测量心率的仪器 [使用运动心率传感器测量锻炼对心率的影响]

　　摘要　近年来，随着中学生物课标的不断改革，国家和社会对学生的要求日益增高，传统的教学方式与教学设备已不能很好地与之适应。与此同时，在生物科学、信息科学和材料科学发展的推动下，生物传感器技术飞速发展。因此，为了更切合新课标的要求，笔者以一个中学实验作为案例，简述新兴产品传感器在中学实验中的应用，并希望传感器可以在中学实验得到广泛的应用，发挥它更多的用处，为中学实验教学带来新的契机。
　　关键词　传感器　锻炼　心率
　　中图分类号　G633.91
　　文献标识码　B
　　文件编号：1003－7586(2011)07－0041－03
　　
　　人教版必修课程七年级生物(下)“活动与脉搏的关系”这一实验中，采用血压计和脉搏仪测量学生在运动后血压和脉搏的变化。由于要进行两项测试，实验过程的操作过于繁琐，也不能检测到学生运动过程中脉搏的变化，使得实验的实施和实验的效果有一定的局限性。根据新课标的要求，实验课既要培养学生的探究能力，又要加深学生对知识的掌握度，实验操作要简单、高效。脉搏的跳动与心率息息相关，测量脉搏的跳动实际上是测人的心率，为了让学生更好地理解脉搏跳动的实质，将“活动与脉搏的关系”改为“锻炼对心率的影响”，让学生实验操作的同时加深对脉搏与心率的理解，也明白了锻炼对身体的重要性，从而实现了知识、能力和情感的统一。笔者采用最新引进的PPASPORT传感器中的运动心率传感器，全程记录学生在运动过程中心率的变化，实验结果更直观，操作更方便，学生能更深刻地理解和掌握知识，取得更佳的教学效果。
　　
　　1　探究背景
　　
　　1.1传感器
　　
　　生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术，各种生物传感器都有以下共同特点：包含一种或多种生物活性材料及能把生物活性表达的信号转化为电信号的物理或化学传感器，两者结合在一起，用现代化微电子的自动化仪表技术进行生物信号再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。
　　其工作原理是待测物质被生物活性材料的分子识别，发生生物学反应，产生相应的信息被物理或化学的换能转换器转变成可定量或可处理的电信号，并经第二个仪表再次输出并放大。与传统仪器相比，传感器具有高灵敏度、高特异性、数据精准的优势。
　　
　　1.2测量背景
　　在一系列的医学事件中，医者常常通过探测患者的脉搏来确定心脏是否仍然能将血液输送至全身。运动心率传感器的作用是探测脉搏的跳动，将物理量转化为数字信号，并传送至数据采集器接口，进行实验，数据的记录和分析。可根据显示的数据确定实验者的血液循环系统以及自身的身体状态。
　　
　　1.3知识背景
　　心脏这个强有力的肌肉系统将血液(包含氧气、营养物质、激素和抗体)通过循环系统和呼吸系统送达全身来维持生命。另外，血液也能将产生的废物运送到肾脏然后排泄掉。了解锻炼对心率的影响对学生将来保持自身的健康有着举足轻重的作用。
　　心脏位于胸腔的中央，位于胸骨和两片肺中间，形状近似为锥形。心脏重约300g，由3层组成，分别为心外膜、心肌、心内膜。心脏被连接着的心瓣分为四个部分、两个心房和两个心室。心脏收缩(心跳)的一个周期中，分为两个阶段：①心室舒张的时候，心脏充满了血液；②心室收缩时，血液由心室流向动脉。因此，可以通过测定动脉的脉搏跳动来测定心率。
　　
　　
　　2　问题预测
　　
　　(1)锻炼时心率会有怎么样的变化?
　　(2)当锻炼程度增加时心率会有怎样的变化?为什么?
　　(3)静止时的心率与休息后的心率有何不同?
　　(4)开始走路时的心率与走路结束时的心率有何区别?为什么?
　　(5)在各阶段运动过程中，心率是否保持稳定?
　　(6)脉搏速率的恢复时间是多少?
　　
　　3　实验设备和材料
　　
　　带USB接口的计算机，数据采集器，数据心率传感器，DataStudio软件，秒表，棉签，盐水。
　　
　　4　实验步骤
　　
　　4.1学生准备
　　将全部学生分组，四人一组，一名学生完成实验过程，第二名学生辅助第一名学生实验(拿采集器)，第三名学生负责完成实验问答，第四名学生控制计算机。
　　
　　4.2设备安装
　　将运动心率传感器与数据采集器连接。
　　将运动心率传感器的三条探头分别贴在手臂的动脉血管处。为了让探头与人体更好地接触，可在粘贴前将电极用盐溶液打湿。由于剧烈运动可能会导致探头的脱落，笔者在实验时采取了用透明胶轻轻将探头固定在皮肤上的措施。
　　打开数据采集器，实验者原地踏步，每分钟心率(BRM)将得到显示。
　　
　　4.3记录数据
　　实验者原地站立，记录者点击采集器上的开始按钮，记录数据，时间为1min，此时为静息时的心率。
　　1min休息后，实验者开始以稳定的速度步行4min。
　　步行4min后，奔跑1min。
　　1min后慢慢减速，以一个稳定的速度步行。
　　步行4min后休息。
　　继续休息直到心率恢复到实验开始时(原地站立)的水平，按数据采集器上的开始按钮来停止数据的采集。从锻炼到恢复休息时的心率时间是脉搏速率恢复的时间。锻炼间隔与完成时间见表1。
　　将采集器与电脑连接。
　　
　　4.4Datastudio软件的使用
　　(1)打开DataStudio软件，单击“恢复数据”。
　　(2)采集器里的数据都在图表内显示，若多于一个数据显示，则点击“Data”按钮来找到图表显示，选择“无数据”来隐藏所有数据，然后选择所需要运行的文件。
　　(3)用注释工具“A”来注释下列心率数据：静息，开始走路，开始奔跑，停止奔跑，停止走路，返回到开始休息时的心率。
　　(4)对于每一阶段运动，选择直线上具有代表性的一小部分数据，点击“Fit”按钮，选择直线拟合，其斜率则是平均心率的最适直线。
　　(5)记录锻炼各阶段的心率，得到表2和图1。
　　
　　4.5数据计算
　　计算锻炼心率的范围，方法如下：用220减去实验者的年龄，这是心率最大值，然后用下面的公式计算最低锻炼心率和最高锻炼心率。
　　220-年龄=最大心率(MHR)；
　　MHR*0.6=最低锻炼心率；
　　MHR*0.9=最高锻炼心率。
　　4.5.1分析
　　最低锻炼心率和最高锻炼心率之间，便是个人锻炼心率的范围。若实验结果在范围之内，则身体状况良好，锻炼充足；实验结果在范围之外，则实验者身体状况欠佳，应加强锻炼。运动员的运动时间更长、精力更旺盛的原因，是因为运动员常常锻炼，所以在锻炼时心脏的输出量比常人更大，血液循环更快，同时也吸入了更多的氧，使肌肉细胞进行有氧呼吸产生更多的能量。
　　正常人脉搏恢复的时间是大于10min的，一般为12min～15min。锻炼后的心率无法短时间内回复到运动前的水平，因为开始时的心率没有任何复加运动，机体的损耗程度小，处于较低心率水平。
　　
　　5　评估与扩展
　　
　　通过实验前设置的问题，学生在实验的过程中根据实验的现象探讨现象产生的原因，从而理解体内的血液循环系统，锻炼时心脏和肌肉的运动。不仅培养了学生思考问题的能力，也让学生在实验与学习的过程中更明确自身的身体条件，更加明白锻炼对身体健康的重要性。
　　采用最新的技术和简单方便的操作，让学生理解外观上身体的表现对健康状况的反映，也让学生学习到是怎样的体内活动(血液循环，肺循环)导致了身体外在的表现，不仅加深了学生印象，而且巩固了课堂上所学的理论知识。
　　生物传感器经过几十年的研究积累，技术改进，已进人开发应用的新时代，目前各种新的生物传感器不断开发出来，令人目不暇接。此外由于生物传感器具有快速、高选择性、高灵敏度、操作简便等优点，在中学生物实验中的应用前景将不可限量。