PowerLab生物信号采集系统在医学机能学教学中的应用与体会

王小荣，张玉平，姜 华，杜舒婷，赵小祺，张立民，郭亚雄，冯妞妞，郜思齐，赵自刚

(河北北方学院基础医学院,河北 张家口 075000)

一直以来,实验教学中心作为一种具有科学管理、优良设施、先进教学内容的大型现代化生物医学实验教学平台,是培养应用型医学人才的重要基地。我校病理生理学实验教学中心于2007年被批准为河北省高校实验教学示范中心(建设单位),随后省教育厅逐步加大了建设力度。为了丰富和创新医学机能学实验教学方法,培养符合现代医疗需要的高素质医学人才,教学中心自2015年开始购入PowerLab生物信号采集系统,并应用于医学机能学教学。现回顾总结几年来的使用过程与经验体会,以求进一步扩展PowerLab生物信号采集系统在医学机能学教学的应用范围,全力提高医学人才培养质量。

1 PowerLab生物信号采集系统简介

目前,PowerLab生物信号采集系统广泛应用于药理学、生物化学、心理学、生理学及病理生理学等学科的教学与科研工作,实现了对实验信号的采集与处理［1］。PowerLab生物信号采集系统包括两个重要组成部分及其相关的系统软件,分别是多通道生理信号记录仪、二通道记忆示波器,能够实现多通道生物信号数据的实时采集、记录和分析,能完成所有的经典机能学实验,也能完成创新性、探究性实验,实验操作简洁、方便,实验结果准确、可靠［2］。此外,PowerLab生物信号采集系统还包含多通道信号接口等系统硬件,其输出接口通过USB连接线与计算机主机相接,输入接口则与信号换能器相接,由此形成Power-Lab生物信号采集系统的工作闭环。

PowerLab生物信号采集系统在实验教学中心培养应用型人才方面发挥了重要作用。根据《关于加强医学教育工作提高医学教育质量的若干意见》,夯实应用型人才培养基础,建立新型实验教学管理体制,推进实验教学改革,加强实验技术队伍建设,强化实验教学中心平台功能,将实验教学中心建设成为应用型医学人才的培养基地。由此,揭开了PowerLab生物信号采集系统在医学机能学教学中广泛应用的帷幕。运用诸如PowerLab生物信号采集系统等教学软硬件设备,建立以学生为主体的新型人才培养模式,推进教学方法改革,并促成基础医学与临床医学教学相融合,提高学生终身学习能力、创新能力、批判性思维能力［3］。

2 PowerLab生物信号采集系统在医学机能学实验教学中的应用

目前,我中心已将PowerLab生物信号采集系统广泛应用于医学机能学实验教学中。现以“失血性休克及其抢救”为例,简要说明PowerLab生物信号采集系统的使用方法。

2.1 实验前的准备

连接好PowerLab生物信号采集系统实验装置,将压力传感器与呼吸流量计分别与PowerLab前面板的“输入1”“输入2”接口相连。然后将随主机附带的Chart软件安装在电脑上,以便在操作系统中记录、显示、储存和分析数据。

2.2 系统的设置

(1)新建Chart文件:在电脑桌面打开Chart软件,单击快捷键中的“新建”图标。(2)设定注释:打开“设置”→“预先设定注释”→“添加”(注意选择注释的通道)→输入注释内容。(3)通道设置:打开“设置”→“通道设置”→选择通道1、通道2,关闭其他通道。

2.3 动物实验

(1)家兔称重后,自耳缘静脉注射20%乌拉坦(5 ml/kg.bw),遂对其进行全身麻醉,并在麻醉后将家兔置于实验台上,仰卧位固定。(2)对家兔实施颈部兔毛剪除,沿其软骨下缘线正中位置纵切口,切口长度控制在6 cm左右。利用止血钳钝性特征实现家兔左侧颈总动脉、气管与右侧颈浅静脉进行分离,该过程中在气管上做切口,切口呈“T”型,而后插入气管插线,并用棉线进行结扎、保持固定。连接PowerLab生物信号采集系统与换能器,对家兔呼吸情况进行监测,描记呼吸曲线。(3)家兔耳缘静脉注射肝素抗凝,然后对家兔颈总动脉远心端用丝线结扎,近心端则用动脉夹夹闭,对插入枸橼酸钠的动脉套管也同样进行结扎、保持固定。套管一端连于压力换能器,利用PowerLab生物信号采集系统监测家兔血压情况,得到血压曲线,套管另一端则放血备用。

2.4 实验记录开始/停止

(1)实验时单击Chart窗口(界面)右下方的“开始”按钮,开始记录,即可以对家兔的动脉血压、平均动脉压、心率、呼吸曲线进行实时观察;当完成实验时,点击“停止”按钮即可。(2)调整采样速率和灵敏度:在Chart窗口右上角调整采样速率和灵敏度,使记录的图像幅度间距适中。

2.5 复制失血性休克模型

连接家兔颈总动脉套管的放血端与注射器,颈总动脉血液流入注射器进行放血操作,观测PowerLab生物信号采集系统,当血压降至40 mmHg时,对注射器内进行调节,保持家兔血压维持稳定,保持20 min。此时对注射器内的血量进行观察,对该失血期内的家兔各项生理指标进行监测和记录。

2.6 抢救

分不同治疗组进行抢救:对一组家兔实施“失血量0.5倍的生理盐水+失血全血+失血量1.5倍的生理盐水”的处理;二组家兔实施“失血量等量的生理盐水+失血全血+去甲肾上腺素(0.75 mg/kg.bw)”的处理;三组家兔实施“2倍失血量生理盐水+失血全血+654-2(1 mg/kg.bw)”的处理;四组家兔实施“失血全血治疗”。对4组家兔的处理完成后,对各组家兔的生理指标进行监测和记录,对家兔的失血抢救效果进行对比分析和评价。

2.7 数据分析与输出

数据全部记录完成后,首先选择“文件”菜单中的“保存”命令保存数据文件,防止操作中发生意外丢失数据。(1)如果需要数据图形粘贴到Ward等文档中,首先选择需要的数据图形,然后点击“工具栏”中的数据板按钮,将数据显示在放大窗口中。选择“编辑”菜单中的“复制Zoom窗口”命令,这样放大窗口的数据图形就可以以图像形式粘贴到Ward等文档中。(2)获得实验数值:首先关闭放大窗口,然后选择需要分析的数据段,之后单击“命令”→“加到数据板”;然后,选择“工具栏中”的数据板按钮打开数据板,这样就可以看到详细的数值。

3 经验与体会

3.1 实现传统生物信号采集系统的功能

PowerLab生物信号采集系统在机能学实验中的应用经过ADInstruments公司20多年的发展已经非常成熟,迄今为止,几乎完全取代了传统的笔试二道记录仪,实现了传统的信号采集与处理功能。在机能学实验中除了可以进行血压、呼吸、血流动力学实验外,还可开展神经放电、心电、脑电、肌电、心肌动作电位、心电图等电生理学实验,亦可用于离体血管条、淋巴管条、肠段、乳头肌收缩等实验以及离体器官(Langendorff工作心脏)灌流实验［4］。另外我们还结合教师的科学研究让不同专业学生自行设计探究性实验。

3.2 显现新的优势

PowerLab生物信号采集系统除了具有传统的信号采集与处理功能,还显示了新的优势。PowerLab系统具备全面和易用的特点,在科学杂志中拥有超高引用率,并且受到机能实验教学和其他组合式教学项目的青睐。在研究领域中,多功能PowerLab数据采集系统和LabChart软件与不同功能的放大器、仪器和专用分析软件进行定制组合,几乎适用于任何生命科学研究。LabChart具备前沿科学研究所需的显示和分析功能,可通过合适的生物信号、在线计算以及实时图表,将不可见的对象视觉化,然后随着研究的深入得出结果。

3.3 促进了实验教学中心建设

基础设施建设对实验教学中心来说起到了关键的基础性作用,是充分发挥实验教学中心功能的前提,也是应用型医学人才培养的基础。PowerLab生物信号采集系统,在应用于医学机能学实验教学的同时,也促进了实验教学中心建设。通过加强实验设备维护,加强实验技术人员技术培训,为医学人才培养夯实了设施基础,让学生有充分的展示空间,使实验教学中心逐步发展为集教学、科研等多功能为一体的医学人才培养基地。

3.4 培养学生综合能力

3.4.1 培养学生实践能力 实验教学最终目的是提高学生的实践能力,提升学生的技能技术水平。随着PowerLab生物信号采集系统的使用,不仅满足了常规教学需求,而且培养了学生的实践能力。以“家兔失血性休克及其抢救”实验为例,通过学生自己动手称重、麻醉、固定、备皮、手术(气管、颈浅静脉、颈总动脉的分离与插管),观察正常指标以及失血性休克各期生理学指标的变化,探究失血性休克的发生机制与抢救机理,基于PowerLab生物信号采集系统的稳定性及强大的分析功能,学生在实验中利用PowerLab生物信号采集系统进行实验指标的观察、记录以及结果的分析,从而能够解决、探索实验中的具体问题,独立完成实验。学生成为实验的主体,增加了学习兴趣,动手能力明显增强,获得良好教学效果。

3.4.2 拓宽学生视野 PowerLab系统在实验教学中的应用,使学生有机会接触到相对前沿的仪器设备,有助于对经典的验证性实验进行优化和完善,比如实验思路、观察步骤、指标等环节,通过优化经典验证性实验打牢学生的基础,拓宽学生视野,确保学生全面掌握病理生理学实验内容。PowerLab系统在实验教学中的应用,为学生提供了多元化的研究平台和机遇［5］,增加了实验教学人员、青年科研人员与学生之间的交流,在日常实验教学中能让学生对科研内容有所涉及。在指导教师的精心准备和耐心指导下,学生利用节假日参与医学课题研究,拓宽学生眼界,使学生的主体性得到充分发挥,从而提高学生参与科研的积极性,使学生在学术研究方面有所突破。

3.4.3 培养学生科研思维 基于PowerLab生物信号采集系统强大的显示和分析功能,在不断推进验证性实验向综合性实验转变的同时,扩大了探究性、创新性实验范围,有助于学生由教学实验逐步向科研实验项目过渡,为学生参与科研项目提供支持,让学生有机会较早地参与科学研究,使其既具备较好的实践能力,又具备初步的科研能力,培养了科研思维与创新精神。目前,由实验教学中心教师指导的项目有多项为国家级、省级、校级大学生创新创业训练计划项目,他们完成的学术论文获多项“挑战杯”河北省大学生课外学术科技作品竞赛奖。

4 小结与展望

总之,通过引进PowerLab生物信号采集系统,使医学机能实验学更大程度地发挥了实践教学的优势,提高了学生的实践能力,拓宽了他们的视野,培养了他们的科研思维,提高了其科学研究能力,对于培养具有实践能力、创新思维的高素质医学人才发挥了积极作用。实验教学中心在应用型医学人才培养中的重要性日益突显,今后,要充分依托实验教学中心,发挥其先进仪器设备的优势,为学生搭建平台,由学生自主选择,充分调动学生积极性,引导学生向深层次医学领域探索,不断扩大学生自主设计实验的范畴和种类,既满足学生的学习需求,又能发挥学生的主观能动性,不断提高学生的综合能力。同时,随着信息技术与医学教育的高度融合［6］,我们要进一步开发Power-Lab生物信号采集系统的功能,开设虚拟仿真实验项目,实现该系统与虚拟仿真的紧密结合,促进实验教学中心的建设,提高医学人才培养质量。