军队院校生物医学工程专业医学仪器实训平台建设与教学探索

徐灿华，杨 滨，李 磊，田 翔，叶健安，周怡敏，刘学超，付 峰

（空军军医大学军事生物医学工程学系，西安 710032）

0 引言

生物医学工程是一门综合生物学、工程学、医学、计算机科学等多学科知识来研究和解决医学中的有关问题，保证人类生命健康的新兴交叉学科，对于现代医学的发展起到了非常大的促进作用[1-2]。军队院校生物医学工程专业一方面要培养适应未来信息化、智能化军事斗争条件下卫生器材装备研发的高端人才，另一方面也要求培养的人才能够完成卫生器材装备安装调试、操作运行、维修维护、计量鉴定等工作，因此，医学仪器实践教学对于提高学生任职能力具有重要作用[3-4]。

医学仪器原理与应用课程作为生物医学工程专业的一门核心专业课程，理论教学环节主要以医学仪器的基本原理、结构设计为主，实践教学主要以操作使用和维修维护等为主，在军事生物医学工程专业人才培养过程中具有重要作用[5]。在以往的医学仪器课程实践教学中大多采用医院临床使用的医疗设备实物进行实践教学[6-7]，然而，临床使用的医学仪器通常价格昂贵、容易损耗，且难以了解内部电路原理结构，对于一些仪器故障也无法进行模拟，制约了实践内容，影响了教学质量。为了解决上述难题，部分高校将虚拟仪器技术用于医学仪器理论和实践教学[8]，为学生提供仿真的虚拟实验环境，加深了学生对于仪器原理的认识[9-11]。但是缺少实际动手操作的体验也使得虚拟教学发挥的作用同样受限。

因此，为了进一步提升医学仪器课程的教学水平，加深学生对于医学仪器原理、操作、维护等知识的理解，我系专门在大学四年级的第一学期设置了医学仪器实训环节，共计一满周时间。同时建设了基于监护仪维修示教仪和超声维修示教仪的实训实验平台，该平台可以开展监护仪和医用超声的实操使用、信号测量和故障排除等实验，在课程建设、人才培养中发挥了重要作用。以下对该平台的建设实践进行介绍，并对基于该平台的教学改革及效果进行分析。

1 医学仪器实训平台建设

实训平台是开展专业实践教学的基础保障[12]，我系在前期基于LabVIEW 的虚拟仪器平台、临床设备综合实践平台的基础上，建设了医学仪器实训平台。实训平台计划建设生理参数检测类仪器模块、医学检验类仪器模块、临床治疗类仪器模块、光学检查类仪器模块、影像类仪器模块。目前已完成一期平台建设，主要包括监护仪维修示教仪、超声维修示教仪、人体生理信号发生器、超声体模、示波器等。

一期平台建设首先选择监护仪和超声，主要原因为：（1）部队配备广，目前部队基层医院和卫生队均配有相关设备；（2）功能使用率高，心电、血压、血氧等生理参数监测和超声影像检查不仅可以应用在伤员救治中，在日常的健康检查中也被频繁使用；（3）课程内容涵盖性好，可以涵盖传感器、电路、信号处理、图像处理等多门课程内容；（4）建设成本低，不仅采购成本低，相关实验耗材等成本也较低。因此，将监护仪和超声作为医学仪器课程的首批建设设备，使学生通过理论与实践相结合的教学模式来全面理解和深度掌握相关技能。

平台建设的监护仪和超声维修示教仪不仅具有生理参数监测、医学成像等临床常规功能，还具有全面展示监护仪和超声仪器的工作原理、电路结构、电子器件的教学功能[13]。最重要的是，在仪器的电路中设置有许多测试点和故障点，可以模拟临床常见故障，训练学生的故障分析和仪器维护能力[4]。通过学生的实际操作，将临床应用与电路原理、信号处理原理、图像处理原理等教学相结合，能够使学生更直观、全面、深入地掌握相关设备知识与维护技术，提高学生与仪器的互动性，激发学生参与实验的积极性，培养学生的实际动手能力。维修示教仪教学功能如图1 所示。

图1 维修示教仪教学功能框图

1.1 监护仪维修示教仪

监护仪维修示教仪主体如图2 所示，主要由传感器接口模块、数据采集模块、信号处理模块、参数显示模块、报警系统模块、导联电极、导联线等组成，内部共有4 个单元，分别为心电监护单元、呼吸体温单元、血氧饱和度单元、无创血压单元，通过连接不同的传感器可进行不同的数据采集。通过设置不同的故障点，可模拟传感器脱落、放大器故障、控制故障、显示故障等多种故障和错误状态，帮助学生进行常见故障的分析和处理。

图2 监护仪维修示教仪

1.2 超声维修示教仪

超声维修示教仪主体如图3 所示，主要由电源模块、激励模块、采集模块、成像模块、调节时间增益补偿（time gain compensate，TGC）控制模块、超声探头和超声键盘等组成。该设备具有双探头插座，支持凸阵和线阵等最多8 种探头，能够进行2～9 MHz的变频；扫查深度调节范围为40～307 mm；具有常规测量功能，如产科测量、妇科测量、泌尿测量、甲状腺测量、肾脏测量；超声键盘可切换不同成像模式、TGC以及测量距离和面积等。该设备通过人工干预能够进行信号采集和故障测试，如关键信号测量、内部数字信号处理、TGC 电路故障实验、单片机故障实验等，帮助学生全面了解超声信号和影像之间的关系，同时提高超声仪器故障分析和处理能力。

图3 超声维修示教仪

2 医学仪器实训教学改革探索

为进一步提升医学仪器课程教学质量，配合医学仪器实训平台开展了系列教学改革探索。

2.1 调整教学组织方式

在原有验证性实验、设计性实验、创新性实验的基础上[4，14]，增加故障分析和排除这一类以满足岗位任职需要为目的的实践性实验。将以往的每章理论课后单个知识点分别开展实验调整为讲解全部章节后一整周的综合实训，以给予学生更多的自由时间和挑战。一周的实验可以激发学生的学习兴趣和主动性，为学生提供更多的创新空间，在更宽泛的领域内探索和实践新的想法，培养创新思维和实践能力。

2.2 丰富教学内容

（1）监护仪维修示教仪基础实训。

根据监护仪维修示教仪内的4 个监测单元，将实验划分为4 个部分，如图4 所示。实训内容中包含了监护仪的部分日常功能，首先，学习使用监护仪监测患者的心电、呼吸、体温、血氧饱和度以及血压变化。然后，模拟真实情景中可能发生的故障，训练学生应对设备故障的综合分析能力和紧急情况的处理能力。最后，利用人体生理信号发生器模拟各类状况并开展相关信号指标的测量，加深学生对于各项测量信号指标的理解。

图4 监护仪维修示教仪实训内容

（2）超声维修示教仪基础实训。

超声维修示教仪实训安排分为3 个部分（如图5所示）：第一部分，让学生对照超声原理，认识并熟悉超声仪器的基本模块，了解示教仪内的电路连接，掌握超声仪器的基本操作、注意事项和参数调节等；第二部分，对示教仪内部各模块关键节点位置进行信号测量，明确脉冲信号、高压发射信号、超声扫描同步信号等信号的形态与相互关系，随后对现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，FPGA）内部信号进行数字信号处理和图像处理，测试动态滤波、对数压缩等之后的输出信号质量；第三部分，模拟实际设备运行中可能出现的各种故障和异常情况，如探头阵元故障、TGC 电路故障等实验，培养学生故障分析和排除的能力，以此来检验学生对超声仪器的掌握程度。

图5 超声维修示教仪实训内容

（3）示教仪拓展实训。

根据示教仪原理图，查阅相关芯片的技术资料，脱离示教仪，单独搭建相关模块单元，完成信号的激励和采集。对于单片机控制模块，单独搭建最小电路，撰写单片机控制代码，实现功能控制。通过以上途径，进一步提升学生的电路分析能力、电路设计能力和程序编程实现能力。

2.3 优化教学方法

结合新的平台支撑优势，在实践教学环节，广泛采用案例式教学、问题驱动式教学等新型教学方法。以超声维修示教仪案例式教学为例，教学过程中主要包括如下环节：（1）选择案例：选择典型的超声设备故障案例，如图像不清晰等问题作为教学案例。（2）呈现案例：将所选案例以超声维修示教仪实际状态的形式呈现给学生，让学生了解超声设备故障的具体表现。（3）分析案例：开展关键节点信号测量，根据结果引导学生分析故障产生的原因，讨论可能的解决方案，并制订相应的故障排除计划。（4）故障排除：使学生根据所学的知识和技能，对超声设备进行故障排除。在故障排除过程中，教师可以给予一定的指导和帮助，确保学生的操作规范和安全。（5）总结反馈：故障排除完成后，组织学生进行讨论和总结，评价效果和学生的表现。并针对不足之处给予指导和建议，以便改进。（6）拓展学习：可以根据实际情况，引导学生进一步学习和了解超声设备的原理和最新技术发展趋势，拓宽学生的知识面和视野。

2.4 改进教学考核评价

为了提高教学考核评价的科学性，提出多元化考核评价方法。将传统的单一通过实验报告考核评价的方式改革为理论知识、实践操作、案例分析能力、故障排除能力、实验报告撰写5 个维度的考核评价指标。多元化的考核评价方式可以从多个角度全面了解学生的学习情况和综合能力，为提高教学质量提供有力支持。

3 教学效果分析

医学仪器实训授课过程中，从学生实际需求出发，将理论知识的学习与监护仪维修示教仪和超声维修示教仪的实践操作相结合，对于学生全面理解医学仪器原理以及应用知识具有重要的作用，同时能够提高学生的专业素养、安全意识和实际动手操作能力。

在实训过程当中，学生反映基于监护仪维修示教仪和超声维修示教仪的实训课程能够将书本上枯燥的数学公式、烦琐的电路图转化为实际可以操作、观察到的各项指标以及超声影像，这使得学生能够更加全面地掌握老师所教授的内容，帮助学生对于医学仪器的基本原理有了最清晰的理解。学生可以自己动手对各项电路进行复现与修改以及故障分析和排除，能够加深理解各部分电路在设备中的作用，理解各部分参数的含义。基于示教仪的实训模式使得学生提高了数据分析能力和判断能力，同时促进了学生之间的团队协作能力，提升了学生自身的主动性。

4 结语

医学仪器课程注重理论教学与实践操作的结合，我系建立的基于示教仪的实训平台使学生在实际操作中了解医学仪器的基本原理、内部结构和操作流程，掌握设备故障分析和排除方法，大大地提高了学生的操作能动性和学习积极性，提高了学生解决问题的能力，打破了传统的医学仪器教学模式中学生操作少、设备损伤大、难以进行故障分析和排除训练等问题，有效地促进了学生实践能力的培养。后续将在此基础上进一步引入医学检验类仪器模块、临床治疗类仪器模块、光学检查类仪器模块等更多类别的医学仪器示教仪，在教学内容方面进一步加入硬件系统的二次开发、算法软件的二次改进等创新性实验内容，以提高军事生物医学工程学生的科研思维和创新实践能力。