Fysiologi gjennom ingeniørperspektiv

Peyman Mirtaheri

Peyman Mirtaheri er professor ved MEK (Institutt for maskin, elektronikk og kjemi) ved OsloMet og adjunkt professor ved fakultet for Medisinsk Teknologi (Faculty of Biomedical Engineering, Michigan Tec, USA).

I en tid da teknologi og biologi stadig krysser veier, oppstår det nye og spennende læringsmuligheter. Studenter i medisinsk teknologispesialisering ved elektronikkprogrammet ved fakultet teknologi, kunst og design, OsloMet, må gjennomføre 10 ECTS-poeng i anatomi og fysiologi, et emne som ofte oppleves som et «puggefag».

Ny tilnærming

Professor Peyman Mirtaheri har vært en ildsjel og drivkraft bak studiet innen medisinsk elektronikk ved OsloMet i mange år, og mener det er viktig å gjøre læringen mer relevant. I det nye faget anatomi og fysiologi for ingeniører (ELI2900) kurset er det blitt satt en ny tilnærming der de fysiologiske og anatomiskeq prosessene blir sett gjennom ingeniørens perspektiv. – Dette åpner for muligheter for at ingeniører kan 1) lære av fysiologiske prosessene på en enklere måte og 2) identifisere lignende løsninger som naturen allerede har utviklet som en inspirasjon for deres framtidige design og løsninger, forteller Mirtaheri.

Simulere biologiske signaler

I tråd med dette faget ble det utviklet et prosjekt der studentene dykker inn i design og utvikling av analoge elektroniske komponenter for å simulere biologiske signaler. – Målet med dette prosjektet er ikke bare å forstå hvordan kan man etterligne biologiske signaler som EKG (elektrokardiogram), EMG (elektromyogram), blodtrykk signaler og nerve aksjonspotensialet, forklarer Mirtaheri. – Det gir studentene mulighet til å jobbe med grunnleggende passive elektronikk komponenter som motstander og kondesatorer, transistorer og operasjonsforsterkere, fremholder han.

Forstå kroppen med matematikk

I tillegg får studentene anvende matematiske verktøy som Fourier transformasjon og harmoniske frekvenser. – I matematikken lærer studentene at en firkantpuls er en sammensetning av flere frekvenser, noe som illustrerer hvordan komplekse signaler kan brytes ned i enklere komponenter. Men hvordan forholder det seg med biologiske signaler som EKG og EMG? Hvilke frekvenser ligger til grunn for disse signalene, og hvordan kan vi bruke denne kunnskapen til å forstå kroppens fysiologiske prosesser bedre?

Hvorfor er dette viktig?

Mirtaheri har en klar oppfatning av betydningen av denne måten å arbeidet med stoffet på. – Å kunne simulere biologiske signaler er grunnleggende for å forstå fysiologiske prosesser og utvikle og teste medisinske utstyr. Ved å replikere disse signalene får studentene muligheten til å utforske kompleksiteten i hva opphavet til disse signalene er og hvordan kan man lage teknologier som kan anvendes for å overvåke dem på en enklere måte, påpeker han. Med dagens enorme tilgang til informasjon, er det viktig å bygge beskrivende modeller som kan etterlignes med enkle elektronikkmodeller og selvsagt skape bedre læringsmuligheter.

I tillegg har forskningen, ifølge Mirtaheri, vist at praktiske prosjekter som dette forbedrer læringsresultatene betydelig og fremmer en dypere forståelse av teoretiske konsepter, som det eksemplet med matematikken og Fourier-analyse.

Tre hovedfaser

Mirtaheri forteller at prosjektarbeidet består av tre faser:

• Designfase: I den fasen fikk studentene mulighet til å velge biosignaler som EKG, EMG, blodtrykk eller aksjonspotensialet til en nerve celle. De fikk presentere hva disse signalene betår av for resten av gruppene og deretter fikk de tid til å velge passende elektroniske komponenter og utvikler kretsskjemaer ved hjelp av simuleringsprogramvare. Dette ga dem en solid forståelse av hvordan hver komponent fungerer og hvordan de kan sammensetting av disse komponentene skape ønskede signaler.
• Utviklingsfase: I denne fasen monterer studentene kretsene sine. De får praktisk erfaring med å sette sammen komponentene på «breadbord», noe som gir dem muligheten til å sjekke teorien i praktisk sammenheng. Det er spesielt å håndtere støy og komponent verdier som var i læringsfokuset.
• Testfase: Til slutt sammenligner studentene de genererte signalene med standard biologiske signalformer for å sikre nøyaktighet. De gjør nødvendige justeringer for å finjustere kretsene, noe som ga dem en dypere forståelse av signalbehandling og støyhåndtering.

Meningsfylt

For å sikre at læringsopplevelsen var vellykket, fikk studentene mulighet til å presentere deres prosjekt for resten av klassen. – Gjennom dette prosjektet har vi fokusert på å gi studentene en rik og meningsfylt læringsopplevelse som de kan ta med seg i sine fremtidige karrierer, avslutter Mirtaheri.