生物醫(yī)學(xué)傳感器綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

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摘要：目的：針對醫(yī)科院校生物醫(yī)學(xué)傳感器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，探索新的教學(xué)模式。方法：將高級智能模擬人用于生物醫(yī)學(xué)傳感器課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)一系列與醫(yī)學(xué)傳感器相關(guān)的實(shí)驗(yàn)：合理選擇傳感器，自行設(shè)計(jì)電路，并構(gòu)建測量系統(tǒng)。利用測量系統(tǒng)采集高級智能模擬人的心電、血壓、心率、呼吸、按壓深度等信號，通過與高級智能模擬人的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行比較來評價(jià)自行設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)的性能。結(jié)果：采用該教學(xué)模式教學(xué)效果得到明顯提升，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和參與意識大大提高，更好地理解了傳感器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，綜合素質(zhì)得到全面提高。結(jié)論：基于高級智能模擬人開展綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有助于生物醫(yī)學(xué)傳感器課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)傳感器；生物醫(yī)學(xué)工程；綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)；高級智能模擬人；教學(xué)模式

0引言

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，傳感器擔(dān)負(fù)著從原始的生物體（特別是人體）獲取信息這一重要任務(wù)。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課，生物醫(yī)學(xué)傳感器課程有著重要的地位。生物醫(yī)學(xué)傳感器課程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課，單一地依靠理論課講解，學(xué)生往往很難掌握傳感器的相關(guān)知識，特別是傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用[1]。在理論知識向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化過程中，實(shí)驗(yàn)課擔(dān)負(fù)著重要角色，因而在授課中占有較大比重。例如，我校生物醫(yī)學(xué)傳感器課程共設(shè)置70學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)課為30學(xué)時(shí)，占比達(dá)到了40%以上。因此，必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，才能將機(jī)械地傳授理論知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生積極主動(dòng)地探索實(shí)踐，從而提高學(xué)生的動(dòng)手能力與專業(yè)水平。

在傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要由教師講授傳感器原理、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)等內(nèi)容，學(xué)生只需要按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書在已經(jīng)搭建好的模塊化的實(shí)驗(yàn)平臺上逐步操作即可完成實(shí)驗(yàn)。整個(gè)過程中，學(xué)生只需要完成簡單的連線、測量等操作，不利于激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性與創(chuàng)新性。這種教學(xué)方式單一，學(xué)生興趣不高，實(shí)踐能力、思維能力和綜合能力不能得到有效提升[2]。鑒于此，各高校開始探索創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式方法，比如PBL教學(xué)方法、分層次教學(xué)模式、探究式教學(xué)模式、能力導(dǎo)向教育模式等[3-5]。這些方式方法充分利用現(xiàn)有的信息化環(huán)境，改變了傳統(tǒng)驗(yàn)證式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以教師為輔導(dǎo)，充分引導(dǎo)學(xué)生探索知識，是傳感器課程教學(xué)改革創(chuàng)新的具體實(shí)踐[6]。

高校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的目標(biāo)是培養(yǎng)醫(yī)學(xué)和工程相結(jié)合的復(fù)合型專業(yè)人才。因此，作為在醫(yī)科院校開設(shè)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，除要求學(xué)生掌握工程知識外，醫(yī)學(xué)知識也必不可少。但是目前的教學(xué)重點(diǎn)偏向于工學(xué)課程，加上學(xué)生對專業(yè)認(rèn)識的偏頗，使得學(xué)生對醫(yī)學(xué)知識的學(xué)習(xí)不夠重視[7]。如何將二者更好地融合，達(dá)到醫(yī)、工知識全面培養(yǎng)的目標(biāo)，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)的基本要求。目前的醫(yī)學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往停留在對傳感器的原理、性能等理論方面的理解與驗(yàn)證，偏向于工程實(shí)踐，缺乏醫(yī)學(xué)應(yīng)用的介紹。特別是涉及到醫(yī)學(xué)倫理道德，實(shí)驗(yàn)往往不可能以真人為實(shí)驗(yàn)對象。此時(shí)，采用模擬人進(jìn)行教學(xué)就可以很好地解決這一問題。

的局部器官展示模型、單項(xiàng)治療技能模擬練習(xí)器發(fā)展到智能模擬人，被廣泛應(yīng)用于急救、護(hù)理、麻醉、內(nèi)科等領(lǐng)域的模擬實(shí)踐與教學(xué)，以幫助實(shí)習(xí)生更好地掌握臨床技能[8-9]。這些模擬人按功能可分為兩大類，即普通模擬人和智能模擬人。普通模擬人基于模擬人本身，其體型按照真人平均尺寸設(shè)計(jì)，采用仿真皮膚，內(nèi)部構(gòu)造能夠模擬組織、血管、器官，且接近真人水平，主要用于解剖結(jié)構(gòu)的展示以及單項(xiàng)救治技能的練習(xí)。智能模擬人則是基于上位機(jī)軟件系統(tǒng)對模擬人進(jìn)行控制，可模擬人體真實(shí)的生理、病理特征，再現(xiàn)一些臨床特定的疾病模型。此外，模擬人具有重復(fù)性高、風(fēng)險(xiǎn)低、操作自由等特點(diǎn)，這些都保證了其能夠更好地應(yīng)用于臨床實(shí)踐教學(xué)。但是就目前而言，模擬人尚存在一定的不足。比如，智能模擬人價(jià)格昂貴，不利于廣泛普及，多用于在醫(yī)院開展臨床教學(xué)實(shí)踐。另外，模擬人的材料即使使用仿真材料也不能夠與人體真實(shí)組織完全一致，特別是其力學(xué)特性，因而在模擬一些真實(shí)的場景，比如皮膚切開等方面還有一定差距。此外，開展模擬教學(xué)往往需要教師投入更多的精力[8-10]。因此，目前利用模擬人在高校內(nèi)廣泛開展教學(xué)還受到一定限制。

本教研室搭建了急救復(fù)蘇裝備實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室，配置有一套高級智能模擬人系統(tǒng)（美國Gaumard/HAL誖S3000），以及周邊復(fù)蘇搶救設(shè)備，如監(jiān)護(hù)儀、呼吸機(jī)、除顫儀等，形成一套完整的急救模擬系統(tǒng)。如何充分利用該模擬人系統(tǒng)展開實(shí)踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將傳感器理論知識與醫(yī)學(xué)實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，進(jìn)一步提高教學(xué)效果，正是我校積極探索的目標(biāo)。本文探討將高級智能模擬人用于生物醫(yī)學(xué)傳感器課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自行搭建傳感器測量系統(tǒng)，展開綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以幫助學(xué)生更好地理解傳感器在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

1Gaumard/HAL誖S3000型高級智能模擬人系統(tǒng)簡介

Gaumard/HAL誖S3000型高級智能模擬人系統(tǒng)采用無線通信方式，通過上位機(jī)控制與顯示軟件指導(dǎo)訓(xùn)練實(shí)施與控制訓(xùn)練效果。該模擬人功能完善，具有模擬氣道打開、胸外按壓、人工通氣、靜脈給藥、止血、包扎等多種功能，可供一人或多人共同操作。配套的軟件系統(tǒng)內(nèi)置10例急救相關(guān)的病例，包括窒息無脈搏、胸痛發(fā)汗、呼吸急促伴隨心跳過快、胸悶氣短伴有心悸、心動(dòng)過緩等不同情形。進(jìn)行復(fù)蘇模擬訓(xùn)練時(shí)，首先在上位機(jī)選擇一病例，然后檢查模擬人初始生命體征狀態(tài)（瞳孔散大，頸動(dòng)脈無搏動(dòng)）；然后開始按壓，模擬人頸動(dòng)脈被動(dòng)搏動(dòng)，搏動(dòng)頻率與按壓頻率一致，在此過程中可模擬氣道開放、藥物注射、除顫治療等訓(xùn)練內(nèi)容；當(dāng)搶救成功后，模擬人心臟恢復(fù)節(jié)律跳動(dòng)，頸動(dòng)脈可觸及到自主搏動(dòng)，瞳孔恢復(fù)正常，上位機(jī)顯示正常心電、血壓、呼吸等波形。

2高級智能模擬人用于傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)

高級智能模擬人可以同時(shí)模擬心電、血壓、心音、呼吸、按壓深度等信號，基于此，提供心電的產(chǎn)生與檢測、有創(chuàng)血壓（IBP）的監(jiān)測、心音的檢測與識別、呼氣末二氧化碳（EtCO2）的檢測、按壓深度的檢測等實(shí)驗(yàn)供學(xué)生選擇。由于心電、血壓、心音、呼吸等生理信號屬于微弱信號，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號也弱，需經(jīng)過傳感器測量系統(tǒng)對信號進(jìn)行放大、濾波等處理后轉(zhuǎn)換為可用信號，使輸出信號便于顯示和記錄。教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生以3~5人為一組，以這些信號作為測量對象，合理選擇傳感器，自行設(shè)計(jì)電路，搭建傳感器測量系統(tǒng)，展開綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生利用自行設(shè)計(jì)的傳感器測量系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后與模擬人的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行比較。通過計(jì)算測量誤差、線性度、靈敏度、頻率響應(yīng)等指標(biāo)來評價(jià)自行設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)的性能。

2.1心電的產(chǎn)生與檢測

選擇模擬人產(chǎn)生的心電標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)?lián)信號作為輸入信號。心電測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：輸入信號經(jīng)以AD620芯片為主構(gòu)成的差分放大電路進(jìn)行一級放大，然后經(jīng)過二階高通（0.1Hz）和二階低通（70Hz）濾波電路濾波及雙T型50Hz陷波器陷波，最后進(jìn)行二級放大，得到輸出信號。電路搭建完成后，采用1mV定標(biāo)信號，調(diào)節(jié)電路放大倍數(shù)為1000倍。采用設(shè)計(jì)好的心電測量系統(tǒng)，對模擬人產(chǎn)生的心電信號進(jìn)行采集，并在示波器上顯示心電波形。測量各項(xiàng)指標(biāo)（包括心率、R波幅值、RR間期等），然后與模擬人給出的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

2.2IBP的監(jiān)測

IBP的監(jiān)測是采用插入導(dǎo)管測定動(dòng)脈血管內(nèi)的壓力變化的方法。IBP監(jiān)測系統(tǒng)包括充液導(dǎo)管系統(tǒng)和血壓測量系統(tǒng)2個(gè)組件，充液導(dǎo)管系統(tǒng)包含動(dòng)脈導(dǎo)管和血壓傳感器。此實(shí)驗(yàn)中模擬人提供模擬橈動(dòng)脈供穿刺用。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過穿刺將導(dǎo)管置于模擬血管內(nèi)，導(dǎo)管的外端通過醫(yī)用三通閥與血壓傳感器連接。選擇一次性醫(yī)用壓力傳感器作為血壓傳感器，其核心是采用集成制造技術(shù)在硅膜片上擴(kuò)散出4個(gè)電阻構(gòu)成平衡電橋。當(dāng)硅膜片感受到血壓的變化后產(chǎn)生形變，從而引起電阻阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓信號。血壓測量系統(tǒng)則將電橋輸出的微弱血壓電信號經(jīng)放大、濾波、50Hz陷波等處理后輸出至示波器，并在示波器上顯示血壓波形，用于測量各項(xiàng)指標(biāo)，包括脈率、PP間期、收縮壓、舒張壓和平均壓等。

2.3心音的檢測與識別

心音是心臟跳動(dòng)過程中對胸壁的沖擊振動(dòng)。用聚偏氟乙烯（PVDF）壓電傳感器等儀器可記錄心音的機(jī)械振動(dòng)，稱為心音圖。在檢測模擬人的心音時(shí)，PVDF壓電傳感器先將心音振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換為微弱電信號，心音測量系統(tǒng)則將該微弱電信號經(jīng)兩級前置放大器、帶通濾波器、50Hz陷波器、電壓提升電路等處理后作為輸出信號送至示波器，在示波器上顯示心音波形并測量各項(xiàng)指標(biāo)（包括心率、幅值、舒張期和收縮期時(shí)限等），然后與模擬人的心音標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

2.4EtCO2的檢測

EtCO2的測定有紅外線法、質(zhì)譜儀法和比色法3種方法，目前最常用的是紅外線法。模擬人配備的CO2存儲罐允許模擬真實(shí)的EtCO2檢測。在對模擬人完成氣管插管后，利用旁流裝置引出部分呼出氣體進(jìn)行EtCO2的測量。選擇MH-Z19B紅外CO2監(jiān)測模塊[工作相對濕度：0～95％；測量范圍：0～5000ppm（1ppm=1×10-6）；監(jiān)測精度：±30ppm±3％讀數(shù)]作為傳感系統(tǒng)獲得微弱的電信號。EtCO2測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：輸入信號先經(jīng)過電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，之后選擇合適的運(yùn)算放大器并搭建放大電路，對該微弱電信號進(jìn)行前置放大處理，然后經(jīng)過濾波、二次放大、AD轉(zhuǎn)換后在上位機(jī)軟件顯示CO2波形。最后，用多種CO2體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體（CO2體積分?jǐn)?shù)為1%~20%，平衡氣體為氮?dú)猓ψ孕性O(shè)計(jì)的EtCO2測量系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確性進(jìn)行標(biāo)定。該系統(tǒng)CO2體積分?jǐn)?shù)檢測范圍為0~99mmHg（1mmHg=133.322Pa），其誤差率不超過5%，呼吸頻率誤差不超過2次/min。

2.5按壓深度的檢測

按壓深度與心肺復(fù)蘇質(zhì)量密切相關(guān)。在心肺復(fù)蘇過程中，按壓實(shí)施人員通過心肺復(fù)蘇實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)不斷調(diào)整自己的按壓力度及速度，可確保實(shí)施高質(zhì)量的心肺復(fù)蘇。在實(shí)驗(yàn)中，以模擬人充當(dāng)心臟驟?；颊?，學(xué)生充當(dāng)施救者，選用ZOLL公司的按壓加速度傳感器充當(dāng)按壓反饋系統(tǒng)。在模擬心肺復(fù)蘇過程中，該傳感器位于施救者手部和模擬人的胸骨下部之間，隨著胸外按壓的進(jìn)行，獲取運(yùn)動(dòng)加速度的信號。之后，利用自行設(shè)計(jì)的按壓深度檢測系統(tǒng)將傳感器獲得的加速度信號經(jīng)過兩次積分電路轉(zhuǎn)換為按壓深度信號，此信號再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路處理后送至上位機(jī)。然后上位機(jī)軟件將收到的按壓深度數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地顯示在監(jiān)測界面上，并用于后續(xù)的測量分析。在評價(jià)自行設(shè)計(jì)的按壓深度檢測系統(tǒng)的性能時(shí)，由于人在按壓過程中會(huì)產(chǎn)生疲勞感等因素，無法保證每一次的按壓深度一致，因此選擇Thumper1007型心肺復(fù)蘇按壓器（MichiganInstruments公司，美國）產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輸入信號。該按壓器可產(chǎn)生頻率為100次/min、深度為0～8cm的按壓信號。此按壓信號經(jīng)自行設(shè)計(jì)的按壓深度檢測系統(tǒng)檢測后，在上位機(jī)上顯示按壓波形，可測量按壓頻率、按壓深度、按壓偏移量等指標(biāo)。

3教學(xué)效果評價(jià)

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，展開本科生的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)嘗試。學(xué)生利用模擬人產(chǎn)生的模擬信號，采用自行設(shè)計(jì)的傳感器測量系統(tǒng)對信號進(jìn)行檢測，并與模擬人的信號標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，評價(jià)自行設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)的性能。在確保設(shè)備和人員安全的前提下，學(xué)生可在模擬人身上大膽嘗試，重復(fù)測量。這種全新的教學(xué)模式提高了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。

教學(xué)過程中，學(xué)生普遍反映通過這種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，不僅掌握了傳感器的原理，而且對傳感器的使用及其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用有了深刻的認(rèn)識。此外，由于生物信號微弱，需要放大、濾波等電路進(jìn)行處理，這就需要學(xué)生動(dòng)用前期所學(xué)的電路知識，從而對電路原理與設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步理解。而焊接電路板等實(shí)踐操作提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐水平。作為小組實(shí)驗(yàn)，學(xué)生之間需要明確任務(wù)分工，協(xié)作完成，培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神。學(xué)生在整個(gè)實(shí)踐活動(dòng)中充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，自主地完成一項(xiàng)完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，帶著問題有目標(biāo)地實(shí)驗(yàn)，既培養(yǎng)和鍛煉了動(dòng)手能力、邏輯思維和創(chuàng)新意識等，也加強(qiáng)了醫(yī)學(xué)實(shí)踐水平，自身綜合素質(zhì)得到增強(qiáng)。實(shí)踐表明，這樣的教學(xué)嘗試對學(xué)生后期的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題也具有很好的指導(dǎo)意義。

在綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索中，教師也受益頗多。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中除了會(huì)提出傳感器方面的問題，還會(huì)涉及到電路原理、設(shè)計(jì)與調(diào)試以及相關(guān)的醫(yī)學(xué)知識，這些都對教師提出更高要求，促使教師的自身素質(zhì)得到加強(qiáng)。

4結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)傳感器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的醫(yī)工結(jié)合不緊密的問題，提出將高級智能模擬人用于生物醫(yī)學(xué)傳感器課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)踐結(jié)果表明，基于高級智能模擬人展開綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)大大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和參與意識，同時(shí)對學(xué)生后期的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題具有很好的指導(dǎo)意義。這樣的教學(xué)實(shí)踐不僅使學(xué)生掌握了生物醫(yī)學(xué)傳感器的基本知識及其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，同時(shí)對學(xué)生的醫(yī)學(xué)背景知識提出一定的要求，加深了學(xué)生對醫(yī)學(xué)知識的理解。綜上，基于高級智能模擬人開展綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)有助于生物醫(yī)學(xué)傳感器課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，符合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。

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作者：王建杰 魏良 龔渝順 何密 李永勤 陳碧華 單位：陸軍軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與影像醫(yī)學(xué)系醫(yī)學(xué)儀器與計(jì)量學(xué)教研室