PowerLab生物信號采集系統在醫學機能學教學中的應用與體會

王小榮，張玉平，姜 華，杜舒婷，趙小祺，張立民，郭亞雄，馮妞妞，郜思齊，趙自剛

(河北北方學院基礎醫學院,河北 張家口 075000)

一直以來,實驗教學中心作為一種具有科學管理、優良設施、先進教學內容的大型現代化生物醫學實驗教學平臺,是培養應用型醫學人才的重要基地。我校病理生理學實驗教學中心于2007年被批準為河北省高校實驗教學示范中心(建設單位),隨后省教育廳逐步加大了建設力度。為了豐富和創新醫學機能學實驗教學方法,培養符合現代醫療需要的高素質醫學人才,教學中心自2015年開始購入PowerLab生物信號采集系統,并應用于醫學機能學教學。現回顧總結幾年來的使用過程與經驗體會,以求進一步擴展PowerLab生物信號采集系統在醫學機能學教學的應用范圍,全力提高醫學人才培養質量。

1 PowerLab生物信號采集系統簡介

目前,PowerLab生物信號采集系統廣泛應用于藥理學、生物化學、心理學、生理學及病理生理學等學科的教學與科研工作,實現了對實驗信號的采集與處理［1］。PowerLab生物信號采集系統包括兩個重要組成部分及其相關的系統軟件,分別是多通道生理信號記錄儀、二通道記憶示波器,能夠實現多通道生物信號數據的實時采集、記錄和分析,能完成所有的經典機能學實驗,也能完成創新性、探究性實驗,實驗操作簡潔、方便,實驗結果準確、可靠［2］。此外,PowerLab生物信號采集系統還包含多通道信號接口等系統硬件,其輸出接口通過USB連接線與計算機主機相接,輸入接口則與信號換能器相接,由此形成Power-Lab生物信號采集系統的工作閉環。

PowerLab生物信號采集系統在實驗教學中心培養應用型人才方面發揮了重要作用。根據《關于加強醫學教育工作提高醫學教育質量的若干意見》,夯實應用型人才培養基礎,建立新型實驗教學管理體制,推進實驗教學改革,加強實驗技術隊伍建設,強化實驗教學中心平臺功能,將實驗教學中心建設成為應用型醫學人才的培養基地。由此,揭開了PowerLab生物信號采集系統在醫學機能學教學中廣泛應用的帷幕。運用諸如PowerLab生物信號采集系統等教學軟硬件設備,建立以學生為主體的新型人才培養模式,推進教學方法改革,并促成基礎醫學與臨床醫學教學相融合,提高學生終身學習能力、創新能力、批判性思維能力［3］。

2 PowerLab生物信號采集系統在醫學機能學實驗教學中的應用

目前,我中心已將PowerLab生物信號采集系統廣泛應用于醫學機能學實驗教學中。現以“失血性休克及其搶救”為例,簡要說明PowerLab生物信號采集系統的使用方法。

2.1 實驗前的準備

連接好PowerLab生物信號采集系統實驗裝置,將壓力傳感器與呼吸流量計分別與PowerLab前面板的“輸入1”“輸入2”接口相連。然后將隨主機附帶的Chart軟件安裝在電腦上,以便在操作系統中記錄、顯示、儲存和分析數據。

2.2 系統的設置

(1)新建Chart文件:在電腦桌面打開Chart軟件,單擊快捷鍵中的“新建”圖標。(2)設定注釋:打開“設置”→“預先設定注釋”→“添加”(注意選擇注釋的通道)→輸入注釋內容。(3)通道設置:打開“設置”→“通道設置”→選擇通道1、通道2,關閉其他通道。

2.3 動物實驗

(1)家兔稱重后,自耳緣靜脈注射20%烏拉坦(5 ml/kg.bw),遂對其進行全身麻醉,并在麻醉后將家兔置于實驗臺上,仰臥位固定。(2)對家兔實施頸部兔毛剪除,沿其軟骨下緣線正中位置縱切口,切口長度控制在6 cm左右。利用止血鉗鈍性特征實現家兔左側頸總動脈、氣管與右側頸淺靜脈進行分離,該過程中在氣管上做切口,切口呈“T”型,而后插入氣管插線,并用棉線進行結扎、保持固定。連接PowerLab生物信號采集系統與換能器,對家兔呼吸情況進行監測,描記呼吸曲線。(3)家兔耳緣靜脈注射肝素抗凝,然后對家兔頸總動脈遠心端用絲線結扎,近心端則用動脈夾夾閉,對插入枸櫞酸鈉的動脈套管也同樣進行結扎、保持固定。套管一端連于壓力換能器,利用PowerLab生物信號采集系統監測家兔血壓情況,得到血壓曲線,套管另一端則放血備用。

2.4 實驗記錄開始/停止

(1)實驗時單擊Chart窗口(界面)右下方的“開始”按鈕,開始記錄,即可以對家兔的動脈血壓、平均動脈壓、心率、呼吸曲線進行實時觀察;當完成實驗時,點擊“停止”按鈕即可。(2)調整采樣速率和靈敏度:在Chart窗口右上角調整采樣速率和靈敏度,使記錄的圖像幅度間距適中。

2.5 復制失血性休克模型

連接家兔頸總動脈套管的放血端與注射器,頸總動脈血液流入注射器進行放血操作,觀測PowerLab生物信號采集系統,當血壓降至40 mmHg時,對注射器內進行調節,保持家兔血壓維持穩定,保持20 min。此時對注射器內的血量進行觀察,對該失血期內的家兔各項生理指標進行監測和記錄。

2.6 搶救

分不同治療組進行搶救:對一組家兔實施“失血量0.5倍的生理鹽水+失血全血+失血量1.5倍的生理鹽水”的處理;二組家兔實施“失血量等量的生理鹽水+失血全血+去甲腎上腺素(0.75 mg/kg.bw)”的處理;三組家兔實施“2倍失血量生理鹽水+失血全血+654-2(1 mg/kg.bw)”的處理;四組家兔實施“失血全血治療”。對4組家兔的處理完成后,對各組家兔的生理指標進行監測和記錄,對家兔的失血搶救效果進行對比分析和評價。

2.7 數據分析與輸出

數據全部記錄完成后,首先選擇“文件”菜單中的“保存”命令保存數據文件,防止操作中發生意外丟失數據。(1)如果需要數據圖形粘貼到Ward等文檔中,首先選擇需要的數據圖形,然后點擊“工具欄”中的數據板按鈕,將數據顯示在放大窗口中。選擇“編輯”菜單中的“復制Zoom窗口”命令,這樣放大窗口的數據圖形就可以以圖像形式粘貼到Ward等文檔中。(2)獲得實驗數值:首先關閉放大窗口,然后選擇需要分析的數據段,之后單擊“命令”→“加到數據板”;然后,選擇“工具欄中”的數據板按鈕打開數據板,這樣就可以看到詳細的數值。

3 經驗與體會

3.1 實現傳統生物信號采集系統的功能

PowerLab生物信號采集系統在機能學實驗中的應用經過ADInstruments公司20多年的發展已經非常成熟,迄今為止,幾乎完全取代了傳統的筆試二道記錄儀,實現了傳統的信號采集與處理功能。在機能學實驗中除了可以進行血壓、呼吸、血流動力學實驗外,還可開展神經放電、心電、腦電、肌電、心肌動作電位、心電圖等電生理學實驗,亦可用于離體血管條、淋巴管條、腸段、乳頭肌收縮等實驗以及離體器官(Langendorff工作心臟)灌流實驗［4］。另外我們還結合教師的科學研究讓不同專業學生自行設計探究性實驗。

3.2 顯現新的優勢

PowerLab生物信號采集系統除了具有傳統的信號采集與處理功能,還顯示了新的優勢。PowerLab系統具備全面和易用的特點,在科學雜志中擁有超高引用率,并且受到機能實驗教學和其他組合式教學項目的青睞。在研究領域中,多功能PowerLab數據采集系統和LabChart軟件與不同功能的放大器、儀器和專用分析軟件進行定制組合,幾乎適用于任何生命科學研究。LabChart具備前沿科學研究所需的顯示和分析功能,可通過合適的生物信號、在線計算以及實時圖表,將不可見的對象視覺化,然后隨著研究的深入得出結果。

3.3 促進了實驗教學中心建設

基礎設施建設對實驗教學中心來說起到了關鍵的基礎性作用,是充分發揮實驗教學中心功能的前提,也是應用型醫學人才培養的基礎。PowerLab生物信號采集系統,在應用于醫學機能學實驗教學的同時,也促進了實驗教學中心建設。通過加強實驗設備維護,加強實驗技術人員技術培訓,為醫學人才培養夯實了設施基礎,讓學生有充分的展示空間,使實驗教學中心逐步發展為集教學、科研等多功能為一體的醫學人才培養基地。

3.4 培養學生綜合能力

3.4.1 培養學生實踐能力 實驗教學最終目的是提高學生的實踐能力,提升學生的技能技術水平。隨著PowerLab生物信號采集系統的使用,不僅滿足了常規教學需求,而且培養了學生的實踐能力。以“家兔失血性休克及其搶救”實驗為例,通過學生自己動手稱重、麻醉、固定、備皮、手術(氣管、頸淺靜脈、頸總動脈的分離與插管),觀察正常指標以及失血性休克各期生理學指標的變化,探究失血性休克的發生機制與搶救機理,基于PowerLab生物信號采集系統的穩定性及強大的分析功能,學生在實驗中利用PowerLab生物信號采集系統進行實驗指標的觀察、記錄以及結果的分析,從而能夠解決、探索實驗中的具體問題,獨立完成實驗。學生成為實驗的主體,增加了學習興趣,動手能力明顯增強,獲得良好教學效果。

3.4.2 拓寬學生視野 PowerLab系統在實驗教學中的應用,使學生有機會接觸到相對前沿的儀器設備,有助于對經典的驗證性實驗進行優化和完善,比如實驗思路、觀察步驟、指標等環節,通過優化經典驗證性實驗打牢學生的基礎,拓寬學生視野,確保學生全面掌握病理生理學實驗內容。PowerLab系統在實驗教學中的應用,為學生提供了多元化的研究平臺和機遇［5］,增加了實驗教學人員、青年科研人員與學生之間的交流,在日常實驗教學中能讓學生對科研內容有所涉及。在指導教師的精心準備和耐心指導下,學生利用節假日參與醫學課題研究,拓寬學生眼界,使學生的主體性得到充分發揮,從而提高學生參與科研的積極性,使學生在學術研究方面有所突破。

3.4.3 培養學生科研思維 基于PowerLab生物信號采集系統強大的顯示和分析功能,在不斷推進驗證性實驗向綜合性實驗轉變的同時,擴大了探究性、創新性實驗范圍,有助于學生由教學實驗逐步向科研實驗項目過渡,為學生參與科研項目提供支持,讓學生有機會較早地參與科學研究,使其既具備較好的實踐能力,又具備初步的科研能力,培養了科研思維與創新精神。目前,由實驗教學中心教師指導的項目有多項為國家級、省級、校級大學生創新創業訓練計劃項目,他們完成的學術論文獲多項“挑戰杯”河北省大學生課外學術科技作品競賽獎。

4 小結與展望

總之,通過引進PowerLab生物信號采集系統,使醫學機能實驗學更大程度地發揮了實踐教學的優勢,提高了學生的實踐能力,拓寬了他們的視野,培養了他們的科研思維,提高了其科學研究能力,對于培養具有實踐能力、創新思維的高素質醫學人才發揮了積極作用。實驗教學中心在應用型醫學人才培養中的重要性日益突顯,今后,要充分依托實驗教學中心,發揮其先進儀器設備的優勢,為學生搭建平臺,由學生自主選擇,充分調動學生積極性,引導學生向深層次醫學領域探索,不斷擴大學生自主設計實驗的范疇和種類,既滿足學生的學習需求,又能發揮學生的主觀能動性,不斷提高學生的綜合能力。同時,隨著信息技術與醫學教育的高度融合［6］,我們要進一步開發Power-Lab生物信號采集系統的功能,開設虛擬仿真實驗項目,實現該系統與虛擬仿真的緊密結合,促進實驗教學中心的建設,提高醫學人才培養質量。