俞索靜

(浙江中醫(yī)藥大學骨傷研究所,浙江 杭州 310053)

細胞生物學實驗室實時交互式轉播系統(tǒng)的組建與應用

俞索靜

(浙江中醫(yī)藥大學骨傷研究所,浙江 杭州 310053)

針對細胞生物學實驗要求在無菌層流室內進行,且對室內人員流動有嚴格限制以及在學習示教、技術培訓、學術交流等方面教學的需要,提出并組建了在細胞生物學實驗室與多媒體會議室之間,設計一套實時交互式轉播系統(tǒng),以實現(xiàn)兩室間室內視頻監(jiān)控、顯微鏡下成像、實驗操作步驟、技術指導過程,以及對話問答等的互動式轉播系統(tǒng)方案。

細胞生物學實驗室;實時交互式轉播系統(tǒng);實驗教學

細胞生物學實驗室中有許多實驗技術對操作環(huán)境有特殊要求。我們研究所目前開展的細胞生物學相關實驗研究技術包括各種活細胞的顯微觀察技術、顯微操作技術、細胞培養(yǎng)技術、電穿電融技術、顯微電影技術、活細胞成像技術等。這些實驗技術通常都在無菌層流室內進行,不僅對層流室的設計有一定的規(guī)范,而且對進入實驗室人員的穿戴及人員流動也有嚴格的要求和限制。因此,無法進入現(xiàn)場進行示教觀摩,同時也難以開展現(xiàn)場技術培訓與學術交流等活動。近年來,多媒體交互式視頻教學方法在醫(yī)學實驗教學中運用相當廣泛,它改變了傳統(tǒng)的教學方式,使教學水平與效果得到極大提高[1-8]。為此,我們利用多媒體會議室設計組建了一套與細胞生物學實驗室相連的實時交互式轉播系統(tǒng),經(jīng)實際使用效果良好,現(xiàn)介紹如下:

1 實時交互式轉播系統(tǒng)的原理與組成

1.1 工作原理

細胞生物學實驗室與多媒體會議室之間的連接包括視頻系統(tǒng)與音頻系統(tǒng)兩個部分。整個研究所各實驗室為了便于管理,在基建時已經(jīng)安裝了 16路網(wǎng)絡硬盤錄像監(jiān)控系統(tǒng)(新型 D 1畫質),在研究所內網(wǎng)可以經(jīng)無線或有線網(wǎng)絡實時調用。

1.1.1 視頻系統(tǒng) 視頻系統(tǒng)包括細胞生物學實驗室顯微鏡成像的實時視頻轉播、實驗與儀器操作實況的視頻轉播、通過無線或有線網(wǎng)絡獲取的細胞生物學實驗室與多媒體會議室各兩路監(jiān)控視頻三個部分。

●細胞生物學實驗室顯微鏡成像實時視頻轉播

細胞生物學實驗室向多媒體會議室的顯微鏡成像轉播,由O lympusDP72數(shù)碼成像系統(tǒng),以及 Retiga 4000R數(shù)碼相機和 Rolera-MGi EMCCD數(shù)碼相機,通過 InV ivo、IPP、QCap ture等軟件成像,經(jīng)計算機VGA端口輸出到各自的VGA放大分配器,每個VGA放大分配器輸出兩路VGA信號,1路輸出到顯示器,另 1路輸出到VGA切換器,經(jīng)VGA切換器將欲顯示的VGA信號用電纜傳送到投影儀,如圖 1所示。

圖 1 細胞生物實驗室顯微鏡成像視頻轉播框圖

●細胞生物學實驗室實驗與儀器操作實況的視頻轉播

細胞生物學實驗室向多媒體會議室傳輸?shù)牟僮鲗崨r,用DV攝像機通過復合視頻端子 (V ideo)或 S端子(S-V ideo),將視頻信號由細胞生物學實驗室傳送到多媒體會議室的大屏幕液晶電視機,如圖2所示。

圖 2 細胞生物實驗室操作實況視頻轉播流程圖

●細胞生物學實驗室與多媒體會議室室內視頻監(jiān)控

用筆記本電腦,經(jīng)無線或有線網(wǎng)絡獲取 16路網(wǎng)絡硬盤錄像監(jiān)控系統(tǒng)中細胞生物學實驗室與多媒體會議室的 4路監(jiān)控視頻,對兩室進行實時視頻觀察與監(jiān)控,如圖 3所示。

圖 3 細胞生物實驗室與多媒體會議室視頻監(jiān)控示意圖

1.1.2 音頻系統(tǒng) 細胞生物學實驗室的聲音通過領夾式無線話筒經(jīng)接收機將話筒信號輸出到多媒體會議室功放的音頻信號輸入端,經(jīng)功率放大后輸出到會議室音箱,同時功放的音頻輸出信號通過音頻線連接到細胞生物學實驗室的有源音箱。多媒體會議室講話通過手持式無線話筒經(jīng)接收機將話筒信號輸送到功放,經(jīng)功率放大后輸出到會議室音箱,同時經(jīng)功放音頻輸出接口將音頻信號送往細胞生物學實驗室的有源音箱,如圖 4所示。

圖 4 音頻對講系統(tǒng)原理示意圖

1.2 硬件組成

1.2.1 多媒體會議室 投影儀,120吋投影屏幕,視頻展臺,大屏幕液晶電視機,音頻功率放大器,音響系統(tǒng),手持式無線話筒,無線話筒接收機,筆記本電腦,臺式計算機,VGA放大分配器,VGA切換器,監(jiān)控攝像頭等。

1.2.2 細胞生物學實驗室 O lympus IX81全自動倒置顯微鏡,O lympus IX71倒置顯微鏡,明場、暗場、相差、浮雕、微分干涉相差組件,轉盤共聚焦組件,熒光組件、顯微活細胞培養(yǎng)組件,顯微操作系統(tǒng),電穿電融儀,活細胞工作站,DP72數(shù)碼成像系統(tǒng),Retiga 4000R數(shù)碼相機,Ro lera-MGi EMCCD數(shù)碼相機,SONY DV攝像機,領夾式無線話筒,無線話筒接收機,筆記本電腦,臺式計算機,VGA放大分配器,VGA切換器,有源音箱,監(jiān)控攝像頭等。

1.2.3 監(jiān)控室 16路新型 D1畫質網(wǎng)絡硬盤錄像機,無線路由器。

1.3 主要參數(shù)與設計說明

1.3.1 VGA信號的傳輸 應用軟件的操作及鏡下圖像、視頻的播放采用VGA方式進行轉播,由實驗室通過 VGA電纜傳送到多媒體會議室的投影儀。投影效果要求在開啟室內后半部分燈光的情況下,仍保持良好的亮度與對比度,圖像質量超過DVD標準。為此,我們采用 Op tom a EP776型商用投影儀,該投影儀能達到高分辨率 (1 024×768)、高亮度(4 300流明)、高對比度 (3 000∶1)。

1.3.2 V ideo信號的傳輸 V ideo信號用于實驗和儀器操作視頻的轉播,要求達到DVD畫質。本系統(tǒng)中采用SONYDV攝像機,其PAL制DV影像的分辨率為720×576,視頻信號經(jīng)V ideo或 S-V ideo端子傳輸?shù)蕉嗝襟w會議室高清液晶電視機。

1.3.3 視頻監(jiān)控信號的傳輸 視頻監(jiān)控用于在教學時動態(tài)了解對方室內情況,圖像分辨率要求達到4C IF標準,PAL704×576。為此,我們采用 D1畫質的網(wǎng)絡硬盤錄像機,壓縮碼流 32k-2M可調,也可自定義,上限為 8M。并采用 795×596像素、540TV線以上、30倍一體化彩色攝像機?？捎?100M網(wǎng)卡在局域網(wǎng)內進行有線聯(lián)網(wǎng),或用 54k無線路由器進行無線聯(lián)網(wǎng)。

1.3.4 VGA與 V ideo信號的記錄 該系統(tǒng)在轉播VGA信號與 V ideo信號的同時,也可對傳輸?shù)男盘栠M行記錄,作為今后編制多媒體課件的素材。如V ideo信號可在DV攝像機拍攝的同時直接進行錄像,鏡下轉播的圖像與視頻可通過成像軟件進行捕獲,VGA信號可用VGA高清采集卡或VGA錄像機進行記錄,再經(jīng)非線性編輯軟件處理,制作成各種格式的多媒體課件。

2 實時交互式轉播系統(tǒng)的功能與應用

2.1 實時交互式轉播系統(tǒng)的功能

2.1.1 顯微成像的轉播 該系統(tǒng)能將顯微鏡成像實時轉播到多媒體會議室的投影屏幕上,因此可以解決位于無菌層流室內的顯微成像儀器設備操作使用的示教培訓以及學術交流、技術演示、產(chǎn)品介紹等需求。

2.1.2 操作過程的轉播 該系統(tǒng)能在觀看顯微鏡成像的同時,還可看到儀器設備操作的每個步驟與細節(jié),達到身臨其境的效果。

2.1.3 互動式交流對話 在觀察顯微鏡成像與操作過程中,可以進行即時對話、交流,開展交互式學習,遇到問題能得到及時解答,并可隨時根據(jù)學生的要求或提問重復重點內容與操作方法,實現(xiàn)教與學的真正互動。

2.1.4 資源利用與共享 該系統(tǒng)能在有限設備與實驗條件下,開展大班教學,充分節(jié)約實驗成本,使儀器設備資源得到有效利用與共享。

2.2 實時交互式轉播系統(tǒng)的應用

實時交互式轉播系統(tǒng)可用于醫(yī)學實驗教學的各個領域,尤其是細胞生物學實驗。例如:各種顯微鏡觀察方法的教學與演示,細胞學、組織病理學讀片與示教,細胞培養(yǎng)技術、顯微操作技術、活細胞培養(yǎng)技術、電穿電融技術等的教學、培訓及技術交流。該系統(tǒng)在實際使用中取得了滿意的效果,其視頻與音響質量均達到了預期的設計要求。

2.2.1 顯微觀察方法的教學與演示 顯微鏡除了常用的明場觀察法外,還有暗場、相差、浮雕、微分干涉相差、熒光、倒置等觀察法。在進行特殊顯微鏡觀察與使用方法的教學中,我們應用實時交互式轉播系統(tǒng),學生不必進入無菌層流室就可看到教師的每個操作步驟,同時還能觀察到顯微鏡下成像的每個細節(jié),并可進行現(xiàn)場即問即答,教師可按學生的需要隨時選擇、調整或重復授課內容。提高了學生的學習積極性、主動性與參與性,使學生仿佛身臨其境,從而取得了生動、直觀的教學效果,加深了對實驗操作過程的認識與理解。

2.2.2 細胞培養(yǎng)技術的教學與演示 組織細胞培養(yǎng)要求在無菌層流室內進行,操作時須限制人數(shù),并盡量減少人員進出。因此,可利用實時交互式轉播系統(tǒng)來實現(xiàn)實驗教學的目的。比如:在學習細胞計數(shù)方法時,學生可以一邊觀察顯微鏡下細胞計數(shù)板上的網(wǎng)格,一邊觀察教師的操作,同時跟著教師一起進行細胞計數(shù),這樣可以迅速掌握調節(jié)細胞濃度的方法。在進行細胞傳代時,許多初學學生都覺得很難把握酶消化的時間和程度,而通過顯微互動式視頻教學,可以將貼壁細胞經(jīng)酶消化后的形態(tài)變化特點,直觀地教授給學生,這樣學生可以迅速領會要點,加深對實驗結果的認識。

2.2.3 顯微操作技術的教學與演示 顯微操作是一項技術性強,對環(huán)境要求較高的細胞生物學實驗研究手段,實驗必須在無菌凈化室內進行,并盡量減少人員走動,通常在防震臺上進行操作。在顯微操作技術的教學與培訓中,利用實時交互式轉播系統(tǒng),學生可以在教師的引導下,觀察顯微操作針在鏡下移動時的成像變化特點,學會如何迅速找到針尖,并判斷針尖的位置與高度。在學習細胞內注射技術時,可在教師的指導下,根據(jù)注射針在不同位置的成像特點,學會如何掌握進針位置與深度。

2.2.4 活細胞成像技術的培訓、教學與演示 活細胞成像系統(tǒng)為進口的高檔貴重儀器設備,一般由專人負責操作管理,由于在使用顯微鏡對細胞進行觀察的同時,還需要對細胞作長時間連續(xù)培養(yǎng),因此對運行環(huán)境要求較高,通常無法對多人同時進行現(xiàn)場培訓。利用實時交互式轉播系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)“一對一”的培訓和技術交流,而且還可節(jié)約實驗費用,降低培訓成本,提高教學效果。通過一邊觀看實驗室顯示器視頻與操作視頻,一邊進行互動式提問與解答,能夠迅速掌握活細胞成像系統(tǒng)的原理、儀器的操作以及 InV ivo控制軟件的使用與參數(shù)設置。

3 討論

在細胞生物學領域,許多實驗研究對環(huán)境要求較高,一些大型貴重儀器設備,都工作在無菌層流室內,且人員流動相對較少的環(huán)境,需要經(jīng)過專門訓練的專業(yè)技術人員才能上機。所以,在這種情況下如何解決實驗技術的培訓、演示以及技術交流等問題,是本系統(tǒng)建立的最初目的。而在實際使用中要求具有良好的互動性、交互性,最大限度地發(fā)揮該系統(tǒng)的使用效果。我們設計安裝的這套實時交互式轉播系統(tǒng),由于多媒體會議室與細胞生物學實驗室在同一樓層,相距不是很遠,所以音頻、視頻采用 VGA與AV方式進行有線傳輸,監(jiān)控部分通過內部網(wǎng)絡經(jīng)無線或有線連接,整個系統(tǒng)經(jīng)使用效果良好,圖像清晰,聲音均衡無嘯叫,接線經(jīng)良好屏蔽與合理布線,信號未出現(xiàn)干擾。

該實時交互式轉播系統(tǒng)用于細胞生物學實驗教學,能直觀地顯示實驗過程與結果,使學生能夠學習掌握因某些條件限制而難以開展的一些實驗研究技術,加深對實驗結果和意義的認識與理解,從而幫助學生提高實驗操作能力,更加全面地掌握專業(yè)知識。同時將示教、講解、觀察、問答、討論、監(jiān)督和測試等環(huán)節(jié)有機地結合起來,教學中不再是教師單調地教,學生被動地學,而是教師起主導作用,學生積極參與教學,真正實現(xiàn)了師生互動,密切配合。這樣學生的能力得到了培養(yǎng),學生在主動參與的過程中提高了學習興趣,從枯燥乏味的傳統(tǒng)學習中解脫出來,對于提高細胞生物學實驗教學質量具有重要作用。

綜上所述,該實時交互式轉播系統(tǒng)實現(xiàn)了細胞生物學技術學習、培訓的多媒體互動教學模式,尤其是對特殊使用環(huán)境下貴重顯微儀器設備的實驗教學,提供了一種切實可行的解決方案。

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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

俞索靜 (1958-),男,浙江寧波人,副研究員,碩士,主要研究方向:骨細胞生物學。