張大威，聞 宇，安 鋼，呂文偉，楊 煜*

(1.吉林大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,吉林 長春130021；2.吉林大學(xué)第二醫(yī)院,吉林 長春130041)

21世紀(jì)是醫(yī)學(xué)教育飛速發(fā)展的時(shí)代，隨著招生人數(shù)的逐年增加，實(shí)驗(yàn)儀器在教學(xué)中也暴露出許多問題，功能不完善，無針對性，價(jià)格昂貴限制醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展。機(jī)能中心順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，積極研制改良各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，而自制實(shí)驗(yàn)儀器以它的創(chuàng)新性、靈活性、開拓性、設(shè)計(jì)性和研究性等特點(diǎn)成為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的重要手段[1]，在教學(xué)中發(fā)揮極大的作用?，F(xiàn)對自制實(shí)驗(yàn)儀器在機(jī)能教學(xué)中的必要性、可行性進(jìn)行探討，同時(shí)闡述自制實(shí)驗(yàn)儀器的特點(diǎn)及在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用。

1 自制實(shí)驗(yàn)儀器研制的必要性、可行性

1.1機(jī)能中心現(xiàn)有RM-6000型多道生理記錄儀多臺(tái)，其特點(diǎn)為：只能使用記錄紙記錄并不能長期保存，只能在顯示器觀察指標(biāo)而不能分析[2]，嚴(yán)重制約實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。為此，我們利用集成電路、計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)在多道生理記錄儀基礎(chǔ)上開發(fā)了一種集生物信號顯示、處理、儲(chǔ)存及分析于一體的微機(jī)化儀器來用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在取消記錄紙的情況下，能夠連續(xù)記錄、存儲(chǔ)和回顯，并且能夠進(jìn)行分析和處理打印各種生理信號，廣泛用于藥理學(xué)、生理學(xué)、病理生理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1.2當(dāng)前心率變異性分析方法已經(jīng)成為數(shù)字信號處理領(lǐng)域及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域十分關(guān)注的問題，心率變異性(HRV)是反映機(jī)體自主神經(jīng)活動(dòng)的一個(gè)有重要臨床參考價(jià)值的指標(biāo)[3]。本研制根據(jù)動(dòng)物心電的特點(diǎn)來設(shè)置各種參數(shù)，自制實(shí)驗(yàn)動(dòng)物針頭式導(dǎo)聯(lián)，避免了人為因素對心電信號的干擾，完成對動(dòng)物短時(shí)程心電信號的心率變異性分析。在分析HRV的時(shí)域、頻域等線性、非線性中利用散點(diǎn)圖分析方法，來評估動(dòng)物在正常情況下及傾斜實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)指標(biāo)來評估其心率變異性。

1.3生理教學(xué)的神經(jīng)調(diào)節(jié)，反饋控制，刺激與反應(yīng)，動(dòng)作電位的產(chǎn)生和傳導(dǎo)都是比較抽象的理論內(nèi)容。即使有實(shí)驗(yàn)課的反射弧調(diào)節(jié)，也很難看到全過程。因此，使用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在人體骨骼基礎(chǔ)上安裝模擬的反射弧實(shí)體元器件，使人體骨骼支架變活，學(xué)生通過此仿真教學(xué)裝置來更好的學(xué)習(xí)和掌握神經(jīng)調(diào)節(jié)的理論。

1.4血?dú)夥治鰞x能夠測定動(dòng)、靜脈血氧分壓(PaO2)、CO2分壓(PaCO2)、血氧飽和度(SaO2)、pH、HCO3及各種離子濃度等參數(shù)，血?dú)夥治鲋凳桥R床疾病診斷和治療的基礎(chǔ)，因血?dú)馄容^昂貴，滿足不了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為此，我們利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)了一種血?dú)夥治鰞x仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用虛實(shí)結(jié)合方法來提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

1.5人體的生理快速活動(dòng)主要是依靠生物電傳導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的.而生物電是由人體內(nèi)帶電離子通過細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)(離子通道)的流動(dòng)而產(chǎn)生的--離子通道電流。專用測量離子通道電流的實(shí)驗(yàn)儀器非常昂貴，不能滿足本科學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。因此,我們用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境,開發(fā)離子通道電流仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。以達(dá)到在我們現(xiàn)有條件下進(jìn)行離子通道電流測量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

2 自制實(shí)驗(yàn)儀器的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 多道生理記錄儀數(shù)字化研制

整個(gè)儀器包括兩大部分即硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容：在硬件設(shè)計(jì)方面包括電平轉(zhuǎn)換電路、A/D采樣電路、中央控制電路、微機(jī)接口電路。在電平轉(zhuǎn)換電路中我們采用了OP07型放大器，具有高精度、低噪聲、高效率的特點(diǎn)。中央處理器我們選用MSP430單片機(jī)，在顯示電路中我們用SN74LS07型電平轉(zhuǎn)換器，同時(shí)選用了SYB1602型液晶顯示模塊，這樣我們就實(shí)現(xiàn)了原有的多道生理記錄儀模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

2.2 實(shí)驗(yàn)用動(dòng)物心率變異性分析系統(tǒng)

心率變異性分析作為一種無創(chuàng)性檢查自主神經(jīng)系統(tǒng)功能的方法，目前已經(jīng)被應(yīng)用于心血管系統(tǒng)疾病、糖尿病病情和愈后的評估以及麻醉深度的監(jiān)測[4]。然而在研究過程中，HRV頻譜分析中某些成分生理學(xué)意義尚未明確，HRV在探索疾病中自主神經(jīng)系統(tǒng)改變作用仍需進(jìn)一步的研究，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以WINDOWS系統(tǒng)操作為平臺(tái)，應(yīng)用C語言研制開發(fā)一種應(yīng)用于對動(dòng)物心電信號中包含的心率變異信息的實(shí)時(shí)提取及分析系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要包括心電信號實(shí)時(shí)的采集模塊、心電信號保存模塊、HRV時(shí)域分析模塊和頻域分析模塊。

2.3 血?dú)夥治龇抡鎸?shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本項(xiàng)目擬采用虛實(shí)結(jié)合方法，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測，開發(fā)血?dú)夥治鎏摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。整個(gè)系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分由中央控制電路，微機(jī)通信接30系列作為中心控制，軟件用C語言實(shí)現(xiàn)，各種硬件驅(qū)動(dòng)軟件包括輸入鍵盤電路驅(qū)動(dòng)，輸出顯示電路驅(qū)動(dòng)，微機(jī)通信電路驅(qū)動(dòng)等等。

2.4 神經(jīng)功能的機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置

項(xiàng)目主要研究內(nèi)容為人體骨骼口電路，輸入和輸出電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)械傳輸裝置。軟件系統(tǒng)分為MSP430監(jiān)控軟件(C語言編寫)和微機(jī)顯示分析處理軟件(VB語言編寫)。硬件驅(qū)動(dòng)軟件：整體采用低功耗單片機(jī)MSP4支架是不能運(yùn)動(dòng)的，但是在人體骨骼支架的基礎(chǔ)上安裝反射弧結(jié)構(gòu)后，它具有適宜刺激，換能作用，編碼作用等特性。

2.5 離子通道電流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本系統(tǒng)包含5個(gè)模塊：(1)封接實(shí)驗(yàn):細(xì)胞與測量電極的緊密接觸。(2)全細(xì)胞鉗實(shí)驗(yàn)：實(shí)時(shí)觀察全細(xì)胞離子通道在不同的鉗位電壓下的電流隨時(shí)間的變化曲線。(3)膜片鉗實(shí)驗(yàn)：實(shí)時(shí)觀察單個(gè)離子通道在特定鉗位電壓下的電流隨時(shí)間的變化曲線。(4)全細(xì)胞鉗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：從電壓-電流分析曲線推斷離子通道蛋白的電壓依賴特性。(5)膜片鉗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析:從單離子通道蛋白開放和關(guān)閉曲線，推斷離子通道蛋白的開關(guān)特性。該教學(xué)系統(tǒng)采用虛實(shí)結(jié)合方法，對于學(xué)生難以操作部分及難于測量部分采用虛擬技術(shù)，而其他部分采用實(shí)體部件，該系統(tǒng)采用Windows界面，易于操作，性能穩(wěn)定，目前已應(yīng)用于電生理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3 自制實(shí)驗(yàn)儀器在機(jī)能教學(xué)中的作用

計(jì)算機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，我們利用RM-6000型多道生理記錄儀抗干擾能力強(qiáng)，信號不失真，信噪比高，直流放大效果好的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)研制的數(shù)字化多道生理記錄儀使它重新?lián)Q發(fā)活力，在機(jī)能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮巨大作用。離子通道電流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制，有利于膜片鉗技術(shù)原理及全細(xì)胞離子通道記錄實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展，學(xué)生們通過離子通道電流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來學(xué)習(xí)離子通道蛋白的電生理特性及電生理理論，拓展學(xué)生實(shí)踐領(lǐng)域，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。使用神經(jīng)功能的機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置裝置教學(xué)，使抽象理論形象直觀?？蛇M(jìn)行多個(gè)生理學(xué)知識點(diǎn)講解，例如：運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的組成，神經(jīng)調(diào)節(jié)，反饋控制，刺激與反應(yīng)，動(dòng)作電位的產(chǎn)生和傳導(dǎo)，感受器電位，感受器能量轉(zhuǎn)換作用和編碼作用，中樞抑制及交互抑制等等。

4 結(jié)語

機(jī)能實(shí)驗(yàn)是醫(yī)學(xué)科學(xué)的重要組成部分，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的機(jī)能學(xué)對于許多科學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的研究及實(shí)驗(yàn)成果的確立都有極大的推動(dòng)作用[5]。機(jī)能學(xué)作為一門試驗(yàn)性科學(xué)要求學(xué)生除了要具備扎實(shí)的醫(yī)學(xué)理論知識還需要有良好的儀器設(shè)備作為輔助來完成實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)儀器的局限性和高價(jià)性，難以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目的。為此，機(jī)能中心開發(fā)了具有針對性、廉價(jià)性、簡單性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，來滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。通過各種手段來達(dá)到自制實(shí)驗(yàn)儀器的可行性，將老式機(jī)器經(jīng)過應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)及大規(guī)模集成電路，開發(fā)有利于現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的試驗(yàn)儀器，提高其使用率。開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)裝置，即滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，也對教師傳授醫(yī)學(xué)知識有很大幫助。自制實(shí)驗(yàn)儀器即能夠補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的不足，也能夠?qū)?shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目有針對性的補(bǔ)充，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高有明顯的助力作用，極大的促進(jìn)了機(jī)能中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。