基于自制实验装置特点 促进机能中心的发展

张大威，闻 宇，安 钢，吕文伟，杨 煜*

(1.吉林大学基础医学院,吉林 长春130021；2.吉林大学第二医院,吉林 长春130041)

21世纪是医学教育飞速发展的时代，随着招生人数的逐年增加，实验仪器在教学中也暴露出许多问题，功能不完善，无针对性，价格昂贵限制医学教育的发展。机能中心顺应时代的发展，积极研制改良各种实验教学仪器，而自制实验仪器以它的创新性、灵活性、开拓性、设计性和研究性等特点成为提高实验教学水平的重要手段[1]，在教学中发挥极大的作用。现对自制实验仪器在机能教学中的必要性、可行性进行探讨，同时阐述自制实验仪器的特点及在医学实验教学中的作用。

1 自制实验仪器研制的必要性、可行性

1.1机能中心现有RM-6000型多道生理记录仪多台，其特点为：只能使用记录纸记录并不能长期保存，只能在显示器观察指标而不能分析[2]，严重制约实验教学的发展。为此，我们利用集成电路、计算机硬件和软件技术在多道生理记录仪基础上开发了一种集生物信号显示、处理、储存及分析于一体的微机化仪器来用于实验教学。在取消记录纸的情况下，能够连续记录、存储和回显，并且能够进行分析和处理打印各种生理信号，广泛用于药理学、生理学、病理生理学实验教学。

1.2当前心率变异性分析方法已经成为数字信号处理领域及医学领域十分关注的问题，心率变异性(HRV)是反映机体自主神经活动的一个有重要临床参考价值的指标[3]。本研制根据动物心电的特点来设置各种参数，自制实验动物针头式导联，避免了人为因素对心电信号的干扰，完成对动物短时程心电信号的心率变异性分析。在分析HRV的时域、频域等线性、非线性中利用散点图分析方法，来评估动物在正常情况下及倾斜实验过程中的各项指标来评估其心率变异性。

1.3生理教学的神经调节，反馈控制，刺激与反应，动作电位的产生和传导都是比较抽象的理论内容。即使有实验课的反射弧调节，也很难看到全过程。因此，使用计算机控制技术在人体骨骼基础上安装模拟的反射弧实体元器件，使人体骨骼支架变活，学生通过此仿真教学装置来更好的学习和掌握神经调节的理论。

1.4血气分析仪能够测定动、静脉血氧分压(PaO2)、CO2分压(PaCO2)、血氧饱和度(SaO2)、pH、HCO3及各种离子浓度等参数，血气分析值是临床疾病诊断和治疗的基础，因血气片比较昂贵，满足不了实验教学，为此，我们利用计算机系统开发了一种血气分析仪仿真实验系统，利用虚实结合方法来提高实验教学质量。

1.5人体的生理快速活动主要是依靠生物电传导系统实现的.而生物电是由人体内带电离子通过细胞膜上蛋白质(离子通道)的流动而产生的--离子通道电流。专用测量离子通道电流的实验仪器非常昂贵，不能满足本科学生在实验室进行相关实验。因此,我们用计算机仿真技术模拟实验操作环境,开发离子通道电流仿真实验教学设备。以达到在我们现有条件下进行离子通道电流测量的实验教学目的。

2 自制实验仪器的技术特点

2.1 多道生理记录仪数字化研制

整个仪器包括两大部分即硬件和软件设计两部分内容：在硬件设计方面包括电平转换电路、A/D采样电路、中央控制电路、微机接口电路。在电平转换电路中我们采用了OP07型放大器，具有高精度、低噪声、高效率的特点。中央处理器我们选用MSP430单片机，在显示电路中我们用SN74LS07型电平转换器，同时选用了SYB1602型液晶显示模块，这样我们就实现了原有的多道生理记录仪模拟信号转化为数字信号。

2.2 实验用动物心率变异性分析系统

心率变异性分析作为一种无创性检查自主神经系统功能的方法，目前已经被应用于心血管系统疾病、糖尿病病情和愈后的评估以及麻醉深度的监测[4]。然而在研究过程中，HRV频谱分析中某些成分生理学意义尚未明确，HRV在探索疾病中自主神经系统改变作用仍需进一步的研究，本实验设计以WINDOWS系统操作为平台，应用C语言研制开发一种应用于对动物心电信号中包含的心率变异信息的实时提取及分析系统。此系统主要包括心电信号实时的采集模块、心电信号保存模块、HRV时域分析模块和频域分析模块。

2.3 血气分析仿真实验系统

本项目拟采用虚实结合方法，利用计算机仿真技术实现实验结果检测，开发血气分析虚拟仿真实验教学系统，并应用于实验教学。整个系统分为硬件和软件两大部分。硬件部分由中央控制电路，微机通信接30系列作为中心控制，软件用C语言实现，各种硬件驱动软件包括输入键盘电路驱动，输出显示电路驱动，微机通信电路驱动等等。

2.4 神经功能的机器人仿真实验教学装置

项目主要研究内容为人体骨骼口电路，输入和输出电路，电机驱动电路和机械传输装置。软件系统分为MSP430监控软件(C语言编写)和微机显示分析处理软件(VB语言编写)。硬件驱动软件：整体采用低功耗单片机MSP4支架是不能运动的，但是在人体骨骼支架的基础上安装反射弧结构后，它具有适宜刺激，换能作用，编码作用等特性。

2.5 离子通道电流虚拟仿真实验系统

本系统包含5个模块：(1)封接实验:细胞与测量电极的紧密接触。(2)全细胞钳实验：实时观察全细胞离子通道在不同的钳位电压下的电流随时间的变化曲线。(3)膜片钳实验：实时观察单个离子通道在特定钳位电压下的电流随时间的变化曲线。(4)全细胞钳实验数据分析：从电压-电流分析曲线推断离子通道蛋白的电压依赖特性。(5)膜片钳实验数据分析:从单离子通道蛋白开放和关闭曲线，推断离子通道蛋白的开关特性。该教学系统采用虚实结合方法，对于学生难以操作部分及难于测量部分采用虚拟技术，而其他部分采用实体部件，该系统采用Windows界面，易于操作，性能稳定，目前已应用于电生理实验教学。

3 自制实验仪器在机能教学中的作用

计算机技术已广泛应用于实验教学，我们利用RM-6000型多道生理记录仪抗干扰能力强，信号不失真，信噪比高，直流放大效果好的优点，结合计算机技术研制的数字化多道生理记录仪使它重新换发活力，在机能实验教学中发挥巨大作用。离子通道电流虚拟仿真实验系统的研制，有利于膜片钳技术原理及全细胞离子通道记录实验项目的开展，学生们通过离子通道电流虚拟仿真实验系统来学习离子通道蛋白的电生理特性及电生理理论，拓展学生实践领域，丰富了实验教学内容。使用神经功能的机器人仿真实验教学装置装置教学，使抽象理论形象直观。可进行多个生理学知识点讲解，例如：运动系统的组成，神经调节，反馈控制，刺激与反应，动作电位的产生和传导，感受器电位，感受器能量转换作用和编码作用，中枢抑制及交互抑制等等。

4 结语

机能实验是医学科学的重要组成部分，以实验为基础的机能学对于许多科学领域相关的研究及实验成果的确立都有极大的推动作用[5]。机能学作为一门试验性科学要求学生除了要具备扎实的医学理论知识还需要有良好的仪器设备作为辅助来完成实验。由于实验仪器的局限性和高价性，难以达到培养学生自主学习的目的。为此，机能中心开发了具有针对性、廉价性、简单性的实验教学仪器，来满足学生实验教学的需求。通过各种手段来达到自制实验仪器的可行性，将老式机器经过应用先进的计算机技术及大规模集成电路，开发有利于现代实验教学要求的试验仪器，提高其使用率。开发虚拟实验装置，即满足学生实验教学需要，提高了实验教学效果，也对教师传授医学知识有很大帮助。自制实验仪器即能够补充实验教学仪器的不足，也能够对实验教学项目有针对性的补充，对实验教学质量的提高有明显的助力作用，极大的促进了机能中心实验教学的发展。