生物医学传感器综合实验教学研究

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摘要：目的：针对医科院校生物医学传感器课程实验教学中存在的问题，探索新的教学模式。方法：将高级智能模拟人用于生物医学传感器课程的实验教学，引导学生设计一系列与医学传感器相关的实验：合理选择传感器，自行设计电路，并构建测量系统。利用测量系统采集高级智能模拟人的心电、血压、心率、呼吸、按压深度等信号，通过与高级智能模拟人的标准信号进行比较来评价自行设计的测量系统的性能。结果：采用该教学模式教学效果得到明显提升，学生的学习热情和参与意识大大提高，更好地理解了传感器在医学中的应用，综合素质得到全面提高。结论：基于高级智能模拟人开展综合性、设计性实验有助于生物医学传感器课程的实验教学。

关键词：生物医学传感器；生物医学工程；综合实验教学；高级智能模拟人；教学模式

0引言

在生物医学领域，传感器担负着从原始的生物体（特别是人体）获取信息这一重要任务。作为生物医学工程专业的一门专业必修课，生物医学传感器课程有着重要的地位。生物医学传感器课程是一门实践性很强的专业课，单一地依靠理论课讲解，学生往往很难掌握传感器的相关知识，特别是传感器的医学应用[1]。在理论知识向实践的转化过程中，实验课担负着重要角色，因而在授课中占有较大比重。例如，我校生物医学传感器课程共设置70学时，其中实验课为30学时，占比达到了40%以上。因此，必须加强实验教学，才能将机械地传授理论知识转化为学生积极主动地探索实践，从而提高学生的动手能力与专业水平。

在传统的传感器实验教学中，主要由教师讲授传感器原理、实验步骤和注意事项等内容，学生只需要按实验指导书在已经搭建好的模块化的实验平台上逐步操作即可完成实验。整个过程中，学生只需要完成简单的连线、测量等操作，不利于激发学生的主动性与创新性。这种教学方式单一，学生兴趣不高，实践能力、思维能力和综合能力不能得到有效提升[2]。鉴于此，各高校开始探索创新的实验教学方式方法，比如PBL教学方法、分层次教学模式、探究式教学模式、能力导向教育模式等[3-5]。这些方式方法充分利用现有的信息化环境，改变了传统验证式的实验模式，强调以学生为中心，以教师为辅导，充分引导学生探索知识，是传感器课程教学改革创新的具体实践[6]。

高校生物医学工程专业的目标是培养医学和工程相结合的复合型专业人才。因此，作为在医科院校开设的生物医学工程专业，除要求学生掌握工程知识外，医学知识也必不可少。但是目前的教学重点偏向于工学课程，加上学生对专业认识的偏颇，使得学生对医学知识的学习不够重视[7]。如何将二者更好地融合，达到医、工知识全面培养的目标，是生物医学工程专业教学的基本要求。目前的医学传感器实验教学往往停留在对传感器的原理、性能等理论方面的理解与验证，偏向于工程实践，缺乏医学应用的介绍。特别是涉及到医学伦理道德，实验往往不可能以真人为实验对象。此时，采用模拟人进行教学就可以很好地解决这一问题。

的局部器官展示模型、单项治疗技能模拟练习器发展到智能模拟人，被广泛应用于急救、护理、麻醉、内科等领域的模拟实践与教学，以帮助实习生更好地掌握临床技能[8-9]。这些模拟人按功能可分为两大类，即普通模拟人和智能模拟人。普通模拟人基于模拟人本身，其体型按照真人平均尺寸设计，采用仿真皮肤，内部构造能够模拟组织、血管、器官，且接近真人水平，主要用于解剖结构的展示以及单项救治技能的练习。智能模拟人则是基于上位机软件系统对模拟人进行控制，可模拟人体真实的生理、病理特征，再现一些临床特定的疾病模型。此外，模拟人具有重复性高、风险低、操作自由等特点，这些都保证了其能够更好地应用于临床实践教学。但是就目前而言，模拟人尚存在一定的不足。比如，智能模拟人价格昂贵，不利于广泛普及，多用于在医院开展临床教学实践。另外，模拟人的材料即使使用仿真材料也不能够与人体真实组织完全一致，特别是其力学特性，因而在模拟一些真实的场景，比如皮肤切开等方面还有一定差距。此外，开展模拟教学往往需要教师投入更多的精力[8-10]。因此，目前利用模拟人在高校内广泛开展教学还受到一定限制。

本教研室搭建了急救复苏装备实训实验室，配置有一套高级智能模拟人系统（美国Gaumard/HAL誖S3000），以及周边复苏抢救设备，如监护仪、呼吸机、除颤仪等，形成一套完整的急救模拟系统。如何充分利用该模拟人系统展开实践教学，引导学生将传感器理论知识与医学实际应用相结合，进一步提高教学效果，正是我校积极探索的目标。本文探讨将高级智能模拟人用于生物医学传感器课程的实验教学，引导学生自行搭建传感器测量系统，展开综合性设计实验，以帮助学生更好地理解传感器在医学中的应用。

1Gaumard/HAL誖S3000型高级智能模拟人系统简介

Gaumard/HAL誖S3000型高级智能模拟人系统采用无线通信方式，通过上位机控制与显示软件指导训练实施与控制训练效果。该模拟人功能完善，具有模拟气道打开、胸外按压、人工通气、静脉给药、止血、包扎等多种功能，可供一人或多人共同操作。配套的软件系统内置10例急救相关的病例，包括窒息无脉搏、胸痛发汗、呼吸急促伴随心跳过快、胸闷气短伴有心悸、心动过缓等不同情形。进行复苏模拟训练时，首先在上位机选择一病例，然后检查模拟人初始生命体征状态（瞳孔散大，颈动脉无搏动）；然后开始按压，模拟人颈动脉被动搏动，搏动频率与按压频率一致，在此过程中可模拟气道开放、药物注射、除颤治疗等训练内容；当抢救成功后，模拟人心脏恢复节律跳动，颈动脉可触及到自主搏动，瞳孔恢复正常，上位机显示正常心电、血压、呼吸等波形。

2高级智能模拟人用于传感器实验教学

高级智能模拟人可以同时模拟心电、血压、心音、呼吸、按压深度等信号，基于此，提供心电的产生与检测、有创血压（IBP）的监测、心音的检测与识别、呼气末二氧化碳（EtCO2）的检测、按压深度的检测等实验供学生选择。由于心电、血压、心音、呼吸等生理信号属于微弱信号，经传感器转换后的电信号也弱，需经过传感器测量系统对信号进行放大、滤波等处理后转换为可用信号，使输出信号便于显示和记录。教学中，引导学生以3~5人为一组，以这些信号作为测量对象，合理选择传感器，自行设计电路，搭建传感器测量系统，展开综合性设计实验。学生利用自行设计的传感器测量系统对这些信号进行数据采集，然后与模拟人的标准信号进行比较。通过计算测量误差、线性度、灵敏度、频率响应等指标来评价自行设计的测量系统的性能。

2.1心电的产生与检测

选择模拟人产生的心电标准Ⅱ导联信号作为输入信号。心电测量系统的设计方案：输入信号经以AD620芯片为主构成的差分放大电路进行一级放大，然后经过二阶高通（0.1Hz）和二阶低通（70Hz）滤波电路滤波及双T型50Hz陷波器陷波，最后进行二级放大，得到输出信号。电路搭建完成后，采用1mV定标信号，调节电路放大倍数为1000倍。采用设计好的心电测量系统，对模拟人产生的心电信号进行采集，并在示波器上显示心电波形。测量各项指标（包括心率、R波幅值、RR间期等），然后与模拟人给出的标准值进行比较。

2.2IBP的监测

IBP的监测是采用插入导管测定动脉血管内的压力变化的方法。IBP监测系统包括充液导管系统和血压测量系统2个组件，充液导管系统包含动脉导管和血压传感器。此实验中模拟人提供模拟桡动脉供穿刺用。实验时，首先通过穿刺将导管置于模拟血管内，导管的外端通过医用三通阀与血压传感器连接。选择一次性医用压力传感器作为血压传感器，其核心是采用集成制造技术在硅膜片上扩散出4个电阻构成平衡电桥。当硅膜片感受到血压的变化后产生形变，从而引起电阻阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压信号。血压测量系统则将电桥输出的微弱血压电信号经放大、滤波、50Hz陷波等处理后输出至示波器，并在示波器上显示血压波形，用于测量各项指标，包括脉率、PP间期、收缩压、舒张压和平均压等。

2.3心音的检测与识别

心音是心脏跳动过程中对胸壁的冲击振动。用聚偏氟乙烯（PVDF）压电传感器等仪器可记录心音的机械振动，称为心音图。在检测模拟人的心音时，PVDF压电传感器先将心音振动信号转换为微弱电信号，心音测量系统则将该微弱电信号经两级前置放大器、带通滤波器、50Hz陷波器、电压提升电路等处理后作为输出信号送至示波器，在示波器上显示心音波形并测量各项指标（包括心率、幅值、舒张期和收缩期时限等），然后与模拟人的心音标准值进行比较。

2.4EtCO2的检测

EtCO2的测定有红外线法、质谱仪法和比色法3种方法，目前最常用的是红外线法。模拟人配备的CO2存储罐允许模拟真实的EtCO2检测。在对模拟人完成气管插管后，利用旁流装置引出部分呼出气体进行EtCO2的测量。选择MH-Z19B红外CO2监测模块[工作相对湿度：0～95％；测量范围：0～5000ppm（1ppm=1×10-6）；监测精度：±30ppm±3％读数]作为传感系统获得微弱的电信号。EtCO2测量系统的设计方案：输入信号先经过电压跟随器实现阻抗匹配，之后选择合适的运算放大器并搭建放大电路，对该微弱电信号进行前置放大处理，然后经过滤波、二次放大、AD转换后在上位机软件显示CO2波形。最后，用多种CO2体积分数的标准混合气体（CO2体积分数为1%~20%，平衡气体为氮气）对自行设计的EtCO2测量系统的检测准确性进行标定。该系统CO2体积分数检测范围为0~99mmHg（1mmHg=133.322Pa），其误差率不超过5%，呼吸频率误差不超过2次/min。

2.5按压深度的检测

按压深度与心肺复苏质量密切相关。在心肺复苏过程中，按压实施人员通过心肺复苏实时反馈系统不断调整自己的按压力度及速度，可确保实施高质量的心肺复苏。在实验中，以模拟人充当心脏骤停患者，学生充当施救者，选用ZOLL公司的按压加速度传感器充当按压反馈系统。在模拟心肺复苏过程中，该传感器位于施救者手部和模拟人的胸骨下部之间，随着胸外按压的进行，获取运动加速度的信号。之后，利用自行设计的按压深度检测系统将传感器获得的加速度信号经过两次积分电路转换为按压深度信号，此信号再经过AD转换电路处理后送至上位机。然后上位机软件将收到的按压深度数据动态实时地显示在监测界面上，并用于后续的测量分析。在评价自行设计的按压深度检测系统的性能时，由于人在按压过程中会产生疲劳感等因素，无法保证每一次的按压深度一致，因此选择Thumper1007型心肺复苏按压器（MichiganInstruments公司，美国）产生标准输入信号。该按压器可产生频率为100次/min、深度为0～8cm的按压信号。此按压信号经自行设计的按压深度检测系统检测后，在上位机上显示按压波形，可测量按压频率、按压深度、按压偏移量等指标。

3教学效果评价

根据设计的实验，展开本科生的传感器实验教学尝试。学生利用模拟人产生的模拟信号，采用自行设计的传感器测量系统对信号进行检测，并与模拟人的信号标准值进行比较，评价自行设计的测量系统的性能。在确保设备和人员安全的前提下，学生可在模拟人身上大胆尝试，重复测量。这种全新的教学模式提高了学生参与实验的积极性。

教学过程中，学生普遍反映通过这种设计性实验，不仅掌握了传感器的原理，而且对传感器的使用及其在医学中的应用有了深刻的认识。此外，由于生物信号微弱，需要放大、滤波等电路进行处理，这就需要学生动用前期所学的电路知识，从而对电路原理与设计有了进一步理解。而焊接电路板等实践操作提高了学生的动手能力和实践水平。作为小组实验，学生之间需要明确任务分工，协作完成，培养了团队合作精神。学生在整个实践活动中充分发挥主观能动性，自主地完成一项完整的实验设计，带着问题有目标地实验，既培养和锻炼了动手能力、逻辑思维和创新意识等，也加强了医学实践水平，自身综合素质得到增强。实践表明，这样的教学尝试对学生后期的毕业设计选题也具有很好的指导意义。

在综合性实验教学的探索中，教师也受益颇多。学生在实验过程中除了会提出传感器方面的问题，还会涉及到电路原理、设计与调试以及相关的医学知识，这些都对教师提出更高要求，促使教师的自身素质得到加强。

4结语

本文针对传统的医学传感器课程实验教学中存在的医工结合不紧密的问题，提出将高级智能模拟人用于生物医学传感器课程的实验教学。实践结果表明，基于高级智能模拟人展开综合性实验教学大大地激发了学生的学习热情和参与意识，同时对学生后期的毕业设计选题具有很好的指导意义。这样的教学实践不仅使学生掌握了生物医学传感器的基本知识及其在医学中的应用，同时对学生的医学背景知识提出一定的要求，加深了学生对医学知识的理解。综上，基于高级智能模拟人开展综合性设计实验有助于生物医学传感器课程的实验教学，符合生物医学工程专业人才培养的需求。

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作者：王建杰 魏良 龚渝顺 何密 李永勤 陈碧华 单位：陆军军医大学生物医学工程与影像医学系医学仪器与计量学教研室