生物醫學傳感器綜合實驗教學研究

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摘要：目的：針對醫科院校生物醫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學傳感器課程的實驗教學，引導學生設計一系列與醫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。利用測量系統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的性能。結果：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學中的應用，綜合素質得到全面提高。結論：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學傳感器課程的實驗教學。

關鍵詞：生物醫學傳感器；生物醫學工程；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。作為生物醫學工程專業的一門專業必修課，生物醫學傳感器課程有著重要的地位。生物醫學傳感器課程是一門實踐性很強的專業課，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，特別是傳感器的醫學應用[1]。在理論知識向實踐的轉化過程中，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水平。

在傳統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容，學生只需要按實驗指導書在已經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，不利于激發學生的主動性與創新性。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有的信息化環境，改變了傳統驗證式的實驗模式，強調以學生為中心，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新的具體實踐[6]。

高校生物醫學工程專業的目標是培養醫學和工程相結合的復合型專業人才。因此，作為在醫科院校開設的生物醫學工程專業，除要求學生掌握工程知識外，醫學知識也必不可少。但是目前的教學重點偏向于工學課程，加上學生對專業認識的偏頗，使得學生對醫學知識的學習不夠重視[7]。如何將二者更好地融合，達到醫、工知識全面培養的目標，是生物醫學工程專業教學的基本要求。目前的醫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，缺乏醫學應用的介紹。特別是涉及到醫學倫理道德，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展到智能模擬人，被廣泛應用于急救、護理、麻醉、內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對模擬人進行控制，可模擬人體真實的生理、病理特征，再現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（美國Gaumard/HAL誖S3000），以及周邊復蘇搶救設備，如監護儀、呼吸機、除顫儀等，形成一套完整的急救模擬系統。如何充分利用該模擬人系統展開實踐教學，引導學生將傳感器理論知識與醫學實際應用相結合，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，展開綜合性設計實驗，以幫助學生更好地理解傳感器在醫學中的應用。

1Gaumard/HAL誖S3000型高級智能模擬人系統簡介

Gaumard/HAL誖S3000型高級智能模擬人系統采用無線通信方式，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。配套的軟件系統內置10例急救相關的病例，包括窒息無脈搏、胸痛發汗、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（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、除顫治療等訓練內容；當搶救成功后，模擬人心臟恢復節律跳動，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，提供心電的產生與檢測、有創血壓（IBP）的監測、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，經傳感器轉換后的電信號也弱，需經過傳感器測量系統對信號進行放大、濾波等處理后轉換為可用信號，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，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對這些信號進行數據采集，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的性能。

2.1心電的產生與檢測

選擇模擬人產生的心電標準Ⅱ導聯信號作為輸入信號。心電測量系統的設計方案：輸入信號經以AD620芯片為主構成的差分放大電路進行一級放大，然后經過二階高通（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，調節電路放大倍數為1000倍。采用設計好的心電測量系統，對模擬人產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的監測

IBP的監測是采用插入導管測定動脈血管內的壓力變化的方法。IBP監測系統包括充液導管系統和血壓測量系統2個組件，充液導管系統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，導管的外端通過醫用三通閥與血壓傳感器連接。選擇一次性醫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生形變，從而引起電阻阻值發生變化，電橋失去平衡，輸出相應的電壓信號。血壓測量系統則將電橋輸出的微弱血壓電信號經放大、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換為微弱電信號，心音測量系統則將該微弱電信號經兩級前置放大器、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監測模塊[工作相對濕度：0～95％；測量范圍：0～5000ppm（1ppm=1×10-6）；監測精度：±30ppm±3％讀數]作為傳感系統獲得微弱的電信號。EtCO2測量系統的設計方案：輸入信號先經過電壓跟隨器實現阻抗匹配，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，然后經過濾波、二次放大、AD轉換后在上位機軟件顯示CO2波形。最后，用多種CO2體積分數的標準混合氣體（CO2體積分數為1%~20%，平衡氣體為氮氣）對自行設計的EtCO2測量系統的檢測準確性進行標定。該系統CO2體積分數檢測范圍為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不斷調整自己的按壓力度及速度，可確保實施高質量的心肺復蘇。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。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將傳感器獲得的加速度信號經過兩次積分電路轉換為按壓深度信號，此信號再經過AD轉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據動態實時地顯示在監測界面上，并用于后續的測量分析。在評價自行設計的按壓深度檢測系統的性能時，由于人在按壓過程中會產生疲勞感等因素，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）產生標準輸入信號。該按壓器可產生頻率為100次/min、深度為0～8cm的按壓信號。此按壓信號經自行設計的按壓深度檢測系統檢測后，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。學生利用模擬人產生的模擬信號，采用自行設計的傳感器測量系統對信號進行檢測，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，協作完成，培養了團隊合作精神。學生在整個實踐活動中充分發揮主觀能動性，自主地完成一項完整的實驗設計，帶著問題有目標地實驗，既培養和鍛煉了動手能力、邏輯思維和創新意識等，也加強了醫學實踐水平，自身綜合素質得到增強。實踐表明，這樣的教學嘗試對學生后期的畢業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、設計與調試以及相關的醫學知識，這些都對教師提出更高要求，促使教師的自身素質得到加強。

4結語

本文針對傳統的醫學傳感器課程實驗教學中存在的醫工結合不緊密的問題，提出將高級智能模擬人用于生物醫學傳感器課程的實驗教學。實踐結果表明，基于高級智能模擬人展開綜合性實驗教學大大地激發了學生的學習熱情和參與意識，同時對學生后期的畢業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學傳感器的基本知識及其在醫學中的應用，同時對學生的醫學背景知識提出一定的要求，加深了學生對醫學知識的理解。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學傳感器課程的實驗教學，符合生物醫學工程專業人才培養的需求。

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作者：王建杰 魏良 龔渝順 何密 李永勤 陳碧華 單位：陸軍軍醫大學生物醫學工程與影像醫學系醫學儀器與計量學教研室