軍隊院校生物醫(yī)學工程專業(yè)醫(yī)學儀器實訓平臺建設(shè)與教學探索

徐燦華，楊 濱，李 磊，田 翔，葉健安，周怡敏，劉學超，付 峰

（空軍軍醫(yī)大學軍事生物醫(yī)學工程學系，西安 710032）

0 引言

生物醫(yī)學工程是一門綜合生物學、工程學、醫(yī)學、計算機科學等多學科知識來研究和解決醫(yī)學中的有關(guān)問題，保證人類生命健康的新興交叉學科，對于現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展起到了非常大的促進作用[1-2]。軍隊院校生物醫(yī)學工程專業(yè)一方面要培養(yǎng)適應(yīng)未來信息化、智能化軍事斗爭條件下衛(wèi)生器材裝備研發(fā)的高端人才，另一方面也要求培養(yǎng)的人才能夠完成衛(wèi)生器材裝備安裝調(diào)試、操作運行、維修維護、計量鑒定等工作，因此，醫(yī)學儀器實踐教學對于提高學生任職能力具有重要作用[3-4]。

醫(yī)學儀器原理與應(yīng)用課程作為生物醫(yī)學工程專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，理論教學環(huán)節(jié)主要以醫(yī)學儀器的基本原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計為主，實踐教學主要以操作使用和維修維護等為主，在軍事生物醫(yī)學工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中具有重要作用[5]。在以往的醫(yī)學儀器課程實踐教學中大多采用醫(yī)院臨床使用的醫(yī)療設(shè)備實物進行實踐教學[6-7]，然而，臨床使用的醫(yī)學儀器通常價格昂貴、容易損耗，且難以了解內(nèi)部電路原理結(jié)構(gòu)，對于一些儀器故障也無法進行模擬，制約了實踐內(nèi)容，影響了教學質(zhì)量。為了解決上述難題，部分高校將虛擬儀器技術(shù)用于醫(yī)學儀器理論和實踐教學[8]，為學生提供仿真的虛擬實驗環(huán)境，加深了學生對于儀器原理的認識[9-11]。但是缺少實際動手操作的體驗也使得虛擬教學發(fā)揮的作用同樣受限。

因此，為了進一步提升醫(yī)學儀器課程的教學水平，加深學生對于醫(yī)學儀器原理、操作、維護等知識的理解，我系專門在大學四年級的第一學期設(shè)置了醫(yī)學儀器實訓環(huán)節(jié)，共計一滿周時間。同時建設(shè)了基于監(jiān)護儀維修示教儀和超聲維修示教儀的實訓實驗平臺，該平臺可以開展監(jiān)護儀和醫(yī)用超聲的實操使用、信號測量和故障排除等實驗，在課程建設(shè)、人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。以下對該平臺的建設(shè)實踐進行介紹，并對基于該平臺的教學改革及效果進行分析。

1 醫(yī)學儀器實訓平臺建設(shè)

實訓平臺是開展專業(yè)實踐教學的基礎(chǔ)保障[12]，我系在前期基于LabVIEW 的虛擬儀器平臺、臨床設(shè)備綜合實踐平臺的基礎(chǔ)上，建設(shè)了醫(yī)學儀器實訓平臺。實訓平臺計劃建設(shè)生理參數(shù)檢測類儀器模塊、醫(yī)學檢驗類儀器模塊、臨床治療類儀器模塊、光學檢查類儀器模塊、影像類儀器模塊。目前已完成一期平臺建設(shè)，主要包括監(jiān)護儀維修示教儀、超聲維修示教儀、人體生理信號發(fā)生器、超聲體模、示波器等。

一期平臺建設(shè)首先選擇監(jiān)護儀和超聲，主要原因為：（1）部隊配備廣，目前部隊基層醫(yī)院和衛(wèi)生隊均配有相關(guān)設(shè)備；（2）功能使用率高，心電、血壓、血氧等生理參數(shù)監(jiān)測和超聲影像檢查不僅可以應(yīng)用在傷員救治中，在日常的健康檢查中也被頻繁使用；（3）課程內(nèi)容涵蓋性好，可以涵蓋傳感器、電路、信號處理、圖像處理等多門課程內(nèi)容；（4）建設(shè)成本低，不僅采購成本低，相關(guān)實驗耗材等成本也較低。因此，將監(jiān)護儀和超聲作為醫(yī)學儀器課程的首批建設(shè)設(shè)備，使學生通過理論與實踐相結(jié)合的教學模式來全面理解和深度掌握相關(guān)技能。

平臺建設(shè)的監(jiān)護儀和超聲維修示教儀不僅具有生理參數(shù)監(jiān)測、醫(yī)學成像等臨床常規(guī)功能，還具有全面展示監(jiān)護儀和超聲儀器的工作原理、電路結(jié)構(gòu)、電子器件的教學功能[13]。最重要的是，在儀器的電路中設(shè)置有許多測試點和故障點，可以模擬臨床常見故障，訓練學生的故障分析和儀器維護能力[4]。通過學生的實際操作，將臨床應(yīng)用與電路原理、信號處理原理、圖像處理原理等教學相結(jié)合，能夠使學生更直觀、全面、深入地掌握相關(guān)設(shè)備知識與維護技術(shù)，提高學生與儀器的互動性，激發(fā)學生參與實驗的積極性，培養(yǎng)學生的實際動手能力。維修示教儀教學功能如圖1 所示。

圖1 維修示教儀教學功能框圖

1.1 監(jiān)護儀維修示教儀

監(jiān)護儀維修示教儀主體如圖2 所示，主要由傳感器接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊、參數(shù)顯示模塊、報警系統(tǒng)模塊、導聯(lián)電極、導聯(lián)線等組成，內(nèi)部共有4 個單元，分別為心電監(jiān)護單元、呼吸體溫單元、血氧飽和度單元、無創(chuàng)血壓單元，通過連接不同的傳感器可進行不同的數(shù)據(jù)采集。通過設(shè)置不同的故障點，可模擬傳感器脫落、放大器故障、控制故障、顯示故障等多種故障和錯誤狀態(tài)，幫助學生進行常見故障的分析和處理。

圖2 監(jiān)護儀維修示教儀

1.2 超聲維修示教儀

超聲維修示教儀主體如圖3 所示，主要由電源模塊、激勵模塊、采集模塊、成像模塊、調(diào)節(jié)時間增益補償（time gain compensate，TGC）控制模塊、超聲探頭和超聲鍵盤等組成。該設(shè)備具有雙探頭插座，支持凸陣和線陣等最多8 種探頭，能夠進行2～9 MHz的變頻；掃查深度調(diào)節(jié)范圍為40～307 mm；具有常規(guī)測量功能，如產(chǎn)科測量、婦科測量、泌尿測量、甲狀腺測量、腎臟測量；超聲鍵盤可切換不同成像模式、TGC以及測量距離和面積等。該設(shè)備通過人工干預(yù)能夠進行信號采集和故障測試，如關(guān)鍵信號測量、內(nèi)部數(shù)字信號處理、TGC 電路故障實驗、單片機故障實驗等，幫助學生全面了解超聲信號和影像之間的關(guān)系，同時提高超聲儀器故障分析和處理能力。

圖3 超聲維修示教儀

2 醫(yī)學儀器實訓教學改革探索

為進一步提升醫(yī)學儀器課程教學質(zhì)量，配合醫(yī)學儀器實訓平臺開展了系列教學改革探索。

2.1 調(diào)整教學組織方式

在原有驗證性實驗、設(shè)計性實驗、創(chuàng)新性實驗的基礎(chǔ)上[4，14]，增加故障分析和排除這一類以滿足崗位任職需要為目的的實踐性實驗。將以往的每章理論課后單個知識點分別開展實驗調(diào)整為講解全部章節(jié)后一整周的綜合實訓，以給予學生更多的自由時間和挑戰(zhàn)。一周的實驗可以激發(fā)學生的學習興趣和主動性，為學生提供更多的創(chuàng)新空間，在更寬泛的領(lǐng)域內(nèi)探索和實踐新的想法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力。

2.2 豐富教學內(nèi)容

（1）監(jiān)護儀維修示教儀基礎(chǔ)實訓。

根據(jù)監(jiān)護儀維修示教儀內(nèi)的4 個監(jiān)測單元，將實驗劃分為4 個部分，如圖4 所示。實訓內(nèi)容中包含了監(jiān)護儀的部分日常功能，首先，學習使用監(jiān)護儀監(jiān)測患者的心電、呼吸、體溫、血氧飽和度以及血壓變化。然后，模擬真實情景中可能發(fā)生的故障，訓練學生應(yīng)對設(shè)備故障的綜合分析能力和緊急情況的處理能力。最后，利用人體生理信號發(fā)生器模擬各類狀況并開展相關(guān)信號指標的測量，加深學生對于各項測量信號指標的理解。

圖4 監(jiān)護儀維修示教儀實訓內(nèi)容

（2）超聲維修示教儀基礎(chǔ)實訓。

超聲維修示教儀實訓安排分為3 個部分（如圖5所示）：第一部分，讓學生對照超聲原理，認識并熟悉超聲儀器的基本模塊，了解示教儀內(nèi)的電路連接，掌握超聲儀器的基本操作、注意事項和參數(shù)調(diào)節(jié)等；第二部分，對示教儀內(nèi)部各模塊關(guān)鍵節(jié)點位置進行信號測量，明確脈沖信號、高壓發(fā)射信號、超聲掃描同步信號等信號的形態(tài)與相互關(guān)系，隨后對現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）內(nèi)部信號進行數(shù)字信號處理和圖像處理，測試動態(tài)濾波、對數(shù)壓縮等之后的輸出信號質(zhì)量；第三部分，模擬實際設(shè)備運行中可能出現(xiàn)的各種故障和異常情況，如探頭陣元故障、TGC 電路故障等實驗，培養(yǎng)學生故障分析和排除的能力，以此來檢驗學生對超聲儀器的掌握程度。

圖5 超聲維修示教儀實訓內(nèi)容

（3）示教儀拓展實訓。

根據(jù)示教儀原理圖，查閱相關(guān)芯片的技術(shù)資料，脫離示教儀，單獨搭建相關(guān)模塊單元，完成信號的激勵和采集。對于單片機控制模塊，單獨搭建最小電路，撰寫單片機控制代碼，實現(xiàn)功能控制。通過以上途徑，進一步提升學生的電路分析能力、電路設(shè)計能力和程序編程實現(xiàn)能力。

2.3 優(yōu)化教學方法

結(jié)合新的平臺支撐優(yōu)勢，在實踐教學環(huán)節(jié)，廣泛采用案例式教學、問題驅(qū)動式教學等新型教學方法。以超聲維修示教儀案例式教學為例，教學過程中主要包括如下環(huán)節(jié)：（1）選擇案例：選擇典型的超聲設(shè)備故障案例，如圖像不清晰等問題作為教學案例。（2）呈現(xiàn)案例：將所選案例以超聲維修示教儀實際狀態(tài)的形式呈現(xiàn)給學生，讓學生了解超聲設(shè)備故障的具體表現(xiàn)。（3）分析案例：開展關(guān)鍵節(jié)點信號測量，根據(jù)結(jié)果引導學生分析故障產(chǎn)生的原因，討論可能的解決方案，并制訂相應(yīng)的故障排除計劃。（4）故障排除：使學生根據(jù)所學的知識和技能，對超聲設(shè)備進行故障排除。在故障排除過程中，教師可以給予一定的指導和幫助，確保學生的操作規(guī)范和安全。（5）總結(jié)反饋：故障排除完成后，組織學生進行討論和總結(jié)，評價效果和學生的表現(xiàn)。并針對不足之處給予指導和建議，以便改進。（6）拓展學習：可以根據(jù)實際情況，引導學生進一步學習和了解超聲設(shè)備的原理和最新技術(shù)發(fā)展趨勢，拓寬學生的知識面和視野。

2.4 改進教學考核評價

為了提高教學考核評價的科學性，提出多元化考核評價方法。將傳統(tǒng)的單一通過實驗報告考核評價的方式改革為理論知識、實踐操作、案例分析能力、故障排除能力、實驗報告撰寫5 個維度的考核評價指標。多元化的考核評價方式可以從多個角度全面了解學生的學習情況和綜合能力，為提高教學質(zhì)量提供有力支持。

3 教學效果分析

醫(yī)學儀器實訓授課過程中，從學生實際需求出發(fā)，將理論知識的學習與監(jiān)護儀維修示教儀和超聲維修示教儀的實踐操作相結(jié)合，對于學生全面理解醫(yī)學儀器原理以及應(yīng)用知識具有重要的作用，同時能夠提高學生的專業(yè)素養(yǎng)、安全意識和實際動手操作能力。

在實訓過程當中，學生反映基于監(jiān)護儀維修示教儀和超聲維修示教儀的實訓課程能夠?qū)旧峡菰锏臄?shù)學公式、煩瑣的電路圖轉(zhuǎn)化為實際可以操作、觀察到的各項指標以及超聲影像，這使得學生能夠更加全面地掌握老師所教授的內(nèi)容，幫助學生對于醫(yī)學儀器的基本原理有了最清晰的理解。學生可以自己動手對各項電路進行復現(xiàn)與修改以及故障分析和排除，能夠加深理解各部分電路在設(shè)備中的作用，理解各部分參數(shù)的含義?；谑窘虄x的實訓模式使得學生提高了數(shù)據(jù)分析能力和判斷能力，同時促進了學生之間的團隊協(xié)作能力，提升了學生自身的主動性。

4 結(jié)語

醫(yī)學儀器課程注重理論教學與實踐操作的結(jié)合，我系建立的基于示教儀的實訓平臺使學生在實際操作中了解醫(yī)學儀器的基本原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和操作流程，掌握設(shè)備故障分析和排除方法，大大地提高了學生的操作能動性和學習積極性，提高了學生解決問題的能力，打破了傳統(tǒng)的醫(yī)學儀器教學模式中學生操作少、設(shè)備損傷大、難以進行故障分析和排除訓練等問題，有效地促進了學生實踐能力的培養(yǎng)。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上進一步引入醫(yī)學檢驗類儀器模塊、臨床治療類儀器模塊、光學檢查類儀器模塊等更多類別的醫(yī)學儀器示教儀，在教學內(nèi)容方面進一步加入硬件系統(tǒng)的二次開發(fā)、算法軟件的二次改進等創(chuàng)新性實驗內(nèi)容，以提高軍事生物醫(yī)學工程學生的科研思維和創(chuàng)新實踐能力。