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(chǔ)醫(yī)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(yōu)良設(shè)施、先進教學內(nèi)容的大型現(xiàn)代化生物醫(yī)學實驗教學平臺,是培養(yǎng)應(yīng)用型醫(yī)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(shè)單位),隨后省教育廳逐步加大了建設(shè)力度。為了豐富和創(chuàng)新醫(yī)學機能學實驗教學方法,培養(yǎng)符合現(xiàn)代醫(yī)療需要的高素質(zhì)醫(yī)學人才,教學中心自2015年開始購入PowerLab生物信號采集系統(tǒng),并應(yīng)用于醫(yī)學機能學教學。現(xiàn)回顧總結(jié)幾年來的使用過程與經(jīng)驗體會,以求進一步擴展PowerLab生物信號采集系統(tǒng)在醫(yī)學機能學教學的應(yīng)用范圍,全力提高醫(yī)學人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 PowerLab生物信號采集系統(tǒng)簡介

目前,PowerLab生物信號采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)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(xiàn)了對實驗信號的采集與處理［1］。PowerLab生物信號采集系統(tǒng)包括兩個重要組成部分及其相關(guān)的系統(tǒng)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?qū)崿F(xiàn)多通道生物信號數(shù)據(jù)的實時采集、記錄和分析,能完成所有的經(jīng)典機能學實驗,也能完成創(chuàng)新性、探究性實驗,實驗操作簡潔、方便,實驗結(jié)果準確、可靠［2］。此外,PowerLab生物信號采集系統(tǒng)還包含多通道信號接口等系統(tǒng)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(tǒng)的工作閉環(huán)。

PowerLab生物信號采集系統(tǒng)在實驗教學中心培養(yǎng)應(yīng)用型人才方面發(fā)揮了重要作用。根據(jù)《關(guān)于加強醫(yī)學教育工作提高醫(yī)學教育質(zhì)量的若干意見》,夯實應(yīng)用型人才培養(yǎng)基礎(chǔ),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(shù)隊伍建設(shè),強化實驗教學中心平臺功能,將實驗教學中心建設(shè)成為應(yīng)用型醫(yī)學人才的培養(yǎng)基地。由此,揭開了PowerLab生物信號采集系統(tǒng)在醫(yī)學機能學教學中廣泛應(yīng)用的帷幕。運用諸如PowerLab生物信號采集系統(tǒng)等教學軟硬件設(shè)備,建立以學生為主體的新型人才培養(yǎng)模式,推進教學方法改革,并促成基礎(chǔ)醫(yī)學與臨床醫(yī)學教學相融合,提高學生終身學習能力、創(chuàng)新能力、批判性思維能力［3］。

2 PowerLab生物信號采集系統(tǒng)在醫(yī)學機能學實驗教學中的應(yīng)用

目前,我中心已將PowerLab生物信號采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學機能學實驗教學中。現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中記錄、顯示、儲存和分析數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)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(shè)定注釋:打開“設(shè)置”→“預(yù)先設(shè)定注釋”→“添加”(注意選擇注釋的通道)→輸入注釋內(nèi)容。(3)通道設(shè)置:打開“設(shè)置”→“通道設(shè)置”→選擇通道1、通道2,關(guān)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(xiàn)家兔左側(cè)頸總動脈、氣管與右側(cè)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(jié)扎、保持固定。連接PowerLab生物信號采集系統(tǒng)與換能器,對家兔呼吸情況進行監(jiān)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(jié)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(jié)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(tǒng)監(jiān)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(diào)整采樣速率和靈敏度:在Chart窗口右上角調(diào)整采樣速率和靈敏度,使記錄的圖像幅度間距適中。

2.5 復(fù)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(tǒng),當血壓降至40 mmHg時,對注射器內(nèi)進行調(diào)節(jié),保持家兔血壓維持穩(wěn)定,保持20 min。此時對注射器內(nèi)的血量進行觀察,對該失血期內(nèi)的家兔各項生理指標進行監(jiān)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(jiān)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(shù)據(jù)分析與輸出

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

3 經(jīng)驗與體會

3.1 實現(xiàn)傳統(tǒng)生物信號采集系統(tǒng)的功能

PowerLab生物信號采集系統(tǒng)在機能學實驗中的應(yīng)用經(jīng)過ADInstruments公司20多年的發(fā)展已經(jīng)非常成熟,迄今為止,幾乎完全取代了傳統(tǒng)的筆試二道記錄儀,實現(xiàn)了傳統(tǒng)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(jīng)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(jié)合教師的科學研究讓不同專業(yè)學生自行設(shè)計探究性實驗。

3.2 顯現(xiàn)新的優(yōu)勢

PowerLab生物信號采集系統(tǒng)除了具有傳統(tǒng)的信號采集與處理功能,還顯示了新的優(yōu)勢。PowerLab系統(tǒng)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(lǐng)域中,多功能PowerLab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(jié)果。

3.3 促進了實驗教學中心建設(shè)

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對實驗教學中心來說起到了關(guān)鍵的基礎(chǔ)性作用,是充分發(fā)揮實驗教學中心功能的前提,也是應(yīng)用型醫(yī)學人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)。PowerLab生物信號采集系統(tǒng),在應(yīng)用于醫(yī)學機能學實驗教學的同時,也促進了實驗教學中心建設(shè)。通過加強實驗設(shè)備維護,加強實驗技術(shù)人員技術(shù)培訓,為醫(yī)學人才培養(yǎng)夯實了設(shè)施基礎(chǔ),讓學生有充分的展示空間,使實驗教學中心逐步發(fā)展為集教學、科研等多功能為一體的醫(yī)學人才培養(yǎng)基地。

3.4 培養(yǎng)學生綜合能力

3.4.1 培養(yǎng)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(shù)水平。隨著PowerLab生物信號采集系統(tǒng)的使用,不僅滿足了常規(guī)教學需求,而且培養(yǎng)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(shù)(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(fā)生機制與搶救機理,基于PowerLab生物信號采集系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)進行實驗指標的觀察、記錄以及結(jié)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(tǒng)在實驗教學中的應(yīng)用,使學生有機會接觸到相對前沿的儀器設(shè)備,有助于對經(jīng)典的驗證性實驗進行優(yōu)化和完善,比如實驗思路、觀察步驟、指標等環(huán)節(jié),通過優(yōu)化經(jīng)典驗證性實驗打牢學生的基礎(chǔ),拓寬學生視野,確保學生全面掌握病理生理學實驗內(nèi)容。PowerLab系統(tǒng)在實驗教學中的應(yīng)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(nèi)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(jié)假日參與醫(yī)學課題研究,拓寬學生眼界,使學生的主體性得到充分發(fā)揮,從而提高學生參與科研的積極性,使學生在學術(shù)研究方面有所突破。

3.4.3 培養(yǎng)學生科研思維 基于PowerLab生物信號采集系統(tǒng)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(zhuǎn)變的同時,擴大了探究性、創(chuàng)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(yǎng)了科研思維與創(chuàng)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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目,他們完成的學術(shù)論文獲多項“挑戰(zhàn)杯”河北省大學生課外學術(shù)科技作品競賽獎。

4 小結(jié)與展望

總之,通過引進PowerLab生物信號采集系統(tǒng),使醫(yī)學機能實驗學更大程度地發(fā)揮了實踐教學的優(yōu)勢,提高了學生的實踐能力,拓寬了他們的視野,培養(yǎng)了他們的科研思維,提高了其科學研究能力,對于培養(yǎng)具有實踐能力、創(chuàng)新思維的高素質(zhì)醫(yī)學人才發(fā)揮了積極作用。實驗教學中心在應(yīng)用型醫(yī)學人才培養(yǎng)中的重要性日益突顯,今后,要充分依托實驗教學中心,發(fā)揮其先進儀器設(shè)備的優(yōu)勢,為學生搭建平臺,由學生自主選擇,充分調(diào)動學生積極性,引導學生向深層次醫(yī)學領(lǐng)域探索,不斷擴大學生自主設(shè)計實驗的范疇和種類,既滿足學生的學習需求,又能發(fā)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(shù)與醫(yī)學教育的高度融合［6］,我們要進一步開發(fā)Power-Lab生物信號采集系統(tǒng)的功能,開設(shè)虛擬仿真實驗項目,實現(xiàn)該系統(tǒng)與虛擬仿真的緊密結(jié)合,促進實驗教學中心的建設(shè),提高醫(yī)學人才培養(yǎng)質(zhì)量。