної роботи та контрольної роботи.
3) Тестування відбувається у ВНС під час контрольного заходу (поточного опитування) та під час контрольної роботи.
4) Контрольна робота складається з письмової компоненти (тест) та усної компоненти (індивідуальне опитування).
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Alessandro Bassi, Martin Bauer, Martin Fiedler. Enabling Things to Talk: Designing IoT solutions with the IoT Architectural Reference Model. Springer Heidelberg. -2013.
2. Ovidiu Vermesan, Peter Friess. Internet of Things: Converging Technologies for Smart Environments and Integrated Ecosystems // River Publishers. – 2013.
3. Мікросхемотехніка. Підручник за редакцією З.Ю.Готри / Гельжинський І.І, Голяка Р.Л., Готра З.Ю, Марусенкова Т.А. – Львів: Ліга-Прес. 2015.
4. Структури та параметри мікроелектронних гальваномагнітних сенсорів магнітного поля: монографія / Большакова І.А., Годинюк І.М., Голяка Р.Л., Готра З.Ю, Ільканич В.Ю., Марусенкова Т.А., Політанський Л.Ф.– Львів: Ліга-Прес, 2013.
5. Мікроелектронні сигнальні перетворювачі теплових сенсорів потоку: монографія / З.Ю.Готра, С.В.Павлов, Р.Л.Голяка та ін. – Вінниця: ВНТУ, 2012.
6. Войтович І.Д., Корсунський В.М. Інтелектуальні сенсори. – Київ. – Інститут кібернетики імені В.М.Глушкова НАН України.– 2007.
7. Основи біомедичного радіоелектронного апаратобудування: навчальний посібник. Злепко С.М., Павлов С.В., Коваль Л.Г. та ін. – Вінниця: ВНТУ. – 2011.
8. Мікроелектронні сенсори фізичних величин. В трьох томах / За ред. Готри З. - Львів: Вид. Ліга-Прес. Том 1– 2002, Том 2 – 2003, Том 3 – 2006.
9. Завадостійкі сигнальні перетворювачі оптичних сенсорних пристроїв: монографія / Вісьтак М., Голяка Р., Микитюк З. - Львів: Ліга-Прес, –2015.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).