董曉敏 童學(xué)紅 郝 剛*

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在學(xué)生經(jīng)過基礎(chǔ)性和綜合性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后、有了一定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)而開設(shè)的。作為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的重要部分，其目的是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、獨(dú)立解決問題和動手能力，是培養(yǎng)科研素質(zhì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展的新型人才的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備越來越先進(jìn)，在醫(yī)學(xué)機(jī)能學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增添了各種新型儀器設(shè)備。為了使先進(jìn)儀器應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提高醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，本校機(jī)能實(shí)驗(yàn)室通過引入ImpediVET實(shí)驗(yàn)動物體組成測定分析儀開展此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐。開放實(shí)驗(yàn)室教學(xué),該分析儀應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)7年制設(shè)計(jì)性第二課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將科研手段、科學(xué)思維方式和創(chuàng)新意識融入到機(jī)能學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

1 生物阻抗型儀器概述

醫(yī)學(xué)電阻抗(Medical electrical impedance)技術(shù)又稱生物阻抗(Bioimpedance)。生物組織的電阻抗測量的物理學(xué)基礎(chǔ)是歐姆定律，反映了電壓、電流之間的線性關(guān)系[1]。早期研究根據(jù)歐姆定律測得介質(zhì)兩端電壓和流經(jīng)介質(zhì)的電流，便可測得電阻值[2]。深入研究發(fā)現(xiàn)，僅用純電阻特性來描述生物組織缺乏合理性，測出生物組織的電容更加準(zhǔn)確地反映生物組織的電阻抗特性[3]。Cole等[4]報(bào)道，有研究者提出了頻率理論，生物組織的電阻抗特性隨著信號頻率的不同呈現(xiàn)顯著變化。醫(yī)學(xué)電阻抗技術(shù)就是利用了生物組織的這個(gè)電特性以及變化，反映機(jī)體生理和病理狀態(tài)的信息，從而對組織和器官功能狀態(tài)進(jìn)行測量無創(chuàng)性檢測技術(shù)[5-10]。20世紀(jì)由于生物阻抗型儀器的測量條件和技術(shù)受限，研究結(jié)果令人質(zhì)疑。隨著電子技術(shù)、工業(yè)現(xiàn)代化測量技術(shù)和手段的發(fā)展，生物阻抗頻率特性測量技術(shù)隨之發(fā)展。在對生物組織阻抗頻譜測量中，不同的頻率波段有不同的測量方法。通常采用的方法有電橋測量法、雙電極測量法、四電極測量法和四環(huán)電極測量法。雙電極測量法是將幅值恒定的交變電流通過一對電極引入被測生物組織，再通過同一對電極將其兩端的電壓檢測出[11]。四電極測量法包括兩對電極，一對電流電極將恒定幅值的交變電流引入生物組織，另一對電壓電極介于兩電流電極之間，將測量出被測部位的電位差[12]。目前，生物組織的阻抗測量是采用四電極測量法，該技術(shù)適用于較寬頻率范圍。四環(huán)電極測量法由三對測量電極組成，其中一對電流電極，一對電壓電極和一對保護(hù)電極。兩個(gè)電流電極分別與兩個(gè)保護(hù)電極相連，再與一個(gè)恒流電源相接，通過這兩對電極將幅值恒定的交變電流引入生物組織，再通過兩個(gè)電壓電極測量出電位差[13]。四環(huán)電極測量法用于離體生物組織的測量。此外，還有開放端同軸電纜測量技術(shù)對活體組織高頻電特性進(jìn)行測量[14]。

2 在第二課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中生物阻抗型儀器的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)室引入澳大利亞ImpediVET實(shí)驗(yàn)動物體組成測定分析儀，生物阻抗型儀器是基于生物電阻抗頻譜分析法(bioimpedance spectroscopy，BIS)技術(shù)測定體組成及體內(nèi)液狀況較為理想的工具，應(yīng)用于動物研究。該儀器是單通道、四面兩極生物阻抗頻譜儀，該設(shè)備能于1 s內(nèi)在4～1000 kHz的范圍中掃描256個(gè)頻段。該設(shè)備利用復(fù)數(shù)阻抗活體測定體含水量(TBW)、細(xì)胞外液(ECF)、細(xì)胞內(nèi)液(ICF)、除脂肪量(FFM)和脂肪量(FM)。此儀器首次應(yīng)用于第二課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，參加第二課堂實(shí)驗(yàn)學(xué)生是臨床醫(yī)學(xué)7年制本科生，在第二課堂實(shí)驗(yàn)中總結(jié)了生物阻抗型儀器應(yīng)用體會和儀器操作的注意事項(xiàng)。

2.1 儀器應(yīng)用前的統(tǒng)一培訓(xùn)

首次使用此類型儀器開展第二課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)于實(shí)驗(yàn)之前舉辦儀器工程師講座。由工程師講解儀器原理、使用步驟、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)分析、注意事項(xiàng)和儀器保養(yǎng)等內(nèi)容。教師、學(xué)生均應(yīng)積極參加。生物阻抗型儀器是用四電極測量電阻抗特性，準(zhǔn)確放置電極的位置是能否獲得有效數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。因此，培訓(xùn)學(xué)生正確使用儀器、正規(guī)操作能為第二課堂實(shí)驗(yàn)的順利開展打下基礎(chǔ)。

2.2 減少噪音污染

生物阻抗型是生物電特性，通過儀器傳導(dǎo)量化輸出，因此在測試中應(yīng)盡量減少各種背景噪聲污染，提高儀器的測量精度。在實(shí)驗(yàn)操作過程中需注意：①動物機(jī)體應(yīng)該放在絕緣材料上進(jìn)行測試，同時(shí)保持動物機(jī)體皮膚干燥；②測試中避免碰觸動物；③測量過程中使用電池，儀器電源裝置充電狀態(tài)可出現(xiàn)噪音影響測量，污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果；④測量前使用校對器進(jìn)行校準(zhǔn)儀器電極。

2.3 儀器保養(yǎng)及電極固定

(1)實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格按照使用說明操作儀器。生物阻抗型儀器應(yīng)有實(shí)驗(yàn)室教師專人保管，儀器需放置于干燥環(huán)境，避免液體浸入，并安放平穩(wěn)。清潔儀器時(shí)應(yīng)使用干凈紗布擦拭。實(shí)驗(yàn)完畢應(yīng)避免電極導(dǎo)線皺縮、扭曲，避免造成電極與導(dǎo)線的損壞。

(2)在應(yīng)用生物阻抗型儀器實(shí)驗(yàn)時(shí)，電極位置的固定是獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵步驟。該儀器電極為平直電極，在固定到動物體上時(shí)容易滑脫或偏離位置。因此，需要專門設(shè)計(jì)一個(gè)固定電極的電極架，有利于電極固定在皮膚的位置不變。

2.4 實(shí)驗(yàn)間期指導(dǎo)學(xué)生查閱生物阻抗頻譜學(xué)文獻(xiàn)

實(shí)驗(yàn)研究課題是圍繞著生物阻抗頻譜學(xué)的新進(jìn)展、新技術(shù)、新方法而開展，而學(xué)生平時(shí)很少接觸其相關(guān)內(nèi)容。在研究式第二課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)要求學(xué)生根據(jù)研究題目，查閱外文文獻(xiàn)資料并且對重點(diǎn)文獻(xiàn)熟讀吃透。通過在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中讓學(xué)生綜述閱讀文獻(xiàn)，并在課堂上進(jìn)行匯總分析比較，從而加深學(xué)生對生物阻抗頻譜學(xué)科研內(nèi)容的了解。在一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力不強(qiáng)，通過教師指導(dǎo)學(xué)生查閱、搜索文獻(xiàn)、分析所獲取資料，學(xué)會運(yùn)用課堂知識設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

3 結(jié)語

隨著精密測量技術(shù)的不斷發(fā)展，對生物機(jī)體和電特性的測量越來越精確。生物阻抗頻譜學(xué)技術(shù)是一項(xiàng)無創(chuàng)在體測量技術(shù)，對于探索心輸出量、組織血流量、體內(nèi)水分及細(xì)胞內(nèi)外液等機(jī)體電信號具有高精度、可靠性高、功耗低和成本低的特點(diǎn)[15-16]。在第二課堂教學(xué)和開放實(shí)驗(yàn)室中使用該測量技術(shù)獲取數(shù)據(jù)方便、可靠和快捷。第二課堂應(yīng)用生物阻抗型儀器進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐活動，可為設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)，為融合經(jīng)典實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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