高級(jí)智能模擬人在生物醫(yī)學(xué)傳感器課程綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王建杰，魏 良，龔渝順，何 密，李永勤，陳碧華

（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，重慶 400038）

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(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)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(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的專(zhuān)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(shí)，特別是傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用[1]。在理論知識(shí)向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化過(guò)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(shí)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(zhuān)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(shū)在已經(jīng)搭建好的模塊化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上逐步操作即可完成實(shí)驗(yàn)。整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生只需要完成簡(jiǎn)單的連線(xiàn)、測(cè)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(kāi)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剑瑥?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(shí)，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(zhuān)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(zhuān)業(yè)人才。因此，作為在醫(yī)科院校開(kāi)設(shè)的生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，除要求學(xué)生掌握工程知識(shí)外，醫(yī)學(xué)知識(shí)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(duì)專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)的偏頗，使得學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)知識(shí)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(shí)全面培養(yǎng)的目標(biāo)，是生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)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(duì)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(duì)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(wèn)題。

模擬人已從最初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(lèi)，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(duì)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(kāi)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(chǎng)景，比如皮膚切開(kāi)等方面還有一定差距。此外，開(kāi)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(kāi)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(jí)智能模擬人系統(tǒng)（美國(guó)Gaumard/HAL?S3000，如圖1所示），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(kāi)實(shí)踐教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將傳感器理論知識(shí)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(jí)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(cè)量系統(tǒng)，展開(kāi)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。

圖1 美國(guó)Gaumard/HAL?S3000型高級(jí)智能模擬人系統(tǒng)

1 Gaumard/HAL?S3000型高級(jí)智能模擬人系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Gaumard/HAL?S3000型高級(jí)智能模擬人系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)通信方式，通過(guò)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(kāi)、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(wú)脈搏、胸痛發(fā)汗、呼吸急促伴隨心跳過(guò)快、胸悶氣短伴有心悸、心動(dòng)過(guò)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(wú)搏動(dòng)）；然后開(kāi)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(guò)程中可模擬氣道開(kāi)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，如圖1（b）所示。之后，上位機(jī)給出訓(xùn)練結(jié)果，并可進(jìn)行成績(jī)打印。

2 高級(jí)智能模擬人用于傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)

高級(jí)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(hào)，基于此，提供心電的產(chǎn)生與檢測(cè)、有創(chuàng)血壓（IBP）的監(jiān)測(cè)、心音的檢測(cè)與識(shí)別、呼氣末二氧化碳（EtCO2）的檢測(cè)、按壓深度的檢測(cè)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(hào)屬于微弱信號(hào)，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)也弱，需經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理后轉(zhuǎn)換為可用信號(hào)，使輸出信號(hào)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(hào)作為測(cè)量對(duì)象，合理選擇傳感器，自行設(shè)計(jì)電路，搭建傳感器測(cè)量系統(tǒng)，展開(kāi)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(cè)量系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后與模擬人的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較。通過(guò)計(jì)算測(cè)量誤差、線(xiàn)性度、靈敏度、頻率響應(yīng)等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)自行設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的性能。

2.1 心電的產(chǎn)生與檢測(cè)

選擇模擬人產(chǎn)生的心電標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?qū)?lián)信號(hào)作為輸入信號(hào)。心電測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：輸入信號(hào)經(jīng)以AD620芯片為主構(gòu)成的差分放大電路進(jìn)行一級(jí)放大，然后經(jīng)過(guò)二階高通（0.1 Hz）和二階低通（70 Hz）濾波電路濾波及雙T型50 Hz陷波器陷波，最后進(jìn)行二級(jí)放大，得到輸出信號(hào)。電路搭建完成后，采用1 mV定標(biāo)信號(hào)，調(diào)節(jié)電路放大倍數(shù)為1 000倍。采用設(shè)計(jì)好的心電測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)模擬人產(chǎn)生的心電信號(hào)進(jìn)行采集，并在示波器上顯示心電波形。測(cè)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。

2.2 IBP的監(jiān)測(cè)

IBP的監(jiān)測(cè)是采用插入導(dǎo)管測(cè)定動(dòng)脈血管內(nèi)的壓力變化的方法。IBP監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括充液導(dǎo)管系統(tǒng)和血壓測(cè)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(guò)穿刺將導(dǎo)管置于模擬血管內(nèi)，導(dǎo)管的外端通過(guò)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(hào)。血壓測(cè)量系統(tǒng)則將電橋輸出的微弱血壓電信號(hào)經(jīng)放大、濾波、50 Hz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(cè)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(cè)與識(shí)別

心音是心臟跳動(dòng)過(guò)程中對(duì)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(chēng)為心音圖。在檢測(cè)模擬人的心音時(shí)，PVDF壓電傳感器先將心音振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，心音測(cè)量系統(tǒng)則將該微弱電信號(hào)經(jīng)兩級(jí)前置放大器、帶通濾波器、50 Hz陷波器、電壓提升電路等處理后作為輸出信號(hào)送至示波器，在示波器上顯示心音波形并測(cè)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。

2.4 EtCO2的檢測(cè)

EtCO2的測(cè)定有紅外線(xiàn)法、質(zhì)譜儀法和比色法3種方法，目前最常用的是紅外線(xiàn)法。模擬人配備的CO2存儲(chǔ)罐允許模擬真實(shí)的EtCO2檢測(cè)。在對(duì)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(cè)量。選擇MH-Z19B紅外CO2監(jiān)測(cè)模塊[工作相對(duì)濕度：0～95%；測(cè)量范圍：0～5 000 ppm（1 ppm=1×10-6）；監(jiān)測(cè)精度：±30 ppm±3%讀數(shù)]作為傳感系統(tǒng)獲得微弱的電信號(hào)。EtCO2測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)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(duì)該微弱電信號(hào)進(jìn)行前置放大處理，然后經(jīng)過(guò)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?duì)自行設(shè)計(jì)的EtCO2測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)行標(biāo)定。該系統(tǒng)CO2體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)范圍為 0～99 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa），其誤差率不超過(guò)5%，呼吸頻率誤差不超過(guò)2次/min。

2.5 按壓深度的檢測(cè)

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(guò)程中，按壓實(shí)施人員通過(guò)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)心臟驟停患者，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(guò)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(hào)。之后，利用自行設(shè)計(jì)的按壓深度檢測(cè)系統(tǒng)將傳感器獲得的加速度信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次積分電路轉(zhuǎn)換為按壓深度信號(hào)，此信號(hào)再經(jīng)過(guò)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(cè)界面上，并用于后續(xù)的測(cè)量分析。在評(píng)價(jià)自行設(shè)計(jì)的按壓深度檢測(cè)系統(tǒng)的性能時(shí)，由于人在按壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生疲勞感等因素，無(wú)法保證每一次的按壓深度一致，因此選擇Thumper 1007型心肺復(fù)蘇按壓器（Michigan Instruments公司，美國(guó)）產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)。該按壓器可產(chǎn)生頻率為100次/min、深度為0～8 cm的按壓信號(hào)。此按壓信號(hào)經(jīng)自行設(shè)計(jì)的按壓深度檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)后，在上位機(jī)上顯示按壓波形，可測(cè)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(píng)價(jià)

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，展開(kāi)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(hào)，采用自行設(shè)計(jì)的傳感器測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并與模擬人的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)自行設(shè)計(jì)的測(cè)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(cè)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(guò)程中，學(xué)生普遍反映通過(guò)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(duì)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(shí)。此外，由于生物信號(hào)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(shí)，從而對(duì)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(wèn)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(shí)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(duì)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(guò)程中除了會(huì)提出傳感器方面的問(wèn)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(shí)，這些都對(duì)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(yǔ)

本文針對(duì)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(wèn)題，提出將高級(jí)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(jí)智能模擬人展開(kāi)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(shí)，同時(shí)對(duì)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(shí)及其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)學(xué)生的醫(yī)學(xué)背景知識(shí)提出一定的要求，加深了學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)知識(shí)的理解。綜上，基于高級(jí)智能模擬人開(kāi)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(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的需求。