細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的組建與應(yīng)用

俞索靜

(浙江中醫(yī)藥大學(xué)骨傷研究所,浙江 杭州 310053)

細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的組建與應(yīng)用

俞索靜

(浙江中醫(yī)藥大學(xué)骨傷研究所,浙江 杭州 310053)

針對(duì)細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)要求在無(wú)菌層流室內(nèi)進(jìn)行,且對(duì)室內(nèi)人員流動(dòng)有嚴(yán)格限制以及在學(xué)習(xí)示教、技術(shù)培訓(xùn)、學(xué)術(shù)交流等方面教學(xué)的需要,提出并組建了在細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室與多媒體會(huì)議室之間,設(shè)計(jì)一套實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)兩室間室內(nèi)視頻監(jiān)控、顯微鏡下成像、實(shí)驗(yàn)操作步驟、技術(shù)指導(dǎo)過(guò)程,以及對(duì)話問(wèn)答等的互動(dòng)式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)方案。

細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室;實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中有許多實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)操作環(huán)境有特殊要求。我們研究所目前開(kāi)展的細(xì)胞生物學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)包括各種活細(xì)胞的顯微觀察技術(shù)、顯微操作技術(shù)、細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、電穿電融技術(shù)、顯微電影技術(shù)、活細(xì)胞成像技術(shù)等。這些實(shí)驗(yàn)技術(shù)通常都在無(wú)菌層流室內(nèi)進(jìn)行,不僅對(duì)層流室的設(shè)計(jì)有一定的規(guī)范,而且對(duì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室人員的穿戴及人員流動(dòng)也有嚴(yán)格的要求和限制。因此,無(wú)法進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行示教觀摩,同時(shí)也難以開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)培訓(xùn)與學(xué)術(shù)交流等活動(dòng)。近年來(lái),多媒體交互式視頻教學(xué)方法在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用相當(dāng)廣泛,它改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式,使教學(xué)水平與效果得到極大提高[1-8]。為此,我們利用多媒體會(huì)議室設(shè)計(jì)組建了一套與細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室相連的實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng),經(jīng)實(shí)際使用效果良好,現(xiàn)介紹如下:

1 實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的原理與組成

1.1 工作原理

細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室與多媒體會(huì)議室之間的連接包括視頻系統(tǒng)與音頻系統(tǒng)兩個(gè)部分。整個(gè)研究所各實(shí)驗(yàn)室為了便于管理,在基建時(shí)已經(jīng)安裝了 16路網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像監(jiān)控系統(tǒng)(新型 D 1畫(huà)質(zhì)),在研究所內(nèi)網(wǎng)可以經(jīng)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)調(diào)用。

1.1.1 視頻系統(tǒng) 視頻系統(tǒng)包括細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室顯微鏡成像的實(shí)時(shí)視頻轉(zhuǎn)播、實(shí)驗(yàn)與儀器操作實(shí)況的視頻轉(zhuǎn)播、通過(guò)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)獲取的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室與多媒體會(huì)議室各兩路監(jiān)控視頻三個(gè)部分。

●細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室顯微鏡成像實(shí)時(shí)視頻轉(zhuǎn)播

細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室向多媒體會(huì)議室的顯微鏡成像轉(zhuǎn)播,由O lympusDP72數(shù)碼成像系統(tǒng),以及 Retiga 4000R數(shù)碼相機(jī)和 Rolera-MGi EMCCD數(shù)碼相機(jī),通過(guò) InV ivo、IPP、QCap ture等軟件成像,經(jīng)計(jì)算機(jī)VGA端口輸出到各自的VGA放大分配器,每個(gè)VGA放大分配器輸出兩路VGA信號(hào),1路輸出到顯示器,另 1路輸出到VGA切換器,經(jīng)VGA切換器將欲顯示的VGA信號(hào)用電纜傳送到投影儀,如圖 1所示。

圖 1 細(xì)胞生物實(shí)驗(yàn)室顯微鏡成像視頻轉(zhuǎn)播框圖

●細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與儀器操作實(shí)況的視頻轉(zhuǎn)播

細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室向多媒體會(huì)議室傳輸?shù)牟僮鲗?shí)況,用DV攝像機(jī)通過(guò)復(fù)合視頻端子 (V ideo)或 S端子(S-V ideo),將視頻信號(hào)由細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室傳送到多媒體會(huì)議室的大屏幕液晶電視機(jī),如圖2所示。

圖 2 細(xì)胞生物實(shí)驗(yàn)室操作實(shí)況視頻轉(zhuǎn)播流程圖

●細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室與多媒體會(huì)議室室內(nèi)視頻監(jiān)控

用筆記本電腦,經(jīng)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)獲取 16路網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像監(jiān)控系統(tǒng)中細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室與多媒體會(huì)議室的 4路監(jiān)控視頻,對(duì)兩室進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻觀察與監(jiān)控,如圖 3所示。

圖 3 細(xì)胞生物實(shí)驗(yàn)室與多媒體會(huì)議室視頻監(jiān)控示意圖

1.1.2 音頻系統(tǒng) 細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的聲音通過(guò)領(lǐng)夾式無(wú)線話筒經(jīng)接收機(jī)將話筒信號(hào)輸出到多媒體會(huì)議室功放的音頻信號(hào)輸入端,經(jīng)功率放大后輸出到會(huì)議室音箱,同時(shí)功放的音頻輸出信號(hào)通過(guò)音頻線連接到細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的有源音箱。多媒體會(huì)議室講話通過(guò)手持式無(wú)線話筒經(jīng)接收機(jī)將話筒信號(hào)輸送到功放,經(jīng)功率放大后輸出到會(huì)議室音箱,同時(shí)經(jīng)功放音頻輸出接口將音頻信號(hào)送往細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的有源音箱,如圖 4所示。

圖 4 音頻對(duì)講系統(tǒng)原理示意圖

1.2 硬件組成

1.2.1 多媒體會(huì)議室 投影儀,120吋投影屏幕,視頻展臺(tái),大屏幕液晶電視機(jī),音頻功率放大器,音響系統(tǒng),手持式無(wú)線話筒,無(wú)線話筒接收機(jī),筆記本電腦,臺(tái)式計(jì)算機(jī),VGA放大分配器,VGA切換器,監(jiān)控?cái)z像頭等。

1.2.2 細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 O lympus IX81全自動(dòng)倒置顯微鏡,O lympus IX71倒置顯微鏡,明場(chǎng)、暗場(chǎng)、相差、浮雕、微分干涉相差組件,轉(zhuǎn)盤(pán)共聚焦組件,熒光組件、顯微活細(xì)胞培養(yǎng)組件,顯微操作系統(tǒng),電穿電融儀,活細(xì)胞工作站,DP72數(shù)碼成像系統(tǒng),Retiga 4000R數(shù)碼相機(jī),Ro lera-MGi EMCCD數(shù)碼相機(jī),SONY DV攝像機(jī),領(lǐng)夾式無(wú)線話筒,無(wú)線話筒接收機(jī),筆記本電腦,臺(tái)式計(jì)算機(jī),VGA放大分配器,VGA切換器,有源音箱,監(jiān)控?cái)z像頭等。

1.2.3 監(jiān)控室 16路新型 D1畫(huà)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī),無(wú)線路由器。

1.3 主要參數(shù)與設(shè)計(jì)說(shuō)明

1.3.1 VGA信號(hào)的傳輸 應(yīng)用軟件的操作及鏡下圖像、視頻的播放采用VGA方式進(jìn)行轉(zhuǎn)播,由實(shí)驗(yàn)室通過(guò) VGA電纜傳送到多媒體會(huì)議室的投影儀。投影效果要求在開(kāi)啟室內(nèi)后半部分燈光的情況下,仍保持良好的亮度與對(duì)比度,圖像質(zhì)量超過(guò)DVD標(biāo)準(zhǔn)。為此,我們采用 Op tom a EP776型商用投影儀,該投影儀能達(dá)到高分辨率 (1 024×768)、高亮度(4 300流明)、高對(duì)比度 (3 000∶1)。

1.3.2 V ideo信號(hào)的傳輸 V ideo信號(hào)用于實(shí)驗(yàn)和儀器操作視頻的轉(zhuǎn)播,要求達(dá)到DVD畫(huà)質(zhì)。本系統(tǒng)中采用SONYDV攝像機(jī),其PAL制DV影像的分辨率為720×576,視頻信號(hào)經(jīng)V ideo或 S-V ideo端子傳輸?shù)蕉嗝襟w會(huì)議室高清液晶電視機(jī)。

1.3.3 視頻監(jiān)控信號(hào)的傳輸 視頻監(jiān)控用于在教學(xué)時(shí)動(dòng)態(tài)了解對(duì)方室內(nèi)情況,圖像分辨率要求達(dá)到4C IF標(biāo)準(zhǔn),PAL704×576。為此,我們采用 D1畫(huà)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī),壓縮碼流 32k-2M可調(diào),也可自定義,上限為 8M。并采用 795×596像素、540TV線以上、30倍一體化彩色攝像機(jī)?？捎?100M網(wǎng)卡在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行有線聯(lián)網(wǎng),或用 54k無(wú)線路由器進(jìn)行無(wú)線聯(lián)網(wǎng)。

1.3.4 VGA與 V ideo信號(hào)的記錄 該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)播VGA信號(hào)與 V ideo信號(hào)的同時(shí),也可對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行記錄,作為今后編制多媒體課件的素材。如V ideo信號(hào)可在DV攝像機(jī)拍攝的同時(shí)直接進(jìn)行錄像,鏡下轉(zhuǎn)播的圖像與視頻可通過(guò)成像軟件進(jìn)行捕獲,VGA信號(hào)可用VGA高清采集卡或VGA錄像機(jī)進(jìn)行記錄,再經(jīng)非線性編輯軟件處理,制作成各種格式的多媒體課件。

2 實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的功能與應(yīng)用

2.1 實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的功能

2.1.1 顯微成像的轉(zhuǎn)播 該系統(tǒng)能將顯微鏡成像實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播到多媒體會(huì)議室的投影屏幕上,因此可以解決位于無(wú)菌層流室內(nèi)的顯微成像儀器設(shè)備操作使用的示教培訓(xùn)以及學(xué)術(shù)交流、技術(shù)演示、產(chǎn)品介紹等需求。

2.1.2 操作過(guò)程的轉(zhuǎn)播 該系統(tǒng)能在觀看顯微鏡成像的同時(shí),還可看到儀器設(shè)備操作的每個(gè)步驟與細(xì)節(jié),達(dá)到身臨其境的效果。

2.1.3 互動(dòng)式交流對(duì)話 在觀察顯微鏡成像與操作過(guò)程中,可以進(jìn)行即時(shí)對(duì)話、交流,開(kāi)展交互式學(xué)習(xí),遇到問(wèn)題能得到及時(shí)解答,并可隨時(shí)根據(jù)學(xué)生的要求或提問(wèn)重復(fù)重點(diǎn)內(nèi)容與操作方法,實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的真正互動(dòng)。

2.1.4 資源利用與共享 該系統(tǒng)能在有限設(shè)備與實(shí)驗(yàn)條件下,開(kāi)展大班教學(xué),充分節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本,使儀器設(shè)備資源得到有效利用與共享。

2.2 實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)的應(yīng)用

實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)可用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域,尤其是細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。例如:各種顯微鏡觀察方法的教學(xué)與演示,細(xì)胞學(xué)、組織病理學(xué)讀片與示教,細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、顯微操作技術(shù)、活細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、電穿電融技術(shù)等的教學(xué)、培訓(xùn)及技術(shù)交流。該系統(tǒng)在實(shí)際使用中取得了滿意的效果,其視頻與音響質(zhì)量均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

2.2.1 顯微觀察方法的教學(xué)與演示 顯微鏡除了常用的明場(chǎng)觀察法外,還有暗場(chǎng)、相差、浮雕、微分干涉相差、熒光、倒置等觀察法。在進(jìn)行特殊顯微鏡觀察與使用方法的教學(xué)中,我們應(yīng)用實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng),學(xué)生不必進(jìn)入無(wú)菌層流室就可看到教師的每個(gè)操作步驟,同時(shí)還能觀察到顯微鏡下成像的每個(gè)細(xì)節(jié),并可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)即問(wèn)即答,教師可按學(xué)生的需要隨時(shí)選擇、調(diào)整或重復(fù)授課內(nèi)容。提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性與參與性,使學(xué)生仿佛身臨其境,從而取得了生動(dòng)、直觀的教學(xué)效果,加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程的認(rèn)識(shí)與理解。

2.2.2 細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的教學(xué)與演示 組織細(xì)胞培養(yǎng)要求在無(wú)菌層流室內(nèi)進(jìn)行,操作時(shí)須限制人數(shù),并盡量減少人員進(jìn)出。因此,可利用實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。比如:在學(xué)習(xí)細(xì)胞計(jì)數(shù)方法時(shí),學(xué)生可以一邊觀察顯微鏡下細(xì)胞計(jì)數(shù)板上的網(wǎng)格,一邊觀察教師的操作,同時(shí)跟著教師一起進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù),這樣可以迅速掌握調(diào)節(jié)細(xì)胞濃度的方法。在進(jìn)行細(xì)胞傳代時(shí),許多初學(xué)學(xué)生都覺(jué)得很難把握酶消化的時(shí)間和程度,而通過(guò)顯微互動(dòng)式視頻教學(xué),可以將貼壁細(xì)胞經(jīng)酶消化后的形態(tài)變化特點(diǎn),直觀地教授給學(xué)生,這樣學(xué)生可以迅速領(lǐng)會(huì)要點(diǎn),加深對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)識(shí)。

2.2.3 顯微操作技術(shù)的教學(xué)與演示 顯微操作是一項(xiàng)技術(shù)性強(qiáng),對(duì)環(huán)境要求較高的細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究手段,實(shí)驗(yàn)必須在無(wú)菌凈化室內(nèi)進(jìn)行,并盡量減少人員走動(dòng),通常在防震臺(tái)上進(jìn)行操作。在顯微操作技術(shù)的教學(xué)與培訓(xùn)中,利用實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng),學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下,觀察顯微操作針在鏡下移動(dòng)時(shí)的成像變化特點(diǎn),學(xué)會(huì)如何迅速找到針尖,并判斷針尖的位置與高度。在學(xué)習(xí)細(xì)胞內(nèi)注射技術(shù)時(shí),可在教師的指導(dǎo)下,根據(jù)注射針在不同位置的成像特點(diǎn),學(xué)會(huì)如何掌握進(jìn)針位置與深度。

2.2.4 活細(xì)胞成像技術(shù)的培訓(xùn)、教學(xué)與演示 活細(xì)胞成像系統(tǒng)為進(jìn)口的高檔貴重儀器設(shè)備,一般由專(zhuān)人負(fù)責(zé)操作管理,由于在使用顯微鏡對(duì)細(xì)胞進(jìn)行觀察的同時(shí),還需要對(duì)細(xì)胞作長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)培養(yǎng),因此對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求較高,通常無(wú)法對(duì)多人同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)。利用實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)“一對(duì)一”的培訓(xùn)和技術(shù)交流,而且還可節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用,降低培訓(xùn)成本,提高教學(xué)效果。通過(guò)一邊觀看實(shí)驗(yàn)室顯示器視頻與操作視頻,一邊進(jìn)行互動(dòng)式提問(wèn)與解答,能夠迅速掌握活細(xì)胞成像系統(tǒng)的原理、儀器的操作以及 InV ivo控制軟件的使用與參數(shù)設(shè)置。

3 討論

在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域,許多實(shí)驗(yàn)研究對(duì)環(huán)境要求較高,一些大型貴重儀器設(shè)備,都工作在無(wú)菌層流室內(nèi),且人員流動(dòng)相對(duì)較少的環(huán)境,需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)訓(xùn)練的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員才能上機(jī)。所以,在這種情況下如何解決實(shí)驗(yàn)技術(shù)的培訓(xùn)、演示以及技術(shù)交流等問(wèn)題,是本系統(tǒng)建立的最初目的。而在實(shí)際使用中要求具有良好的互動(dòng)性、交互性,最大限度地發(fā)揮該系統(tǒng)的使用效果。我們?cè)O(shè)計(jì)安裝的這套實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng),由于多媒體會(huì)議室與細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室在同一樓層,相距不是很遠(yuǎn),所以音頻、視頻采用 VGA與AV方式進(jìn)行有線傳輸,監(jiān)控部分通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)經(jīng)無(wú)線或有線連接,整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)使用效果良好,圖像清晰,聲音均衡無(wú)嘯叫,接線經(jīng)良好屏蔽與合理布線,信號(hào)未出現(xiàn)干擾。

該實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)用于細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),能直觀地顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果,使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)掌握因某些條件限制而難以開(kāi)展的一些實(shí)驗(yàn)研究技術(shù),加深對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和意義的認(rèn)識(shí)與理解,從而幫助學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)操作能力,更加全面地掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)。同時(shí)將示教、講解、觀察、問(wèn)答、討論、監(jiān)督和測(cè)試等環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來(lái),教學(xué)中不再是教師單調(diào)地教,學(xué)生被動(dòng)地學(xué),而是教師起主導(dǎo)作用,學(xué)生積極參與教學(xué),真正實(shí)現(xiàn)了師生互動(dòng),密切配合。這樣學(xué)生的能力得到了培養(yǎng),學(xué)生在主動(dòng)參與的過(guò)程中提高了學(xué)習(xí)興趣,從枯燥乏味的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)中解脫出來(lái),對(duì)于提高細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量具有重要作用。

綜上所述,該實(shí)時(shí)交互式轉(zhuǎn)播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)學(xué)習(xí)、培訓(xùn)的多媒體互動(dòng)教學(xué)模式,尤其是對(duì)特殊使用環(huán)境下貴重顯微儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué),提供了一種切實(shí)可行的解決方案。

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Estab lishm en tand app lica tion of in teractive rea l-tim e relay broadcast system in cellb iology labora tory

Yu Suojing
(Institu te of Traum a&O rthoped ics,Zhejiang Ch ineseM ed ica lUniversity,Hangzhou 310053,China)

Cellbiology experim entsare perform ed in lam inar flow biological clean room s,rigorously restrictmovem entof personnel in the room,and have requirem ents for teaching and learning,technical training and academ ic exchange.Thus,we designed and established a setof interactive real-time relay broadcast system between cellbiology laboratory andmultimedia conference room to achieve the interactive relay broadcast for video monitoring,m icroscopy imaging,experim ent p rocedure,technical guidance, dialogue and interactive questioning and answering,which obtained good results forp racticalapp lication.

cell bio logy laboratory;interactive real-tim e relay broadcast system;experim ent teaching

G434

A

:1004-5287(2010)03-0274-04

2010-02-25

俞索靜 (1958-),男,浙江寧波人,副研究員,碩士,主要研究方向:骨細(xì)胞生物學(xué)。