细胞生物学实验室实时交互式转播系统的组建与应用

俞索静

(浙江中医药大学骨伤研究所,浙江 杭州 310053)

细胞生物学实验室实时交互式转播系统的组建与应用

俞索静

(浙江中医药大学骨伤研究所,浙江 杭州 310053)

针对细胞生物学实验要求在无菌层流室内进行,且对室内人员流动有严格限制以及在学习示教、技术培训、学术交流等方面教学的需要,提出并组建了在细胞生物学实验室与多媒体会议室之间,设计一套实时交互式转播系统,以实现两室间室内视频监控、显微镜下成像、实验操作步骤、技术指导过程,以及对话问答等的互动式转播系统方案。

细胞生物学实验室;实时交互式转播系统;实验教学

细胞生物学实验室中有许多实验技术对操作环境有特殊要求。我们研究所目前开展的细胞生物学相关实验研究技术包括各种活细胞的显微观察技术、显微操作技术、细胞培养技术、电穿电融技术、显微电影技术、活细胞成像技术等。这些实验技术通常都在无菌层流室内进行,不仅对层流室的设计有一定的规范,而且对进入实验室人员的穿戴及人员流动也有严格的要求和限制。因此,无法进入现场进行示教观摩,同时也难以开展现场技术培训与学术交流等活动。近年来,多媒体交互式视频教学方法在医学实验教学中运用相当广泛,它改变了传统的教学方式,使教学水平与效果得到极大提高[1-8]。为此,我们利用多媒体会议室设计组建了一套与细胞生物学实验室相连的实时交互式转播系统,经实际使用效果良好,现介绍如下:

1 实时交互式转播系统的原理与组成

1.1 工作原理

细胞生物学实验室与多媒体会议室之间的连接包括视频系统与音频系统两个部分。整个研究所各实验室为了便于管理,在基建时已经安装了 16路网络硬盘录像监控系统(新型 D 1画质),在研究所内网可以经无线或有线网络实时调用。

1.1.1 视频系统 视频系统包括细胞生物学实验室显微镜成像的实时视频转播、实验与仪器操作实况的视频转播、通过无线或有线网络获取的细胞生物学实验室与多媒体会议室各两路监控视频三个部分。

●细胞生物学实验室显微镜成像实时视频转播

细胞生物学实验室向多媒体会议室的显微镜成像转播,由O lympusDP72数码成像系统,以及 Retiga 4000R数码相机和 Rolera-MGi EMCCD数码相机,通过 InV ivo、IPP、QCap ture等软件成像,经计算机VGA端口输出到各自的VGA放大分配器,每个VGA放大分配器输出两路VGA信号,1路输出到显示器,另 1路输出到VGA切换器,经VGA切换器将欲显示的VGA信号用电缆传送到投影仪,如图 1所示。

图 1 细胞生物实验室显微镜成像视频转播框图

●细胞生物学实验室实验与仪器操作实况的视频转播

细胞生物学实验室向多媒体会议室传输的操作实况,用DV摄像机通过复合视频端子 (V ideo)或 S端子(S-V ideo),将视频信号由细胞生物学实验室传送到多媒体会议室的大屏幕液晶电视机,如图2所示。

图 2 细胞生物实验室操作实况视频转播流程图

●细胞生物学实验室与多媒体会议室室内视频监控

用笔记本电脑,经无线或有线网络获取 16路网络硬盘录像监控系统中细胞生物学实验室与多媒体会议室的 4路监控视频,对两室进行实时视频观察与监控,如图 3所示。

图 3 细胞生物实验室与多媒体会议室视频监控示意图

1.1.2 音频系统 细胞生物学实验室的声音通过领夹式无线话筒经接收机将话筒信号输出到多媒体会议室功放的音频信号输入端,经功率放大后输出到会议室音箱,同时功放的音频输出信号通过音频线连接到细胞生物学实验室的有源音箱。多媒体会议室讲话通过手持式无线话筒经接收机将话筒信号输送到功放,经功率放大后输出到会议室音箱,同时经功放音频输出接口将音频信号送往细胞生物学实验室的有源音箱,如图 4所示。

图 4 音频对讲系统原理示意图

1.2 硬件组成

1.2.1 多媒体会议室 投影仪,120吋投影屏幕,视频展台,大屏幕液晶电视机,音频功率放大器,音响系统,手持式无线话筒,无线话筒接收机,笔记本电脑,台式计算机,VGA放大分配器,VGA切换器,监控摄像头等。

1.2.2 细胞生物学实验室 O lympus IX81全自动倒置显微镜,O lympus IX71倒置显微镜,明场、暗场、相差、浮雕、微分干涉相差组件,转盘共聚焦组件,荧光组件、显微活细胞培养组件,显微操作系统,电穿电融仪,活细胞工作站,DP72数码成像系统,Retiga 4000R数码相机,Ro lera-MGi EMCCD数码相机,SONY DV摄像机,领夹式无线话筒,无线话筒接收机,笔记本电脑,台式计算机,VGA放大分配器,VGA切换器,有源音箱,监控摄像头等。

1.2.3 监控室 16路新型 D1画质网络硬盘录像机,无线路由器。

1.3 主要参数与设计说明

1.3.1 VGA信号的传输 应用软件的操作及镜下图像、视频的播放采用VGA方式进行转播,由实验室通过 VGA电缆传送到多媒体会议室的投影仪。投影效果要求在开启室内后半部分灯光的情况下,仍保持良好的亮度与对比度,图像质量超过DVD标准。为此,我们采用 Op tom a EP776型商用投影仪,该投影仪能达到高分辨率 (1 024×768)、高亮度(4 300流明)、高对比度 (3 000∶1)。

1.3.2 V ideo信号的传输 V ideo信号用于实验和仪器操作视频的转播,要求达到DVD画质。本系统中采用SONYDV摄像机,其PAL制DV影像的分辨率为720×576,视频信号经V ideo或 S-V ideo端子传输到多媒体会议室高清液晶电视机。

1.3.3 视频监控信号的传输 视频监控用于在教学时动态了解对方室内情况,图像分辨率要求达到4C IF标准,PAL704×576。为此,我们采用 D1画质的网络硬盘录像机,压缩码流 32k-2M可调,也可自定义,上限为 8M。并采用 795×596像素、540TV线以上、30倍一体化彩色摄像机。可用 100M网卡在局域网内进行有线联网,或用 54k无线路由器进行无线联网。

1.3.4 VGA与 V ideo信号的记录 该系统在转播VGA信号与 V ideo信号的同时,也可对传输的信号进行记录,作为今后编制多媒体课件的素材。如V ideo信号可在DV摄像机拍摄的同时直接进行录像,镜下转播的图像与视频可通过成像软件进行捕获,VGA信号可用VGA高清采集卡或VGA录像机进行记录,再经非线性编辑软件处理,制作成各种格式的多媒体课件。

2 实时交互式转播系统的功能与应用

2.1 实时交互式转播系统的功能

2.1.1 显微成像的转播 该系统能将显微镜成像实时转播到多媒体会议室的投影屏幕上,因此可以解决位于无菌层流室内的显微成像仪器设备操作使用的示教培训以及学术交流、技术演示、产品介绍等需求。

2.1.2 操作过程的转播 该系统能在观看显微镜成像的同时,还可看到仪器设备操作的每个步骤与细节,达到身临其境的效果。

2.1.3 互动式交流对话 在观察显微镜成像与操作过程中,可以进行即时对话、交流,开展交互式学习,遇到问题能得到及时解答,并可随时根据学生的要求或提问重复重点内容与操作方法,实现教与学的真正互动。

2.1.4 资源利用与共享 该系统能在有限设备与实验条件下,开展大班教学,充分节约实验成本,使仪器设备资源得到有效利用与共享。

2.2 实时交互式转播系统的应用

实时交互式转播系统可用于医学实验教学的各个领域,尤其是细胞生物学实验。例如:各种显微镜观察方法的教学与演示,细胞学、组织病理学读片与示教,细胞培养技术、显微操作技术、活细胞培养技术、电穿电融技术等的教学、培训及技术交流。该系统在实际使用中取得了满意的效果,其视频与音响质量均达到了预期的设计要求。

2.2.1 显微观察方法的教学与演示 显微镜除了常用的明场观察法外,还有暗场、相差、浮雕、微分干涉相差、荧光、倒置等观察法。在进行特殊显微镜观察与使用方法的教学中,我们应用实时交互式转播系统,学生不必进入无菌层流室就可看到教师的每个操作步骤,同时还能观察到显微镜下成像的每个细节,并可进行现场即问即答,教师可按学生的需要随时选择、调整或重复授课内容。提高了学生的学习积极性、主动性与参与性,使学生仿佛身临其境,从而取得了生动、直观的教学效果,加深了对实验操作过程的认识与理解。

2.2.2 细胞培养技术的教学与演示 组织细胞培养要求在无菌层流室内进行,操作时须限制人数,并尽量减少人员进出。因此,可利用实时交互式转播系统来实现实验教学的目的。比如:在学习细胞计数方法时,学生可以一边观察显微镜下细胞计数板上的网格,一边观察教师的操作,同时跟着教师一起进行细胞计数,这样可以迅速掌握调节细胞浓度的方法。在进行细胞传代时,许多初学学生都觉得很难把握酶消化的时间和程度,而通过显微互动式视频教学,可以将贴壁细胞经酶消化后的形态变化特点,直观地教授给学生,这样学生可以迅速领会要点,加深对实验结果的认识。

2.2.3 显微操作技术的教学与演示 显微操作是一项技术性强,对环境要求较高的细胞生物学实验研究手段,实验必须在无菌净化室内进行,并尽量减少人员走动,通常在防震台上进行操作。在显微操作技术的教学与培训中,利用实时交互式转播系统,学生可以在教师的引导下,观察显微操作针在镜下移动时的成像变化特点,学会如何迅速找到针尖,并判断针尖的位置与高度。在学习细胞内注射技术时,可在教师的指导下,根据注射针在不同位置的成像特点,学会如何掌握进针位置与深度。

2.2.4 活细胞成像技术的培训、教学与演示 活细胞成像系统为进口的高档贵重仪器设备,一般由专人负责操作管理,由于在使用显微镜对细胞进行观察的同时,还需要对细胞作长时间连续培养,因此对运行环境要求较高,通常无法对多人同时进行现场培训。利用实时交互式转播系统不仅能够实现“一对一”的培训和技术交流,而且还可节约实验费用,降低培训成本,提高教学效果。通过一边观看实验室显示器视频与操作视频,一边进行互动式提问与解答,能够迅速掌握活细胞成像系统的原理、仪器的操作以及 InV ivo控制软件的使用与参数设置。

3 讨论

在细胞生物学领域,许多实验研究对环境要求较高,一些大型贵重仪器设备,都工作在无菌层流室内,且人员流动相对较少的环境,需要经过专门训练的专业技术人员才能上机。所以,在这种情况下如何解决实验技术的培训、演示以及技术交流等问题,是本系统建立的最初目的。而在实际使用中要求具有良好的互动性、交互性,最大限度地发挥该系统的使用效果。我们设计安装的这套实时交互式转播系统,由于多媒体会议室与细胞生物学实验室在同一楼层,相距不是很远,所以音频、视频采用 VGA与AV方式进行有线传输,监控部分通过内部网络经无线或有线连接,整个系统经使用效果良好,图像清晰,声音均衡无啸叫,接线经良好屏蔽与合理布线,信号未出现干扰。

该实时交互式转播系统用于细胞生物学实验教学,能直观地显示实验过程与结果,使学生能够学习掌握因某些条件限制而难以开展的一些实验研究技术,加深对实验结果和意义的认识与理解,从而帮助学生提高实验操作能力,更加全面地掌握专业知识。同时将示教、讲解、观察、问答、讨论、监督和测试等环节有机地结合起来,教学中不再是教师单调地教,学生被动地学,而是教师起主导作用,学生积极参与教学,真正实现了师生互动,密切配合。这样学生的能力得到了培养,学生在主动参与的过程中提高了学习兴趣,从枯燥乏味的传统学习中解脱出来,对于提高细胞生物学实验教学质量具有重要作用。

综上所述,该实时交互式转播系统实现了细胞生物学技术学习、培训的多媒体互动教学模式,尤其是对特殊使用环境下贵重显微仪器设备的实验教学,提供了一种切实可行的解决方案。

[1]刘超群.实时交互式教学系统的设计与实现[J].中国教育信息化:高教职教,2008,(3):76-78

[2]唐泽波,温娜,钟秀宏,等.多媒体数码显微互动技术在病理学实验教学中的应用 [J].中华医学教育杂志, 2008,28(3):91-93

[3]刘俊英,李光仲.交互式多媒体教学法在诊断学实验教学中的应用探讨[J].中国医学教育技术,2008,22(6): 542-544

[4]张韶华,刘泓,国伦书.智能化视频网络互动系统在病理实验教学中的应用 [J].中国医学教育技术,2006,20 (5):405-407

[5]李季.远程实时交互式双向视频教学系统的设计与实现[J].现代电子技术,2005,(6):58-60

[6]李艳.多媒体视频网络教室的“植物细胞有丝分裂”教学[J].生物学教学,2004,29(6):34-35

[7]刘骏,李艳.多媒体教学视频网络系统与生物学教学的整合[J].生物学教学,2002,27(10):37-38

[8]马嵘.应用 ISDN视频会议系统实现远程交互多媒体教学[J].北京广播电视大学学报,2001,(2):45-47

Estab lishm en tand app lica tion of in teractive rea l-tim e relay broadcast system in cellb iology labora tory

Yu Suojing
(Institu te of Traum a&O rthoped ics,Zhejiang Ch ineseM ed ica lUniversity,Hangzhou 310053,China)

Cellbiology experim entsare perform ed in lam inar flow biological clean room s,rigorously restrictmovem entof personnel in the room,and have requirem ents for teaching and learning,technical training and academ ic exchange.Thus,we designed and established a setof interactive real-time relay broadcast system between cellbiology laboratory andmultimedia conference room to achieve the interactive relay broadcast for video monitoring,m icroscopy imaging,experim ent p rocedure,technical guidance, dialogue and interactive questioning and answering,which obtained good results forp racticalapp lication.

cell bio logy laboratory;interactive real-tim e relay broadcast system;experim ent teaching

G434

A

:1004-5287(2010)03-0274-04

2010-02-25

俞索静 (1958-),男,浙江宁波人,副研究员,硕士,主要研究方向:骨细胞生物学。