基于浏览器模式的人体生理学机能实验系统的设计与实现

秦晓群 杨绿化 何晓凡

中南大学医学机能学实验教学中心 湖南长沙 410013

基于浏览器模式的人体生理学机能实验系统的设计与实现

秦晓群 杨绿化 何晓凡

中南大学医学机能学实验教学中心 湖南长沙 410013

本文分析了国内医学院校人体生理实验教学的现状和改革方向，说明了人体生理实验是中国机能实验教学改革的一个发展方向。然后介绍了人体生理实验设备的设计思想和原理，最后介绍了一种基于浏览器方式的可实际运用与教学的人体生理学机能实验系统。

人体生理实验；浏览器模式

长期以来，中国的生理实验教学以动物实验为主，而且主要针对教材上的经典实验，学生在有限的实验课时间中，很难完全理解某个实验的全部意义，也很难在这个实验上发挥提高。往往是学生做动物实验只是完成任务，很难达到真正学习的效果，另一方面，教师花费大量的时间进行指导，但是并不能使每一个学生受益，很多学生由于没有得到教师的亲自指导而不能很好地完成动物实验。

另一个因素是国外特别是发达国家的生理教学实验已经很少开展动物实验，中国生理教学也正面临着与国际逐步接轨，将逐步减少动物实验的数量，这也是符合动物实验的3R原则，Reduction(减少)、Replacement(替代)和Refinement(优化)。

为了尽快地解决这些困扰机能实验教学的问题，我们走校企合作的方式，与成都泰盟科技有限公司合作，在以下两个途径上对机能实验教学改革进行了思考和有效地探索。

1.开展部分虚拟机能实验

虚拟实验最大的优势是不对动物造成任何伤害，可以反复使用，其他的优势是可以聚集大量的相关知识，拓展学生的知识面，比如生理实验设备的原理和应用，实验动物养殖与选择，机能实验模拟操作，机能实验反应等。如果将虚拟实验上网，还可以使学生在任何地方，比如寝室、教室等获取实验知识。虚拟实验的不利之处在于，不动手的虚拟机能实验不能训练学生的实验技能，另外，在非真实环境下操作实验，还可能造成学生在将来实验中随意的态度。

2.在教学中开展部分人体生理实验

为了克服虚拟实验的不利因素，如果能在机能学实验中加入一些人体实验的成分，这不仅可以减少实验动物的使用，而且还可以有效地与临床形成更紧密的结合，既拓展了学生的知识面，也提高了学生的兴趣。但是人体生理实验也有一些缺陷，比如动物实验中可以进行实验解剖，药物注射，而学校开设的人体生理实验则不能对实验体本身有任何伤害，这大大限制了人体实验的范围和深度，另一方面，由于人体生理缺乏相应的实验装备，也大大限制了学校开展这方面的实验。

一、人体生理机能实验设备的探索与设计

1.人体生理实验的开展对实验设备提出了更高的要求

原来的生理实验设备，如生物机能实验系统，通常针对动物实验而设计，重在有效拾取动物机体的生理信号，而对设备的电器安全性特性则很少关注。

中国食品药品监督局的相关文件明确规定用于人体生理指标的监测设备属于医疗器械，需要具有医疗器械注册证明方可实现销售，为了取得医疗器械注册证明则需要进行权威机构的安全检查和临床验证。这无形中提高了生物机能实验设备的安全门槛，换句话讲，原来的生物机能实验系统要进行人体实验首先需要获取相应的注册证明。

由于专用医疗设备的昂贵与专用型，不能满足学校开展人体生理实验的需要，而学校需要通用型的满足人体实验要求的价廉物美的设备。因此在开发相应的人体生理机能实验设备时首先要考虑的问题是提高设备的安全性，获取医疗器械注册证明。

2.人体生理实验的方法应有别于传统的生理实验设备

由于人体生理实验要求保证人体的绝对安全，即使有了取得医疗器械注册证的实验设备还是远远不够的。首先，在学生人体生理实验中不能开展侵入式实验；其次，不能在学生人体生理实验中进行药物注射观察反应。因此，人体生理实验的开展受到实验条件和方法的双重限制，需要在设计人体实验设备时突破这些瓶颈。

首先是实验方法的改进，比如我们要研究血压的变化，在动物实验时可能采用的方式是注射肾上腺素，乙酰胆碱等药物，转到人体实验后，我们可以研究不同血压测量方法之间的测量差异；测量学生在安静、运动状态下的血压；让学生手臂肱动脉位置高于、低于心脏位置以及与心脏平行时测量血压得出结果，因此，设计人体生理实验设备首先是设计人体生理的实验方法。

3.人体生理实验要求内容丰富

由于人体实验本身的局限性，在设计人体生理实验设备时要力求在内容和表达方式上尽量丰富。首先是内容的完善，需要提供完善的人体生理实验项目，包括人体的神经(反应，反射实验)、循环、呼吸、肌肉、消化、泌尿等系统的实验内容。其次，在表达方式上，要将实验的历史背景，设备介绍，方法原理以及实际的实验观察有效地结合起来，但这些内容使用传统的实验设备(软件)很难达到这些要求。为了达到这些要求，使用浏览器作为人体生理学实验软件的载体是有效的，因为浏览器易于表达丰富的内容，但是其实时操控性较差，因此需要进行专门的设计。

4.人体生理实验要求尽量减少教师的负担

生理教师主要讲解实验的方法和原理，关于实验的详细操作过程，尽量让学生自己去完成，但是有些操作比较复杂，学生实现困难，因此在人体生理机能实验设备软件中必须对每个实验有具体的操作指南，按照这个操作指南学生就可以轻松完成实验。

5.人体生理实验要求配套的附件完善

为了完成人体生理实验，除了主要的设备之外，还需要配套完善的实验附件，比如握力传感器，呼吸传感器，心电电极等，这样才能真正保证学生人体实验的真正开展。

二、Webchart-400人体生理实验系统介绍

WebChart-400人体生理实验系统是成都泰盟科技有限公司为了满足医学院校人体生理实验开展的需要，专门研发的新一代人体生理实验系统。其满足了高等医学院校人体生理实验开展的需要。

1.Webchart-400人体生理实验系统组成

Webchart-400人体生理实验系统主要由3部分组成：

(1)符合人体安全要求的BL-420S生物机能实验系统(如图1所示)。

图1 BL-420S生物机能实验系统

(2)以IE浏览器为运行基础开发的多媒体人体生理实验系统软件，含12个实验项目(如图2所示)。

图2 Webchart-400系统软件主界面

(3)配套人体生理实验的丰富附件，含18种不同的实验附件(如图3所示)。

图3 Webchart-400系统配套18种人体生理实验附件2.Webchart-400人体生理实验系统特点

WebChar-400人体生理学实验系统的主要功能是将实验设计与实验实现融合在一起，实验设计包括实验的历史、简介、操作步骤、分析和报告等。实际上，WebChar-400的实验设计内涵丰富，远远超过了基本实验的内容，比如血压实验，该系统设计了很多子项，包括在手指与心脏形成高度差的条件下血压的变化等，同时提出问题让学生思考回答，开拓了学生的思路，达到有效学习的目的。实验实现则是该实验的信号采集、记录、处理等传统生物信号采集系统所完成的功能。

系统有如下特点：

(1)仪器配置高：采用已经获取医疗器械注册证的BL-420S生物机能实验系统为基础。

(2)实验配件齐全：涵盖了心电、脑电、呼吸、血压、心音、肺功能等18种常用实验附件。

(3)实验模块丰富：包括人体心电图描记、心音听诊和心音图描记、呼吸运动调节因素、人体血压测定、肺功能检测、人体肌肉反应、肌电图、脑电图、眼动电、感觉实验、反射和反应时间、泌尿实验等12个常见人体实验。

(4)实验内容安排合理：参照常用医学文献模式，按背景知识、实验原理、实验目的、实验器材、实验方法和观测、实验讨论6个方面完整贯穿知识点，培养学生自学能力，减轻教师讲解负担(如图4、图5,图6所示)。

(5)操作过程易用：分步多媒体教学，直观明了，打开网络浏览器即可操控实验步骤和仪器，完成实验(如图5所示)。

(6)易于定制：教师可以根据实际教学情况，对实验内容做定制，比如实验报告思考题，实验过程的讲解步骤和文字内容等。

The design and realize a data acquisition and analysis system for human physiological experiment based IE explore

Qinxiaoqun, Yang luhua, Hexiaofan
Central south university centre of medical functional experiment,Changsha，410013，China

This paper analysis current teaching and reform status of human physiology function experiment.It explain human physiological experiment is a tendency of medical functional experiment，then explain the design idea and principle of the human physiological experiment system. Last it introduces human physiological function experiment equipment based on browser.

human physiology function experiment；browser mode

图4 Webchart-400系统的背景知识介绍

图5 Webchart-400系统的实验操作界面(左边做实验，右边介绍实验步骤)

图6 Webchart-400系统完成实验后生成实验报告

2010-09-15

秦晓群，博士，教授，博士生导师, 医学机能学实验教学中心主任。