مجموعه آموزش‌‌ مهندسی پزشکی

با یک جستجوی ساده با عبارت کلیدی Deep Learning in Medicine با صدها مقاله، کتاب و متون علمی مواجه خواهیم شد که اهمیت بیش از پیش این زمینه تحقیقاتی را بیان می کند. تکنیک های سنتی پردازش تصویر، قادر به انجام عملیات محاسباتی بر روی تصاویر با رزولوشن فوق العاده بالای گرافیکی نبوده و لذا یادگیری عمیق به عنوان تکنیکی موفق در پزشکی جای خود را میان محققان بازکرده است. این فرادرس بر آموزش یادگیری عمیق با رویکرد پزشکی نیز تمرکز دارد.

امروزه بیشتر شرکت‌ ها برای ساخت یک قطعه جدید و یا ایجاد تحول در قطعات موجود، ابتدا به طراحی بر اساس فرضیات خود پرداخته، سپس آن را شبیه‌ سازی کرده و عملکرد آن را در شرایط نزدیک به واقعیت بررسی می ‌کنند. به این ترتیب، بدون اتلاف هزینه و زمان، نتایج دقیق و جزئی آزمایشات خود را مشاهده کرده و به سادگی با تغییر آن به بهترین طراحی دست می یابند. در این فرادرس طی یک آموزش پروژه محور به طراحی و آزمایش سیستم‌ های مرتبط با دینامیک سیالات محاسباتی با تمرکز بر سیستم‌ های چندفازی می پردازیم. در این آموزش چندین پروژه آموزش داده می شود. آموزش به این صورت است که ابتدا برای آشنایی با قطعه توضیحاتی داده می شود و سپس نحوه طراحی و نتایج اجرا، تشریح می گردد.

در کنار پیشرفت روزافزون اینترنت اشیا، ابزارهای بسیاری به وجود آمده اند که استفاده از این تکنولوژی را برای برنامه نویسان و کاربران، ساده تر و امن تر می کنند و همچنین طوری طراحی شده اند که برنامه نویسان جدید اشتباهات برنامه نویسان قبلی را انجام ندهند. یکی از معروف ترین این ابزارها، Node - RED نام دارد. ما در این فرادرس به آموزش نیازهای یک متخصص اینترنت اشیا می پردازیم، یعنی مفاهیم کلی اینترنت اشیا، نحوه طراحی و ساخت دستگاه های اینترنت اشیا (سرور، الکترونیک و سمت کاربر) با استفاده از محیط برنامه نویسی Node - RED همراه با مثال های کاربردی آموزش داده می شود، همچنین در قسمت پایانی، ساخت سه تا از دستگاه های اتاق هوشمند به صورت کاملا کاربردی آموزش داده خواهد شد.

با افزایش میانگین سنی جمعیت و پیر شدن افراد جامعه، نیاز به دستگاه های پزشکی اعم از دستگاه های تصویرگری مانند: سونوگرافی و ام آر آی، دستگاه های درمانی مانند: دیالیز و سنگ شکن و همچنین دستگاه های مراقبتی مثل: نوار قلب و نوار مغز نیز افزایش می یابد. هم زمانی این رخداد با پیشرفت های چشمگیر علم و تکنولوژی باعث شده تا نیاز وسیعی به علم مهندسی پزشکی حس گردد. در نتیجه این نیاز، صنعت مهندسی پزشکی یکی از درآمدزاترین صنعت های دنیای امروز به حساب می آید. لازمه استفاده و درآمدزایی از این صنعت، آشنایی حداقلی با اصول و قواعد پایه این علم است.

با توجه به افزایش سیستم های متغیر با زمان و دارای عدم قطعیت در دهه های اخیر و ناکارآمدی کنترل کننده های خطی، مقاوم، مدرن و…، استفاده از کنترل کننده تطبیقی افزایش چشمگیری داشته است، چرا که کنترل کننده های تطبیقی به راحتی می توانند هم سیستم های دارای عدم قطعیت و هم سیستم هایی که متغیر با زمان هستند (مانند هواپیما) را به خوبی مدیریت کنند. بنابراین، در این آموزش به دلیل اهمیت کنترل کننده تطبیقی به طراحی این کنترل کننده می پردازیم و روش های مختلف طراحی آن را بررسی می کنیم که بتوانیم هر سیستمی که شرایط های مختلفی داشت را به خوبی کنترل کرده و خروجی را به مطلوب طراح برسانیم.

بیومکانیک (Biomechanics) در بسیاری از زمینه های مربوط به زندگی انسان مورد استفاده قرار می گیرد، لذا دانستن مفاهیم اولیه بیومکانیک برای تمامی مدرسان فیزیک، متخصصان فیزیوتراپی، پزشکان، مربیان و سایر افرادی که به نوعی با این مسائل در ارتباط هستند، ضروری به نظر می رسد. آشنایی با مفاهیم بیومکانیک باعث درک بهتر ما از قوانین علم فیزیک و چگونگی استفاده از آن در بیان مسائل مربوط به حرکت انسان می گردد.

پر کردن خلا بین مهندسی شیمی و زیست شناسی از مهمترین انگیزه های این فرادرس است. علم بیوتکنولوژی گرچه در کشورهای پیشرفته جهان از اهمیت بالایی برخوردار است و امروزه اغلب پروژه های دانشگاهی به نحوی در ارتباط با این موضوع تعریف می شوند، اما در ایران، فراگیری آن برای همه آسان نیست. لذا این فرادرس به ارائه دروس رشته بیوتکنولوژی اقدام نموده است. از آنجا که بیوتکنولوژی علم روز است و بسیاری قرن بیست و یکم را قرن بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک نامیده اند، پس بسیار مهم است تا با اصول این علم نوین آشنایی حاصل شود، تا بتوان همگام با دنیا به پیشبرد این علم و استفاده از آن کمک نمود.

در سال های اخیر محققان و مهندسان در زمینه مهندسی پزشکی تمایل زیادی به استفاده از مدل های طراحی شده بر پایه تصاویر پزشکی برای انجام محاسبات و آنالیزهای بیومکانیکی پیدا کرده اند. از این رو Subject-Specific Image Based Modeling تبدیل به یکی از زیر شاخه های مهم علم بیومکانیک شده است. هدف از این فرادرس ایجاد توانایی های مورد نیاز اولیه برای مهندسان، محققان و دانشجویان رشته های بیومکانیک و ارتوپدی برای بازسازی کردن مدل های سه بعدی توسط نرم افزار میمیکس به منظور انجام محاسبات المان محدود و یا مدل سازی جراحی های پزشکی می باشد.

در این فرادرس ابتدا به معرفی ساختار مواد پلیمری و انواع پلیمرها پرداخته می شود. سپس زیست سازگاری و تخریب پذیری پلیمرها که مباحث مهمی در علم مهندسی پزشکی محسوب می شود، مورد بررسی قرار می گیرد. کاربرد پلیمرهای مصرفی در حوزه مهندسی پزشکی و روش ساخت آن ها بیان می شود. سامانه های کنترل رهایش دارو و داربست های مهندسی بافت نیز به عنوان دو حوزه پر کابرد معرفی شده و در نهایت برهم کنش پلیمرها با نسوج و به خصوص خون، مورد بررسی قرار می گیرد. با تهیه این فرادرس دانشجو می‌ تواند با پلیمرها و کاربرد آن ها در مهندسی پزشکی و نکات مهم در طراحی بیومتریال‌ های پلیمری آشنا شود.

هدف از این آموزش، آشنایی با برخی از روش های مدولاسیون دیجیتال و پیاده سازی آن ها در نرم افزار MATLAB است تا علاقه مندان بتوانند با انواع روش های این مدولاسیون آشنا شوند و در صورت ادامه تحصیل در مقاطع بالاتر از کارشناسی، روی ارسال و دریافت داده ها و کاهش نرخ خطای انتقال با استفاده از این مدولاسیون ها تحقیق و پژوهش نمایند و موجب بهبود آن ها شوند. علاوه بر این، مبحث مدولاسیون دیجیتال در دروس مخابرات دیجیتال، تئوری پیشرفته مخابرات، مخابرات فیبر نوری و... ارائه می گردد و دانشجویان هر سه مقطع تحصیلی کارشناسی، کارشناسی ارشد و دکتری، این دروس را می گذرانند.

طی دهه های گذشته، بیومواد به عنوان بزرگ ترین هدف برای دانشگاه گرایان، تحقیق و توسعه حرفه ای ها و کاردان ها در نظر گرفته شده است. به این دلیل که بیومواد، زندگی انسان ها را به طور گسترده توسط کاربردهای متنوع پزشکی و آینده بسیار روشن و امیدوارکننده تحت تاثیر قرار داده است. صنعت بیومواد، بازار غالب برای کاربردهای پزشکی است و اهمیت این صنعت به علت تاثیر آن بر بهبود کیفیت زندگی انسانی است. هدف از این درس، ارائه ای جامع برای بررسی انواع بیومواد مهم از جمله: فلزات، پلیمرها، سرامیک ها، شیشه های زیست فعال و کامپوزیت ها است و همچنین مهندسی بافت و ایمپلنت های زیست سازگار و… نیز مورد مطالعه قرار خواهند گرفت.

در این آموزش، ابتدا به معرفی اجمالی علم و مهندسی نانوبیومواد می پردازیم و پس از آن در مورد انواع نانوبیومواد فلزی، پلیمری، سرامیکی، کامپوزیتی و نانوذرات خود آراینده به همراه روش های ساخت به صورت مفصل بحث می شود. در ادامه، روش های آنالیز این نانوساختارها بررسی شده و کاربردهای آن ها در حوزه های مختلف زیستی بیان می گردد. در این فرادرس، نه تنها به معرفی نانوبیومتریال ها و کاربردهای زیستی آن ها پرداخته می شود، بلکه با معرفی روش های ساخت و مشخصه یابی نانوبیومتریال ها، دانش ابتدایی لازم جهت ساخت نانوبیومتریال مورد نظر، در اختیار دانش پژوهان قرار می گیرد.

سیستم های میکرو الکترومکانیکی زیستی (Bio-MEMS)، ریزسیستم هایی هستند که از مولفه های اندازه میکرو، مانند: سنسورها، مبدل ها، عملگرهای مکانیکی و تجهیزات الکترونیکی استفاده می کنند. Bio-MEMS، به هر نوع MEMS استفاده شده در کاربردهای بیولوژیکی گفته می شود. به عنوان یک نمونه می توان کیت های تشخیص قند خون را مثال زد که یک سیستم الکترومکانیکی است که برای تشخیص پزشکی استفاده می شود. این آموزش مطالب لازم را از پایه شروع می کند و رفته رفته به سراغ مطالب پیشرفته تر می رود. با توجه به ارتباط تنگاتنگ Bio-MEMS با بحث میکروسیالات و با توجه به اینکه قبلا آموزش میکروسیالات در فرادرس ارائه شده است، دنبال کنندگان این آموزش نیاز است تا با میکروسیالات نیز آشنا باشند چرا که در این آموزش از میکروسیالات استفاده می شود. کاربردهای ذکر شده، موید اهمیت این زمینه علمی است.

آکوستیک پزشکی از زمینه های بسیار پر اهمیت در دنیا می باشد. با توجه به ارزان بودن صدا و کم خطر بودن آن، این زمینه به یک زمینه محبوب برای تشخیص و درمان تبدیل شده است. اصول ریاضی و فیزیکی پشت این زمینه علمی دارای اهمیت بالایی می باشد. در این آموزش ما با اصول کلی و روش های تشخیص و درمان در آکوستیک پزشکی آشنا می شویم.

GATE از کتابخانه Geant4 استفاده می کند و کاربرد اختصاصی در پزشکی هسته ای دارد. این ابزار همچنین قابلیت توصیف پدیده های وابسته به زمان مانند: حرکت چشمه، آشکارساز و کینتیک واپاشی چشمه را دارد. این برجسته ترین ویژگی و نوآوری ابزار شبیه سازی GATE است. علاوه بر ویژگی های زمانی، یک ساز و کار اختصاصی اسکریپت برای ترجمه به Geant4 در نظر گرفته شده است که به کاربر اجازه می دهد کنترل شبیه سازی مونت کارلو را به طور بصری در اختیار داشته باشد، بدون این که به برنامه نویسی خاصی (زبان برنامه نویسی ++C) نیاز داشته باشد.

روش‌های متداول ناحیه‌بندی تصاویر هنگامی که در پروژه‌های عملی مورد استفاده قرار می‌گیرند، کیفیت و دقت لازم را از خود نشان نمی‌دهند. بهترین ابزارهای ناحیه‌بندی تصویر با استفاده از هوش مصنوعی توسعه داده می‌شوند و در غالب موارد نیاز به دانش تخصصی و کدنویسی برای انجام آن وجود دارد. ابزار Fiji معرفی‌شده در این آموزش، پلی است میان افرادی که می‌خواهند در کمترین زمان و بدون داشتن دانش برنامه‌نویسی و با استفاده از هوش مصنوعی، ناحیه‌بندی تصاویر را با بالاترین کیفیت انجام دهند. در این فرادرس، نحوه استفاده از این نرم‌‌افزار را در کوتاه‌ترین زمان به دانشجویان آموزش می‌دهیم.

امروزه می توان گفت که علم و فناوری دیگر نمی توانند جوابگوی توقعات روزافزون بشر باشند، اما ورود علم نانو به این عرصه، تحولات عظیمی را در جهان ایجاد کرده است که موجب شده است تا نانوتکنولوژی به یکی از مهم ترین و جذاب ترین زمینه های تحقیقاتی بشر در سال های اخیر تبدیل شود. به همین دلیل اخیرا علم نانو در دانشگاه ها هم به عنوان رشته اصلی دانشگاهی و هم به عنوان واحدهای درسی در سایر رشته ها ارائه می گردد. علاوه بر این، اخیرا کتاب های مختلف آموزشی هم در این زمینه به چاپ رسیده است و در نتیجه در این آموزش قصد داریم با بهره گیری از تکنیک های موثر یادگیری، به آموزش مباحث سنتز نانوساختارها بپردازیم.

هدف از این فرادرس، آموزش مقدماتی Geant4 است که در قالب ۱۱ درس ارائه می شود. در این آموزش سعی شده است که مباحث اولیه و لازم برای شبیه سازی یک آزمایش نوعی، به صورت گام به گام ارائه شود. در حال حاضر پروژه های سنگین مرکز تحقیقاتی CERN در اروپا و بسیاری از پروژه های دیگر، شامل: فیزیک ذرات بنیادی، دزیمتری (Dosimetry) و طراحی درمان، میکرودزیمتری در فضای زیرسلولی، حفاظ سازی سفینه های فضایی، طراحی و بهینه سازی دستگاه های پرتودرمانی، توموگرافی میون و... با استفاده از این ابزار انجام می گیرد. در این فرادرس با فرض این که مخاطب حداقل آگاهی از برنامه نویسی ++C را دارد، شروع کار با Geant4 آموزش داده شده است و کاربر پس از مشاهده این آموزش به راحتی می تواند پروژه های خود را شبیه سازی و اجرا کند.

هدف از این درس، آشنایی افراد با تجهیزات عمومی پرکاربرد در بیمارستان ها و مراکز درمانی است. همچنین در این آموزش در برخی از موارد با ارائه جدول مقایسه فنی تجهیز پزشکی، به کارشناسی خرید و موارد قابل توجه برای انتخاب یک دستگاه پزشکی پرداخته می شود. مسیر ارائه این درس بدین شکل است که ابتدا به معرفی دستگاه و بخش های مختلف آن پرداخته می شود. سپس کاربردهای تجهیز پزشکی در بخش های مختلف بیمارستان توضیح داده شده و ضرورت استفاده از آن در بیمارستان مطرح می شود. در ادامه، عملکرد هر بخش دستگاه به طور مجزا توضیح داده می شود. سپس نحوه عملکرد کل دستگاه و حالت های مختلف عملکردی آن بررسی می شود. در انتها نیز به ارائه استانداردهای بین المللی در مورد دستگاه پرداخته شده و موارد قابل توجه برای انتخاب یک دستگاه پزشکی مناسب مورد بحث قرار می گیرد.

با پیشرفت روزافزون علم، شاخه‌های جدیدی از علوم بر مبنای علوم پایه شکل گرفته‌اند. از آنجا که سرعت و وسعت علوم جدید به پهنای اقیانوس گسترش یافته است، برای دست یافتن به عمق آن باید دوباره به علوم پایه برگردیم. گرایش بیومتریال در رشته مهندسی پزشکی، یکی از جذاب‌ترین رشته‌های دانشگاهی است که پروژه‌هایی که مرز تکنولوژی هستند، در بستر آن تعریف می شوند. جهت ارتقای کیفیت این پروژه‌ها، در این فرادرس به صورت علمی و عملی، نحوه انجام روش‌های آنالیز و تفسیر آن‌ها را بررسی می‌کنیم.