基于自制實驗裝置特點 促進機能中心的發展

張大威，聞 宇，安 鋼，呂文偉，楊 煜*

(1.吉林大學基礎醫學院,吉林 長春130021；2.吉林大學第二醫院,吉林 長春130041)

21世紀是醫學教育飛速發展的時代，隨著招生人數的逐年增加，實驗儀器在教學中也暴露出許多問題，功能不完善，無針對性，價格昂貴限制醫學教育的發展。機能中心順應時代的發展，積極研制改良各種實驗教學儀器，而自制實驗儀器以它的創新性、靈活性、開拓性、設計性和研究性等特點成為提高實驗教學水平的重要手段[1]，在教學中發揮極大的作用。現對自制實驗儀器在機能教學中的必要性、可行性進行探討，同時闡述自制實驗儀器的特點及在醫學實驗教學中的作用。

1 自制實驗儀器研制的必要性、可行性

1.1機能中心現有RM-6000型多道生理記錄儀多臺，其特點為：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而不能分析[2]，嚴重制約實驗教學的發展。為此，我們利用集成電路、計算機硬件和軟件技術在多道生理記錄儀基礎上開發了一種集生物信號顯示、處理、儲存及分析于一體的微機化儀器來用于實驗教學。在取消記錄紙的情況下，能夠連續記錄、存儲和回顯，并且能夠進行分析和處理打印各種生理信號，廣泛用于藥理學、生理學、病理生理學實驗教學。

1.2當前心率變異性分析方法已經成為數字信號處理領域及醫學領域十分關注的問題，心率變異性(HRV)是反映機體自主神經活動的一個有重要臨床參考價值的指標[3]。本研制根據動物心電的特點來設置各種參數，自制實驗動物針頭式導聯，避免了人為因素對心電信號的干擾，完成對動物短時程心電信號的心率變異性分析。在分析HRV的時域、頻域等線性、非線性中利用散點圖分析方法，來評估動物在正常情況下及傾斜實驗過程中的各項指標來評估其心率變異性。

1.3生理教學的神經調節，反饋控制，刺激與反應，動作電位的產生和傳導都是比較抽象的理論內容。即使有實驗課的反射弧調節，也很難看到全過程。因此，使用計算機控制技術在人體骨骼基礎上安裝模擬的反射弧實體元器件，使人體骨骼支架變活，學生通過此仿真教學裝置來更好的學習和掌握神經調節的理論。

1.4血氣分析儀能夠測定動、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，血氣分析值是臨床疾病診斷和治療的基礎，因血氣片比較昂貴，滿足不了實驗教學，為此，我們利用計算機系統開發了一種血氣分析儀仿真實驗系統，利用虛實結合方法來提高實驗教學質量。

1.5人體的生理快速活動主要是依靠生物電傳導系統實現的.而生物電是由人體內帶電離子通過細胞膜上蛋白質(離子通道)的流動而產生的--離子通道電流。專用測量離子通道電流的實驗儀器非常昂貴，不能滿足本科學生在實驗室進行相關實驗。因此,我們用計算機仿真技術模擬實驗操作環境,開發離子通道電流仿真實驗教學設備。以達到在我們現有條件下進行離子通道電流測量的實驗教學目的。

2 自制實驗儀器的技術特點

2.1 多道生理記錄儀數字化研制

整個儀器包括兩大部分即硬件和軟件設計兩部分內容：在硬件設計方面包括電平轉換電路、A/D采樣電路、中央控制電路、微機接口電路。在電平轉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。中央處理器我們選用MSP430單片機，在顯示電路中我們用SN74LS07型電平轉換器，同時選用了SYB1602型液晶顯示模塊，這樣我們就實現了原有的多道生理記錄儀模擬信號轉化為數字信號。

2.2 實驗用動物心率變異性分析系統

心率變異性分析作為一種無創性檢查自主神經系統功能的方法，目前已經被應用于心血管系統疾病、糖尿病病情和愈后的評估以及麻醉深度的監測[4]。然而在研究過程中，HRV頻譜分析中某些成分生理學意義尚未明確，HRV在探索疾病中自主神經系統改變作用仍需進一步的研究，本實驗設計以WINDOWS系統操作為平臺，應用C語言研制開發一種應用于對動物心電信號中包含的心率變異信息的實時提取及分析系統。此系統主要包括心電信號實時的采集模塊、心電信號保存模塊、HRV時域分析模塊和頻域分析模塊。

2.3 血氣分析仿真實驗系統

本項目擬采用虛實結合方法，利用計算機仿真技術實現實驗結果檢測，開發血氣分析虛擬仿真實驗教學系統，并應用于實驗教學。整個系統分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分由中央控制電路，微機通信接30系列作為中心控制，軟件用C語言實現，各種硬件驅動軟件包括輸入鍵盤電路驅動，輸出顯示電路驅動，微機通信電路驅動等等。

2.4 神經功能的機器人仿真實驗教學裝置

項目主要研究內容為人體骨骼口電路，輸入和輸出電路，電機驅動電路和機械傳輸裝置。軟件系統分為MSP430監控軟件(C語言編寫)和微機顯示分析處理軟件(VB語言編寫)。硬件驅動軟件：整體采用低功耗單片機MSP4支架是不能運動的，但是在人體骨骼支架的基礎上安裝反射弧結構后，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驗系統

本系統包含5個模塊：(1)封接實驗:細胞與測量電極的緊密接觸。(2)全細胞鉗實驗：實時觀察全細胞離子通道在不同的鉗位電壓下的電流隨時間的變化曲線。(3)膜片鉗實驗：實時觀察單個離子通道在特定鉗位電壓下的電流隨時間的變化曲線。(4)全細胞鉗實驗數據分析：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)膜片鉗實驗數據分析:從單離子通道蛋白開放和關閉曲線，推斷離子通道蛋白的開關特性。該教學系統采用虛實結合方法，對于學生難以操作部分及難于測量部分采用虛擬技術，而其他部分采用實體部件，該系統采用Windows界面，易于操作，性能穩定，目前已應用于電生理實驗教學。

3 自制實驗儀器在機能教學中的作用

計算機技術已廣泛應用于實驗教學，我們利用RM-6000型多道生理記錄儀抗干擾能力強，信號不失真，信噪比高，直流放大效果好的優點，結合計算機技術研制的數字化多道生理記錄儀使它重新換發活力，在機能實驗教學中發揮巨大作用。離子通道電流虛擬仿真實驗系統的研制，有利于膜片鉗技術原理及全細胞離子通道記錄實驗項目的開展，學生們通過離子通道電流虛擬仿真實驗系統來學習離子通道蛋白的電生理特性及電生理理論，拓展學生實踐領域，豐富了實驗教學內容。使用神經功能的機器人仿真實驗教學裝置裝置教學，使抽象理論形象直觀。可進行多個生理學知識點講解，例如：運動系統的組成，神經調節，反饋控制，刺激與反應，動作電位的產生和傳導，感受器電位，感受器能量轉換作用和編碼作用，中樞抑制及交互抑制等等。

4 結語

機能實驗是醫學科學的重要組成部分，以實驗為基礎的機能學對于許多科學領域相關的研究及實驗成果的確立都有極大的推動作用[5]。機能學作為一門試驗性科學要求學生除了要具備扎實的醫學理論知識還需要有良好的儀器設備作為輔助來完成實驗。由于實驗儀器的局限性和高價性，難以達到培養學生自主學習的目的。為此，機能中心開發了具有針對性、廉價性、簡單性的實驗教學儀器，來滿足學生實驗教學的需求。通過各種手段來達到自制實驗儀器的可行性，將老式機器經過應用先進的計算機技術及大規模集成電路，開發有利于現代實驗教學要求的試驗儀器，提高其使用率。開發虛擬實驗裝置，即滿足學生實驗教學需要，提高了實驗教學效果，也對教師傳授醫學知識有很大幫助。自制實驗儀器即能夠補充實驗教學儀器的不足，也能夠對實驗教學項目有針對性的補充，對實驗教學質量的提高有明顯的助力作用，極大的促進了機能中心實驗教學的發展。