徐燦華，楊 濱，李 磊，田 翔，葉健安，周怡敏，劉學(xué)超，付 峰

（空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032）

0 引言

生物醫(yī)學(xué)工程是一門綜合生物學(xué)、工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科知識來研究和解決醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題，保證人類生命健康的新興交叉學(xué)科，對于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到了非常大的促進(jìn)作用[1-2]。軍隊(duì)院校生物醫(yī)學(xué)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(yùn)行、維修維護(hù)、計量鑒定等工作，因此，醫(yī)學(xué)儀器實(shí)踐教學(xué)對于提高學(xué)生任職能力具有重要作用[3-4]。

醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用課程作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，理論教學(xué)環(huán)節(jié)主要以醫(yī)學(xué)儀器的基本原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計為主，實(shí)踐教學(xué)主要以操作使用和維修維護(hù)等為主，在軍事生物醫(yī)學(xué)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(xué)儀器課程實(shí)踐教學(xué)中大多采用醫(yī)院臨床使用的醫(yī)療設(shè)備實(shí)物進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)[6-7]，然而，臨床使用的醫(yī)學(xué)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(jìn)行模擬，制約了實(shí)踐內(nèi)容，影響了教學(xué)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(xué)儀器理論和實(shí)踐教學(xué)[8]，為學(xué)生提供仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，加深了學(xué)生對于儀器原理的認(rèn)識[9-11]。但是缺少實(shí)際動手操作的體驗(yàn)也使得虛擬教學(xué)發(fā)揮的作用同樣受限。

因此，為了進(jìn)一步提升醫(yī)學(xué)儀器課程的教學(xué)水平，加深學(xué)生對于醫(yī)學(xué)儀器原理、操作、維護(hù)等知識的理解，我系專門在大學(xué)四年級的第一學(xué)期設(shè)置了醫(yī)學(xué)儀器實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，共計一滿周時間。同時建設(shè)了基于監(jiān)護(hù)儀維修示教儀和超聲維修示教儀的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺可以開展監(jiān)護(hù)儀和醫(yī)用超聲的實(shí)操使用、信號測量和故障排除等實(shí)驗(yàn)，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(shí)踐進(jìn)行介紹，并對基于該平臺的教學(xué)改革及效果進(jìn)行分析。

1 醫(yī)學(xué)儀器實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)

實(shí)訓(xùn)平臺是開展專業(yè)實(shí)踐教學(xué)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(shí)踐平臺的基礎(chǔ)上，建設(shè)了醫(yī)學(xué)儀器實(shí)訓(xùn)平臺。實(shí)訓(xùn)平臺計劃建設(shè)生理參數(shù)檢測類儀器模塊、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)類儀器模塊、臨床治療類儀器模塊、光學(xué)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(hù)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(hù)儀和超聲，主要原因?yàn)椋海?）部隊(duì)配備廣，目前部隊(duì)基層醫(yī)院和衛(wèi)生隊(duì)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(shí)驗(yàn)耗材等成本也較低。因此，將監(jiān)護(hù)儀和超聲作為醫(yī)學(xué)儀器課程的首批建設(shè)設(shè)備，使學(xué)生通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)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(hù)儀和超聲維修示教儀不僅具有生理參數(shù)監(jiān)測、醫(yī)學(xué)成像等臨床常規(guī)功能，還具有全面展示監(jiān)護(hù)儀和超聲儀器的工作原理、電路結(jié)構(gòu)、電子器件的教學(xué)功能[13]。最重要的是，在儀器的電路中設(shè)置有許多測試點(diǎn)和故障點(diǎn)，可以模擬臨床常見故障，訓(xùn)練學(xué)生的故障分析和儀器維護(hù)能力[4]。通過學(xué)生的實(shí)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(xué)相結(jié)合，能夠使學(xué)生更直觀、全面、深入地掌握相關(guān)設(shè)備知識與維護(hù)技術(shù)，提高學(xué)生與儀器的互動性，激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力。維修示教儀教學(xué)功能如圖1 所示。

圖1 維修示教儀教學(xué)功能框圖

1.1 監(jiān)護(hù)儀維修示教儀

監(jiān)護(hù)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(dǎo)聯(lián)電極、導(dǎo)聯(lián)線等組成，內(nèi)部共有4 個單元，分別為心電監(jiān)護(hù)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(jìn)行不同的數(shù)據(jù)采集。通過設(shè)置不同的故障點(diǎn)，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(xué)生進(jìn)行常見故障的分析和處理。

圖2 監(jiān)護(hù)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(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)、單片機(jī)故障實(shí)驗(yàn)等，幫助學(xué)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(xué)儀器實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革探索

為進(jìn)一步提升醫(yī)學(xué)儀器課程教學(xué)質(zhì)量，配合醫(yī)學(xué)儀器實(shí)訓(xùn)平臺開展了系列教學(xué)改革探索。

2.1 調(diào)整教學(xué)組織方式

在原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)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(shí)踐性實(shí)驗(yàn)。將以往的每章理論課后單個知識點(diǎn)分別開展實(shí)驗(yàn)調(diào)整為講解全部章節(jié)后一整周的綜合實(shí)訓(xùn)，以給予學(xué)生更多的自由時間和挑戰(zhàn)。一周的實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，為學(xué)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(shí)踐新的想法，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

2.2 豐富教學(xué)內(nèi)容

（1）監(jiān)護(hù)儀維修示教儀基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)。

根據(jù)監(jiān)護(hù)儀維修示教儀內(nèi)的4 個監(jiān)測單元，將實(shí)驗(yàn)劃分為4 個部分，如圖4 所示。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容中包含了監(jiān)護(hù)儀的部分日常功能，首先，學(xué)習(xí)使用監(jiān)護(hù)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(shí)情景中可能發(fā)生的故障，訓(xùn)練學(xué)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(biāo)的測量，加深學(xué)生對于各項(xiàng)測量信號指標(biāo)的理解。

圖4 監(jiān)護(hù)儀維修示教儀實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

（2）超聲維修示教儀基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)。

超聲維修示教儀實(shí)訓(xùn)安排分為3 個部分（如圖5所示）：第一部分，讓學(xué)生對照超聲原理，認(rèn)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(xiàng)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(diǎn)位置進(jìn)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(jìn)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(shí)際設(shè)備運(yùn)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(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生故障分析和排除的能力，以此來檢驗(yàn)學(xué)生對超聲儀器的掌握程度。

圖5 超聲維修示教儀實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

（3）示教儀拓展實(shí)訓(xùn)。

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(dú)搭建相關(guān)模塊單元，完成信號的激勵和采集。對于單片機(jī)控制模塊，單獨(dú)搭建最小電路，撰寫單片機(jī)控制代碼，實(shí)現(xiàn)功能控制。通過以上途徑，進(jìn)一步提升學(xué)生的電路分析能力、電路設(shè)計能力和程序編程實(shí)現(xiàn)能力。

2.3 優(yōu)化教學(xué)方法

結(jié)合新的平臺支撐優(yōu)勢，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，廣泛采用案例式教學(xué)、問題驅(qū)動式教學(xué)等新型教學(xué)方法。以超聲維修示教儀案例式教學(xué)為例，教學(xué)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(xué)案例。（2）呈現(xiàn)案例：將所選案例以超聲維修示教儀實(shí)際狀態(tài)的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)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(diǎn)信號測量，根據(jù)結(jié)果引導(dǎo)學(xué)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(xué)生根據(jù)所學(xué)的知識和技能，對超聲設(shè)備進(jìn)行故障排除。在故障排除過程中，教師可以給予一定的指導(dǎo)和幫助，確保學(xué)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(xué)生進(jìn)行討論和總結(jié)，評價效果和學(xué)生的表現(xiàn)。并針對不足之處給予指導(dǎo)和建議，以便改進(jìn)。（6）拓展學(xué)習(xí)：可以根據(jù)實(shí)際情況，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)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(xué)生的知識面和視野。

2.4 改進(jìn)教學(xué)考核評價

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

3 教學(xué)效果分析

醫(yī)學(xué)儀器實(shí)訓(xùn)授課過程中，從學(xué)生實(shí)際需求出發(fā)，將理論知識的學(xué)習(xí)與監(jiān)護(hù)儀維修示教儀和超聲維修示教儀的實(shí)踐操作相結(jié)合，對于學(xué)生全面理解醫(yī)學(xué)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(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、安全意識和實(shí)際動手操作能力。

在實(shí)訓(xùn)過程當(dāng)中，學(xué)生反映基于監(jiān)護(hù)儀維修示教儀和超聲維修示教儀的實(shí)訓(xùn)課程能夠?qū)旧峡菰锏臄?shù)學(xué)公式、煩瑣的電路圖轉(zhuǎn)化為實(shí)際可以操作、觀察到的各項(xiàng)指標(biāo)以及超聲影像，這使得學(xué)生能夠更加全面地掌握老師所教授的內(nèi)容，幫助學(xué)生對于醫(yī)學(xué)儀器的基本原理有了最清晰的理解。學(xué)生可以自己動手對各項(xiàng)電路進(jìn)行復(fù)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(shí)訓(xùn)模式使得學(xué)生提高了數(shù)據(jù)分析能力和判斷能力，同時促進(jìn)了學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提升了學(xué)生自身的主動性。

4 結(jié)語

醫(yī)學(xué)儀器課程注重理論教學(xué)與實(shí)踐操作的結(jié)合，我系建立的基于示教儀的實(shí)訓(xùn)平臺使學(xué)生在實(shí)際操作中了解醫(yī)學(xué)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(xué)生的操作能動性和學(xué)習(xí)積極性，提高了學(xué)生解決問題的能力，打破了傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)儀器教學(xué)模式中學(xué)生操作少、設(shè)備損傷大、難以進(jìn)行故障分析和排除訓(xùn)練等問題，有效地促進(jìn)了學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)類儀器模塊、臨床治療類儀器模塊、光學(xué)檢查類儀器模塊等更多類別的醫(yī)學(xué)儀器示教儀，在教學(xué)內(nèi)容方面進(jìn)一步加入硬件系統(tǒng)的二次開發(fā)、算法軟件的二次改進(jìn)等創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以提高軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)生的科研思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力。