基于瀏覽器模式的人體生理學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦曉群 楊綠化 何曉凡

中南大學(xué)醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 湖南長(zhǎng)沙 410013

基于瀏覽器模式的人體生理學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦曉群 楊綠化 何曉凡

中南大學(xué)醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 湖南長(zhǎng)沙 410013

本文分析了國(guó)內(nèi)醫(yī)學(xué)院校人體生理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和改革方向，說(shuō)明了人體生理實(shí)驗(yàn)是中國(guó)機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)發(fā)展方向。然后介紹了人體生理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)思想和原理，最后介紹了一種基于瀏覽器方式的可實(shí)際運(yùn)用與教學(xué)的人體生理學(xué)機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

人體生理實(shí)驗(yàn)；瀏覽器模式

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)的生理實(shí)驗(yàn)教學(xué)以動(dòng)物實(shí)驗(yàn)為主，而且主要針對(duì)教材上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間中，很難完全理解某個(gè)實(shí)驗(yàn)的全部意義，也很難在這個(gè)實(shí)驗(yàn)上發(fā)揮提高。往往是學(xué)生做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)只是完成任務(wù)，很難達(dá)到真正學(xué)習(xí)的效果，另一方面，教師花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行指導(dǎo)，但是并不能使每一個(gè)學(xué)生受益，很多學(xué)生由于沒(méi)有得到教師的親自指導(dǎo)而不能很好地完成動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

另一個(gè)因素是國(guó)外特別是發(fā)達(dá)國(guó)家的生理教學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)很少開(kāi)展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，中國(guó)生理教學(xué)也正面臨著與國(guó)際逐步接軌，將逐步減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，這也是符合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的3R原則，Reduction(減少)、Replacement(替代)和Refinement(優(yōu)化)。

為了盡快地解決這些困擾機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)題，我們走校企合作的方式，與成都泰盟科技有限公司合作，在以下兩個(gè)途徑上對(duì)機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了思考和有效地探索。

1.開(kāi)展部分虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)

虛擬實(shí)驗(yàn)最大的優(yōu)勢(shì)是不對(duì)動(dòng)物造成任何傷害，可以反復(fù)使用，其他的優(yōu)勢(shì)是可以聚集大量的相關(guān)知識(shí)，拓展學(xué)生的知識(shí)面，比如生理實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原理和應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物養(yǎng)殖與選擇，機(jī)能實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作，機(jī)能實(shí)驗(yàn)反應(yīng)等。如果將虛擬實(shí)驗(yàn)上網(wǎng)，還可以使學(xué)生在任何地方，比如寢室、教室等獲取實(shí)驗(yàn)知識(shí)。虛擬實(shí)驗(yàn)的不利之處在于，不動(dòng)手的虛擬機(jī)能實(shí)驗(yàn)不能訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，另外，在非真實(shí)環(huán)境下操作實(shí)驗(yàn)，還可能造成學(xué)生在將來(lái)實(shí)驗(yàn)中隨意的態(tài)度。

2.在教學(xué)中開(kāi)展部分人體生理實(shí)驗(yàn)

為了克服虛擬實(shí)驗(yàn)的不利因素，如果能在機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)中加入一些人體實(shí)驗(yàn)的成分，這不僅可以減少實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用，而且還可以有效地與臨床形成更緊密的結(jié)合，既拓展了學(xué)生的知識(shí)面，也提高了學(xué)生的興趣。但是人體生理實(shí)驗(yàn)也有一些缺陷，比如動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)解剖，藥物注射，而學(xué)校開(kāi)設(shè)的人體生理實(shí)驗(yàn)則不能對(duì)實(shí)驗(yàn)體本身有任何傷害，這大大限制了人體實(shí)驗(yàn)的范圍和深度，另一方面，由于人體生理缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝備，也大大限制了學(xué)校開(kāi)展這方面的實(shí)驗(yàn)。

一、人體生理機(jī)能實(shí)驗(yàn)設(shè)備的探索與設(shè)計(jì)

1.人體生理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備提出了更高的要求

原來(lái)的生理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通常針對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)，重在有效拾取動(dòng)物機(jī)體的生理信號(hào)，而對(duì)設(shè)備的電器安全性特性則很少關(guān)注。

中國(guó)食品藥品監(jiān)督局的相關(guān)文件明確規(guī)定用于人體生理指標(biāo)的監(jiān)測(cè)設(shè)備屬于醫(yī)療器械，需要具有醫(yī)療器械注冊(cè)證明方可實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售，為了取得醫(yī)療器械注冊(cè)證明則需要進(jìn)行權(quán)威機(jī)構(gòu)的安全檢查和臨床驗(yàn)證。這無(wú)形中提高了生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全門(mén)檻，換句話講，原來(lái)的生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)首先需要獲取相應(yīng)的注冊(cè)證明。

由于專(zhuān)用醫(yī)療設(shè)備的昂貴與專(zhuān)用型，不能滿足學(xué)校開(kāi)展人體生理實(shí)驗(yàn)的需要，而學(xué)校需要通用型的滿足人體實(shí)驗(yàn)要求的價(jià)廉物美的設(shè)備。因此在開(kāi)發(fā)相應(yīng)的人體生理機(jī)能實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)首先要考慮的問(wèn)題是提高設(shè)備的安全性，獲取醫(yī)療器械注冊(cè)證明。

2.人體生理實(shí)驗(yàn)的方法應(yīng)有別于傳統(tǒng)的生理實(shí)驗(yàn)設(shè)備

由于人體生理實(shí)驗(yàn)要求保證人體的絕對(duì)安全，即使有了取得醫(yī)療器械注冊(cè)證的實(shí)驗(yàn)設(shè)備還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。首先，在學(xué)生人體生理實(shí)驗(yàn)中不能開(kāi)展侵入式實(shí)驗(yàn)；其次，不能在學(xué)生人體生理實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行藥物注射觀察反應(yīng)。因此，人體生理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展受到實(shí)驗(yàn)條件和方法的雙重限制，需要在設(shè)計(jì)人體實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)突破這些瓶頸。

首先是實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)，比如我們要研究血壓的變化，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)時(shí)可能采用的方式是注射腎上腺素，乙酰膽堿等藥物，轉(zhuǎn)到人體實(shí)驗(yàn)后，我們可以研究不同血壓測(cè)量方法之間的測(cè)量差異；測(cè)量學(xué)生在安靜、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的血壓；讓學(xué)生手臂肱動(dòng)脈位置高于、低于心臟位置以及與心臟平行時(shí)測(cè)量血壓得出結(jié)果，因此，設(shè)計(jì)人體生理實(shí)驗(yàn)設(shè)備首先是設(shè)計(jì)人體生理的實(shí)驗(yàn)方法。

3.人體生理實(shí)驗(yàn)要求內(nèi)容豐富

由于人體實(shí)驗(yàn)本身的局限性，在設(shè)計(jì)人體生理實(shí)驗(yàn)設(shè)備時(shí)要力求在內(nèi)容和表達(dá)方式上盡量豐富。首先是內(nèi)容的完善，需要提供完善的人體生理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括人體的神經(jīng)(反應(yīng)，反射實(shí)驗(yàn))、循環(huán)、呼吸、肌肉、消化、泌尿等系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其次，在表達(dá)方式上，要將實(shí)驗(yàn)的歷史背景，設(shè)備介紹，方法原理以及實(shí)際的實(shí)驗(yàn)觀察有效地結(jié)合起來(lái)，但這些內(nèi)容使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備(軟件)很難達(dá)到這些要求。為了達(dá)到這些要求，使用瀏覽器作為人體生理學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件的載體是有效的，因?yàn)闉g覽器易于表達(dá)豐富的內(nèi)容，但是其實(shí)時(shí)操控性較差，因此需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)。

4.人體生理實(shí)驗(yàn)要求盡量減少教師的負(fù)擔(dān)

生理教師主要講解實(shí)驗(yàn)的方法和原理，關(guān)于實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)操作過(guò)程，盡量讓學(xué)生自己去完成，但是有些操作比較復(fù)雜，學(xué)生實(shí)現(xiàn)困難，因此在人體生理機(jī)能實(shí)驗(yàn)設(shè)備軟件中必須對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)有具體的操作指南，按照這個(gè)操作指南學(xué)生就可以輕松完成實(shí)驗(yàn)。

5.人體生理實(shí)驗(yàn)要求配套的附件完善

為了完成人體生理實(shí)驗(yàn)，除了主要的設(shè)備之外，還需要配套完善的實(shí)驗(yàn)附件，比如握力傳感器，呼吸傳感器，心電電極等，這樣才能真正保證學(xué)生人體實(shí)驗(yàn)的真正開(kāi)展。

二、Webchart-400人體生理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

WebChart-400人體生理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是成都泰盟科技有限公司為了滿足醫(yī)學(xué)院校人體生理實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的需要，專(zhuān)門(mén)研發(fā)的新一代人體生理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其滿足了高等醫(yī)學(xué)院校人體生理實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的需要。

1.Webchart-400人體生理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

Webchart-400人體生理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由3部分組成：

(1)符合人體安全要求的BL-420S生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(如圖1所示)。

圖1 BL-420S生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

(2)以IE瀏覽器為運(yùn)行基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的多媒體人體生理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，含12個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(如圖2所示)。

圖2 Webchart-400系統(tǒng)軟件主界面

(3)配套人體生理實(shí)驗(yàn)的豐富附件，含18種不同的實(shí)驗(yàn)附件(如圖3所示)。

圖3 Webchart-400系統(tǒng)配套18種人體生理實(shí)驗(yàn)附件2.Webchart-400人體生理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

WebChar-400人體生理學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能是將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)融合在一起，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)的歷史、簡(jiǎn)介、操作步驟、分析和報(bào)告等。實(shí)際上，WebChar-400的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)涵豐富，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了基本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，比如血壓實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了很多子項(xiàng)，包括在手指與心臟形成高度差的條件下血壓的變化等，同時(shí)提出問(wèn)題讓學(xué)生思考回答，開(kāi)拓了學(xué)生的思路，達(dá)到有效學(xué)習(xí)的目的。實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)則是該實(shí)驗(yàn)的信號(hào)采集、記錄、處理等傳統(tǒng)生物信號(hào)采集系統(tǒng)所完成的功能。

系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

(1)儀器配置高：采用已經(jīng)獲取醫(yī)療器械注冊(cè)證的BL-420S生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)。

(2)實(shí)驗(yàn)配件齊全：涵蓋了心電、腦電、呼吸、血壓、心音、肺功能等18種常用實(shí)驗(yàn)附件。

(3)實(shí)驗(yàn)?zāi)K豐富：包括人體心電圖描記、心音聽(tīng)診和心音圖描記、呼吸運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)因素、人體血壓測(cè)定、肺功能檢測(cè)、人體肌肉反應(yīng)、肌電圖、腦電圖、眼動(dòng)電、感覺(jué)實(shí)驗(yàn)、反射和反應(yīng)時(shí)間、泌尿?qū)嶒?yàn)等12個(gè)常見(jiàn)人體實(shí)驗(yàn)。

(4)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排合理：參照常用醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)模式，按背景知識(shí)、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)方法和觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)討論6個(gè)方面完整貫穿知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，減輕教師講解負(fù)擔(dān)(如圖4、圖5,圖6所示)。

(5)操作過(guò)程易用：分步多媒體教學(xué)，直觀明了，打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器即可操控實(shí)驗(yàn)步驟和儀器，完成實(shí)驗(yàn)(如圖5所示)。

(6)易于定制：教師可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做定制，比如實(shí)驗(yàn)報(bào)告思考題，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的講解步驟和文字內(nèi)容等。

The design and realize a data acquisition and analysis system for human physiological experiment based IE explore

Qinxiaoqun, Yang luhua, Hexiaofan
Central south university centre of medical functional experiment,Changsha，410013，China

This paper analysis current teaching and reform status of human physiology function experiment.It explain human physiological experiment is a tendency of medical functional experiment，then explain the design idea and principle of the human physiological experiment system. Last it introduces human physiological function experiment equipment based on browser.

human physiology function experiment；browser mode

圖4 Webchart-400系統(tǒng)的背景知識(shí)介紹

圖5 Webchart-400系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作界面(左邊做實(shí)驗(yàn)，右邊介紹實(shí)驗(yàn)步驟)

圖6 Webchart-400系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)后生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

2010-09-15

秦曉群，博士，教授，博士生導(dǎo)師, 醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任。