生物醫(yī)學傳感器綜合實驗教學研究

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摘要：目的：針對醫(yī)科院校生物醫(yī)學傳感器課程實驗教學中存在的問題，探索新的教學模式。方法：將高級智能模擬人用于生物醫(yī)學傳感器課程的實驗教學，引導學生設計一系列與醫(yī)學傳感器相關的實驗：合理選擇傳感器，自行設計電路，并構建測量系統(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準信號進行比較來評價自行設計的測量系統(tǒng)的性能。結(jié)果：采用該教學模式教學效果得到明顯提升，學生的學習熱情和參與意識大大提高，更好地理解了傳感器在醫(yī)學中的應用，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、設計性實驗有助于生物醫(yī)學傳感器課程的實驗教學。

關鍵詞：生物醫(yī)學傳感器；生物醫(yī)學工程；綜合實驗教學；高級智能模擬人；教學模式

0引言

在生物醫(yī)學領域，傳感器擔負著從原始的生物體（特別是人體）獲取信息這一重要任務。作為生物醫(yī)學工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課，生物醫(yī)學傳感器課程有著重要的地位。生物醫(yī)學傳感器課程是一門實踐性很強的專業(yè)課，單一地依靠理論課講解，學生往往很難掌握傳感器的相關知識，特別是傳感器的醫(yī)學應用[1]。在理論知識向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化過程中，實驗課擔負著重要角色，因而在授課中占有較大比重。例如，我校生物醫(yī)學傳感器課程共設置70學時，其中實驗課為30學時，占比達到了40%以上。因此，必須加強實驗教學，才能將機械地傳授理論知識轉(zhuǎn)化為學生積極主動地探索實踐，從而提高學生的動手能力與專業(yè)水平。

在傳統(tǒng)的傳感器實驗教學中，主要由教師講授傳感器原理、實驗步驟和注意事項等內(nèi)容，學生只需要按實驗指導書在已經(jīng)搭建好的模塊化的實驗平臺上逐步操作即可完成實驗。整個過程中，學生只需要完成簡單的連線、測量等操作，不利于激發(fā)學生的主動性與創(chuàng)新性。這種教學方式單一，學生興趣不高，實踐能力、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)新的實驗教學方式方法，比如PBL教學方法、分層次教學模式、探究式教學模式、能力導向教育模式等[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)驗證式的實驗模式，強調(diào)以學生為中心，以教師為輔導，充分引導學生探索知識，是傳感器課程教學改革創(chuàng)新的具體實踐[6]。

高校生物醫(yī)學工程專業(yè)的目標是培養(yǎng)醫(yī)學和工程相結(jié)合的復合型專業(yè)人才。因此，作為在醫(yī)科院校開設的生物醫(yī)學工程專業(yè)，除要求學生掌握工程知識外，醫(yī)學知識也必不可少。但是目前的教學重點偏向于工學課程，加上學生對專業(yè)認識的偏頗，使得學生對醫(yī)學知識的學習不夠重視[7]。如何將二者更好地融合，達到醫(yī)、工知識全面培養(yǎng)的目標，是生物醫(yī)學工程專業(yè)教學的基本要求。目前的醫(yī)學傳感器實驗教學往往停留在對傳感器的原理、性能等理論方面的理解與驗證，偏向于工程實踐，缺乏醫(yī)學應用的介紹。特別是涉及到醫(yī)學倫理道德，實驗往往不可能以真人為實驗對象。此時，采用模擬人進行教學就可以很好地解決這一問題。

的局部器官展示模型、單項治療技能模擬練習器發(fā)展到智能模擬人，被廣泛應用于急救、護理、麻醉、內(nèi)科等領域的模擬實踐與教學，以幫助實習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計，采用仿真皮膚，內(nèi)部構造能夠模擬組織、血管、器官，且接近真人水平，主要用于解剖結(jié)構的展示以及單項救治技能的練習。智能模擬人則是基于上位機軟件系統(tǒng)對模擬人進行控制，可模擬人體真實的生理、病理特征，再現(xiàn)一些臨床特定的疾病模型。此外，模擬人具有重復性高、風險低、操作自由等特點，這些都保證了其能夠更好地應用于臨床實踐教學。但是就目前而言，模擬人尚存在一定的不足。比如，智能模擬人價格昂貴，不利于廣泛普及，多用于在醫(yī)院開展臨床教學實踐。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組織完全一致，特別是其力學特性，因而在模擬一些真實的場景，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)廣泛開展教學還受到一定限制。

本教研室搭建了急救復蘇裝備實訓實驗室，配置有一套高級智能模擬人系統(tǒng)（美國Gaumard/HAL誖S3000），以及周邊復蘇搶救設備，如監(jiān)護儀、呼吸機、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)展開實踐教學，引導學生將傳感器理論知識與醫(yī)學實際應用相結(jié)合，進一步提高教學效果，正是我校積極探索的目標。本文探討將高級智能模擬人用于生物醫(yī)學傳感器課程的實驗教學，引導學生自行搭建傳感器測量系統(tǒng)，展開綜合性設計實驗，以幫助學生更好地理解傳感器在醫(yī)學中的應用。

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，通過上位機控制與顯示軟件指導訓練實施與控制訓練效果。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、心動過緩等不同情形。進行復蘇模擬訓練時，首先在上位機選擇一病例，然后檢查模擬人初始生命體征狀態(tài)（瞳孔散大，頸動脈無搏動）；然后開始按壓，模擬人頸動脈被動搏動，搏動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、除顫治療等訓練內(nèi)容；當搶救成功后，模擬人心臟恢復節(jié)律跳動，頸動脈可觸及到自主搏動，瞳孔恢復正常，上位機顯示正常心電、血壓、呼吸等波形。

2高級智能模擬人用于傳感器實驗教學

高級智能模擬人可以同時模擬心電、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驗供學生選擇。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。教學中，引導學生以3~5人為一組，以這些信號作為測量對象，合理選擇傳感器，自行設計電路，搭建傳感器測量系統(tǒng)，展開綜合性設計實驗。學生利用自行設計的傳感器測量系統(tǒng)對這些信號進行數(shù)據(jù)采集，然后與模擬人的標準信號進行比較。通過計算測量誤差、線性度、靈敏度、頻率響應等指標來評價自行設計的測量系統(tǒng)的性能。

2.1心電的產(chǎn)生與檢測

選擇模擬人產(chǎn)生的心電標準Ⅱ?qū)?lián)信號作為輸入信號。心電測量系統(tǒng)的設計方案：輸入信號經(jīng)以AD620芯片為主構成的差分放大電路進行一級放大，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，最后進行二級放大，得到輸出信號。電路搭建完成后，采用1mV定標信號，調(diào)節(jié)電路放大倍數(shù)為1000倍。采用設計好的心電測量系統(tǒng)，對模擬人產(chǎn)生的心電信號進行采集，并在示波器上顯示心電波形。測量各項指標（包括心率、R波幅值、RR間期等），然后與模擬人給出的標準值進行比較。

2.2IBP的監(jiān)測

IBP的監(jiān)測是采用插入導管測定動脈血管內(nèi)的壓力變化的方法。IBP監(jiān)測系統(tǒng)包括充液導管系統(tǒng)和血壓測量系統(tǒng)2個組件，充液導管系統(tǒng)包含動脈導管和血壓傳感器。此實驗中模擬人提供模擬橈動脈供穿刺用。實驗時，首先通過穿刺將導管置于模擬血管內(nèi)，導管的外端通過醫(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在硅膜片上擴散出4個電阻構成平衡電橋。當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，用于測量各項指標，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

心音是心臟跳動過程中對胸壁的沖擊振動。用聚偏氟乙烯（PVDF）壓電傳感器等儀器可記錄心音的機械振動，稱為心音圖。在檢測模擬人的心音時，PVDF壓電傳感器先將心音振動信號轉(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指標（包括心率、幅值、舒張期和收縮期時限等），然后與模擬人的心音標準值進行比較。

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)的設計方案：輸入信號先經(jīng)過電壓跟隨器實現(xiàn)阻抗匹配，之后選擇合適的運算放大器并搭建放大電路，對該微弱電信號進行前置放大處理，然后經(jīng)過濾波、二次放大、AD轉(zhuǎn)換后在上位機軟件顯示CO2波形。最后，用多種CO2體積分數(shù)的標準混合氣體（CO2體積分數(shù)為1%~20%，平衡氣體為氮氣）對自行設計的EtCO2測量系統(tǒng)的檢測準確性進行標定。該系統(tǒng)CO2體積分數(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

按壓深度與心肺復蘇質(zhì)量密切相關。在心肺復蘇過程中，按壓實施人員通過心肺復蘇實時反饋系統(tǒng)不斷調(diào)整自己的按壓力度及速度，可確保實施高質(zhì)量的心肺復蘇。在實驗中，以模擬人充當心臟驟?；颊?，學生充當施救者，選用ZOLL公司的按壓加速度傳感器充當按壓反饋系統(tǒng)。在模擬心肺復蘇過程中，該傳感器位于施救者手部和模擬人的胸骨下部之間，隨著胸外按壓的進行，獲取運動加速度的信號。之后，利用自行設計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。然后上位機軟件將收到的按壓深度數(shù)據(jù)動態(tài)實時地顯示在監(jiān)測界面上，并用于后續(xù)的測量分析。在評價自行設計的按壓深度檢測系統(tǒng)的性能時，由于人在按壓過程中會產(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型心肺復蘇按壓器（MichiganInstruments公司，美國）產(chǎn)生標準輸入信號。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)自行設計的按壓深度檢測系統(tǒng)檢測后，在上位機上顯示按壓波形，可測量按壓頻率、按壓深度、按壓偏移量等指標。

3教學效果評價

根據(jù)設計的實驗，展開本科生的傳感器實驗教學嘗試。學生利用模擬人產(chǎn)生的模擬信號，采用自行設計的傳感器測量系統(tǒng)對信號進行檢測，并與模擬人的信號標準值進行比較，評價自行設計的測量系統(tǒng)的性能。在確保設備和人員安全的前提下，學生可在模擬人身上大膽嘗試，重復測量。這種全新的教學模式提高了學生參與實驗的積極性。

教學過程中，學生普遍反映通過這種設計性實驗，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)學中的應用有了深刻的認識。此外，由于生物信號微弱，需要放大、濾波等電路進行處理，這就需要學生動用前期所學的電路知識，從而對電路原理與設計有了進一步理解。而焊接電路板等實踐操作提高了學生的動手能力和實踐水平。作為小組實驗，學生之間需要明確任務分工，協(xié)作完成，培養(yǎng)了團隊合作精神。學生在整個實踐活動中充分發(fā)揮主觀能動性，自主地完成一項完整的實驗設計，帶著問題有目標地實驗，既培養(yǎng)和鍛煉了動手能力、邏輯思維和創(chuàng)新意識等，也加強了醫(yī)學實踐水平，自身綜合素質(zhì)得到增強。實踐表明，這樣的教學嘗試對學生后期的畢業(yè)設計選題也具有很好的指導意義。

在綜合性實驗教學的探索中，教師也受益頗多。學生在實驗過程中除了會提出傳感器方面的問題，還會涉及到電路原理、設計與調(diào)試以及相關的醫(yī)學知識，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。

4結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)的醫(yī)學傳感器課程實驗教學中存在的醫(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)學傳感器課程的實驗教學。實踐結(jié)果表明，基于高級智能模擬人展開綜合性實驗教學大大地激發(fā)了學生的學習熱情和參與意識，同時對學生后期的畢業(yè)設計選題具有很好的指導意義。這樣的教學實踐不僅使學生掌握了生物醫(yī)學傳感器的基本知識及其在醫(yī)學中的應用，同時對學生的醫(yī)學背景知識提出一定的要求，加深了學生對醫(yī)學知識的理解。綜上，基于高級智能模擬人開展綜合性設計實驗有助于生物醫(yī)學傳感器課程的實驗教學，符合生物醫(yī)學工程專業(yè)人才培養(yǎng)的需求。

參考文獻：

[1]周靜，吳凱.醫(yī)學傳感器課程的教學改革探索[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2018，39（1）：91-93，103.

[2]陳碧華，李永勤，王開發(fā)，等.生物醫(yī)學傳感器第二課堂教學的探索與實踐[J].科技視界，2013（4）：85，94.

[3]李靖，付峰，張靜，等.PBL教學模式在《醫(yī)用傳感器》教學中的應用探討[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（9）：147-148，152.

[4]王孟祿，任鳳竹.傳感器多層次實驗教學與創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索[J].實驗室科學，2013，16（2）：79-81.

[5]鄭青玉，王曉飛，潘志康，等.基于OBE模式的傳感技術實驗教學改進[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2018（15）：56-57，62.

[6]王艷，張晨，陳姝君.傳感器技術的理論與實驗教學改革[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（19）：74-76.

[7]劉銳崗，楊濱，付峰，等.軍事生物醫(yī)學工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式初探[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（3）：145-147.

[8]張煜晨.醫(yī)學模擬人研究現(xiàn)狀[J].中國醫(yī)師雜志，2013（z1）：236-238.

[9]王海濤，張廣，盧恒志，等.戰(zhàn)傷救治模擬人技術體系研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2015，36（2）：119-121.

[10]陳群，陸佩蓓.高端智能模擬人在現(xiàn)代醫(yī)學教育中的應用現(xiàn)狀及發(fā)展設想[J].中國醫(yī)學教育技術，2014，28（4）：416-419.

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)大學生物醫(yī)學工程與影像醫(yī)學系醫(yī)學儀器與計量學教研室