资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修10：科技人文融合创新专题
第二章 科技人文融合创新专题实践
第 四 节 医疗器械
教学设计
教学背景
习近平总书记在全国教育大会上强调，要在党的坚强领导下，全面贯彻党的教育方针，坚持马克思主义指导地位，坚持中国特色社会主义教育发展道路，坚持社会主义办学方向，立足基本国情，遵循教育规律，坚持改革创新，以凝聚人心、完善人格、开发人力、培育人才、造福人民为工作目标，培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人，加快推进教育现代化、建设教育强国、办好人民满意的教育。
教学目标：
知识与技能目标:
1.了解生活中常见医疗器械的分类，理解医疗器械的重要价值。
2.掌握Arduino开源硬件的应用方法和图形化编程方法。
3.了解常见医疗器械的系统构成与设计方法，及其涉及的科学、技术和工程知识。
4.通过脉搏检测仪的设计实践，经历科技人文融合创新项目活动过程。
教学内容分析:
以《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《标准》）为依据，以全面贯彻落实《标准》所倡导的以提高学生的技术素养和创新能力为目标。本模块的核心价值在于多学科知识的综合运用，科技人文融合创新项目的实施以兴趣、问题、活动等为中心，充分结合科学、技术、工程、艺术、数学、社会等学科知识，适当利用信息技术，注意在教学中融入爱国主义教育和革命传统教育，注意与中华优秀传统文化相结合。
学情分析:
学生对通用技术的了解认识有限，面对未来，他们需要学习有关通用技术的知识。
通过本模块的学习，同学们能理解科学、技术、工程、艺术、数学、社会等各学科之间的紧密联系和科技人文融合创新的重要性；初步掌握相关科学原理及其应用、数学知识及其应用、材料及其加工、模型制作及其工艺等基本知识与基本技能，初步形成在具体领域中运用结构与功能、权衡与优化、设计与创新等技术思想与方法的能力，提高设计创新能力；弘扬劳动精神和创新精神；形成系统思维与工程思维，培养团队意识和合作能力，树立投身我国科技创新以及中华民族伟大复兴事业的人生理想。
教学重难点:
了解生活中常见医疗器械的分类，理解医疗器械的重要价值。
掌握Arduino开源硬件的应用方法和图形化编程方法。
了解常见医疗器械的系统构成与设计方法，及其涉及的科学、技术和工程知识。
通过脉搏检测仪的设计实践，经历科技人文融合创新项目活动过程。
教学策略:
以案例或项目引入，介绍从事科技人文融合创新项目活动的基础条件，工具、材料、图样、工艺、技术参数等技术要素，以及性能需求、生命周期、标杆分析和反求工程等的分析方法在科技人文融合创新项目活动中的独特作用。以技术与工程问题为牵引，以项目实践为指引，通过设计多种专题实践项目，让同学们经历科技人文融合创新项目活动的全过程。通过这些实践活动，同学们可了解技术与工程项目所蕴含的科学、技术、工程、艺术、数学、社会等因素，并能通过比较、权衡等方法剖析这些因素间的制约关系和通约特性。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修10：科技人文融合创新专题　第二章 科技人文融合创新专题实践　第 四 节 医疗器械。
科技人文融合创新项目以活动为牵引，提出并明确需解决的技术与工程问题，提取和分析其中蕴含的科学与数学原理；设计和选用适当工具来收集、记录、分析信息与数据；应用科学、技术、工程和数学知识与方法，系统考虑艺术、社会因素，提出解决问题的综合方案；制作并使用工程模型进行测试、生成数据，解释和预测现象；依据科学证据、技术试验结论，完善解决方案；以科学观点、经验证据、逻辑论证的相关因素，比较和评估同一问题的不同技术解决方案。
桥梁、交通工具、航空器、医疗器械、矿山工程是当今社会生活的重要领域，这些领域里的技术与工程活动，需要跨学科的视野，需要系统的方法论和工程思维，需要综合运用科学、技术、工程、艺术、数学和社会等学科的知识、方法和基本技能。通过典型科技人文融合创新项目的案例分析和团队合作实践，促进团队成员对结构设计、电子控制、编程等技术的掌握及工程实施能力的提高，提升参与社会创新活动的能力。
中医药是我国优秀传统文化的组成部分。春秋战国时期，扁鹊在总结前人经验的基础上，提出“望、闻、问、切”四诊合参的方法，成为中医诊断和治疗的基础（图2-60）。
中医药学凝聚着深邃的哲学智慧和中华民族几千年的健康养生理念及其实践经验，是中国古代文化的瑰宝，也是打开中华文明宝库的钥匙。
中医中通过“望、闻、问、切”诊断患者身体状况的技能不是每个人都可以掌握的，需要有丰富的临床经验。西医中则常采用听筒、CT、B超等方法采集患者的生理信息。借助现代科技手段，可以促进中医药文化的传承和创新，推动健康中国的建设。
思考
（1）能不能利用现代技术来代替中医的“望、闻、问、切”呢？
（2）可不可以把脉搏的跳动通过图形、光电指示的方式直观显示出来，让普通人也可以掌握中医的诊断技术呢？
一、常见的医疗器械
医疗器械是指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、体外诊断试剂及校准物、材料以及其他类似或者相关的物品，包括所配套的计算机软件（图2-61）。医疗器械的使用主要有以下目的：
（1）对疾病的诊断、预防、监护、治疗或者缓解。
（2）对损伤的诊断、监护、治疗、缓解或者功能补偿。
（3）对解剖、生理结构或者生理过程的研究、检验、替代、调节。
（4）对生命的支持或者维持。
（5）通过对来自人体的样本进行检查，为医疗或者诊断目的提供信息。
医疗器械涉及医药、机械、电子、材料等多个行业，是一个多学科交叉、知识密集、资金密集的高技术产业。而高新技术医疗设备的基本特征是数字化、智能化和计算机化，是多学科、跨领域的现代高科技的结晶。
医疗器械涉及治疗、护理、保健、康复等多方面，常见的类型有：家庭保健器材、家庭保健按摩产品、家庭医疗康复设备、家庭护理设备、医院常用医疗器械、综合运用新材料以及传感、智能电子、信息处理、互联网等高新科技的新一代医疗器械。
二、人体生理指标测量传感器
1．重要人体生理指标测量
心率是指正常人安静状态下每分钟心跳的次数，一般为60～100 次/min，可因年龄、性别或其他生理因素产生个体差异。心率是心脏收缩舒张活动次数的统计，脉搏是外周的血管受到心脏收缩活动时，血液对血管的冲击次数的统计。一般情况下，心率和脉搏应该是一致的。有心脏疾病的患者，会出现心率和脉搏不一致的情况。
血氧饱和度是血液中被氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。肺气肿、慢性支气管炎和慢性阻塞性肺疾病会阻碍足够氧气到达血液，导致血氧饱和度大幅降低。另外，在高原地区运动会出现血氧饱和度降低的情况，学习或劳动中容易感到疲劳也可能是身体中血氧饱和度偏低导致的。因此，及时检测人体血氧饱和度非常重要。
传统的血氧饱和度测量方法要借助人体采血和电化学分析，在临床医疗以及个人保健中应用都不方便。针对这些实际问题，近年出现了测量血氧饱和度及脉搏的光电容积法。其基本原理是利用人体组织在血管搏动过程中，会造成组织透光率的变化，据此进行脉搏和血氧饱和度测量。光源一般采用对动脉血中氧合血红蛋白和血红蛋白有选择性的特定波长的发光二极管（一般选用波长为660 nm附近的红光和900 nm附近的红外光）。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致组织透光率变化，此时由光电传感器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器输出的电信号变化周期就是脉搏。
2．心率血氧传感器
心率血氧传感器集成了脉搏血氧仪和心率检测功能的传感器模块，传感器内部集成两个LED灯、一个光电探测器及信号处理器，可于人体手指、耳垂、手腕等处测量脉搏、血氧等生理参数。图2-62是以开源硬件形式提供的心率血氧传感器模块，成本低，结构尺寸便于重新设计。采用光电容积法测量心率和血氧指标，常应用于家庭保健、健身辅助设备、医疗监控设备、可穿戴设备中。
3．红外非接触式温度传感器
红外非接触式温度传感器内部集成红外感应热电堆探测器芯片和信号处理专用集成芯片，具有系统管理总线和脉宽调制PWM两种数据输出方式，能够测量环境温度和物体表面温度。图2-63是以开源硬件形式提供的红外非接触式温度传感器，测量精度比较高，便于家庭保健、医疗监控设备中快速测量人体温度。传感器的测温范围为-70~ 380 °C，分辨率为0.01°C。
三、医疗器械的设计与开发过程
医疗器械的设计和开发流程与一般的产品或项目的实施过程有类似之处，如图2-64所示。
不同的是，医疗器械关系到人们的健康和生命安全，需要严格保证其安全性和有效性，因此，计划、设计、生产和试用过程的每一个阶段都必须严谨和规范。
四、脉搏检测仪设计与制作
1. 制作目标
采用超亮红外（IR）LED和光敏晶体管来探测手指的脉搏，作出脉搏随时间变化的曲线，并且让一个红色LED随着脉搏闪动。
2. 器材准备
本项目将使用到的元器件及电子模块如表2-6所示。（参见教材P69～70）
表2-6 脉搏检测仪元器件及电子模块
编号 元器件及模块名称
Arduino Arduino学习板
D1 直径5 mm红色LED、脉搏指示灯
D2 直径5 mm红外LED，发射波长940 nm
R1 56 K 1/4 W
R2 270 1/4 W
R3 390 1/4 W
T 红外光敏三极管，波长940 nm
M 1 脉搏跳动采集模块 （降低制作难度可选用此模块）
M 2 发光模块 （降低制作难度可选用此模块）
3. 工作原理
本项目的电路原理如图2-65所示。
脉搏监视器是这样工作的：红外发光LED在手指的一面，光敏三极管在手指的另一面，光敏三极管T用来接收红外发光D 1 发射的光通量。当血压脉动时，光通量发生变化，光敏三极管的电阻会发生微小的变化。通过这个变化，来检测脉搏的跳动，控制一个LED灯D2 ，让D 2 随着脉搏的跳动而闪烁，作出脉搏随时间变化的曲线。
因为D1发出的红外光通过手指后大部分被吸收，我们选择了一个阻值较大的电阻R1，以便光敏三极管T足够灵敏。可以通过实验来选择这个电阻用哪个阻值可以得到最佳的结果。
4. 制作技巧
（1）遮光指套：因为灯光大多是以50 Hz波动的，会给微弱的心跳信号带来干扰，所以要尽可能屏蔽进入光敏三极管的杂散光。因此，我们制作一个黑色的指套把外来的光线隔离。指套内部只有D 1 发出的光，并且T只接收到D 1 发出的光。怎么制作这个指套？可以参考图2-66。请同学们根据这个原理开动脑筋，做出实用的遮光结构。
（2）电路模块：为了使制作更简单，我们可以使用两个电路模块。
①脉搏跳动采集模块：脉搏跳动采集模块的电路原理如图2-67所示。
脉搏跳动采集模块的引脚（图2-68）。
测量时手指放在红外发射与红外接收之间，同学们可以设计一个指套，遮住外来的光线，避免受到干扰。红外发射LED的顶部相当于凸透镜，有聚焦作用，红外光从顶部射出，所以我们要适当弯折一下红外发射LED，让它对准红外接收T，并且调节适当宽度，可以让手指伸进去，让手指在两者之间，红外光透过手指，被T接收。
②发光模块：发光模块的电路原理如图2-69所示。发光模块的引脚如图2-70所示。
（3）脉搏跳动采集模块、发光模块与Arduino电路板连接（图2-71）。
脉搏跳动采集模块接线方法：模块“GND”接Arduino“G”或者“GND”，模块“VCC”接Arduino的“V”或者“5 V”，模块“OUT”接Arduino“A0”（也可以选择其他模拟I/O口，设置程序时要相应变化）。
发光模块与Arduino电路板连接方法：模块“GND”接Arduino“G”或者“GND”，模块“VCC”接Arduino的“V”或者“5 V”，模块“IN”接Arduino“D13”（也可以选择其他数字I/O口，设置程序时要相应变化）。
Arduino产品很多，但标记是相同的，仔细辨认不要接错即可，图2-72是两种不同产品接线方式。
（4）编程：每100 ms采集一次数据，如果大于数据的平均值，LED发光模块发光，否则不发光。图2-73中 t 为变量，714为平均值。
（5）测试：上述程序上传后，打开串口监视器，将手指置于脉搏跳动采集模块的红外发射与接收之间，先用一块黑布遮住外来光线，可以看到每100 ms出现一个数据。这个数据是红外接收到的红外光的强度，该强度随脉搏而变化。
几秒钟后，关掉电路板的电源（如果电路板上没有电源开关就拔掉USB数据线），停止测试，选择串口监视器中的全部数据（图2-75），按Ctrl+C复制，粘贴到Excel等工具中。
选择“数据”，点击“插入”，选择“带平滑线和数据标记的散点图”，可以得到如图2-76所示脉搏随时间变化的曲线，每一点的时间间隔是100 ms。
根据以上脉搏随时间变化的曲线，利用总体特征数估计的方法求出平均值：
X = （x1 + x2 + ... + xn）／n
在Excel求出数据的平均值，在程序中修改平均值重新上传程序，就可以看到发光模块的指示灯随脉搏闪烁。手指的位置如果改变了，平均值也会改变，所以在实验的过程中应该始终保持手指的位置不变。如果发光模块不闪烁，也可以适当调整一下手指的位置，直到发光模块均匀闪烁为止。
思考
（1）通过分立元件搭建的检测系统与通过电子模块设计的系统相比，在工程、调试、性能、成本等方面各有哪些优劣？
（2）进一步分析采样实验数据，讨论以样本平均值作为检测阈值是否最好？基于数学统计知识，还有哪些特征数估计方法可以用来确定检测阈值？
5. 项目拓展
本实验也可以用声音检测模块来代替脉搏跳动采集模块，方法相同，同学们可以试一试。还可以加上发声模块，让脉搏每跳动一下都发出“滴”一声。声音检测模块和发声模块见图2-77。
思考
（1）怎么编程和连接线路来实现我们的项目目标？
（2）用声音检测与红外透光检测有什么不同，你认为哪一种方法更能准确判断患者的疾病？
课后作业
习 题
通过本节的实践活动，我们知道医疗器械的设计除了考虑功能和性能外，还需要特别关注人的健康和生命安全，需要严格保证其安全性和有效性。请进一步思考及回答以下问题：
（1）通过上网、阅读、查找资料等方式，了解人脉搏的跳动与疾病的关系。
（2）进一步了解人体的其他常见生理指标与疾病的关系，了解这些相关生理指标的检测方法，有哪些相对成熟的检测器件可以使用？
（3）分析本节的实践活动，哪些环节经历了科技人文融合创新的哪些过程？填写下表。
科技人文融合创新元素 项目环节
科学 脉搏的跳动与疾病关联的科学原理
技术
工程
人文
艺术
数学
社会
（4）结合本节实践活动，讨论物理、数学等学科知识在医疗器械设计过程中发挥的作用？
板书设计
一、常见的医疗器械
二、人体生理指标测量传感器
三、医疗器械的设计与开发过程
四、脉搏检测仪设计与制作
第二章 科技人文融合创新专题实践
第 四 节 医疗器械
一、飞行器的发展史
二、航空器的飞行原理
三、航空器的设计与制作
四、创新设计与拓展实践
通用技术
选择性必修10：科技人文融合创新专题
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本 册 主 编：徐 明
本册副主编：李鲋瑞 刘海峰
广东教育出版社
广东科技出版社

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