医用检验仪器与微机原理课程教学整合的实践探索

严荣国，颜丽琴，徐玉玲，王成，钟凤琦

上海理工大学医疗器械与食品学院(上海，200093)

0 引言

生物医学工程是综合生命科学和工程技术，理工医相结合、多学科交融的新兴交叉学科，体现了多学科知识的综合和应用，它是研究和解决生物学、医学中的有关问题，涉及生物材料、人工器官、生物医学信号处理、医学成像和图像处理等，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务的一门学科[1-4]。

我院生物医学工程专业主要培养医疗器械、医学工程等领域的高级应用型人才。该专业是我校重点发展的六大学科群之一，也是上海市重点学科、上海市本科教育高地建设学科、上海市高原学科以及教育部卓越工程教育试点学科和专业。本专业定位是紧密围绕健康中国和上海市医疗器械产业发展以及我校“立足上海、面向世界、育人为本、服务社会”的办学宗旨，为我国医疗器械行业培养理工医多学科交叉的“工程型、创新性、国际化”的高素质人才。

在我院本专业(含医用电子仪器、精密医疗器械、医疗器械质量与安全方向)卓越本科生培养中，本人开设了两门课程，分别是： (1)《微机原理及应用》，3学分48学时； (2)《医用检验仪器》，3学分48学时。本文从本人承担这两门课程的十多年本科教学经验出发，探索这两门课程的一些相关知识点的整合和综合实践，让学生们不但能够理解每门课程的知识点和思想精髓，还能将它们贯穿起来，这也正体现了生物医学工程专业理、工、医相结合，多学科交叉的特点。

1 课程特点

1.1 《微机原理及应用》课程特点

《微机原理及应用》是本专业的一门专业基础课程，讲述了Intel 8086/8088微处理器的系统结构、指令系统、汇编语言、存储器、各种输入输出接口等的原理及应用等知识[5-6]。本课程的特点有：

(1)内容繁多。微处理器8086/8088采用冯·诺依曼结构，系统结构较为复杂； 针对寄存器、存储器、IO接口的指令多而复杂，且灵活； 汇编语言为最接近硬件的编程语言，相对于C语言等高级语言而言，可读性较差，理解起来较为困难； 微处理器外围输入输出设备较多，各种接口技术也比较复杂。

(2)综合性强。数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计等知识均涉及很多。

(3)实践性强。理论知识指导实验操作，实验进一步验证和巩固理论知识。通过深入探索，一定会有新认识和新发现。学习该课程的过程中，一定强调多动手实践，多练习编程[7-9]。

1.2 《医用检验仪器》课程特点

《医用检验仪器》是本专业的一门专业核心课程，主要讲述医院检验科常用的，涉及血液、尿液、分泌物等常规检验类仪器[10-12]。本课程的特点是：

(1)仪器类型多。包括血细胞分析技术、流式细胞分析技术、尿液分析技术、电解质分析技术、生化分析技术、荧光PCR分析技术等10多类检验类仪器。

(2)涉及试剂。检验类仪器也称之为体外诊断仪器或设备。

(3)涉及多学科知识。以血细胞分析技术为例，就涉及到医学、机械、电子、物理、化学、计算机等学科的知识，是生物医学工程专业比较典型的各学科交叉综合应用[13-18]。

1.3 课程之间的联系

《微机原理及应用》是专业基础课，而《医用检验仪器》是专业主干核心课程。前者是理解包括后者在内的众多专业课程的基础，而现代检验类仪器往往均使用CPU，这样才能对仪器进行控制、数据采集、信息存储、网络应用等，涉及到前者教授的系统结构、存储器、输入输出接口、汇编语言编程等知识。

2 课程教学整合实践探索

本文以《医用检验仪器》第三章 流式细胞分析技术为例，对这两门课程的教学整合情况进行了探索。

流式细胞仪(FlowCytometer，简称FCM)是光学技术、电子技术和计算机技术等多项技术交叉融合而发展出来的高精密临床医用检验仪器，能够对处于快速流动状态的血细胞，进行定性和定量分析，能快速测量细胞的物理或化学性质，如细胞大小、内部结构、蛋白质和抗原等，并可对其进行分类和收集。

流式细胞仪的工作原理如图1所示。首先，将待测细胞染色后制成单细胞悬液。然后，用一定压力将该单细胞悬液压入流动室，由磷酸缓冲液制成的鞘液(Sheath)在高压下从鞘液管喷出，鞘液包裹着单细胞悬液作高速流动，组成一个圆形的流束，待测细胞在鞘液的包被下依次、单个通过激光照射的检测区域，相当于用激发光源对该细胞进行了一次“审讯(interrogation)”，问： 细胞有多大？内部结构(颗粒多少)如何？被染色部分荧光量有多少？等等。这样就完成了一次测量(相当于对细胞“审讯”了一次)。在流式细胞仪中，前向散射光(ForwardScatter)还可获得细胞大小的信息、侧向散射光(SideScatter)可获得细胞颗粒多少的信息、荧光(FluorescentLight)可获得染色物质的多少的信息。

图1 流式细胞仪工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the flow cytometer

与《微机原理及应用》课程知识相整合的流式细胞光电分析实验模拟装置如图2所示，其中激发光源用发光二极管D1代替、探测器用光敏三极管D2代替、血细胞用直径比较小的物件，如缝衣针、头发丝等代替，显示器采用三位数码管L1来显示测得的物件的个数，模拟获得的血细胞的数量，即实现流式细胞分析技术对血细胞的计数功能。上述实践过程在DICE-8086K3微机原理实验仪上完成。

图2 基于8088 CPU的流式细胞分析技术原理图Fig.2 Schematic design of Flow cytometry based upon CPU 8088

图2显示的是基于8088微机的能够模拟流式细胞分析技术中的激光计数原理的示意图。

并行接口芯片U3 8255A与U1 8088之间采用三总线的方式进行连接，其中8255A的数据线D7～D0接8088 CPU的数据线D7～D0，8255A的片选CS由8088的高位地址线通过U2 74LS138译码器产生。8255A的地址线A1和A0分别连接8088的地址线A2和A1，以实现8088 CPU“字对准”的要求。两个芯片中，含RD、WR和RESET在内的控制总线直接对接。

8255A的PA口接三位数码管的字段，控制数码管的a～g及dp管脚的亮灭，PB2～PB0接三位数码管的位段，PC0接光敏三极管D2的输出。发光二极管D1发出来的光照射到血细胞上(这里用缝衣针或头发丝进行模拟)，当有血细胞挡住光线时，PC0输入为低电平； 而无血细胞挡住光线时，PC0输入为高电平。8088 CPU用延时方式通过8255A并行接口读取PC0口的状态变化，并将这个状态变化情况显示在三位数码管上，即实现血细胞计数功能。汇编程序代码流程如图3所示。

实验中，将8255芯片的数据端口PA和PB设置为输出状态，数据端口PC设置为输入状态，PA、PB和PC均工作在方式0： 基本输入输出方式。程序启动执行后，在数码管上显示初始计数值“000”；之后检测PC0口状态是否改变(模拟是否有血细胞经过激发光源照射的区域)，若无改变，则再继续检测； 若有变化，则使数码管上显示的数字加“1”。

图3 汇编代码流程图Fig.3 Flow chart of the assembly code

对于能力较强的学生，还可以试图通过可编程计数器/定时器8253的定时方式通过8255A并行接口读取PC0口的状态变化，甚至可以通过可编程中断控制器8259A采用中断的方式获得PC0口的状态变化。这样就可以充分理解微处理器的各种输入输出接口技术。

这两门课程教学整合实践探索目标是：

(1)对于《医用检验仪器》课程而言，进一步理解激发光源照射到血细胞上，探测器如何获得血细胞的数量、血细胞的体积大小、被染色部分荧光物质的含量？探测器放在光源的正前方(0°方向)和侧向(90°方向)有什么区别？为什么在流式细胞分析技术中，前向散射光采用二极管探测器，而侧向和荧光探测器却使用光电倍增管(Photomultiplier Tube)？用缝衣针或头发丝模拟血细胞有什么不一样？如果要实际探测微米级别的血细胞，如何改进激发光源和探测器？等等。

(2)对于《微机原理及应用》课程而言，需要具备8086/8088系统结构、译码器、8255并行接口、光电转换、数码管显示、汇编程序设计等综合的知识和应用能力。

(3)从本专业的角度来说，进一步理解其理、工、医相结合，多学科交叉的鲜明特色，从实际应用角度出发，培养分析和解决实际问题的能力。

3 总结

我院生物医学工程专业紧密围绕健康中国和上海市医疗器械产业发展的需求开设本科课程，其中本人主讲了《微机原理及应用》和《医用检验仪器》两门课程。前者讲述8086/8088微处理器的工作原理及接口技术； 后者讲述临床上常用检验类仪器的工作原理及应用。本文从多年的教学工作经验出发，以《医用检验仪器》中第三章 流式细胞分析技术和《微机原理及应用》中的相关知识的教学整合实践为例，对本专业这两门课程的教学整合思路进行了有益的探索，并付诸于实践。此外，如此这样的教学整合实践在这两门课程教学中还有很多，在此不一一列举。教学整合实践效果表明，这样的教学整合对两门课的教学和生物医学工程专业卓越人才的培养起到了很好的作用。